FUNDICIÓN CENTRÍFUGA TERMINADO

FUNDICIÓN CENTRÍFUGA Dr. Ing. Victor M. Alcantara Alza INGENIERÍA MECÁNICA Integrantes: •

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Altamirano Espinoza, Mario Cabanillas Lezama, Rayder Flores Silva, Anibal Malásquez León, Alex Oribe Castillo, Christian

HISTORIA •

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1809, Antonio G. Eckhardt. 1848, T. T. G. Lovegrove, en Baltimore (USA), producción de tubos de hierro fundido. 1920, teoría de fundición centrífuga es formalizada. En Latinoamérica, 1914 en Brasil, Fernando Arens en colaboración con Sensaud De Lavaud. En Argentina, desde 1915, en los talleres TAMET.

HISTORIA •

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1809, Antonio G. Eckhardt. 1848, T. T. G. Lovegrove, en Baltimore (USA), producción de tubos de hierro fundido. 1920, teoría de fundición centrífuga es formalizada. En Latinoamérica, 1914 en Brasil, Fernando Arens en colaboración con Sensaud De Lavaud. En Argentina, desde 1915, en los talleres TAMET.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES FUERZA CENTRÍFUGA  =  = •

 =    í í  (; )

•

 =  (; )

•

 =         (/ (/) )

•

 =       é é   (/ (/;; /) /)

 

FACTOR G Relación entre fuerza centrífuga y fuerza gravitacional

  =

 

=

 

Tenemos así N (rpm), en relación del factor G, y el diámetro de la masa

  =

   30



 =

0.011 

 × 

=



= 42.3

0.011







Cuando fundición en centrifuga vertical se tiene, la siguiente relación

2



 =

=

30 2 



×

     

 

  



= 42.3

     



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L, longitud vertical de la fundición Rt, Radio interno de la parte superior de la fundición Rb, Radio interior en el fondo de la fundición

SOLIDIFICACIÓN Y ALIMENTACIÓN •

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Condiciones favorables a la solidificación direccional, debido al elevado gradiente de temperatura radial. Gradiente de temperatura elevado y mejores condiciones del enfriamiento ocurren en la zona exterior de la fundición. Aumento de espesor de la pared de la pieza, o relación de longitud/diámetro se reduce, gradientes de temperaturas radiales se hacen menos pronunciados. Tolerancia adecuada debe tenerse en cuenta sobre dimensiones del molde.

 SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN CENTRIFUGA HORIZONTAL

El calor es removido cuando se solidifica la colada solamente a través de un molde enfriado con agua fría en las paredes. La solidificación empieza en el exterior del diámetro de la colada y continúa hacia el interior.

En el aspecto térmico de la solidificación, los parámetros con efectos más evidentes son el grado de sobrecalentamiento del metal líquido y el espesor del baño de enfriamiento del molde.

SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICION CENTRIFUGA VERTICAL Al introducir el metal líquido en el molde comienza el proceso de transferencia de calor que provoca la solidificación del metal, el cual se efectúa en régimen no estacionario, es decir, que el gradiente de temperatura, las propiedades termo físicas del metal fundido y el molde cambian continuamente con el tiempo.

INCLUSIONES •

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Función de fuerza centrífuga es hacer que inclusiones no metálicas segreguen en la superficie interna del cilindro. En colada estática la separación de inclusiones depende de la fuerza neta gravitacional que actúa en cada partícula suspendida, fundición centrífuga es aumentada.

PARTICULARIDADES DE LA FORMACIÓN DE LA MOLDURA •

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Durante la colada centrífuga la moldura se solidifica y se enfría en el instante de formación de la fuerza centrífuga tanto por el lado exterior del molde como por el lado interior de la superficie libre, formando radiación y convección del aire. La masa fundida más fría, y por tanto más densa, se mueve desde la superficie libre hacia la pared del molde, esto contribuye a la solidificación de la moldura. Las partículas livianas (escorias, partículas no metálicas, burbujas de gas), que tienen menor densidad que la masa fundida, se dirigen hacia la superficie libre de la moldura (mazarota). Esto también contribuye al aumento de la densidad de la moldura y al mejoramiento de su calidad.

