Cuestionario Fundicion Cap 10

PREGUNTASDEREPASO 10.1¿Porquélafundiciónesunprocesoimportantedemanufactura?

Esimportanteporquenospermiteproducirpartesyaseamuygrandesomuy pequeñasdecadaunodelosobjetosconlosqueestamosencontactodíaadía, esteprocesofueutilizadoporprimeravezhacealrededorde6milañosy constituyeunapartefundamentaldenuestrosmétodosdeproducción. 10.2¿Cuálesladiferenciaentrelasolidificacióndelosmetalespurosylas aleacionesmetálicas?10.3¿Quésonlasdendritas?

Debidoaqueunmetalpurotieneun Debidoaqueunmetalpurotieneunpuntodefusión(o Debidoaqueunmetalpurotieneunpuntodefusión(odesolidificación)claramente puntodefusión(odeso deso lidificación)claramente definido, se solidi solidific fica a a una una tempe temperat ratur ura a const constant ante, e, Luego Luego que la temper temperatu atura ra del metal metal fundidodesciendeasupuntodesolidificación,permanececonstantemientrasse disipasu calorlatentedefusión.Elmetalsolidificado,llamadofundición,sesacadel moldeyseenfríaalatemperaturaambiente. Lasolidificaciónenlasaleacionescomienzacuand Lasolidificaciónenlasaleac ionescomienzacuandolatemperaturadescie olatemperaturadesciendepor  ndepor  debajodelliquidus( TL)yterminacuandoalcanzaelsolidus, TS. Enesteintervalo de tempe temperat ratur uras, as, la aleaci aleación ón se encuen encuentra tra en un estad estado o blando o pastoso que consisteen dendritascolumnares Elanchodela zonapastosa (dondecoinciden lasfaseslíquidaysólida)esunfactorimportantedurantelasolidificación.Estazona lasfaseslíquidaysólida)es unfactorimportantedurantelasolidificación.Estazona sedescribeentérminos sedescribeentérminosdeunadife deunadiferencia rencia detemperatura,conocidacomo rangodesolidificación ode congelamiento congelamiento ,de lasiguientemanera: lasiguientemanera: Rangodesolidificación= TL - TS  10.3¿Quésonlasdendritas?

Esunaestructuraconr Esunaestructuraconramificaciones amificacionesrepetitivas, repetitivas, repetitivas,sedescrib sedescribenestasre sedescribenestasrelacionesen lacionesen términosdelamorfologíadelasdendritasylaconcentracióndeloselementosde aleaciónendiferentesregionesdelmetal.Lascomposicionesdelasdendritasy delmetallíquidosepresentaneneldiagramadefasesdelaaleaciónenparticular. Silaaleaciónseenfríademaneramuylenta,cadadendritadesarrollauna composiciónuniforme;sinembargo,enlascondicionesnormales(másrápidas)de enfriamiento,seformandendritasconnúcleo.Éstastienenunacomposición superficialdistintadeladesuscentros,diferenciaqueseconocecomogradiente deconcentración.Lasuperficiedeladendritatieneunaconcentraciónde elementosdealeaciónmayorqueladesunúcleo,debidoalrechazodelsoluto desdeelnúcleohacialasuperficiedurantelasolidificacióndeladendrita. desdeelnúcleohacialasuperficiedur  antelasolidificacióndeladendrita.

10.4Establezcaladiferenciaentrerangosdesolidificacióncortosylargos. 10.4Establezcaladiferenciaentre rangosdesolidificacióncortosylargos. ¿Cómosedeterminaelrango?

Unrangodesolidificacióncortocomprendeentre50ºC(90ºF),comoconsecuencia laestructurasevuelvemásfinayconespaciamientoreducidoentrelasdendritas. Enunrangodesolidificaciónlargocomprendeentre110ºC(200ºF),como consecuencialaestructuratiendeaserrugosa,conungranespaciamientoentre losbrazosdelasdendritas.

10.5¿Quéeselsobrecalentamiento? Elsobrecalentamientodefinidocomoelincrementodetemperaturadeunaaleación porencimadesupuntodefusión porencimadesupuntodefusión mejoralafluidezalretrasarlasolidificación.Con mejoralafluidezalretrasarlasolidificación.Con frecuencia se especifica la temperatura de vaciado en lugar del grado de sobrecalentamiento,porqueaquéllasedeterminamásfácilmente.

10.6Definacontracciónyporosidad.¿Cómopuedesabersilascavidadesen unafundiciónsedebenaporosidadoacontracción? Laporosidadenunafundiciónpuedeserocasionadaporcontracción,gases,opor  ambos.Sepuedendesarrollarregionesporosasdebidoalacontraccióndelmetal solidificado.Lasseccionesdelgadasdeunafundiciónsesolidificanantesquelas regionesgruesas;enconsecuencia,elmetalfundidofluyedentrodelasregiones másgruesasqueaúnnosehansolidificado.Lasregionesporosassepueden desarrollarenlapartecentraldebidoalacontracción,yaquelaregiónmásgruesa comienzaasolidificarseprimero.Tambiénpuededesarrollarsemicroporosidad cuandoelmetallíquidosesolidificaycontraeentrelasdendritasyentresus ramas.Laporosidadesdañinaparalaductilidaddeunafundiciónyparasu acabadosuperficial,haciéndolapermeabley,porlotanto,afectandola hermeticidadderecipientespresurizadosproducidosporfundido.

10.7¿Cuáleslafuncióndelosenfriadores? Lafuncióndelosenfriadoresconsisteenaumentarlavelocidaddesolidificación enlasregionescríticas,acelerarlasolidificacióndeunmetalenunáreadefinida delafundición.

