OBJETIVOSGeneral:Orientar la seleccin del proceso de moldeo adecuado para el diseo y/o fabricacin de piezas fundidas, al menor costo y de acuerdo con unas especificaciones preestablecidas.Especficos:Evidenciar la importancia que tiene cada una de las etapas del proceso en la calidad del producto obtenido. Relacionar esta influencia con el diseo y las caractersticas de las piezas.Presentar criterios para el adecuado diseo de piezas a obtener por fundicinEstudiar las tcnicas necesarias para la fabricacin de piezas fundidas partiendo de un plano de dibujoIlustrar los diferentes procesos de fundicin, describiendo los equipos y materiales utilizados industrialmenteProponer una metodologa para el desarrollo de estudios de moldeo

METALS HANDBOOK, Casting. 9 ed. A.SM. 1998 v. 15METALS HANDBOOK, Forging and casting. 8 ed. A.S.M., 1970 V.5LASHERAS y ARIAS, Procedimientos de fabricacin y control. Barcelona: Cedel, 1970 v.1 HEINE, LOPER y ROSENTHAL, Principles of metals castings. New York, McGraw-Hill, 1967FLINN, R. Fundamentals of metals casting. Massachusetts, Addison-Wesley, 1963TAYLOR, FLEMINGS y WULFF. Fundicin para ingenieros. Mxico, Continental, 1961.CAPELLO, Edoardo, Tecnologa de la fundicin. Barcelona, Gustavo Gili, 1974. Otros: Manual de arenas para fundicin, A.F.S., Illinois 1965 SCHUTZE, O. Moldeo y fundicin. Gustavo Gili. Barcelona 1972 WAGANOFF, P. Hornos Industriales, Ed. Mitre. Buenos Aires 1963 LE BRETON, H. Defectos de las piezas de fundicin, Ed. Urmo. Bilbao 1965 DESLANDES, F y VANDENBERGHE, L. Modelos y moldes para fundicin, UTEHA. Mxico 1966 BEELEY P.R. Foundry Technology Butterworhts. Londres 1972.BIBLIOGRAFIA

TRABAJOSGrupos mx. 3 estudiantes.1. Aleaciones ligeras y ntermetlicos: Al, Mg, Br, Ni, Co, Cu y Ti --- AlCuFe, Zr-Ni, Al-Cr 2. Materiales compuestos: matriz polimtrica, metlica y cermica / refuerzos: nanoparticulas, fibras de vidrio, SiC, Al2O3, orgnicos, termoplsticos, poliester, etc A. Fundicin de los siguientes materiales (Introduccin, detalles experimentales, resultados y discusin (como afectan las parmetros de fundicin en sus propiedades), y conclusiones) :3. Superaleaciones: Inconel, Hastelloy, Nimonic, Monel, etc.4. Materiales magnticos: duros (Super-imanes) , blandos, amorfos, otros 5. Aleaciones con memoria de forma: N-Ti, Ni-Al, NiTiZr, CuZnAl, NiTiCu, NiTiNb, CuAlNi, FeMnSi, etc.

B. Realizar el estudio de la fabricacin de las piezas obtenida por fundicin de una pieza mecnica para una serie (uso industrial) competitiva.Recomendaciones:Se debe establecer claramente la funcin de la pieza mecnica, las especificaciones que debe cumplir, la seleccin del (o los) material de la pieza que se haya definido fabricar por el proceso de moldeo y fusin, redisearlas de acuerdo a criterios de trazado de piezas; establecer los procedimientos de control con base en la norma ICONTEC ISO 2859. Se debe especificar claramente:Orden de solidificacin Seleccin del sentido de moldeo Modelos y machosMateriales de moldeo y de machos e. Sistemas de alimentacin y de llenado: Ser coherente con los parmetros usados en el clculo de los dos sistemas. Sistema de alimentacin: Clculo y disposicin de los alimentadores y enfriadoresSistema de llenado: Clculo del Volumen y peso de la pieza Clculo, disposicin y forma de los elementos de colada Elabore los planos de moldeo

PROCESO DE FUNDICINLa fundicin es el mtodo mas antiguo para dar forma a los metales. Fundamentalmente consiste en fundir y colar metal liquido en un molde de la forma y tamao deseado para que all solidifique. Generalmente este molde se hace en arena, consolidado por un apisonado manual o mecnico alrededor de un modelo, el cual se extrae antes de recibir el metal fundido. No hay limitaciones en el tamao de las piezas que puedan colarse, variando desde pequeas piezas de prtesis dental, con peso en gramos, hasta los grandes bastidores de maquinas de varias toneladas. Este mtodo, es el mas adaptable para dar forma a los metales y muchas piezas que son imposibles de fabricar por otros procesos convencionales como la forja, laminacin, soldadura, etc. El motor de un automvil es un buen ejemplo de la diversidad de piezas que obtener por este sistema.