¿En qué consiste esta fundición? •

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Introducción del metal fundido en un molde que gira durante llenado, enfriamiento y la solidificación de la pieza. Fuerza centrífuga influye en la distribución del metal líquido sobre las superficies externas del molde. Desarrollo de alta presión durante solidificación y enfriamiento, ayuda a alimentación y acelera separación de inclusiones no metálicas y gases inducidos. Tenemos centrifuga pura, semicentrifuga y centrifuga a presión.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FUNDICIÓN CENTRÍFUGA

El método de colado centrífugo trabaja con magnitudes de presión inferiores a las del proceso de inyección

la calidad de la fundición centrifuga es inferior que la de inyección en moldes metálicos

El eje horizontal de rotación del molde se emplea para la mayoría de las molduras

El eje vertical se usa cuando se quiere obtener molduras sin el orificio central, artículos perfilados que se llenan a través del canal vertical.

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VENTAJAS

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Al fundir cilindros huecos no se requiere machos para formar el orificio Un gasto mínimo de metal para bebederos La solidificación del metal bajo la acción de las fuerzas centrífugas contribuye a obtener molduras compactas

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DESVENTAJAS

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Durante el llenado del molde se intensifica la segregación de los componentes de la aleación La acumulación de suciedades en la superficie interior de segregados e inclusiones no metálicas Si la coquilla tiene fallas, las molduras también las tendrán, es decir que el producto final (moldura), depende directamente de la calidad del molde.

MOLDES EN LA FUNDICIÓN CENTRÍFUGA •

Moldes se descomponen en cuatro partes

MOLDES REEMPLAZABLES •

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Arena verde, vertimiento se empieza lentamente Arena seca Mold washes, el lavado endurece la superficie del molde y reduce al mínimo la erosión del molde por el metal fundido. Para la arena verde, por lo general comenzar vertiendo metal fundido a una velocidad de giro lentamente., luego se va incrementando lo necesario para prevenir o reducir la erosión en las cavidades del molde.

COSTOS DE MOLDEO •

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Moldes de arena verde tiene un costo similar al de fundición estática Arena seca, costo de moldeado puede ser más alto, pero resulta un ahorro de costos, en limpieza.

OTRAS CONSIDERACIONES •

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Concentricidad para evitar vibración. Cuando se utiliza noyos, resistencia suficiente para fuerzas impuestas por la velocidad de rotación. En arenas, velocidades de rotación relativamente lentos, erosión de moldes excesivo generalmente no ocurre.

TABLA 1 Comparación de los rendimientos de fundición estática para

diversos y fundición centrífuga

LOS MOLDES PERMANENTES •

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También se conoce como fundición en molde duro. Son técnicas de una utilización mucho más restringida que las de los moldes perdidos debido a que no pueden utilizarse para todas las aplicaciones, se emplean también noyos que pueden ser de metal o arena. Los materiales más comunes para moldes permanentes son de acero, el cobre, y el grafito. Las aplicaciones del proceso son para aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, hierro gris, sirven especialmente para hacer pistones automotrices, cabezas del cilindro, bielas, discos en bruto, etc.

MOLDES DE ACERO: •

Se utilizan para emitir grandes cantidades y para algunas aleaciones de fundición que requieren condiciones de solidificación específicas. Moldes de acero son sensibles al choque térmico; alúmina-óxido de circonio(la alúmina está disponible en los grados de pureza del 88% al 99,99% con las propiedades variando en consecuencia) o de la base del molde aerosoles se utilizan para reducir los choques térmicos a la moldear y para mejorar la superficie del molde Figura 9: Modelo de molde de acero

MOLDES DE COBRE: •

Se utilizan a veces por su alta conductividad térmica. Su relativamente alto costo y la dificultad de cálculo de las dimensiones correctas de estos moldes de limitar su campo de aplicación.