10.8¿QuéeselnúmerodeReynolds?¿Porquéesimportanteenla fundición? Elnúmero deReynolds (Re) seutilizaparacuantificar este aspectodel flujodel fluido.Representalarelaciónentrelasfuerzasdelainerciaylasdelaviscosidad,y sedefinecomo: Re=ΡνD/п

dondeveslavelocidaddellíquido,Deldiámetrodelcanal,пsonladensidadyla viscosidaddellíquido,respectivamente.CuantomayorseaelnúmerodeReynolds, viscosidaddellíquido,respectivamente.Cuantomayorseaelnúmero deReynolds, mayor será la tendencia a que ocurra el flujo turbulento. En los sistemas de alimentación,Revaríatípicamenteentre2000y20,000,endondeunvalorsuperior  a2000representaflujolaminar.Entre2000y20,000representaunamezcladeflujo a2000representaflujolaminar.Entre2000y20,000r  epresentaunamezcladeflujo laminar y turbulento. Porlo general, esta mezcla seconsiderainofensiva en los sistemas de alimentación. Sin embargo, los valores de Re superiores a 20,000 constituyenunaturbulenciasevera,loqueproduceaireatrapadoylaformaciónde espuma(nataqueseformaenlasuperficiedelmetalfundido)porlareaccióndel metallíquidoconelaireyotrosgases. Lasimulacióndellenadodelmoldeayudaalosdiseñadoresaespecificarel diámetrodelcanal,asícomoeltamañoynúmerodebebederosycopasde vaciado.Paraasegurarqueloscanalessemantenganabiertos,eltiempode llenadodebeserunapequeñafraccióndeltiempodesolidificación,perola velocidadnodebesertanaltacomoparaerosionarelmaterialdelmolde(aloque seconocecomolavadodelmolde)oparaproducirunnúmerodeReynolds demasiadoalto(verlasiguienteparte).Encasocontrario,seproduceturbulenciay seatrapaaire 10.9¿Cómosedefinelafluidez?¿Porquéesimportante? Alacapacidaddelmetalfundidoparallenarlascavidadesdelmoldeselellama fluidez,queconstadedosfactoresbásicos:(1)lascaracterísticasdelmetal fundidoy(2)losparámetrosdefundición.Lassiguientescaracterísticasdelmetal fundidoafectanlafluidez. Viscosidad.Alaumentarlaviscosidadysusensibilidadalatemperatura(índice Viscosidad.Alaumentarlaviscosidadysusensibilidadalatemperatura(índice deviscosidad),lafluidezdisminuye. Tensiónsuperficial.Unatensiónsuperficialelevadaenelmetallíquidoreducesu Tensiónsuperficial.Unatensiónsuperficialelevadaenelmetallíquidoreducesu fluidez.Porestacausa,laspelículasdeóxidosobrelasuperficiedelmetalfundido tienenunefectoadversosignificativosobrelafluidez.Porejemplo,unapelículade óxidosobrelasuperficiedelaluminiopurofundidotriplicalatensiónsuperficial. a Inclusiones.Lasinclusionespuedenafectarsignificativamentelafluidezdebido Inclusiones.Lasinclusionespuedenafectarsignificativamentelafluidezdebidoa quesoninsolubles.Esteefectosepuedeverificarobservandolaviscosidaddeun líquido(comoelaceite)conpartículasdearenaosinellas;ellíquidoconarena tieneunaviscosidadmayory,porlotanto,unafluidezmenor. Patróndesolidificacióndelaaleación.Lamaneraenqueocurrela Patróndesolidificacióndelaaleación.Lamaneraenqueocurrela solidificación(sección10.2)puedeafectarlafluidez.Másaún,lafluidezes inversamenteproporcionalalintervalodesolidificación.Cuantomenoresel intervalo(comoenlosmetalespurosyenloseutécticos),mayorserálafluidez. Porelcontrario,lasaleacionesconintervalosmáslargosdesolidificación(como lasaleacionesdesolucionessólidas)tienenunafluidezmenor.Lossiguientes

parámetrosdefundiciónafectanlafluidezytambiénpuedenafectarelflujodel fluidoylascaracterísticastérmicasdelsistema.

Diseñodelmolde. Eldiseñoylasdimensionesdelbebedero,loscanalesylas mazarotas,afectanlafluidez. Materialdelmoldeysus característicassuperficiales .Cuantomayorseala Materialdelmoldeysuscaracterísticassuperficiales conductividadtérmicadelmoldeymásrugosassussuperficies,menorserála fluidezdelmetalfundido.Aunqueelcalentamientodelmoldemejoralafluidez, tambiénhacemáslentalasolidificacióndelmetal.Porende,lafundición desarrollagranosmásgruesosy,deahí,unamenorresistencia. Gradodesobrecalentamiento. Elsobrecalentamiento(definidocomoel incrementodetemperaturadeunaaleaciónporencimadesupuntodefusión) mejoralafluidezalretrasarlasolidificación.Confrecuenciaseespecificala temperaturadevaciadoenlugardelgradodesobrecalentamiento,porqueaquélla sedeterminamásfácilmente. Velocidaddevaciado .Cuantomenorsealavelocidaddevaciadodelmetal fundidodentrodelmolde,menorserálafluidez,debidoaquelavelocidadde enfriamientoesmayorcuandosevacíalentamente. Transferenciadecalor.Estefactorafectadirectamentelaviscosidaddelmetal líquido(vermásadelante).

