Embed Size (px)
Citation preview
Una de las condiciones mas importantes para obtener molduras de calidad es la
correcta estructura del sistema de bebederos. EI sistema de bebederos sirve para el
suministro suave de la masa fundida a la cavidad del molde para fundici6n y la
alimentaci6n de las molduras en el proceso de endurecimiento. La elecci6n del sistema
de bebederos, que asegure la obtenci6n de molduras de elevada calidad es la parte
mas importante del diseiio de la tecnologia de fundici6n.
Un sistema de bebederos correctamente construido debe asegurar un buen
IIenadodel molde con la masa fundida y la alimentaci6n de la moldura en el proceso de
su solidificaci6n; contribuir a la obtenci6n de una moldura de dimensiones exactas, sin
defectos superficiales (atascamientos, oquedades, inclusiones de escoria y otros) y una
solidificaci6n dirigida de la moldura; el
gasto de metal para el sistema de
bebederos debe ser minimo.
En la fig. 1 se muestra una moldura
de fundici6n con los bebederos. A los
elementos de alimentaci6n del sistema
de bebederos pertenecen el embudo
de colada 1, el canal vertical 2, el
colector de escoria 3, los
alimentadores 4. Estos elementos
deben asegurar un gasto de metal
fundido determinado, una velocidad
determinada de su movimiento yatrapar la escoria.
EI embudo de colada para molduras pequeiias 0 bacin de colada para las
Fig. 1 Nbldll1l de fu1dicimcon losbel:JedB"os1'l!IIIltllllllCl de cablla; 2- CIIIalvedCat 3-caleclDr de e&CDiIla;
4- - •• 0; 5- resptal:lero; 6- mO!ld&llill
molduras grandes, estan destinados para recibir el chorro de masa fundida que se
vierte de la cuchara y la retenci6n de la escoria que penetra junto con el metal fundido.
En ocasiones, para retener la escoria los orificios de los canales se cierran con tapones
(fig. 2), hojas finas de hojalata. Los tapones se abren despues de que todo el bacin
esta Ilene de metal fundido, las hojas se funden.
•..
$•...
Durante la colada el bacin de colada debe estar obligatoriamente lIeno. AI no ser
suficientemente grande la profundidad de la masa fundida en el bacin, sobre el canal
vertical se crea un embudo, a traves del cual
el aire y la escoria, que flota en la superficie
del metal fundido, pueden penetrar en el canal
vertical y por el a la moldura (fig. 3, a). Para
las molduras pequefias, especialmente en la
producci6n en gran escala, la escoria en el
bacin se retiene con redes de filtraci6n (fig. 3,
b), las cuales se confeccionan de mezcla para
machos, chamota 0 materiales refractarios
fibrosos.
EI canal vertical sirve para transmitir la masa fundida del embudo a los otros
elementos del sistema de bebederos. Este se hace algo mas angosto abajo para la
comodidad del moldeo y para crear la presi6n piezometrica positiva en el sistema de
bebederos. La conicidad del canal es de 2-4 %. AI elaborar molduras grandes el canal
vertical del sistema de bebederos y otros de sus elementos se elaboran .con frecuencia
de tubosde chamotaestandar.
EI colector de escoria, dispuestoen el plano horizontal, sirve para retener la
escoriay transmitir la masafundidadel canalverticala los alimentadores.
Habitualmenteel colector de escoria se hace en el semimolde superior y los
alimentadoresen el inferior. La secci6n transversal de los colectores de escoria se
hace trapezoidal. En el proceso de lIenadodel molde con la masa fundida, para una
mejor retenci6n de la escoria, el colector de escoria debe estar obligatoriamente
lienado con masa fundida. Esto se logra con la relaci6n correspondiente de las
secciones del canal vertical, el colector de escoria y el alimentador (fig. 4). Si el
consumo de masa fundida a traves del canal vertical 1 es mayor que a traves de
los alimentadores 2, el colector de escoria esta lIeno de masa fundida (fig. 4, a) y
la escoria 3, f1otando en la parte superior del colector de escoria se retiene en
este. Si el consumo a traves del canal vertical es menor que a traves de los
alimentadores, el colector de escoria no estara lIeno y la escoria penetrara a la
moldura. De esta manera, para retener la escoria, la secci6n del canal vertical
debe ser mayor que la secci6n del colector de escoria, y la secci6n del colector de
escoria mayor que la secci6n total de los alimentadores. Este sistema de
bebederos se llama cerrado.
