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• Leny Danitza Torrico Sahonero

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PREGUNTAS DE REPASO 12.1 Describa las consideraciones generales de diseño en la fundición de metales.  

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Diseñar la parte de manera que la forma pueda fundirse con facilidad. En este capítulo se proporcionan varias consideraciones importantes que son útiles en dichos proyectos de diseño. Seleccionar un proceso de fundición y un material apropiado para la parte, tamaño, propiedades mecánicas, etc. Con frecuencia, el diseño de la parte no es independiente del primer paso dado y se necesita especificar la parte, el material y el proceso de manera simultánea. Localizar la línea de partición del molde en la parte. Localizar y diseñar las compuertas que permitan la alimentación uniforme de la cavidad del molde con el metal fundido. Seleccionar una geometría apropiada del canal de alimentación para el sistema. Localizar las características del molde, como bebederos, filtros y mazarotas, como es apropiado. Asegurar que estén vigentes controles adecuados y prácticas apropiadas.

12.2 ¿Qué son los puntos calientes? ¿Cuál es su significado en la fundición de metales? Puntos calientes son regiones cuya velocidad de enfriamiento es menor. Estas regiones pueden desarrollar cavidades por contracción y porosidad, por tanto producen orificios en la fundición, pero eso no afecta su resistencia de manera significativa. Las cavidades en los puntos calientes se pueden eliminar mediante corazones o machos pequeños. 12.3 ¿Qué es la tolerancia por contracción? ¿Qué es la tolerancia de maquinado? Tolerancia por contracción Es el incremento adicional en las dimensiones de un molde o hilera, que se debe añadir, para compensar la contracción de los productos posteriormente a su procesado. Tolerancia por maquinado Debido a que la mayoría de las fundiciones de moldes requieren ciertas operaciones adicionales de acabado, como maquinado y rectificación, deben considerarse tolerancias para estas operaciones en el diseño de las fundiciones. Estas tolerancias, que se incluyen en las dimensiones de los modelos, dependen del tipo de fundición y aumentan con el tamaño y espesor de la sección de las fundiciones. 12.4 ¿Son necesarios los ángulos de salida en todos los moldes? Sí, porque el ángulo de salida (conicidad) en los modelos para moldes de arena permiten extraer el modelo sin dañar el molde. Los ángulos de salida suelen ir de 5 a 15 mm/m (1/16 a 3/16 pulgada/ pie). 12.5 ¿Cuáles son las fundiciones de metal ligero? ¿Dónde se utilizan generalmente? Aleaciones de aluminio El aluminio es un metal ligero con una densidad de 2.70 g/cm3, y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen características mecánicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. Es precisamente debido a esto que el aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automoción. Aleaciones de magnesio El magnesio es un metal ligero, con una densidad de 1.74 g/cm3, que compite con el aluminio para aplicaciones que requieren metales de baja densidad, a pesar de su mayor precio, alrededor del doble.