10.10Expliquelasrazonesdelosdesgarramientosencalienteenlas fundiciones. .Lasrazonesdeldesgarramientoenlafundiciónsoneltamañogruesodelgrano (Crecimientodelgrano)ylapresenciadesegregacionesdebajopuntodefusióna lolargodeloslímitesdelgrano(Intragranulares).

10.11¿Porquéesimportanteretirarlanataoescoriaduranteelvaciadodel metallíquidodentrodelmolde?¿Quémétodosseutilizanpararetirarlos? metallíquidodentrodelmolde?¿Quémétodos seutilizanpararetirarlos? Laespumaolaescoriasepuedeneliminarcasiensutotalidadsólomediantela fundición al vacío. La fundición convencional atmosférica mitiga la espuma o la escoria mediante (a) desnatado, (b) el uso de sistemas de copas y canales de vaciado diseñados apropiadamente, o (c) el uso de filtros, que también pueden eliminarelflujoturbulentoenelsistemadecanales.Porlogeneral,losfiltrosse fabricanconcerámicas,micaofibradevidrio;suubicaciónycolocaciónapropiadas sonimportantesparaelfiltradoefectivodelanataylaescoria.

10.13¿PorquéesimportantelaecuacióndeBernoullienlafundición? LaecuacióndeBernoulliesdemuchaimportanciadebidoaquenosproporciona parámetroscomolapérdidadeenergíaporfricciónenelmetalliquidoconforme viajahaciaabajoatravésdenuestrosistema,estáperdidaincluyefactorescomo laperdidadeenergíaenlasinterfacesliquido-pareddelmoldeylaturbulenciaen ellíquido.

10.14Describalatixofundiciónylareofundición. 10.14Describalatixofundiciónyla reofundición. Tixofundicion:Podemosdefinircomootraformadeformadodemetalsemisólidoes Tixofundicion:Podemosdefinircomootraformadeformadodemetalsemisólidoes la  fundicióntixotrópica fundicióntixotrópica ,otixofundición,enlaqueunapalanquillasólidasecalienta hastaelestadosemisólidoydespuésseinyectaenunmoldedefundiciónapresión Reofundicion: Los brazos de las dendritas no son particularmente fuertes y se puedenrompermedianteagitaciónovibraciónmecánicaenlasetapasinicialesde la solidificación ( formado de metal semisólido y reofundición Este proceso produce un grano de tamaño más fino con granos no dendríticos equiaxiales distribuidosconmayoruniformidadalolargodelafundición

10.15Describalasetapascomprendidasenlacontraccióndelosmetales durantelafundición. Debidoasuscaracterísticasdedilatacióntérmica,losmetalesengeneralse contraen(comprimen)durantelasolidificaciónyseenfríanalatemperatura ambiente.Lacontracción,queprovocacambiosdimensionalesy(algunasveces) agrietamiento,eselresultadodetreseventosconsecutivos: 1.Lacontraccióndelmetalfundidoalenfriarseantesdesolidificar. 2.Lacontraccióndelmetalduranteelcambiodefasedelíquidoasólido(calor  latentedefusión). 3.Lacontraccióndelmetalsolidificado(lafundición)conformesutemperaturase reducealatemperaturaambiente.

10.16Expliquelasrazonesporlasquelatransferenciadecaloryelflujodel fluidosonimportantesenlafundicióndelosmetales. fluidosonimportantesenlafundiciónde losmetales. Latransferenciadecaloresunfactordecisivoenelenfriamientoyvelocidadde solidificacióndelasfundicionesafectandoasílaspropiedadesmecánicasyfísicas delafundición.Elflujodelfluidoenunfactorimportanteatomarencuentapara todosistemadefundiciónyoqueelmetalliquidonopuedeestarexpuestoal ambiente(creacióndeóxidoenlasuperficie)ysuflujodebeestarcontrolado

minuciosamenteparaevitarfallasenlafundiciónyaseaporsobrealimentacióno porlafaltadeesta.

10.17Sabemosquevaciarmetalaaltavelocidaddentrodeunmoldetiene ciertasdesventajas.¿Existealgunadesventajaenvaciarlomuylentamente? Lasvelocidadesdeenfriamientobajas(delordende102K/s),olostiemposlocales de solidificación largos, producen estructuras dendríticas gruesas con un gran espaciamientoentrelosbrazosdelasdendritas. Esdecir,unaestructuranomuyfinacomopasaríasiselovaciaríaaunmoldeaa Esdecir,unaestructuranomuyfina comopasaríasiselovaciaríaaunmoldeaa lta velocidad.

10.18Describaloseventosmostradosenlafigura10.5.

(a)Patronesdesolidificaciónparaelhierrofundidoenunafundicióncuadradade 180mm(7pulgadas).Observequedespuésde11minutosdeenfriamiento,las dendritassealcanzanunaaotra,perolafundicióntodavíaespastosaenel interior.Sonnecesariasdoshorasparaqueestafundiciónsesolidifique totalmente.(b)Solidificacióndeacerosalcarbonoenmoldedearenayenmolde deenfriamientorápido(metálico).Observeladiferenciaenlospatronesde solidificaciónconformeaumentaelcontenidodecarbono

10.19¿Lepreocuparíaelhechodequepartesdelosenfriadoresinternosse dejandentrodelafundición?¿Quématerialescreequedeberíanutilizarse dejandentrodela fundición?¿Quématerialescreequedeberíanutilizarse parafabricarlosenfriadoresyporqué?