(a) (b)Rg. 4. EsquenB de ~ de la masa bndida en un allIecDf de
esooria IIeno (a} y sinllenar (bJ
Los alimentadores (bebederos) son canales destinados para suministrar la
masa fundida directamente a la cavidad del molde.
La secci6n de los alimentadores debe ser de una configuraci6n tal que la
masa fundida Ilegue suavemente a la cavidad del molde, se enfrie poco en el
trayecto del colector de escoria a la moldura, y que despues de su solidificaci6n
los alimentadores se quiebren con facilidad de la moldura. Se ha establecido por
la practica que la mejor configuraci6n de la secci6n transversal de los
alimentadores es el trapecio que pasa a un rectangulo ancho en el lugar de
conjugaci6n con la moldura.
Para una mejor separaci6n de los alimentadores de las molduras, en el caso
cuando el espesor de su cuerpo es menor que la altura del alimentador, en el
lugar de su uni6n con la moldura, en el alimentador a una distancia de 2-2,5 mm
de la moldura se hace un estrechamiento.
Los respiradores sirven para la evacuaci6n de los gases de la cavidad del
molde y para alimentar la moldura. Estos tambiemdisminuyen la presi6n dinamica
del metal sobre el molde e indican el final de la colada. En dependencia de la
magnitud del molde se emplean uno 0 varios respiraderos. La secci6n del
respiradero en la base se adopta habitualmente igual a 1/2-1/4 de la secci6n de
la pared de la moldura. Mas arriba de la base la secci6n del respiradero se hace
mas grande.
Pertenecen tambiem a los elementos del sistema de bebederos, que
aseguran la alimentaci6n de la moldura con masa fundida durante la
solidificaci6n, los respiraderos de alimentaci6n (fig. 5) y las mazarotas.
Fig. 5. Moldura de un cigOel'lal de tundici6n con grafito esteroidal con mazarotas de derivaci6n:1- embudo de colada; 2- mazarota de derivaci6n; 3- moldura
Despues del calentamiento,el material esta Iisto para vaciarse. La introducci6n
del metal fundido en el molde y su flujo dentrodel sistemade vaciado y de la cavidades
un paso critico en el proceso. Para que este paso tenga exito, el metal debe fluir antes
UNlOAD III FUNDICION
de solidificarse a traves de todas las regiones del molde, incluida la region mas
importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operacion de
vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia
La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momenta de su
introduccion en el molde. Lo importante aqui es la difereneia entre la temperatura de
vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificaion (el punto de fusion para un
metal puro, 0 la temperatma liquidus para una aleacion). A esta diferencia de
temperaturas se Ie llama algunas veces sobre calentamiento. EI termino se usa tambien
para la cantidad de calor que debe removerse del metal fundido entre el vaciado y el
inicio de la solidifieacion.
La velocidad de vaciado se refiere a la velocidad volumetrica a la que se vierte el
metal fudido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse
antes de lIenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva, la turbulencia puede
convertirse en un problema serio.
La turbulencia de flujo se caraeteriza por variaciones erraticas de la velocidad a
traves del fluido; cuando este se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en
forma laminar. EI flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones.
Tiende a acelerar la formacian de oxidos metalicos que pueden quedar atrapados
durante la solidificacion, degradando asi la calidad de la fundicion. La turbulencia
tambien agrava la erosi6n del molde, que es el desgaste gradual de las superfieies del
molde debido al impacto del flujo de metal fundido. Las densidades de la mayoria de los
metales fundidos son mas altas que las del agua y de otros fluidos que conocemos
normalmente. Los metales fundidos son quimicamente mucho mas reactlivos que a
temperatura ambiente. Por consiguiente, el desgaste causado por el flujo de estos
metales en el molde es significativo, especialmente bajo condiciones turbulentas. La
erosion es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la
forma de la parte fundida.