Sin embargo, el magnesio y sus aleaciones muestran una serie de desventajas que limitan su utilización. Por una parte la reactividad del magnesio es elevada y sin embargo la estabilidad de sus óxidos es pobre por lo que su resistencia a corrosión es pequeña, sus características mecánicas son del orden de las correspondientes a las aleaciones de aluminio incluso de forma específica, y muestran pobres resistencia a termofluencia, fatiga y desgaste. Además, resultan aleaciones de difícil colabilidad y que en estado fundido arde en contacto con el aire, y su transformación en frío resulta igualmente difícil al cristalizar el Mg en una estructura hexagonal densa que no favorece precisamente su deformación. No obstante tiene amplias aplicaciones en la ingeniería aeronáutica y aeroespacial. Aleaciones de titanio El titanio es un metal relativamente ligero (densidad de 4.54 g/cm3), altamente reactivo y que presenta una transformación alotrópica de una estructura hexagonal densa a temperatura ambiente a una estructura c.c. (b) a 883°C. La resistencia del titanio es muy elevada, 684 MPa para el Ti de pureza 99.0%, por lo que tanto el Ti como sus aleaciones pueden competir favorablemente con las aleaciones de Al para algunas aplicaciones aeroespaciales, a pesar de su mayor precio, alrededor de unas 5.7 veces superior. Las aplicaciones de estas aleaciones incluyen intercambiadores de calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas, para las industrias química y petroquímica. 12.6 Nombre los tipos de hierros fundidos disponibles y liste sus principales características y aplicaciones. A. Hierro fundido gris. Las fundiciones de hierro fundido gris tienen relativamente pocas cavidades por contracción y poca porosidad. Diferentes formas de esta aleación son el ferrítico, el perlítico y el martensítico. Se utilizan comúnmente en los monobloques de motores, alojamientos de motores eléctricos, tubos y superficies de desgaste para máquinas, bancadas de máquinas herramienta. B. Hierro dúctil (nodular). Generalmente utilizados para partes de máquinas, carcasas, engranes, tubos, rodillos para laminadores y cigüeñales de automóviles, C. Hierro fundido blanco. Debido a su extrema dureza y resistencia al desgaste, el hierro fundido blanco se utiliza principalmente en rodillos para laminadores, zapatas para frenos de carros de ferrocarril y revestimientos en maquinaria para procesar materiales abrasivos. D. Hierro maleable. El hierro maleable se usa principalmente en equipo ferroviario y varios tipos de herrajes, accesorios y componentes para aplicaciones eléctricas. E. Hierro de grafito compactado. El hierro de grafito compactado ofrece amortiguamiento y propiedades térmicas similares a las del hierro gris, y resistencia y rigidez comparables a las del hierro dúctil. Debido a su resistencia, las partes hechas de CGI pueden ser más pequeñas y, por lo tanto, más ligeras. Es fácil de fundir, tiene propiedades consistentes durante la fundición y su maquinabilidad es mejor que la del hierro dúctil (lo que es importante, ya que se utiliza en monobloques de motores automovilísticos y cabezas de cilindros).

12.7 ¿Por qué los aceros son más difíciles de fundir que los hierros fundidos? ¿Cuál es la consecuencia de esto? Porque requieren cuidados más especiales, como hornos controlados y cerrados herméticamente para controlar la presencia del oxígeno, los aceros se funden a mayor temperatura. Como consecuencia el acero es más duro que el hierro, además de ser dúctil y maleable es muy elástico y tenaz, aunque relativamente frágil. Dependiendo del porcentaje de carbono. 12.8 Describa los factores importantes involucrados en la economía de las operaciones de fundición.         

Materiales Herramental Equipo Mano de obra La producción de moldes y matrices que requieren materias primas, tiempo y esfuerzo. La fusión y el vaciado del metal fundido en moldes El tratamiento térmico La limpieza y la inspección de las fundiciones. Número de partes fundidas.

12.9 ¿Cuál es la diferencia entre un canal de alimentación y una compuerta? Las compuertas son las conexiones entre los canales de alimentación y la parte a fundir. El canal de alimentación es una vía de distribución horizontal que acepta metal fundido del bebedero y lo conduce a las compuertas. 12.10 ¿Cuál es la diferencia entre la tolerancia de maquinado y la tolerancia dimensional? Tolerancias de maquinado. Estas tolerancias, que se incluyen en las dimensiones de los modelos, dependen del tipo de fundición y aumentan con el tamaño y espesor de la sección de las fundiciones. Por lo general, van de entre 2 y 5 mm (0.1 a 0.2 pulgada) para fundiciones pequeñas, a más de 25 mm (1 pulgada) para fundiciones grandes. • Tolerancias dimensionales. Las tolerancias dimensionales dependen del proceso de fundición en particular, del tamaño de la fundición y del tipo de modelo utilizado.

Deben ser lo más amplias que sea posible, dentro de los límites del buen desempeño de la parte; de lo contrario, el costo de la fundición aumenta. Las tolerancias se encuentran en el intervalo de _0.8 mm (1/32 pulgadas) para pequeñas fundiciones y se incrementan con el tamaño de las fundiciones. Llas tolerancias para fundiciones grandes pueden ser hasta de _6 mm (0.25 pulgadas). 12.11 Liste las reglas para localizar líneas de partición en fundición.     