Si,sepodríacausardañosenlacalidaddelafundiciónporellosefabricanconel mismomaterialdelafundición,deestamaneranoestaríamosafectandola composicióndenuestrafundición,cuidandoasílaspropiedadesespecificadas.

10.20¿Quédemostracionesprácticaspuedeofrecerparaindicarlarelación deltiempodesolidificaciónconelvolumenyeláreadelasuperficie? Eltiempodesolidificaciónestáenfuncióndelvolumendeunafundiciónydesu áreasuperficial(regladeChvorinov): Tiempodesolidificación=C(



^



DondeCesunaconstantequerefleja(a)elmaterialdelmolde,(b)laspropiedades delmetal(incluyendoelcalorlatente)y(c)latemperatura.Elparámetrontieneun valordeentre1.5y2,peroporlogeneralseconsidera2. Porlotanto,unaesferasólidagrandesesolidificaráyenfriaráalatemperatura ambienteaunavelocidadmuchomenorqueunaesferasólidapequeña.Larazón deestoesqueelvolumendeunaesferaesproporcionalalcubodesudiámetro,y eláreasuperficialesproporcionalalcuadradodesudiámetro.Demanerasimilar, puededemostrarsequeelmetalfundidosesolidificamásrápidoenunmoldecon formadecuboqueenunoesféricodelmismovolumen

5s 5s 1min min 2min min 6min min FIGURA10.11 Capa superficial solidificadaen unafundición de acero.El metal fundidorestanteseextraeenlostiemposindicadosenlafigura.Losobjetoshuecos decorativossefabricanmedianteunprocesollamadofundiciónhueca,quesebasa decorativossefabricanmedianteunproceso llamadofundiciónhueca,quesebasa enesteprincipio.   Fuente:H.F.Taylor,J.WulffyM.C.Flemings.

10.21Expliqueporquédesearíasometerunafundiciónadiferentes tratamientostérmicos. lasoperacionesenlostalleresdefundicióninicialmentecomprendíandosgrupos deactividadesseparadas.Elprimeroeslafabricacióndemodelosymoldes. Ahoraseutilizaneldiseñoylamanufacturaasistidosporcomputadoraytécnicas deproducciónrápidadeprototiposparaminimizarlapruebadeensayoyerror,y, deestamanera,mejorarlaeficiencia.Seutilizamaquinariaautomatizadapara minimizarloscostosdelamanodeobra,quepuedensersignificativosenla produccióndefundiciones.Elsegundogrupodeactividadeseslafusióndelos metales,controlandosucomposicióneimpurezasyvaciándolosenlosmoldes.El

restodelasoperaciones,comoelvaciadoenmoldesmanejadosen transportadoras,laagitación,limpieza,tratamientotérmicoeinspección,también sehanautomatizado.Estominimizalamanodeobra,reducelaposibilidadde errorhumano,aumentalacapacidaddeproduccióneincrementalosnivelesde calidad.Hoyendíaseutilizanampliamentelosrobotsindustrialesenlas operacionesdelasfundiciones,comolimpieza,cortedemazarotas,ventilacióny rociadodemoldes,vaciado,seleccióneinspección.Otrasoperacionessonlos sistemasautomáticosdealmacenamientoyentregademachosocorazonesy modelosmediantevehículosguiadosdemaneraautomática

10.22¿Porquélaporosidadtieneefectosdañinosenlaspropiedades mecánicasdelasfundiciones?¿Laporosidadtambiénpodríaafectarlas propiedadesfísicas(comolaconductividadtérmicayeléctrica)?Expliquesu propiedadesfísicas(comolaconductividadtérmicayeléc trica)?Expliquesu respuesta. Porquerompelacontinuidaddelaestructuradelafundiciónocasionandoque sufrafracturasdebidoaestasfallas,tambiénafectaríalaspropiedadesfísicas sufrafracturasdebidoaes tasfallas,tambiénafectaríalaspropiedadesfísicas comoconductividadtérmicadebidoaqueenlospuntosdondeexisteporosidadla masanoescontinuaasíquealflujodeenergíaledificultaríacircularpordicho material.

10.23Sevaafundirunvolantemanualderayosenhierrogris.Paraevitarel desgarramientoencalientedelosrayos,¿losaislaría,olosenfriaría? desgarramientoencalientedelosra yos,¿losaislaría,olosenfriaría? Expliquesurespuesta. Expliquesurespuesta. Ocurrecuandounmolde,quenocededurantelasetapasfinalesdelasolidificaciónoen lasetapasprimerasdeenfriamiento,restringelacontraccióndelafundicióndespuésdela solidificación.Estedefectosemanifiestacomounaseparacióndelmetal(deaquíel solidificación.Estedefectosemanifiestacomounaseparacióndel metal(deaquíel términodesgarramientooagrietamiento)enunpuntodondeexisteunaalta términodesgarramientooagrietamiento)enunpuntodondeexiste unaalta concentracióndeesfuerzos,causadoporlaindisponibilidaddelmetalparacontraerse concentracióndeesfuerzos,causadoporla indisponibilidaddelmetalparacontraerse naturalmente.Enlafundiciónenarenayotrosprocesosconmoldedesechableo naturalmente.Enlafundiciónenarenay otrosprocesosconmoldedesechableo consumible,estoseprevienearreglandoelmoldeparahacerloretráctil.Enlos consumible,estoseprevienearreglandoel moldeparahacerloretráctil.Enlosprocesos procesos demoldepermanentesereduceeldesgarramientoencaliente,alsepararlafundicióndel moldeinmediatamentedespuésdelasolidificación.