Figura 10: Modelo de molde de cobre

MOLDES DE GRAFITO: •

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 El grafito es el material del molde de elección en la colada de 80% bronces de Cu, de alto latones fósforo y otras aleaciones de cobre. El grafito tiene una excelente conductividad térmica (La conductividad térmica del grafito usado para los moldes de colada continua es en el rango de (80 a 140 W/m°K), que es comparable a la conductividad térmica de los metales: alumino (222 W/m°K), el acero (65 W/m°K). La conductividad térmica del grafito dependen de la temperatura: se disminuye a la mitad cuando la temperatura se eleva a (704°C) y la resistencia al choque térmico, y se mecaniza fácilmente. Relativamente bajo coste, moldes de grafito pueden ser una alternativa económica a la arena en la producción de pequeñas cantidades de partes.

Figura 11: Modelo de molde de grafito

PROCESOS DE FUNDICIÓN CENTRIFUGA •

La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un, molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado. •

El grupo incluye: • • •

Fundición Centrífuga real Fundición Semicentrífuga Fundición Centrifugada o Centrifugado

1. FUNDICIÓN CENTRÍFUGA REAL •

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El proceso consiste en llenar de material fundido al molde de manera uniforme, y hacerle girar sobre su eje de rotación. El eje de rotación de la pieza es el mismo que el eje de rotación del molde. El proceso puede ser vertical u horizontal y no se necesita de un noyo para el centro. Las fundiciones producidas con este método siempre tienen un cilindro al interior del diámetro, independientemente de la forma o configuración del molde.

Figura 13: Fundición centrífuga verdadera a) Vertical y b) Horizontal

Producción de tubos largos •

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La mayoría de los tubos largos son producidos sobre máquinas de eje horizontal, usando moldes de arena o metálicos. Uno de los problemas principales en la producción de tubos largos es alcanzar la distribución uniforme de metal sobre la extensa superficie del molde. El proceso es ilustrado en la Figura 14, donde un canalón, provisto de una cuchara automática, introduce el metal hasta el extremo del molde. Durante el proceso de vertido el molde que rota, se desplaza por medio de unos rodachines, tal como se muestra.

Figura 14. Esencial de la máquina de fundición de tubos

Producción de bujes •

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Los bujes de longitud corta pueden ser producidos en máquinas de eje horizontal o vertical. Un tipo de máquina de eje horizontal es ilustrado en la Figura 16. Este principio es usado en la producción de cilindros. El molde, por lo general, consiste en un dado de metal intercambiable apoyado dentro de un sostenedor de acero.

Figura 16.  Esencial de la máquina centrifuga del eje horizontal y del montaje de dado centrífugos para la producción de bujes cortos

2. FUNDICIÓN SEMICENTRÍFUGA •

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Es un método en el que el material fundido llega a los extremos de los moldes, por la fuerza centrífuga generada cuando estos giran, los extremos se llenan del metal fundido, con buena densidad y uniformidad, el centro tiene poco material y poca densidad, por lo que a futuro es maquinado. Este proceso se usa en fundiciones con configuraciones determinadas, girando la colada y el molde en el eje. La solidificación es similar a la sucedida en la fundición estática, solo que en el molde giratorio la presión es mayor debido a las fuerzas centrífugas.

Figura 19. Fundición Semicentrífuga

3. FUNDICIÓN CENTRIFUGADA •

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En este método la colada gira alrededor del eje de rotación, las piezas están colocadas simétricamente en la periferia del eje permitiendo la producción de múltiples fundiciones, siendo así el de más amplio campo de aplicación. La fuerza centrífuga provee la necesaria presión en el metal líquido de misma manera que en el colado semicentrífugo, este método de fundición se usa para producir cuerpos y cuerpos de válvula, tapones, yunta, llaves, y amplias variedades en fundiciones industriales.