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Las partes deben orientarse en los moldes de manera que la parte grande de la fundición esté relativamente abajo y se minimice su altura. La orientación de la parte también determina la distribución de la porosidad. Las superficies críticas deben orientarse de manera que queden con la cara hacia abajo. La línea de partición debe estar a lo largo de un plano recto y no de uno contorneado. La línea de partición debe colocarse lo más abajo posible (respecto de la fundición) para los metales menos densos (como las aleaciones de aluminio) y localizarse a casi la mitad de la altura para metales más densos (como los aceros). Además, la ubicación de dicha línea y la orientación de la parte determinan el número de machos o corazones requeridos y es preferible evitar el uso de éstos siempre que sea práctico.

PROBLEMAS CUALITATIVOS 12.12 Describa el procedimiento que seguiría para determinar si un defecto en una fundición es una cavidad por contracción o una porosidad provocada por gases. La manera que usaría es realizar un corte a través de la pieza fundida y observar la cavidad, si la cavidad presenta superficie regular y es de naturaleza esférica se le atribuye la causa a los gases. Si la cavidad presenta superficie irregular, es de forma irregular y presenta cortes, se le atribuye a la contracción. 12.13 Explique cómo haría para evitar el desgarramiento por calor. Por el punto eutéctico, este corresponde a la composición de una aleación que tiene el punto más bajo de fusión en el sistema de aleaciones. El bajo punto de fusión asociado con el punto eutéctico puede lograr cosas como evitar o controlar el daño térmico durante la unión, al igual que en la soldadura. 12.14 Describa su observación respecto de los cambios de diseño mostrados en la figura 12.1. Los cambios efectuados siguen la idea de evitar las imperfecciones propias de un proceso de fundición, aquí se demuestra que durante el proceso de diseño influye el proceso de manufactura, si bien el diseño inicial se supone cumplirá su función deben adecuarse al proceso de fundición; en el caso de la figura (a) se evitan las esquinas debido a que son aristas muertas donde la estructura solidificada tendría agrietamiento, deformación etc. En el caso (b) se cambia en el diseño esta vez pensando un poco más en el proceso de llenado del molde y la extracción de la pieza para mejorar el tiempo de producción. En la imagen (c) se considera en el diseño el proceso de salificación buscando que la estructura metalográfica sea lo más uniforme y estable posible. En la figura (d) se nos indica conveniente agregar refuerzos debido a las propiedades del proceso de fundición. En la figura (d) se mejora el diseño para simplificar la separación de moldes, ahorrándonos la complejidad en el diseño del molde. Finalmente la figura (e) nuevamente busca simplificar el molde y optimizar la liberación de la pieza. 12.15 Si sólo necesita unas cuantas fundiciones del mismo diseño, ¿cuál de los tres procesos sería el más costoso por fundición de pieza? El proceso de fundición más caro para pocas unidades es la fundición a presión en matriz, debido al elevado costo de la matriz y el equipo.

12.16 En lo general, ¿está de acuerdo con los valores de los costos de la tabla 12.6? Si es así, ¿por qué? Si estoy de acuerdo porque respecto a cada uno de los procesos de fundición son definidos ya sea por el costo para crear el molde maquinaria, mano de obra, etc. Por ejemplo en el caso de moldes de arena al ser un material no tan costoso en cuestión a venta en el mercado sus precios son bajos, y hace uso de personal o mano de obra en baja cantidad por lo que ello tampoco lo hace muy costoso eso si su calidad no es la mejor de entre todas pero si es factible. Otro ejemplo el de revestimiento tiene una capacidad de producción altísima por lo que tanto su maquinaria como su mano de obra debe trabajar al máximo, entonces es comprensible que su costo es elevado. Y así cada uno hace más uso ya sea en cuestión a matriz, mano de obra o equipo. Cada uno con resultados en cantidad, calidad, o económicamente factible. 12.17 Agregue más ejemplos a los mostrados en la figura 12.2. -Otro ejemplo sería el de una cara plana de gran área en comparación al resto de la pieza, la cual al solidificarse se deformaría y no se obtendría una superficie plana. -En el caso de una pieza con área de sección pequeña durante la solidificación se perdería la rectitud de la misma, observándose ondulaciones en la pieza. 12.18 Explique de qué manera son útiles las costillas y serraciones en la fundición de superficies planas que de lo contrario se podrían distorsionar. Proporcione una ilustración específica. Las costillas y serraciones dividen una superficie plana grande en varias superficies más pequeñas, y de esta manera también los gradientes de temperatura, al ser menor el área de cada superficie.