10.24¿Cuál(es)dela(s)siguiente(s)consideración(es)es(son)importante(s) paraqueunamazarotafuncioneapropiadamente?Ésta(s)debe(n):(a)tener  paraqueunamazarotafuncione apropiadamente?Ésta(s)debe(n):(a)tener  unáreasuperficialmayorquelapartequeseestáfundiendo,(b)mantenerse abierta(s)alapresiónatmosférica,y/o(c)solidificarprimero?¿Porqué? ElegimoslaopciónA, sirvenparalaalimentacióndelaspiezasenel sirvenparalaalimentacióndelaspiezasenelperiodode periodode solidificación,conelfindecompensarlascontraccionesdelmetal,yevitarla formaciónenlaspiezasderechupesyporosidades,generalmentesecolocan sobrepartesdensasdelosnudostérmicosdelaspiezas

PROBLEMASCUALITATIVOS Problemascuantitativos283 10.25ExpliqueporquélaconstanteCenlaecuación10.7dependedel materialdelmolde,delaspropiedadesdelmetalydelatemperatura. Porqueeltiempodesolidificacióndeunafundiciónnodependesimplementedel áreasuperficialyvolumendeunafundiciónsinotambiéndelaspropiedades físicasdelosmaterialesqueestáninteractuandocomoserelmaterialdelmolde (calorespecíficoyconductividadtérmica),propiedadestérmicasdelmetalde fundición(calordefusión,calorespecíficoyconductividadtérmica),yla temperaturarelativadevaciadoconrespectoalpuntodefusióndelmetal.

10.26¿Losenfriadoresexternossontanefectivoscomolosinternos? Expliquesurespuesta. Losenfriadoresinternossefabrican conelmismomaterialquelafundiciónyse Losenfriadoresinternossefabricanconelmismomaterialquelafundiciónyse dejandentrodeella.Sinembargo,puedensurgirproblemasrelativosalafusión apropiadadelosenfriadoresinternosconlafundición;porello,lostalleresde fundiciónsuelenevitarelusodedichosenfriadores.Losenfriadoresexternos puedenserdelmismomaterialoserdehierro,cobreografito.

10.27Expliqueporquéla fundicióndehierrogrissufreunadilataciónen 10.27Expliqueporquélafundicióndehierrogrissufreunadilataciónen lugardeunacontraccióndurantelasolidificación,comosemuestraenla tabla10.1. Larazónesqueelhierro griscontienegrafito,elgrafitotieneunvolumen Larazónesqueelhierrogriscontienegrafito,elgrafitotieneunvolumen específicorelativamentealtoycuandoseprecipitaenformadehojuelasdegrafito, alsolidificarselafundicióndehierrogris,provocaunadilataciónnetadelmetal.

10.28Enrelaciónconlafigura10.11,expliqueporquélasesquinasinternas (comoA)desarrollanunacapasuperficialmásdelgadaquelasesquinas externas(comoB)durantelasolidificación. Enlafigura10.11semuestranlosefectosdelageometríadelmoldeyeltiempo transcurridosobrelaformayelespesordelacapasuperficial.Comoseilustra,el metalfundido nosolidificadose havaciado delmolde a diferentes intervalos de tiempo, que van de cinco segundos a seis minutos. Obsérvese que (como se esperaba)elespesordelacapasuperficialaumentaconeltiempotranscurridoyla esperaba)elespesordelacapa superficialaumentaconeltiempotranscurridoyla capaesmásdelgadaenlosángulosinternos(puntoAdelafigura)queenlos externos(puntoB).Estaúltimacondiciónesocasionadaporunenfriamientomás lentoenlosángulosinternosqueenlosexternos.

10.29Observelaformadelasdosmazarotasdelafigura10.8ydiscutasus observacionesenrelaciónconlaecuación10.7.

Porlotanto,unaesferasólidagrandesesolidificaráyenfriaráalatemperatura ambienteaunavelocidadmuchomenorqueunaesferasólidapequeña.Larazón deestoesqueelvolumendeunaesferaesproporcionalalcubodesudiámetro,y eláreasuperficialesproporcionalalcuadradodesudiámetro.Demanerasimilar, puededemostrarsequeelmetalfundidosesolidificamásrápidoenunmoldecon formadecuboqueenunoesféricodelmismovolumen

10.30¿Existealgunadiferenciaentrelatendenciaalaformacióndehuecos porcontracciónenlosmetalesconrangosdesolidificacióncortosylargos, porcontracciónenlosmetalesc onrangosdesolidificacióncortosylargos, respectivamente?Expliquesurespuesta. Si,EnelcasodelosRangosdesolidificaciónlargosexisteungranespaciamiento entrelosbrazosdelasdendritas,ocasionandomayordensidaddehuecospor  contracción(microporosidad),enunrangodesolidificacióncortoesteproblemase vereducidoyaqueelespaciamientoentrelosbrazosdelasdendritasesreducido. 10.31¿Cuáleslainfluenciadeláreadeseccióntransversaldelcanalespiral delafigura10.9sobrelosresultadosdelapruebadefluidez?¿Cuálesel efectodelaalturadelbebedero?Siestapruebaserealizaconeldispositivo depruebacalentadoatemperaturaselevadas,¿seríanmásútileslos depruebacalentadoatemperaturaselevadas, ¿seríanmásútileslos resultadosdelaprueba?Expliquesurespuesta. Elefectodel métododepruebadefluidezenel métododepruebadefluidezenelqueseutilizaun queseutilizaunmoldeespiral.El moldeespiral.El índicedefluidezeslalongituddelmetalsolidificadoenelpasajeespiral.Cuanto

mayorsealalongituddelmetalsolidificado,mayorserálafluidez.Silapresiónen lapartesuperiordelbebederoesigualalapresiónenelfondoynoexiste npérdidas npérdidas porfricción,larelaciónentrelaalturayeláreadelaseccióntransversalenc porfricción,larelaciónentrelaalturayelárea delaseccióntransversalencualquier  ualquier  puntodelbebederoestádadaporlarelaciónparabólica:

=  

10.32Losfundidoresyfabricantesdelingoteshanobservadodurante muchotiempoquelastemperaturasbajasdevaciado(esdecir, sobrecalentamientobajo)promuevenlaformacióndegranosequiaxiales sobrecalentamientobajo)promuevenlaformacióndegranos equiaxiales sobregranoscolumnares.Igualmente,losgranosequiaxialessevuelven másfinosaldisminuirlatemperaturadevaciado.Expliqueestosfenómenos. másfinosaldisminuirlatemperaturadevac iado.Expliqueestosfenómenos.

Debidoaqueunmetalpurotieneunpuntodefusión(odesolidificación) claramentedefinido,sesolidificaaunatemperaturaconstante.Luegoquela temperaturadelmetalfundidodesciendeasupuntodesolidificación,permanece constantemientrassedisipasucalorlatentedefusión.Elfrentedesolidificación (interfazsólido-líquido)semueveatravésdelmetalfundidodelasparedesdel moldehaciaelcentro.Elmetalsolidificado,llamadofundición,sesacadelmoldey seenfríaalatemperaturaambiente.Enlasparedesdelmolde,queseencuentran alatemperaturaambiente,oalmenosmuchomásfríasqueelmetalfundido,el metalseenfríaconrapidezyproduceunacapasuperficialsolidificada,ocáscara, definosgranosequiaxiales.Éstoscrecenendirecciónopuestaaladela transferenciadecaloratravésdelmolde;losquetienenunaorientaciónfavorable crecendemanerapreferencialyselesllamagranoscolumnares.Conformela fuerzaimpulsoradelatransferenciadecalorsereduce,alejándosedelas paredes,losgranossevuelvenequiaxialesygruesos;losquetienenorientaciones sustancialmentediferentesvenbloqueadosucrecimientoposterior.Atal desarrollodelosgranosseleconocecomonucleaciónhomogénea,loque significaquelosgranos(cristales)crecensobresímismos,apartirdelapareddel molde.

10.33¿Quéesperaríaqueoc urriera(alfundiraleacionesmetálicas)siel 10.33¿Quéesperaríaqueocurriera(alfundiraleacionesmetálicas)siel moldeseagitaraagresivamentedespuésdequeelmetalfundidoestuvo dentrodelmoldeeltiemposuficienteparaformarunacapasuperficial? dentrodelmoldeeltiemposuficienteparaformaruna capasuperficial?

Sibienlacapasuperficialnoseveríaafectadadebidoasermásresistentequeel restodelcontenido,seafectaríademaneraabruptalasespecificacionesdadas paralafundiciónysusrespectivaspropiedadesmecánicas.

10.34Siexaminauncubodehielocomún,verácavidadesygrietasenel mismo.Sinembargo,algunoscubosdehielosondeformatubularyno tienencavidadesdeaireogrietasapreciablesensuestructura.Explique estefenómeno. Las regiones porosas se pueden desarrollar en la parte central debido a la contracción,yaquelaregiónmásgruesacomienzaasolidificarseprimero.También puededesarrollarsemicroporosidadcuandoelmetallíquidosesolidificaycontrae entrelasdendritasyentresusramas. Lomismoocurrecuandocongelamosagua paravolverhieloaparecenrugosidadesocavidadescentralesporquealsolidificarse secontraenloscomponentesdelagua.

10.35¿Cómopuedesabersilascavidadesenunafundiciónsedebena contracciónoaburbujasdeaireatrapadas? Laestructuradelosgranosdelasfundicionessepuedecontrolarpordiferentes mediosparaobtenerlaspropiedadesdeseadas.Debidoaquelosmetalesse contraendurantelasolidificaciónyelenfriamiento,sepuedenformarcavidadesen lafundición.Laporosidadoriginadaporlosgasesliberadosdurantela solidificaciónpuedeserunproblemasignificativo,enparticulardebidoasuefecto adversosobrelaspropiedadesmecánicasdelasfundiciones.Tambiénpodrían presentarsediversosdefectosenlasfundicionesacausadelafaltadecontrolde lasvariablesdelmaterialydelproceso.

10.36Describalasdesventajasdetenerunamazarotaquesea:(a) demasiadogrande,y(b)demasiadopequeña. a)demasiadogrande.-Costosinnecesariospordesperdiciodematerias excedente,ademásresultaotrocostocontrolarquelascondicionesdelmetal liquidoseanlasadecuadas. b)Demasiadopequeña.-Secorreelriesgodequeelmetalessolidifique antesdelafundiciónyresultaríadificultosoalimentaradecuadamentelafundición.