Varias relaciones gobiernan el flujo del metal liquido a traves del sistema de
vaciado y dentro del molde. Una relacion importante es el teorema de Bernoulli, el cual
establece que la suma de las energias (altura, presion dinamica, energia cinetiea y
fricci6n) en dos puntos cualquiera de un liquido que fluye son iguales. Esto se puede
escribir en la siguiente forma:
vi+ 2g
v~+ 2g
donde h = altura, pulg (em); P = pres6n en el liquido, Ib/pulg2 (N/cm2); p = densidad,
Ibm/pulg3 (glcm3); v = velocidad de flujo en pulg/seg (cm/seg); g = constante de la
aceleraci6n gravitacional, ,32.2 x 12 = 386 pulg/seg/seg (981 cm/seglseg); y F = perdidas
de carga debidas a la fricci6n, pulgadas (centimetros). Los subindices 1 y 2 indican los
dos puntos cualquiera en el flujo del Iiquido.
La ecuaci6n de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos las
perdidas por fricci6n (de seguro, la fricci6n afectara el flujo del Iiquido a traves del
molde de arena) y asumimos que el sistema permanece a presi6n atmosferica en toda
su extensi6n, entonces la ecuacion puede redueirse a:
v~hz + 2g
La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base
del bebedero de colada. Definamos un punta (1) en la parte superior del bebedero y un
punta (2) en la base. Si el punto (2) se usa como referencia, entonees la altura en ese
punta es cera (h2 = 0) Y h1 es la altura (longitudinal) del bebedera. Cuando se vierte el
metal en la copa de vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad en la parte superior es
(V1 = 0). Entonces la ecuaci6n (2) se simplifica a
v = .J2gh
donde v = velocidad del metal Iiquido en la base del bebedero de colada, pulg/seg
(cm/s); 9 = 386 pulg/seg/seg (981 cm/seg/seg); y h = altura del bebedero pulg (em)
UNlOAD III FUNDICION
Otra retaci6n de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual
establece que la velocidad volumetrica del flujo permanece constante a traves del
Iiquido. La velocidad del flujo volumetrico pulg3/seg (cm3/seg) es igual a la velocidad
multiplicada por el area de la secci6n transversal del flujo Iiquido. La ley de continuidad
puede expresarse como
donde Q = velocidad de flujo volumetrico, pulg3/seg (cm3/s); v = velocidad; A = area de la
secci6n transversal del Iiquido; y los subindices se refieren a cualquiera de los dos
puntos en el sistema de f1ujo. Entonces, un incremento en el area produce un
decremento, en la velocidad y viceversa.
Las ecuaciones (3) y(4) indican que el bebedero debe ser ahusado. EI area de la
secci6n transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su
descenso en el bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del
Iiquido debido al incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del
bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta condici6n, se disena
el bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad volumetrica de flujo vA
sea la misma en la parte superior y en el fondo del bebedero.
Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del
molde sea horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base del
bebedero), la velocidad volumetrica de flujo a traves del sistema de vaciado y dentro de
la cavidad del molde permanece igual a vA en la base. Por consiguiente, podemos
estimar et tiempo requerido para IIenar una cavidad de volumen V como sigue:
VMFT -
Q
donde MFT = tiempo de IIenado del molde, seg (s); V = volumen de la cavidad del molde,
puIg3 (cm\ y Q = velocidad volumetrica de flujo. EI tiempo de IIenado del molde
calculado por la ecuaci6n (5) debe considerarse como tiempo minimo, debido a que el
analisis ignora las perdidas por fricci6n y la posible constricci6n del flujo en el sistema
de vaciado; por tanto, el tiempo de IIenado del molde sera mayor que el resultante de la
ecuaci6n (5).
UNlOAD III
CALCULOS DE VACIADO
Un molde tiene un bebedero de colada cuya longitud es 8,0 pulg y el area de la
secci6n transversal en la base del bebedero es 0,4 puIg2 EI bebedero alimenta a un
canal horizontal que conduce a la cavidad del molde cuyo volumen es 100 pUlg3.
Determine a) la velocidad del metal fundido en la base del bebedero, b) la velocidad
volumetrica de flujo y c) el tiempo de lIenado del molde.
v = )2 9 h - )2(386,6)(8,0) = 78,65 pulg/seg
c) B tiempo requerido para lIenar una cavidad de 100 pulg2 con este flujo es
Las caracteristicas del metal fundido se describen frecuentemente con el termino
fluidez, una medida de la capacidad del metal para lIenar el molde antes de enfriarse.