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plate Esta placa superficial de hierro gris acanalado con costillas de refuerzo es una buena representación de los efectos del uso de costillas de refuerzo. 12.19 Describa la naturaleza de los cambios de diseño realizados en la figura 12.3. ¿Qué principios generales observa en esta ilustración? En el primer ejemplo se observa que se debe eliminar puntos innecesarios que quizás tiendan a fracturarse y de esta forma simplificar fabricación de moldes y matrices. En el segundo crear tipo de rejillas en caso de tratar con superficies largas extensas. Evitar puntos muertos, que pueden ser reemplazados con radios pequeños que facilitan inclusive al ingreso del lubricante. Lograr el ahorro de material con el diseño adecuado si es que la forma de esta no es funcional. Tener esquinas muy pronunciadas pueden crear astillas es mejor redondear estos. No colocar cavidades en lugares propensos a rebaba, porque podría afectar a su función principal. 12.20 En la figura 12.4, observe que la ductilidad de algunas aleaciones para fundición es muy baja. ¿Cree que esto debe ser una preocupación importante en aplicaciones de ingeniería de fundiciones? Explique su respuesta. Sí, es claro que es un factor que debe ser controlado, debido a que al realizar una pieza por fundición la baja ductilidad podría causar la ruptura de zonas en las que la pieza presente un espesor mínimo, por lo que sebe er muy cuidadoso en la etapa de diseño al definir la aleación a fundir. 12.21 ¿Cree que habrá menos defectos en una fundición realizada mediante vaciado por gravedad que en una efectuada por vaciado a presión? Explique su respuesta. Si, debido a la presión, se pueden obtener piezas con un mejor acabado superficial, mejor precisión dimensional, y debido a que el metal fundido se enfría con rapidez en las paredes de la matriz, la fundición tiene una capa superficial dura, de grano fino, con alta resistencia. 12.22 Explique la diferencia en la importancia de los ángulos de salida en la fundición en arena verde respecto de la fundición en molde permanente. Los ángulos de salida nos pueden lograr que retiremos la pieza sin dañar su molde. Si el material del molde es arena este no tiene refuerzos, la cavidad del molde luce dañada mientras se realiza la extracción de la pieza, que está directamente relacionado a la poca capacidad de aguantar fuerza del molde, es decir un molde de arena es considerado débil. Sin embargo, uno hecho de un acero de ata