ESQUEMA DEL PROCESO:PROYECTO DISEO MODELO PREPARACION DE ARENA MOLDEO FUSIN COLADA SOLIDIFICACIN DESMOLDEO ELIMINACIN DE BEBEDEROS Y MAZAROTAS LIMPIEZA MECANIZADO TRATAMIENTOS TERMICOS

Importancia de la solidificacin En fabricacin de aleaciones, Mezclado y refinacin se realizan con ventajas en estado lquido

En procesos que involucran estado lquido (fundicin, soldadura) la solidificacin determina estructura, defectos y propiedades.

En procesos de estado slido (conformado plstico, pulvometalurgia) el material en un momento de su historia fue lquido y solidific.

Area de desarrollo tecnolgico permanente. Colada contnua, optimizacin de estructura, solidificacin direccional, inoculacin, etc.

SOLIDIFICACINHay solidificacin cuando:Un ncleo con pequeos cristalesCrecimiento del ncleo hasta dar origen a cristales y la formacin de una estructura granularTcnica de procesos de manufactura para obtener materiales

Nucleacin en solidificacinNcleo: partcula de slido formado desde el lquido, capaz de seguir creciendo.Embrin: partcula de slido que no tiene esta capacidad y se redisuelve en L.Nucleacin: evento factible a T

NUCLEACINEs la etapa inicial para la formacin de una fase a partir de otra: esta asociada con la transformaciones de faseLquidoRadio rInterfase Slido-lquidoSlido

a) Dibujo esquemtico de dos ncleos crticos, en el que, ambos tienen el mismo radio de curvatura r* . Note que el volumen del material (nmero de tomos) en la partcula esfrica formada homogeneamente es mucho mayor que el segmento formado heterogeneamente sobre el sustrato. Tambin para un dado r*, este segmento de volumen decrece con . b) Relacin de G* con la nucleacin hetergenea as como nucleacin homgenea contra cos . J.W. Cahn. Acta Met. 4:449 (1956).

Se deben considerar dos tipos de energa: 1. Energa libre volumtrica o global (ncleo slido), Gv 2. Energa libre superficial (interfase): aumenta con el radio del ncleo, sl- Cambio de energa libre +Cambio de energa libre de volumen: 4/3 r3.GvCambio de energa libre de superficie: 4r2. sl r*Radio crtico Radio de la partcula, rEnerga libre total del sistema slido-lquido:embrinncleo

Diferenciando G con respecto a r, se logra una relacin entre: r*, y Gv Por que a la temperatura de solidificacin los embriones son termodinmicamente inestables ? La solidificacin no comienza a la temperatura termodinmica de solidificacin

SUB-ENFRIAMIENTO: TTemperatura de solidificacin temperatura real del lquido T = Gv , pero no cambia significativamente sl entonces, r*= f (Gv) NUCLEACIN HOMOGNEA

MetalT CGa76Bi90Pb80Ag250Ni480Fe420H2040

NUCLEACIN HETEROGNEASe utilizan Impurezas o las paredes de un molde o recipienteEs la forma real que nuclean los metalesSe disminuye el sub-enfriamiento entre 0.1 y 10CCONCLUSIN: Se disminuye la energa de superficie, entonces, el cambio de energa total para la formacin de un ncleo estable, ser menor.

Una vez formados los ncleos, un cierto nmero de ellos crecer. El crecimiento depende del cambio de energa libre, (Gs), que ocurre en la interfase cuando un nmero NA de tomos se agrega como una nueva capa a los N tomos que ya pertenecen al slido. Gs es funcin de los siguientes parmetros o variables: Gs = f ( Sf , g ( NA , N ), TE ) donde: Sf = entropa de fusin del material TE = temperatura de la transformacin (K) g ( NA , N ) = factor de probabilidad

El crecimiento de los ncleos puede ser: segn caras planas o "faceted". segn caras irregulares o "non faceted".