La fluidez es inversa a la viscosidad; al incrementarse la viscosidad, la fluidez decrece.
Existen metodos normales de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de
prueba que se muestra en la figura 6, donde la fluidez se mide por la longitud del metal
solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal fundido.
Los factores que afectan la fluidez son la temperatura de vaciado, la composici6n
del metal, la viscosidad del metal Iiquido y el calor transferido a los alrededores. Una
temperatura mayor, con respecto al punta de solidificaci6n del metal, incrementa el
tiempo que el metal permanece en estado Iiquido permitiendole avanzar mas, antes de
solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas como la formaci6n de 6xido, la
porosidad gaseosa y la penetraci6n del metal Iiquido en los espacios intersticiales entre
los granos de arena que componen el molde. Este ultimo problema causa que la
superficie de la fundici6n incorpore partfculas de arena que la hacen mas rugosa y
abrasiva de 10 normal.
La composici6n tambien afecta la fluidez, particularmente en 10 que respecta a los
mecanismos de solidificaci6n del metal. Los metales que se solidifican a temperatura
constante tienen mejor fluidez (por ejemplo, metales puros y aleaciones eutecticas).
Cuando la solidificaci6n ocurre en intervalo de temperaturas, como es el caso de
muchas aleaciones, la porci6n
parcialmente solidificada interfiere
en el flujo de la porci6n Ifquida,
reduciendo asf la fluidez. La
composici6n del metal determina,
ademas de los mecanismos de
solidificaci6n, el calor de fusi6n, la
cantidad de calo requerida para
que el metal pase del estado
Ifquido al s6lido. Un mayor calor
de fusi6n tiende a incrementar la
medida de la fluidez en laMlIIde eJiCIt;lIpaB en&a'JO de IIIlllimeZ.e&I &e" ID III~C1 de Ican ill espIIllI _ an1e6 CIeIIIdllc:i!idmlt
PROCEDIMIENTOS PARA SUMINISTRAR LA MASA FUNDIDA AL MOLDE Y
ESTRUCTURAS DEL CONJUNTO DE BEBEDEROS
AI elegir el modo de suministrar el metal fundido al molde y diseliar la
estructura del sistema de bebederos, se debe tener en cuenta que el metal fundido
debe lIegar al molde suavemente, sin chocar con sus paredes y machos, sin
UNlOAD III FUNDICION
remolinos, con una velocidad de elevaci6n del nivel en el molde determinada, como
tambien asegurar una sucesiva expulsi6n del aire y gases del molde. Ademas, el
modo de suministrar el metal fundido debe asegurar una solidificaci6n dirigida de la
moldura, teniendo en cuenta su estructura y las propiedades de la masa fundida.
AI fabricar molduras de fundici6n gris, generalmente la masa fundida se
envia a la parte delgada de la moldura para igualar la velocidad de enfriamiento de
sus partes. Pasando a traves del lugar delgado de la moldura, la masa fundida
calienta el molde en el lugar de suministro, y sus porciones menos calientes pasan
a las partes gruesas de la moldura. Las velocidades de enfriamiento de la parte
delgada en el lugar caliente del molde y la parte mas gruesa de la moldura, que se
lIena con metal fundido un tanto menos caliente se igualan, 10 que contribuye a la
obtenci6n de una moldura de mejor calidad, la reducci6n de las tensiones internas
y deformaciones en las mismas.
No obstante, al fabricar molduras con partes de gran espesor, a la par del
suministro del metal fundido a la parte delgada se emplea su suministro alas
partes gruesas, bajo la mazarota, para que el metal fundido que se halla en la
mazarota se conserve durante bastante tiempo en estado Hquido y alimente la
moldura.
EI metal fundido que penetra en el molde no debe derramarse en las partes
de las portadas de los machos e impedir la salida de los gases del macho y del
molde. La velocidad de elevaci6n de la masa fundida en el molde debe ser
suficiente para que el aire y los gases creados que se hallan en la cavidad del
molde puedan salir libremente del mismo. Por otro lado, una colada lenta del molde
con la masa fundida puede provocar la perdida de la fluidez del metal fundido y no
lIenar por completo el molde; en los moldes grandes con una superficie
desarrollada del espejo de metal, al calentamiento de las paredes del molde con la
irradiaci6n del calor de la masa fundida, la aparici6n de oquedades y
atascamientos en la moldura.