resistencia, lo cual es típico en un molde permanente, no muestra ningún tipo de daño mientras se realiza la extracción de la pieza, y en este caso los ángulos de salida pequeño pueden ser usados. 12.23 ¿Qué tipo de hierro fundido sería apropiado para bastidor de máquinas pesadas, como imprentas y máquinas herramientas? ¿Por qué? El hierro gris debido a que absorbe las vibraciones además de tener la resistencia para soportar el peso de los componentes de la maquinara, se le puede añadir algún aleante para mejorar las prestaciones finales. 12.24 Explique las ventajas y limitaciones de los filetes agudos y redondeados, respectivamente, en el diseño de una fundición. Los filetes agudos actúan como concentradores de esfuerzos y pueden hacer que el metal (y las matrices) se agrieten o desgarre durante la solidificación. Deben redondearse los filetes, para reducir las concentraciones de esfuerzos y asegurar el flujo apropiado de metal líquido durante el vaciado. Por lo general, los radios de los filetes van de 3 mm a 25 mm, aunque se pueden permitir radios menores en fundiciones pequeñas y en aplicaciones específicas. Sin embargo, si los radios de los filetes son demasiado grandes, el volumen del material en esas regiones también es grande y, por consiguiente, la velocidad de enfriamiento es inferior. 12.25 Explique por qué varía tanto el módulo elástico (E) del hierro fundido gris, como se muestra en la tabla 12.4. Es debido a la forma, tamaño y distribución de la segunda fase (copos de grafito) varia bastante para el hierro gris fundido, existe una amplia variación de las propiedades que llega a alcanzar, y debido a esto es afectado el módulo de elasticidad. 12.26 ¿Por qué las mazarotas no son tan útiles en la fundición a presión en matriz como en la fundición en arena? No son eficientes debido a que en el proceso de fundición a presión el metal se distribuido automáticamente de forma uniforme debido a la presión ejercida sobre el mismo. 12.27 Describa las desventajas de tener una mazarota (a) muy grande o (b) muy pequeña. Una mazarota muy grande consume demasiado metal de la fundición por tanto el desperdicio aumenta mucho, además que hace más lento el enfriamiento al tener un volumen muy grande de metal en su interior. Una mazarota muy pequeña puede que no llegue a cumplir su función, por el bajo volumen que puede almacenar, puede enfriarse más rápido que la fundición, volviendo inútil la mazarota. 12.28 ¿Por qué las mazarotas ciegas pueden ser más pequeñas que las mazarotas abiertas? Las mazarotas son usadas como depósitos para una colada en regiones donde se espera obtener una contracción (las áreas que son las ultimas en solidificarse). Por lo tanto, las mazarotas deben ser fabricadas lo suficientemente largas para asegurarse de que serán las ultimas en solidificarse. Si una mazarota se solidifica antes de lograr llenar la cavidad, es inservible. Como resultado, una mazarota abierta que está en contacto con el aire debe ser mucho más larga o extensa, para asegurarse de que no se solidificara antes. Una mazarota ciega es menos propensa a este fenómeno, ya que se encuentra en contacto con todas las superficies del molde; por lo tanto una mazarota ciega tiende a ser más pequeña.

12.29 Si fuera a incorporar letras o números en una parte fundida en arena, ¿las resaltaría sobre la superficie o las inscribiría dentro de ella? ¿Qué pasa si la parte se produjera mediante fundición por revestimiento? Explique su respuesta.

En el caso del molde por arena las resaltaría debido a que es más fácil realizar el maquinado con partes salientes Para la fundición por revestimiento sería mejor que las letras fuesen entrantes. La disposición de las letras dependerá de que tan fácil sea el maquinado del molde o matriz requerida. 12.30 Las recomendaciones generales de diseño para un pozo en una fundición en arena (ver fig. 11.3) son: (a) que su diámetro sea por lo menos dos veces el diámetro de salida del bebedero, y (b) que su profundidad sea casi dos veces la profundidad del canal de alimentación. Explique las consecuencias de no apegarse a estos lineamientos.

El pozo de colada tiene la función de controlar el flujo del metal que entra en el canal. Su diámetro es inferior podría producir un flujo muy lento de metal y acelerar un enfriamiento prematuro y también es para evitar la aspiración de aire. Si la profundidad es menor a lo indicado la turbulencia con la que el metal fluirá por el canal de alimentación será muy alta, lo cual perjudicara seriamente la fundición.

12.31 Comúnmente, las regiones pesadas de las partes se colocan en el molde inferior de la fundición en arena y no en el molde superior. Explique las razones. Una explicación simple es que si ellos se encontraran en la parte superior, ellos desarrollarían una alta capacidad para flotar con lo cual tendería a separar el molde y por lo tanto desarrollar destellos en la fundición.

PROBLEMAS CUANTITATIVOS 12.32 Al diseñar modelos para fundición, los fabricantes utilizan reglas especiales que incorporan automáticamente tolerancias para la contracción de los sólidos en sus diseños. Por ejemplo, la regla de 12 pulgadas de un fabricante de modelos es mayor a un pie. ¿Cuán larga debe ser la regla de un fabricante a fin de hacer modelos para (a) fundiciones de aluminio, y (b) acero con alto contenido de manganeso?

Aluminio

17 mm →1000 mm x → 304.8 mm x=

304.8∗17 =5.18 mm 1000

acero con alto contenido de manganeso

25.4 mm → 1000 mm x → 304.8 mm x=

304.8∗25.4 =7.74 mm 1000

12.30 Las recomendaciones generales de diseño para un pozo en una fundición en arena (ver fig. 11.3) son: (a) que su diámetro sea por lo menos dos veces el diámetro de salida del bebedero, y (b) que su profundidad sea casi dos veces la profundidad del canal de alimentación. Explique las consecuencias de no apegarse a estos lineamientos.