Crecimiento de los ncleos

Si Sf 2R, entonces Gs adquiere un valor mnimo para . Esta situacin produce crecimiento con superficie irregular a escala atmica, es decir, non faceted, en los cuales las superficies tienden a cubrirse con nuevos tomos slo en un 50 %. Si Sf >2R, entonces Gs alcanza mnimos para fracciones NA /N cercanos a 0 a 1; obviamente el cristal crecer cuando y no cuando es cercano a 0, el ncleo crecer por capas completas, generando superficies planas o faceted, con planos cristalogrficos caractersticos. Los metales, normalmente, tienen Sf < 2R, por lo tanto, su crecimiento ser irregular o non faceted, y sus cristales presentarn superficies externos de formas irregulares. En cambio, los metaloides como el Bi, Ga, Sb, As y los semiconductores Si, Ge tienen Sf > 2R y crecen con caras planas o faceted, observndose en ellos el tpico aspecto "cristalino".Crecimiento de los ncleos

Ejemplos de estructuras de la interfase slido-lquido en sistemas metlicos. a) Dendritas no faceteadas de plata en una matriz eutctica de cobre-plata (x 330). b) Cuboides faceteados de componente SnSb en una matriz de material rico en Sn (x 110). (De G.A. Chadwick. Metalografa de Transformaciones de Fase, Butterworths, Londres, 1972).

Cristales angulares encontrados en una interfase de bismuto slido-lquido,expuesto al decantar el lquido remanente. (R. Wagner y H. Brown, Trans. AIME, 224:1185 (1962).Aleacin comercialmente pura de Al-26 % Si. Esta aleacin es hipereutctica. La fase angular grande es Si primario. Note las orientaciones esencialmente al azar del silicio en la matriz eutctica. Esta matriz debe clasificarse como un eutctico acicular.

Crecimiento estable e inestable de cristales metlicos La forma de crecimiento de un slido en un lquido depende del gradiente de temperatura delante de la interfase slido-lquido, (S-L). Como se seal anteriormente, para producir solidificacin es necesario sobreenfriar el lquido bajo la temperatura de fusin Tf ; al formarse una cierta cantidad de slido se expulsa calor latente el cual eleva la temperatura de la interfase S-L producindose alguna de las siguientes situaciones:

Gradiente positivo de temperatura delante de la interfase S-L. Cuando se tiene un gradiente de temperatura positivo el calor debe ser extrado por el slido. El movimiento de la interfase es controlado por la cantidad de calor removido a travs del slido. Adems la interfase debe ser isotrmica y moverse con velocidad uniforme. Si una protuberancia de slido avanza hacia el lquido sta se encuentra con lquido sobrecalentado y se disuelve. Se produce as un crecimiento con una interfase de forma plana o redondeada, pero sin protuberancias.

Crecimiento estable e inestable de cristales metlicos Nota: Un frente de solidificacin plano no tiene nada que ver con el crecimiento de caras planas o faceted

Gradiente negativo de temperatura delante de la interfase S-L. Cuando se tiene un gradiente de temperatura negativo el calor puede ser extrado tanto por el slido como por el lquido, por lo tanto, el movimiento de la interfase no es controlado por la cantidad de calor removido a travs del slido. Al desencadenarse el proceso de solidificacin se desprende calor latente que eleva la temperatura de la interfase S-L, de esta manera es posible que delante de la interfase se genere un gradiente negativo de temperatura. Si una protuberancia slida avanza, se encontrar con lquido sobreenfriado y sta tender a crecer an ms hacia el interior del lquido. Por lo tanto, la interfase S-L avanzar con protuberancias puntiagudas llamadas dendritas (forma de rbol), de esto se deduce que la interfase plana es inestable en este caso.El crecimiento de las dendritas no es simplemente el avance de alguna protuberancia en la interfase. Los brazos de las dendritas crecen en ciertas direcciones cristalogrficas especficas, determinadas por la estructura cristalogrfica de cada metal.

Redistribucin del soluto en la solidificacin de aleacionesDependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de solidificacin: Si la solidificacin es extraordinariamente lenta, sta ocurre segn el diagrama de equilibrio de fases. En la prctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se produce una distribucin inhomognea del soluto en el slido, esto es conocido como segregacin.