Los sistemas de bebederos pueden ser de sif6n, con el suministro de la
masa fundida en el plano de separaci6n, de lIuvia, de varios niveles y combinados.
Cada uno de los procedimientos indicados de suministro del metal fundido tiene
sus ventajas y desventajas. Uno u otro metodo de suministro de la masa fundida
se elige en dependencia de la configuraci6n, destinaci6n y material de la moldura.
Los sistemas de bebederos con suministro de la masa fundida por elplano de separacion (fig. 7) son los mas sencillos, se utilizan ampliamente para
la mayorfa de las molduras que tienen una profundidad del molde de la Ifnea de
separacion de hasta 200 mm (Ia altura permitida, con la cual la masa fundida que
entra en el molde cae al fonda de este sin ocasionarle destrucciones notables). AI
emplear este sistema de bebederos se tiene que tener en cuenta la masa del
metal fundido y su presion sobre las paredes del molde, la cual depende de la
altura del canal vertical.
EI sistema de bebederos de sifon (suministro de la masa fundida por
abajo) asegura un lIenado paulatino del molde, se utiliza para molduras pequenas
y grandes (fig. 8). Por ejemplo, para fundir un engranaje con diente fundido se
excluye la instalacion de los alimentadores a los dientes del engranaje, el
alimentador se coloca por abajo al manguito. En la produccion en gran escala de
molduras pequenas en maquinas de moldear, el sistema de bebederos de sifon se
emplea en raras ocasiones puesto que para este se requiere elaborar machos
especiales.
Fi~. 7. Sistema de bebederos conahmentaci6n del metal por la cavidad delplano de separaci6n del molde: 1- embudodecolada; 2 -canal vertical; 3- coleclor de escoria;4- alimenlador;5- respiradero; -moldura
Fig. 8. Sistema de bebederos de sif6n para lamoldura de un cuerpo de fundici6n:1- badn de colada; 2- canal vertical; 3- colectorde escoria; 4- alimentadores;
Los sistemas de bebederos de lIuvia se utilizan para la fabricacion de
molduras medianas y grandes, tales como volantes, engranajes, cilindros, etc. La
masa fundida se suministra al molde por arriba, a traves de una serie de orificios
de pequeno diametro, practicados en la bacfn de colada 0 un macho especial fig.
9.
masa fundida al fonda del molde 0 la superficie de la masa fundida son posibles
las salpicaduras y la creaci6n de rt3gulos, gotas de metal solidificado en las
paredes del molde, que no se funden con el metal principal de la moldura. Para
evitarlo, en la practica se utiliza un sistema de bebederos combinado:
simultaneamente de lIuvia y de sif6n.
La ventaja del sistema de bebederos de lIuvia es el lIenado uniforme de
todo el molde sin recalentar sus partes con la masa fundida. Gracias a esto, la
moldura resulta compacta, sin porosidades y oquedades de contracci6n.
Los sistemas de bebederos combinados (fig. 10) estan destinados para
molduras complicadas, altas, de paredes delgadas. AI comienzo. De la colada el
molde se lIena con masa fundida a traves del sistema de bebederos de sif6n, y
luego a traves del de lIuvia. Gracias a este lIenado el molde no se destruye y no
se crean regulos. A medida que se lIena el molde el nivel de masa fundida en los
canales verticales de distribuci6n se eleva, y a partir de un momento determinado
comienzan a funcionar los alimentadores superiores
Fig. 9. Sistema de bebederos de lIuvia para lamoldura de un cilindro de fundici6n: 1-moldura;2- bacin de colada; 3- colector de escoria;4- alimentador;5- respiraderode derivaci6n
Fig. 10. Moldura con sistema de bebederos combinado:1- bacin de colada; 2- canal vertical: 3-canal de coladasuperior; 4- coleetor de escoria superior; 5- alimentadores;6- coleetor de escoria inferior
EI sistema de bebederos de varios niveles (fig. 11) se emplea al fabricar
molduras grandes y pesadas. La estructura de estos sistemas de bebederos
asegura un funcionamiento sucesivo de los alimentadores inferiores y
UNlOAD III FUNDICION
superiores, por eso la masa fundida lIega inicialmente del bacfn 1 a traves del
canal vertical 2 y la secci6n Iimitadora (estrecha) 4 al colector de escoria 3. La
secci6n 4 determina el gasto de masa fundida durante el lIenado del molde. En
10sucesivo, la masa fundida por los canales verticales de distribuci6n 5 pasa a
los alimentadores 6. Ya que la secci6n de los canales verticales 5 es mayor que el
orificio de limitaci6n 4, la masa fundida al principio lIega a la parte inferior de la
moldura 7, y luego a medida que se va lIenando, a traves de los alimentadores de
la hilera superior. Este sistema permite evitar el calentamiento y derrubio del molde
en ellugar de penetraci6n de la masa fundida y obtener molduras de calidad.