FIGURA 22: (a)Fundición centrifugada: la fuerza centrífuga hace que el metal fluya a las cavidades del molde lejos del eje de rotación, (b)la fundición.

APLICACIONES TÍPICAS DE FUNDICIONES CENTRIFUGAS 1. Real.

Tubos para agua, gas y aguas residuales. Tubería para reformadores. Tubos radiantes. Tubos para agua de lluvia Cojinetes. Pistón Cilindros. Rodillos de fabricación de papel. Anillos de turbina de gas

2. Semicentrífuga. Cajas de inyector. Engranajes. Poleas.

3. Centrifugada.

Bisagras. Soportes. Fundiciones dentales. Joyería.

Hierro fundido. Aceros resistentes al calor. Hierro fundido. Aleaciones de cobre. Hierro fundido. Aleaciones de cobre

Aceros resistentes al calor. Aleaciones de cobre. Acero. Acero. Aleaciones de Co. Aleaciones de Cr.

Las máquinas para la colada centrífuga de cuerpos de revolución pueden ser de husillo y de rodillos. Existen esencialmente dos tipos de máquinas para el colado centrífugo: El tipo horizontal que gira en el eje horizontal, y el tipo vertical que gira en el eje vertical.

Se utiliza principalmente para la fabricación de elementos de pared delgada de hierro gris, hierro dúctil, y tubos de bronce. Mejoras en el equipo y en las aleaciones han desarrollado un proceso confiable, el cual es económico y competente frente a estrictos requerimientos dimensionales y metalúrgicos.

Figura 01. Máquina para colado centrífugo horizontal 

Una máquina centrífuga horizontal debe ser capaz de ejecutar cuatro operaciones correctas y repetidamente: El

molde debe rotar a una velocidad angular predeterminada. Debe haber una manera de verter el metal líquido dentro del molde rotatorio. Una vez colado el metal, debe ser establecida la velocidad adecuada de solidificación en el molde. Debe existir una manera de extraer la pieza solidificada desde el molde.

La velocidad de colado varía de acuerdo al tamaño de la pieza fundida y al metal que se está colando; si el vertido es muy lento puede resultar en la formación de grietas y porosidades por gases atrapados, mientras que, si es excesivamente elevado disminuye la solidificación y es una de las causas de rotura longitudinal.

a) b) c) d) e) f) g)

TEMPERATURA DE COLADO TEMPERATURA DEL MOLDE VELOCIDAD DE ROTACIÓN SOLIDIFICACIÓN VENTAJAS MATERIALES APLICACIONES

a) TEMPERATURA DE COLADO

El grado sobrecalentamiento función:

El grado de sobrecalentamiento necesario se calcula a partir de la siguiente fórmula empírica: de es

- Del metal o aleación que se está colando, - Del tamaño del molde. - De las propiedades físicas del material del molde.

 = .  + 

L: Longitud de espiral de fluido (mm) grado de  : sobrecalentamiento (°)

El uso de la ecuación anterior para aleaciones ferrosas resulta en temperaturas de colado de 50 a 100°C. En la práctica, la temperatura de colado es mantenida tan bajo como sea posible sin permitir la formación de defectos por una temperatura muy baja de la colada.

b) TEMPERATURA DEL MOLDE

OJO

La temperatura inicial del molde no afecta a la estructura de la fundición resultante tan directamente como otros parámetros del proceso.

La temperatura inicial del molde varía en un amplio rango de acuerdo al metal que se esté fundiendo, el espesor del molde, y el espesor de la pared del tubo que está siendo fundido.

c) VELOCIDAD DE ROTACIÓN

En

Un ciclo de rotación del molde puede ser dividido en tres partes:

el tiempo de vertido, el molde gira a una velocidad suficiente para lanzar el metal líquido contra las paredes del mismo. Cuando el metal alcanza el extremo opuesto del molde, la velocidad de rotación es incrementada. Finalmente, la velocidad de rotación se mantiene constante por un intervalo de tiempo después del vertido, éste intervalo varía con el tipo de molde, el metal que se está fundiendo y el espesor de pared requerido.