10.37¿Cuálessonlosbeneficiosyperjuiciosdetenerunatemperaturade vaciadoqueseamuchomayorquelatemperaturadefusióndeunmetal? ¿Cuálessonlasventajasydesventajasdetenerunatemperaturadevaciado quepermanezcacercanaalatemperaturadefusión? Lasventajasdelafundiciónenmoldepermanenteincluyenbuenacabadodelasuperficie ycontroldimensionalestrecho,comoyasemencionó.Además,lasolidificaciónmás ycontroldimensionalestrecho,comoyase mencionó.Además,lasolidificaciónmás rápidacausadaporelmoldemetálicogeneraunaestructuradegranomásfino,deesta formapuedenproducirsefundicionesmásresistentes.Elprocesoestálimitado

generalmenteametalesdebajo puntodefusión.Lamanufacturadeformasgeométricas generalmenteametalesdebajopuntodefusión.La manufacturadeformasgeométricas mássimplesquelasfundidasenmoldedearena(debidoalanecesidaddeabrirelmolde) mássimplesquelasfundidasenmoldedearena(debidoalanecesidaddeabrir elmolde) constituyeotralimitación,ademásdelcosto.Debidoalcostosustancialdelmolde,el constituyeotralimitación,ademásdelcosto.Debidoal costosustancialdelmolde,el procesoseadaptamejoraproduccionesdealtovolumenquepuedenautomatizarse.Las procesoseadaptamejora produccionesdealtovolumenquepuedenautomatizarse.Las partestípicasqueseproducenconprocesodemoldepermanenteincluyenpistones partestípicasquese producenconprocesodemoldepermanenteincluyenpistones automotrices,cuerposdebombasyciertasfundicionesparaavionesyproyectiles. automotrices,cuerposdebombasyciertasfundicionesparaavionesy proyectiles.

PROBLEMASCUANTITATIVOS 10.38Dibujeunagráficadevolumenespecíficoenfuncióndelatemperatura paraunmetalquesecontraealenfriarsedelestadolíquidoalatemperatura ambiente.Enlagráfica,marqueeláreaenlaquelasmazarotascompensan lacontracción.

10.39Unafundiciónredondatiene0.2m(7.9pulgadas)dediámetroy0.5m (19.7pulgadas)delongitud.Otrafundicióndelmismometaltienesección (19.7pulgadas)delongitud.Otrafundicióndelmismome taltienesección transversalelípticaconunarelacióndeejesmayoramenorde2ytienela mismalongitudyáreadeseccióntransversalquelafundiciónredonda. Ambaspiezassefundenenlasmismascondiciones.¿Cuálesladiferencia entrelostiemposdesolidificacióndelasdosfundiciones? Solidificaráyenfriaráalatemperaturaambienteaunavelocidadmuchomenorque unaesferasólidapequeña.Larazóndeestoesqueelvolumendeunaesferaes proporcionalalcubodesudiámetro,yeláreasuperficialesproporcionalalcuadrado de sudiámetro.De manera similar, puede demostrarse queel metalfundido se solidificamásrápidoenunmoldeconformadecuboqueenun solidificamásrápidoenunmoldecon formadecuboqueenunoesféricodelmismo oesféricodelmismo volumen.Enlafigura10.11semuestranlosefectosdelageometríadelmoldeyel tiempotranscurrido sobre laformay elespesorde lacapasuperficial. Como se

ilustra, el metal fundido no solidificado se ha vaciado del molde a diferentes intervalosdetiempo,quevandecincosegundosaseisminutos.Obsérveseque (como se esperaba) el espesor de la capa superficial aumenta con el tiempo transcurridoylacapaesmásdelgadaenlosángulosinternos(puntoAdelafigura) transcurridoylacapaesmásdelgadaenlosán gulosinternos(puntoAdelafigura) que en los externos (punto B). Esta última condición es ocasionada por un enfriamientomáslentoenlosángulosinternosqueenlosexternos.

10.40Unaplacacuadradade100mm(4pulgadas)deespesoryuncilindro rectocircularconunradiode100mm(4pulgadas)yunaalturade50mm tienenelmismovolumen.Sisevaafundircadaunodeellosutilizandouna mazarotacilíndrica,¿cadaunadelaspiezasrequeriráunamazarotadel mismotamañoparaasegurarunaalimentaciónapropiada?Expliquesu respuesta. DATOS 

- e=100mm - e= 100mm

condición: V1=V2

- - r=100mm - h=50mm

RESP.- Lasmazarotassirvencomocontenedoresquesuministranmetalfundidoa lafundiciónconformesecontraedurantelasolidificación;enestecasocomoel volumendelaplacacuadradaeslamismaqueelvolumendelcilindroseob volumendelaplacacuadradae slamismaqueelvolumendelcilindroseobtendrá tendrá lasmismascantidadesdematerialfundido,porlotantosenecesitarasoloun tamañodemazarotaparaunaalimentaciónapropiada.

10.41Supongaquelapartesuperiordeunbebederoredondotieneun diámetrode3pulgadas(75mm)yunaalturade8pulgadas(200mm)desde elcanaldealimentación.Conbaseenlaecuación10.5,grafiqueelperfildel diámetrodelbebedero,enfuncióndesualtura. 10.41Supongaquelapartesuperiordeunbebederoredondotieneun diámetrode3pulgadas(75mm)yunaalturade8pulgadas(200mm)desde elcanaldealimentación.Conbaseenlaecuación10.5,grafiqueelperfildel diámetrodelbebedero,enfuncióndesualtura. Supongaqueelfondodelbebederotieneundiámetrode0.25pulgadas(6 mm).

 =   = √

ec.10.5

D1=3¨=75mm D1=3¨=75mm H1=8¨=200mm H2=0.25¨=6mm

3 4  = √0.25  8 4 9  == √2  8 (6 √2) 2) = √  = 36 ¨ 10.42Sevacíaaluminiopuroenunmoldedearena.Elniveldelmetalenla copadevaciadoes8pulgadasporencimadelniveldelmetaldentrodel moldeyelcanaldealimentaciónescircularconundiámetrode0.5 pulgadas.¿Cuáleslavelocidadyelgastodelflujodemetaldentrodel molde?¿Elflujoeslaminaroturbulento? molde?¿Elflujoeslaminaro turbulento?