Los sistemas de bebederos de pisos (fig. 12) se utilizan al moldear
molduras pequenas en paquetes, como tambien al moldear molduras pequenas en
Hneas automaticas con moldeo sin cajas con plano de separaci6n vertical. Los
alimentadores de cada hilera de molduras tienen diferentes secciones: abajo
menor, arriba mayor; de tal forma que el tiempo de lIenado de cada molde seaigual.
EI modo de suministrar la masa fundida al molde, la estructura y dimensiones
de los elementos del sistema de bebederos depend en no s610de la configuraci6n y
dimensiones de la moldura, sino tambien de las propiedades de la aleaci6n que se
fabrica. Las particularidades de los sistemas de bebederos-alimentadores para las
molduras de fundici6n maleable, acero y aleaciones no ferrosas se analizan en los
apartados correspondientes.
Fig. 11. Sistema de bebederos devarios niveles
Fig. 12. Sistema de bebederos depisos: 1- embudo de colada; 2- canalvertical; 3- alimentador; 4- molduras
UNIDAD III FUNDICION
LAS MAZAROTAS Y LOS RESPIRADEROS DE ALiMENTACION
Se utilizan para la fabricaci6n de molduras de fundici6n blanca, de aleaci6n,
de alta resistencia, como tambiem para molduras con paredes gruesas de
fundici6n gris. Ellos sirven para alimentar las partes gruesas de la moldura. Las
mazarotas se disponen de tal manera que la masa fundida en ellas se solidifique
en ultimo termino. Para este prop6sito el espesor de la mazarota tiene que ser
mayor que el espesor del lugar de la moldura, sobre el que se dispone. Las
mazarotas de grandes dimensiones no son convenientes desde el punta de vista
econ6mico, puesto que aumentan el gasto de metal y el costo de las molduras.
AI disenar las mazarotas se guran por las reglas siguientes:
1) La mazarota debe solidificarse despues de la parte de la moldura
que se alimenta.
2) Las dimensiones de la mazarota deben ser suficientes para
compensar la contracci6n de las molduras.
3) La altura de la mazarota debe ser tal, que toda la oquedad de
contracci6n se disponga en ella, sobre la garganta, en lugar de uni6n con la
moldura. La garganta debe ser 10 mas corta posible y 10 mismo que la mazarota,
debe solidificarse despues de la moldura. Si la moldura tiene varios lugares de
mayor espesor, separados con paredes finas, en cada uno de ellos debe
disponerse una mazarota.
Las mazarotas pueden ser abiertas, cuando desembocan en la superficie
del molde, y ciegas si quedan dentro de el.
Mazarotaabierta: Hay una perdida grande de calor por radiaci6n; su masa
debe ser grande a fin de permanecer Hquidael mayor tiempo posible.
Mazarota ciega:
(forma aproximadamente
esferoidal), la perdida de
calor por radiaci6n es
menos importante, por 10
que la masa es tambien
Con mas frecuencia las mazarotas se emplean al fabricar molduras de acero
y aleaciones no ferrosas, por ello su estructura y calculo deben ser analizados con
detalles.