Graficamos respecto a la tabla 12.2

Donde 1=D, 2=MD, 3=R, 4=A Y 5=E

SINTESIS, DISEÑO Y PROYECTOS 12.34 Liste los procesos de fundición que son apropiados para fabricar partes huecas con: (a) características externas complejas, (b) características internas complejas, y (c) características internas y externas complejas. Explique sus elecciones. a) Fundición por dado impresor Las presiones requeridas en el dado impresor son menores que las demás ya sea en frio o caliente, se pueden hacer piezas complejas con detalle fino en la superficie. b) Fundición de vacío La fundición de vacío es una alternativa a la fundición por revestimiento de molde y de arena verde y es sobre todo adecuada para formas complejas con paredes delgadas. c) moldeo en cascara Puede producir muchos tipos de fundiciones con tolerancia dimensional cerradas y un buen acabado superficial. 12.35 Con frecuencia quedan cantidades pequeñas de escoria y desechos después de desnatar y se introducen en el flujo de metal fundido en la fundición. Si se reconoce que la escoria y los desechos son menos densos que el me tal fundido, diseñe las características del molde que eliminen pequeñas cantidades de escoria antes que el metal llegue a la cavidad del molde. Para poder evitar la llegada de la escoria al molde podríamos diseñar un sistema con gradientes aprovechando que la escoria será mucho menos densa que el metal fundido y se elevará hacia arriba como por ejemplo

En nuestro diseño se podría evitar que la gran mayoría de la escoria llegue al molde aumentando la eficacia y calidad de nuestro producto. También colocando 2 mazarotes para evitar la contracción en caliente. 12.36 Para la rueda de metal fundido ilustrada en la figura P12.36, muestre cómo pueden utilizarse (a) la colocación de la mazarota, (b) la colocación del macho o corazón, (c) las camisas metálicas, y (d) los enfriadores para ayudar a alimentar el metal fundido y eliminar la porosidad en la saliente del mamelón de la maza. Para la rueda ilustrada en la figura adjunta, se muestra bajo: a) b) c) d)

colocación de la mazarota colocación del macho camisas metalicas enfriadores, pueden usarse para ayudar a alimentar el metal fundido y eliminar la porosidad en el saliente del cubo aislado.

12.37 Suponga que falta la introducción de este capítulo. Escriba un breve texto para resaltar la importancia de los temas abarcados en ella. Se han establecido lineamientos generales para ayudar a los diseñadores a producir fundiciones sin defectos y cumplir con las tolerancias dimensionales, los requisitos de servicio y diversas especificaciones y estándares. Estos principios tienen que ver con la forma de la fundición y con diversas técnicas para minimizar los puntos calientes que pueden causar cavidades por contracción.

12.38 En la figura P12.38, el diseño original de la fundición mostrado en (a) se modificó con el diseño mostrado en (b). La fundición es redonda y tiene un eje vertical de simetría. Como parte funcional, ¿qué ventajas cree que tiene el nuevo diseño respecto del anterior? Entre las ventajas se incluye: a) El grosor de la pieza es más uniforme b) Es menos probable una gran porosidad de contracción (debido al grosor de la pieza). c) Las nervaduras controlarán el deformado debido a las tensiones térmicas, así como a la rigidez de las juntas.

12.39 En la figura P12.39 se muestra un diseño incorrecto y uno correcto para una fundición. Revise los cambios realizados y comente sus ventajas. La principal ventaja del nuevo diseño es que puede ser de fácil fundición sin la necesidad de un núcleo externo. La pieza original requeriría dos núcleos, porque la geometría es tal que no se puede obtener en un molde de arena sin núcleos.

12.40 En la figura P12.40 se muestran tres grupos de diseños para fundición a presión en matriz. Observe los cambios realizados al diseño 1 de la matriz y comente las razones. Si analizamos las figuras con la intención de minimizar los cambios en el grosor de la sección, eliminando esquinas para simplificar la construcción del molde de modo que se puedan fundir fácilmente, además de evitar las aristas muertas.