Figura 02. Velocidad Velocidad de rotación vs tiempo t iempo después de colado

La

velocidad ideal de rotación causa una rápida adhesión del metal líquido a las paredes del molde con una vibración mínima. Cuando el metal entra en el molde se establece un gradiente de presión debido a la aceleración centrífuga, causando la separación de los constituyentes de la aleación por su diferencia de densidad. Las partículas más livianas, tales como impurezas no metálicas, se agrupan en el diámetro interno del tubo, y son fácilmente removidas con maquinado posterior. Una baja velocidad de rotación puede causar deslizamiento y un mal acabado superficial, en cambio las altas velocidades generan vibraciones, crecimiento de la segregación circunferencial, resquebrajaduras y grietas circulares.

Algunos parámetros que influencian la solidificación son: El

molde, inclusive el material con el que está construido, construido, su espesor y su temperatura temperatura inicial Los espesores y la conductividad térmica del molde Las condiciones de colado, incluyendo el grado de sobrecalentamiento, la velocidad de colado y la velocidad de rotación Algunas vibraciones presentes en el sistema de colado

d) VENTAJAS

Los

tubos pueden ser elaborados con resistencia a las altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga térmica, ductilidad a bajas temperaturas y otras más.

Algunas

partes de la fundición centrífuga tienen un alto grado de limpieza metalúrgica y microestructuras homogéneas, y ello no exhibe anisotropía en las propiedades mecánicas evidentes en los tubos rolados, soldados o forjados.

e) MATERIALES

Los materiales que comúnmente se procesan por este método incluyen aceros de baja aleación y alta resistencia, aceros inoxidables, aleaciones de acero al cromo-molibdeno, tubos bimetálicos y aluminio.

f) APLICACIONES

Permite la elaboración de elementos tubulares, bujes, camisas y fundiciones cilíndricas. Se pueden obtener tuberías de un tamaño de hasta 1600 mm con un espesor de pared de 200 mm.

INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO Son usadas en la producción de hierro y acero para rodillos de fundición continua, trenes de laminación, tuberías especiales, rodillos para hornos, carretes para bobinado, y otras aplicaciones.

 Aplicaciones en industria de hierro y acero: a)rodillo de fundición continua, b)carretes de bobinado, c)rodillos para horno endurecidos por calor 

PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO En las plataformas de la industria del gas y petróleo a las orillas de la costa utilizan tubos fundidos centrífugamente en varias aplicaciones.

 Aplicaciones en pozos petroleros: a)Postes extensibles, b)Tubería ascendente, c)Abrazaderas para detener fisuras

OTRAS APLICACIONES Como en la producción de cilindros hidráulicos, rodillos para la producción de vidrio, tuberías para el transporte de materiales abrasivos, rodillos en la industria de la pulpa y el papel, tubos para la industria de procesamiento químico, columnas de construcción.

Otras aplicaciones (a)cilindros hidráulicos, (b)rodillos flotantes de vidrio y (c)columnas

FUNDICION CENTRÍFUGO VERTICAL El colado vertical es producido vertiendo el metal líquido en el interior del molde rotatorio. La fuerza centrífuga producida por la rotación del molde impulsa al metal contra las paredes internas de la cavidad del molde bajo presión constante hasta cuando el metal se haya solidificado.

La fundición vertical puede ser definida como isotrópica, es decir, que tiene iguales propiedades en todas las direcciones. Con la aparición de la fuerza centrífuga en todas las direcciones en los moldes rotatorios, una función de alta calidad se puede producir por una alta densidad, por la liberación de óxidos, gases, y otras inclusiones no metálicas.