Si la fundici6n es metal pure 0 aleaci6n, de todos modos, su solidificaci6n toma
tiempo. EI tiempo total de solidificaci6n es el tiempo necesario para que la fundici6n
solidifique despues del vaciado. Este tiempo depende del tamano y de la forma de la
fundici6n expresada por una relaci6n empfrica conocida como regia de Chvorinov que
establece
donde TST = tiempo de solidificaci6n total, min; V = volumen de fundici6n, puIg3 (cm3);
A = area superficial de la fundici6n, puIg2 (cm2); n es un exponente que toma
usualmente un valor de 2; y Cm es la constante del molde. Dado que n = 2, las unidades
de Cm son min/pulg2 (min/cm2), su valor depende de las condiciones particulares de la
operaci6n de fundici6n, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor
especffico y conductividad termica), propiedades termicas del metal de fundici6n (calor
de fusi6n, calor especffico y conductividad termica), y la temperatura relativa de vaciado
con respecto al punta de fusi6n del metal. EI valor de em para una operaci6n dada se
puede basar en datos experimentales de operaciones previas con el mismo material de
molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la forma de la parte haya sido
bastante diferente.
La regia de Chvorinov indica que una fundici6n con una relaci6n de volumen a
area superficial se enfriara y solidificara mas lentamente que otra con una relaci6n mas
baja. Este principio ayuda en el diseno de la mazarota del molde. Para cumplir su
funci6n de alimentar metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe
permanecer en fase Hquidamas tiempo que el de la fundici6n. En otras palabras, la TST
para.la mazarota debe exceder la TST de la fundici6n principal. Como la condici6n del
molde para la mazarota y la fundici6n es la misma, las constantes del molde seran
iguales. Si el diseno de la mazarota incluye una relaci6n de volumen a area mas
grande, podemos estar mas 0 menos seguros de que la fundici6n principal solidificara
primero y se reduciran los efectos de la contracci6n. Antes de considerar el disefio de la
mazarota mediante la regia de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracci6n,
raz6n por la cual se necesitan las mazarotas.
Tal como se describi6 antes, una mazarota se usa en un molde de fundici6n para
alimentar con metal Ifquido a la moldura durante el proceso de enfriamiento ycompensar asi la contracci6n por solidificaci6n. La mazarota debe permanecer fundida
hasta despues de que la fundici6n solidifique. Para satisfacer este requerimiento se
puede calcular el tamafio de la mazarota usando la regia de Chvorinov. EI siguiente
ejemplo ilustra los calculos.
Ejemplo: Debe disefiarse una mazarota cilindrica para un molde de fundici6n en
arena. La fundici6n es una placa rectangular de acero con dimensiones 3.0 pulg x 5.0
pulg x 1.0 pulg. En observaciones previas se ha indicado que el tiempo de solidificaci6n
total (TST) para esta fundici6n = 1.6 min. La mazarota cilindrica tendra una relaci6n de
diametro a altura de 1.0. Determine la dimensi6n de la mazarota de manera que TST =
2,0 minutos.
Mazarota:V2=?At2=?t2=2 min.d2=?h2=?d/h=1Cm=?
PiezaL1=3,0 pulg.L2=5,0 pulg.L3=1,0.pulg.t1= 1,6 min.V1=?At1=?
Determine primero la relaci6n VIA para la placa. Su volumen V = 3,0 X 5,0 X 1,0 =15,0 pulg3, y la superficie del area A = 2(3,0 x 5,0 + 3,0 x 1,0 + 5,0 x 1,0) = 46,0 pUlg2.
Dado que TST = 1,6 min, podemos determinar la constante del molde em mediante la
ecuaci6n (6) usando un valor de n= 2 en la ecuaci6n.
TST(V /A)2
1,6(15/46)2
Despues debemos diseriar la mazarota de manera que su tiempo de
solidificaci6n total sea de 2,0 min, usando el mismo valor de la constante del molde ya
que tanto la fundici6n como la mazarota estan en el mismo molde.