 = 2ℎ= 2 ℎ= 2 29.8 9.80.2032 0.2032 = 1.9957 = 2 

H=0.2032m D=0.0125m

 



∗  =   =   . 

.∗.∗ = =16838.7188(flujo 16838.7188(flujolaminar) laminar)  = .∗.∗ .

=0.00025 =0.00025

   

10.43Uncilindroconundiámetrode1pulgadayunaalturade3pulgadas sesolidificaentresminutosenunaoperacióndefundiciónenarena.¿Cuál eseltiempodesolidificaciónsiseduplicalaalturadelcilindro?¿Cuálesel tiemposiseduplicaeldiámetro? DATOS 

D1=1 D1=1

Ts2= Ts2=? ? si H2=2H1

H1=3pulg H1=3 pulg

Ts3=? Ts3= ? si D2=2D1

Ts1=3min. N=2 Ts=C Ts= C((

OPERACIONES 



)n

.

ParaTs2=? H2=2*h1 H2=2 *h1= = 2*3=6Pulg. 2*3=6Pulg. V2= пr2H= п(0.52)(6)= )(6)=4.712 4.712pulg. pulg.

Ts2=C Ts2= C(4.712/10.995)^2 (4.712/10.995)^2 TS2= TS2 =0.184C 0.184C

A2=2пr2+2пr2H=10.995

ParaTs3=? H3=2*h1 H3=2 *h1= = 2*3= 2*3=6Pulg. 6Pulg. V3= пr2H= п(12)(6)=18.850 )(6)=18.850pulg. pulg.

Ts3=C Ts3= C(18.850/43.982)^2 (18.850/43.982)^2 TS3= TS3 =0.184C 0.184C

A3=2пr2+2пr2H=43.982

10.44Elgastovolumétricodemetaldentrodeunmoldeesde0.01m3/s.La partesuperiordelbebederotieneundiámetrode20mmyunalongitudde 200mm.¿Quédiámetrodeberáespecificarseparaelfondodelbebederoa findeevitarlaaspiración?¿CuáleslavelocidadyelnúmerodeReynolds resultantesenelfondodelbebederosielmetalquesevaafundires aluminioconunaviscosidadde0.004Ns/m2? Q=0.01

 

D=20mm=0.02m Viscosidad=0.004

 

Densidad=2700 Re=

 

   

Q=A  Q=A  =

  

=

=

  .  . 



.



  =0.637

0.6370.022700   =8599.5 =8599.5   0.004

10.45Unmolder ectangularcondimensionesde100mm 10.45Unmolderectangularcondimensionesde100 mm 200mm400mm 200mm400mmse se llenaconaluminiosinsobrecalentamiento.Determinelasdimensiones finalesdelapartealenfriarsealatemperaturaambiente.Repitaelanálisis finalesdelaparteale nfriarsealatemperaturaambiente.Repitaelanálisis paraelhierrofundidogris. Aluminio V=0.1*0.2*0.4=8*10 -3m3 7.1%decontracciónatemperaturaambiente 7.1%de contracciónatemperaturaambiente Vf=7.432*10 =7.432*10 -3m3 Hierrofundidogris V=0.1*0.2*0.4=8*10 -3 m3 2.5%dedilataciónatemperaturaambient 2.5%dedilataciónatemperaturaambiente e Vf=8.2*10 =8.2*10 -3 m3

10.46LaconstanteCenlaregladeChvorinovestáda dacomo3s/mm2yse 10.46LaconstanteCenlaregladeChvorinovestádadacomo3s/mm2yse utilizaparaproducirunafundicióncilíndricaconundiámetrode75mm utilizaparaproducirunafundicióncilíndricacon undiámetrode75mmyy unaalturade125mm.Estimeeltiempoenquelafundiciónsesolidificará totalmente.Elmoldesepuederomperconseguridadcuandolacáscara solidificadatienecuandomenos20mm.Suponiendoqueelcilindroseenfría demodouniforme. DATOS 

C=3s/mm 2 D=75mm D= 75mm

Ts=C(



)n

.

V= пr2H=(п)(3705)2(125) V=552233.084mm 3

A=6 A=6пr2=6(п)(37.52) A=26507.188mm2

H=125mm N=2 N=2

Ts= Ts=3*(552233.084/26507.188)^2 3*(552233.084/26507.188)^2

Ts=? Ts=?

Ts= Ts=1302.083 1302.083min min

10.47Supongaqueesuninstructorquedominalostemasdescritoseneste capítuloyqueestáentregandouncuestionariosobrelosaspectos numéricosparaexaminarelgradodecomprensióndelosestudiantes. Preparedosproblemascuantitativosyproporcionelasrespuestas Aquévelocidadsellenaraunmoldedeunaesferadediámetro=10cmquese encuentraa20cmdelabasedelbebedero(considereunfactordefriccióndec= 0.4) ▪

Solución: SóloreemplazarenlaecuaciónV=c*(2gh)^1/2 determineelvalordeReynoldsydeterminesielflujoeslaminaroturbulento.De lossiguientesdatos: ▪

v=20cm/s D=0.3m Densidad=997.4kg/m^3 Viscosidad=20centipoise

SoluciónSoloreemplazarenlaecuacióndeReynolds Re=V*D*densidad/viscosidad