Temperatura de colado

   S    O    R    T    E    M     Á    R    A    P

Solidificación

FUNDICIÓN CENTRIFUGA VERTICAL

Velocidad de rotación

Temperatura de molde

   O    D    A    L    O    C    E    D    A    R    U    T    A    R    E    P    M    E    T

Temperatura de fusión de los materiales a fundir Temperatura de oxidación del material con una mayor absorción de gases Para temperaturas de trabajo de aluminio es 660° pero con un exceso de 50°, esto sumaria un máximo de 710° C

   E    D    L    O    M    E    D    A    R    U    T    A    R    E    P    M    E    T

temperatura a la que debe mantenerse el molde hasta que se produzca la solidificación de la moldura.

La temperatura del molde afecta directamente en la estructura de colado resultante

VELOCIDAD DE ROTACIÓN

depende

resistencia

estructura

Distribución

contracción

porosidad

En la moldura



Los moldes deben girar poco tiempo. Para perfeccionar la alimentación hay que tener una distribución del material oprimo con frecuencias bajas.



La velocidad de rotación esta determinado por:



=







 ^− ^

 APLICACIONES Como engranajes, discos de rotores de turbina con paletas, bocines bridas, volantes

BANDING Lluvia de metal

Eutéctico fosforoso binario

Grumos

DEFECTOS

Vibración Variación en el espesor de pared

Burbujas de aire

Forma del grafito debido a las inclusiones

BANDIN G

ES LA SEGREGACION DE MAYOR GRAVEDAD

ZONAS ANULARES DE SEGREGADO Y COMPONENTES DE BAJO PUNTO DE FUSION

BANDING CARACTERIZADO POR LINEAS DEMARCADAS EN EL BORDE EXTERIOR

   R    O    Y    A    M    A

RANGO DE SOLIDIFICACION

SE COMBINA CON EL METAL BASE EN LA FUNDICION

DEFECTO BANDING

   O    D    A    I    S   C    A   N    U    M    N    O    R    P

Uso del nivel crítico de la velocidad de rotación

Uso de velocidades muy bajas

BANDING

la velocidad de rotación

Temperatura de colada

Velocidad de colada Temperatura de molde

DEFECTO

La variación de la fuerza gravitacional y separación de la fuerza centrifuga

Vibración

TEORIAS DE LA PRESENCIA DEL BANDING

Irregularidades en el flujo del metal liquido

EUTÉCTICO FOSFOROSO BINARIO

El fosforo mejora la colabilidad

A determinadas concentraciones de fosforo

El fosfuro de hierro y el hierro forman un Eutéctico fosforoso binario

Hierro mas fosforo

Vuelve dura a la fundición

Este segrega en los limites de grano

Fosfuro de Hierro

Compuesto duro Alta expansión térmica

Disminuyendo las características mecánicas

RAINING

Ocurre cuando el molde se hace girar a una velocidad demasiado baja

Si la fricción del metal fundido contra la pared del molde es baja, debido a una velocidad demasiado lenta

el metal fundido no alcanzará una alta velocidad rotatoria que venza la fuerza de gravedad y caerá de la parte

el metal fundido en realidad se cae de la parte superior del molde a la parte inferior

Este fenómeno puede ser visto examinando en el extremo del molde rotativo al finalizar la colada

VARIACIÓN EN EL ESPESOR DE PARED

Es causada por los cambios de la velocidad de flujo de metal de la cuchara en el molde

Esto es un problema si la pared de tubo disminuye considerablemente que lo permitido por las normas usadas en el diseño del tubo.

FORMA DEL GRAFITO

Derrame de metal

Elementos añadidos al metal fundido

La rotación del molde tiende a alargar las gotas metálicas prematuras alrededor de la circunferencia del tubo

Dándoles la apariencia de lágrimas

Inclusiones

BURBUJAS DE AIRE

No se espera encontrar poros originados por el aire

El aire tiene una distancia muy corta para viajar

Pero el aire a veces es atrapado en las paredes del tubo

La temperatura baja del metal fundido

VIBRACION

La vibración de la máquina

El equilibrio dinámico impropio

El establecimiento de frecuencias resonantes

Fundiciones de mala calidad

GRUMO S