Si la mazarota es cilindrica se tiene que:
Vz = rr * rZ * h Ati = Ai + Az + A3
Ai = rr * rZ Ai = Az
A3 = 2rr* r*h
Atz = 2rr * rZ + 2rr* r*hA3
r = d/2
Entonces el volumen de la mazarota esta dado por
rr dZh4
Como estamos usando una relaci6n d/h = 1,0, entonces d = h. AI sustituir por h en las
f6rmulas del volumen y el area tenemos
d 2TST = 2,0 = 15,05 ("6) = 0,418 d2
2 _ 2,0 _ 2d - W8 - 4,783 pulg
d = .J4,783 pulg2 - 2,187 pulg
La mazarota representa el metal de desperdicio que se separa del proceso y se
refunde para hacer fundiciones subsecuentes. Es deseable que este volumen de metal
en la mazarota sea el minimo. Como la forma geometrica de la mazarota se selecciona
normalmente para maximizar VIA, esto tiende a reducir el volumen de la mazarota 10
mas posible.
La mazarota se puede disenar en diferentes formas. EI diseno mastrado en la
fig. es una mazarota lateral. Esta anexada a un lado de la fundici6n par media de un
pequeno canal. Una mazarota superior se conecta en la parte superior de la superficie de
la fundici6n. Las mazarotas pueden ser abiertas 0 sumergidas. Una mazarota abierta
esta expuesta al exterior en la superficie superior de la tapa, pero tiene la desventaja de
permitir que escape mas calor, promaviendo una solidificaci6n mas rapida. Una
mazarota sumergida esta completamente encerrada dentro del molde
Para minimizar los efectos daninos de la contracci6n es conveniente que las
regiones de la fundici6n mas distantes de la fuente de metal Iiquido se solidifiquen
primero y que la solidificaci6n progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta
forma, el metal fundido continuara disponible en las mazarotas para prevenir los vados
de contracci6n durante la solidificaci6n. Se usa el termino solidificaci6n direccional para
describir este aspecto del proceso de solidificaci6n y sus metodos de control. La
solidificaci6n direccional deseada se logra aplicando la regia de Chvorinov al diseno de
la fundici6n, a su orientaci6n dentro del molde y al diseno del sistema de mazarotas. Por
ejemplo, al localizar las secciones de la fundici6n con menores relaciones VIA lejos de
las mazarotas la solidificaci6n aparecera primero en estas regiones y el suministro de
metal Iiquido para el resto de la fundici6n permanecera abierto hasta que solidifiquen
las secciones mas voluminosas.
Otra forma de fomentar la solidificaci6n direccional es usar enfriadores,
sumideros de calor internos 0 externos que causan un enfriamiento rapido en ciertas
regiones de la fundici6n. Los enfriadores internos son pequenas partes de metal
colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido
solidifique primero alrededor de estas partes. EI refrigerante interne debe tener una
composici6n quimica igual a la del metal que se vacia. Esto se logra fabricando el
enfriador del mismo metal que la fundici6n.
Los enfriadores externos son insertos metalicos en las paredes de la cavidad
del molde que remueven el calor del metal fundido mas rapidamente que la arena
circundante, a fin de promover la solidificaci6n. Se usan a menudo en secciones de la
fundici6n que son dificiles de alimentar con metal Iiquido, el cual encuentra asi un
enfriamiento rapido que 10 hace solidificar en estas secciones mientras la conexi6n con
el metal Iiquido esta todavia abierta. La figura 14 ilustra una posible aplicaci6n de
refrigerantes externos y el resultado probable si no se usaran.
Tan importante como iniciar la solidificaci6n en las regiones apropiadas de la
cavidad, es evitar la solidificaci6n prematura en las secciones del molde cercanas a la
mazarota. De particular interes es la via de paso entre la mazarota y la cavidad
principal. Esta conexi6n debe disenarse de manera que no se solidifique antes de la
fundici6n, porque puede aislar el metal fundido en la mazarota. Aunque generalmente
es deseable minimizar el volumen en la conexi6n (para reducir el desperdicio), la
secci6n transversal del area
debe ser adecuada para
retardar la solidificaci6n pre-
matura. Con este objeto se
hace el pasaje de corta
longitud para que reciba calor
del metal fundido en la
mazarota yen la fundici6n.
Entriadoresextemos
.' .-. : ....• : :: :.0: 0" ".: •.. ~ :'"
FIGURA 14 (a) Enfriadores extemos para areotar fa soliditicaci6nrApida del metal fundido en una zona delgada de la fundici6n y(b) resultado probable si no se usan los enfriadores.