Primer caso Para el equilibrio de enfriamiento de una aleacin de composicin C0, figurada mostrada arriba, consideraremos que no hay barreras para la nucleacin de la fase slida, es decir, que no

Redistribucin del soluto en la solidificacin de aleaciones ser necesario un sobreenfriamiento de la fase lquida para que sta comience, y que el enfriamiento ser lo suficientemente lento como para permitir que los gradientes de concentracin cambien suavemente. A T1 el primer slido que nuclea tiene composicin C1s, (cabe sealar que sta es la composicin del slido que se encuentra en equilibrio con el lquido C0 o C1L a temperatura T1 ). Al disminuir la temperatura, el lquido contina enriquecindose en B y va aumentando el tamao de los ncleos, (crecimiento), por adicin sucesiva de nuevas unidades cristalinas que contienen proporciones mayores del metal disuelto. Por ejemplo, a temperatura T2 la composicin del slido es C2s y la del lquido C2L. La solidificacin prosigue hasta que la ltima gota del lquido, de composicin C3L, solidifique a temperatura T3 en un slido de composicin C3s. De este modo, bajo las condiciones de enfriamiento en equilibrio la composicin final del slido es uniforme, y es exactamente igual a la composicin del lquido del

Redistribucin del soluto en la solidificacin de aleaciones cual se comenz. Segundo caso Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos o a lo ms unas pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio no se logran. Al solidificar el metal se producen gradientes de concentracin que no logran equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone.

Redistribucin del soluto en la solidificacin de aleacionesA T1 el primer slido que nuclea tiene composicin C1s, en la figura. Al bajar la temperatura, en los casos reales, la velocidad de enfriamiento es relativamente rpida y no hay tiempo de homogeneizar la composicin del slido, ya que la difusin en este estado es ms lenta que en la lquida, por consiguiente hay un gradiente de concentracin de soluto entre las partes que solidificaron primero y las que lo hicieron al final. Debido a lo anterior, el promedio de concentracin de soluto en el slido seguir la lnea de trazos, y a T3 todava quedar lquido an cuando, en equilibrio ste debera haber desaparecido y la composicin promedio del slido ser inferior a C0. Por tanto la solidificacin continuar hasta que la composicin promedio del slido se a igual a C0, esto ocurre a temperatura T5, y el slido formado tendr concentraciones de soluto mayores que C0, debido a la gran concentracin de soluto en el lquido hacia el final de sta.

Redistribucin del soluto en la solidificacin de aleacionesDebido a los gradientes de concentracin de soluto, el ataque superficial de la muestra metalogrfica presenta diferencias de tonalidades, segn figura. Especialmente notable es la fuerte acumulacin de soluto en el slido formado al final del proceso, lo que produce una coloracin muy destacada de estas zonas.

La segregacin de soluto, que se observa, genera en las regiones solidificadas al final, zonas de menor punto de fusin que el esperado para la aleacin; esto es peligroso si se hacen

Redistribucin del soluto en la solidificacin de aleacionestratamientos trmicos posteriores, porque ciertos lugares pueden llegar an al punto de fusin. Esta segregacin puede reducirse mediante un tratamiento de homogenizacin, que consiste en calentar por tiempo prolongado la pieza slida, para que por difusin se homogenice el contenido de soluto. Como este proceso es caro, se realiza slo si se justifica. La variacin en la composicin de una estructura segregada entre los centros y bordes de los granos depende de la velocidad de enfriamiento, la separacin entre curvas slidus y lquidus, y la composicin inicial de la aleacin. De lo anterior se deduce que el gradiente de concentracin crece con la velocidad de solidificacin y con el aumento de la separacin entre curvas slidus y lquidus.

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido Para este anlisis usemos un modelo simplificado de solidificacin unidireccional. Supongamos una aleacin de composicin C0, el primer slido que solidifica tiene una composicin Cs < C0 y rechaza soluto a la interfase, enriqueciendo la fase lquida.

Consideremos que la fase slida avanza en un molde estrecho con una velocidad de crecimiento controlada por el la velocidad de extraccin de calor desde el extremo slido.

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido El rechazo del soluto hacia el lquido y el gradiente de temperatura existente en la interfase estn mostrados en la figura (b). Al continuar la solidificacin, el slido se enriquece en soluto, pero sigue conteniendo menos soluto que C0, por tanto continua expulsando soluto al lquido. Llega un instante en que el slido alcanza la composicin C0 y la solidificacin continua a T = Ti, el exceso de soluto se acumula en la interfase S-L. El soluto rechazado intenta redistribuirse en el lquido por difusin lejos de la interfase, pero a menos que la velocidad de crecimiento del cristal sea extremadamente lenta lograremos un gradiente de concentracin bastante pronunciado en la interfase, ver figura (a).En la interfase S-L coexisten en equilibrio: slido de composicin C0 y lquido de composicin C0/k, siendo k = CS / CL , a medida que nos alejamos de la interfase, en la direccin del lquido, la composicin de ste disminuye en soluto y por tanto

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido su temperatura de solidificacin aumenta desde Ti hasta To. La figura (b) muestra la variacin de Tliquidus con la distancia en el lquido y muestra tambin dos posibles curvas de distribucin de temperaturas reales en el lquido, G1 y G2. Si el gradiente de temperatura en el lquido es grande (G1 ), la interfase avanza en forma estable sin protuberancias. por otro lado, si el gradiente de temperatura es pequeo (G2), el lquido de la zona achurada queda sobreenfriado, ste se llama sobreenfriamiento constitucional. Si una protuberancia crece en la interfase S-L, sta encontrar lquido sobreenfriado y tender a crecer an ms, producindose as un crecimiento inestable del slido. El avance mximo de la protuberancia corresponde a la longitud de la

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido zona de sobreenfriamiento constitucional, la cual normalmente puede variar entre 0,1 y 1 mm. Si esta zona es pequea se produce un crecimiento tipo celular, segn figura con los bordes entre celdas ms ricos en soluto que la regin central, estos bordes quedarn destacados cuando se ataque con cido una superficie pulida.

Si la zona sobreenfriada es ms larga, se produce un crecimiento celular-dendrtico o dendrtico. Debido a la mayor concentracin de soluto del lquido que solidifica al final, las regiones interdendrticas quedarn dibujadas y visibles para la observacin metalogrfica.

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido El estado final para un latn 70-30 fundido se muestra en la Figura 1.6-5, en sta se observa segregacin de soluto que dibuja el desarrollo dendrtico de la solidificacin. Utilizando el modelo de la barra solidificada unidireccionalmente, la Figura 1.6-6, muestra como la deshomogeneidad de la distribucin de soluto (macro-segregacin) crece desde la forma de solidificacin estable con frente plano, siguiendo con el crecimiento celular hasta el crecimiento dendrtico.

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido La zona de SEC, es decir, de sobreenfriamiento constitucional, crece con las siguientes condiciones de solidificacin:Cuando G disminuye, ver figura. Cuando la velocidad de solidificacin R (=lp /t*) aumenta Cuando el contenido de soluto en la aleacin aumenta. Una mayor zona de SEC fomenta la formacin de crecimiento dendrtico, por tanto, las anteriores variables, (gradiente en el lquido, velocidad de solidificacin y contenido de soluto), se han relacionado en la figura siguiente, para mostrar las combinaciones que producen crecimiento dendrtico, celular y plano.

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido Los brazos secundarios en un crecimiento dendrtico tienden a engrosarse y disminuir en nmero al aumentar el tiempo local de solidificacin.

Solidificacin de aleaciones. Inestabilidad en la interfase slido-lquido Siendo ls el espaciamiento entre dendritas secundarias, que es equivalente al tamao de grano en piezas laminadas, se tiene que: Si t* aumenta, entonces ls tambin aumenta. Si ls disminuye, la resistencia mecnica aumenta. Si ls aumenta, se obtendr un material ms blando.

Es importante destacar que la microsegregacin en el slido est determinada por el espaciamiento entre dendritas secundarias.Por otra parte, los diferentes tipos de crecimiento tambin afectan la macrosegregacin, es decir, diferencias de concentraciones de soluto en distancias grandes del slido.

MECANISMOS DE CRECIMIENTODepende de cmo se elimine el calor:1. Calor especifico del slido: se elimina por radiacin o conduccin hasta la temperatura de nucleacin2. Calor latente de fusin: La forma que se elimina el calor latente, determina el mecanismo de crecimiento del materialCRECIMIENTO PLANO: Hay suficientes agentes nucleantes

CRECIMIENTO DENDRITICOAltos grados de sub-enfriamientoDendrita=ArbolH: aumenta la temperatura del lquido sub-enfriado hasta la temperatura de solidificacin Fraccin dendrtica =SDAS =

SEGREGACIN