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DIElIlERMIJINAOON
DIElL 1I1JEMUPODIE CCOlLAIDA
OlPTlIMIO
En la mayor parte de las fundiciones
de hierro, el tiempo de colada o llenado es
considerado en la actualidad bastante
despectivamente, en la mayoría de los
casos se calcula por una formula empírica,
se establece el sistema de llenado sin
relacionarlo con el tiempo de colada
supuesto, y raras veces se usa el
cronómetro para medir el tiempo real que
se tarda en llenar el molde. Pero, aún
cuando esto se hiciera, muchos se
contentan con anotar escrupulosamente
este tiempo en una ficha, la cual va a parar
~ un fichero, Aonde desaparece con
innumerables r~ultados de mediciones en
un "cementerio de cifras" del que jamás se
saca provecho.
Sobre el tiempo de colada de una
pieza fundida influyen numerosos factores,
habiéndose discutido mucho cual de ellos
e.s el más importante. En la práctica, el
tiempo de colada se determina (si llega el
caso) partiendo casi siempre del peso de la
pieza. A este respecto se recuerdan las
investigaciones
de E.W. Dietert a
mediados de la década de los treinta en los
Estados Unidos de América. En aquella
ocasión, Dietert encontró en numerosísimas piezas fundidas una relación
entre el tiempo de colada efectivo y la raíz
cuadrada del peso de colada:
t
=k..J p
en qué la forma de la pieza (masiva,
voluminosa,
de paredes
gruesas
o
delgadas, etc.) está representada por el
factor k.
Estas fórmulas empíricas de Dietert
estaban basadas en observaciones prácticas
28
de taller y han dado, por lo general, buen
resultado.
Sin embargo, ya por entonces el
factor de proporcionalidad
k demostraba
que el peso de la pieza fundida por si solo
no determinaba el tiempo de colada. Dos
piezas fundidas de igual peso pero de
desigual superficie (la una compacta, de
paredes gruesas; la otra, de paredes
delgadas y voluminosa) ostentan tiempos
de enfriamiento muy distintos. La pieza
más compacta se enfriará con bastante
mayor lentitud que la de paredes delgadas.
Esta última, por lo tanto, debe colarse con
mucha mayor rapidez, pues de otro modo
el metal solidicaría antes de que el molde
estuviese lleno.
.
Un estud.io ~ás atento reveló que el
tiempo de enfnanuento, t., de ambas piezas fundidas es proporcional al cuadrado
del volumen, V, partido por la superficie
liberadora de calor, S, o sea:
t=
(V/S)2
El tiempo de enfriamiento efectivo se
deduce entonces de:
t
= (A. (V/S) )2
El factor A (que, naturalmente,
puede denominarse de cualquier otra
manera)
comprende
las propiedades
térmicas del metal, y del material de
moldeo, mientras que el cociente (V/S)
describe la forma de la pieza. Esta es la
fórmula abreviada para determinar el
Reporte metalúrgico N" 3 Septiembre
1987
•
tiempo de enfriamiento que ya en 1822
J.B. Fourier dedujera exactamente en su
"Theorie Ana1ytique de la Chaleur".
N.J. Chworinoff empleó en 1940
las ecuaciones de Fourier para el cálculo
del tiempo de enfriamiento de piezas reales
y designó el imporante cociente (V/S)
"módulo de solidificación". Esta expresión
ha llegado a convertirse en uno de los
conceptos más importantes de la técnica de
colada.
Aquí se cierra, por lo demás,
también el círculo -tan dilatado en el tiempode estas investigaciones, ya que el tan
indeterminado factor k no es en el fondo
otra cosa que el módulo de solidificación.
bien es verdad que esto no es exacto, pues
en la fórmula empirica de Dietert no se
puede introducir (V/S) en lugar de k, pero
sí es sintomático.
La duración del enfriamiento desde
la eventual temperatura de colada hasta la
temperatura de "liquidus" de la aleación de
que se trate es, por lo tanto, el tiempo de
llenado de que normalmente disponemos.
Los moldes de piezas de paredes delgadas
habrán de estar llenos antes de que la
temperatura
del metal ~a
descendido
sustancialmente bajo la 'del "liquidus". Si
se trata de grandes piezas de gruesas
paredes es a veces aconsejable colar un
hierro más frío, puesto que tampoco una
mayor porción de fase sólida en el caldo
alcanzaría a impedir el llenado de las
secciones espesas y, debido además a
cierta "precontracción",
se conseguirá
disminuir el rechupe de la pieza fundida.
En la práctica de taller, el tiempo de
colada de una pieza viene influido por:
a) El módulo de la pieza; también
limitado por:
b) El tiempo de aparición de defectos
de expansión de la arena de moldeo, el cual
deberá determinarse de antemano para las
condiciones que prevalecen en la práctica ..
A este respecto se remite a la
oportuna documentación técnica y a la
conocida "prueba de dartado" de D.
Boenisch.
e) El tiempo disponible en la línea de
colada.
Reporte metalúrgico NO 3 Septiembre
1987
d) La capacidad de colada de la
cuchara empleada
e) El curso de la solidificación del
tipo de fundición empleado (este factor es
de la máxima importancia para el cálculo de
las mazarotas).
J. Czikel siguió otro camino, y del balance
térmico y la mecánica de colada dedujo la
siguiente fórmula, que indica, para una
pieza fundida determinada, el tiempo de
colada más largo posible, siempre y
cuando la temperatura del metal en el
molde durante la colada no descienda en
lugar alguno por debajo de la temperatura
del "liquidus":
t=M/C
en que:
t = tiempo de enfriamiento del metal
líquido (s)
M = volumen de la pieza (cm3)/superficie
liberadora de calor (cm-)
[=0.015 a 0.035, coeficiente de avance del
frente de solidificación (cm/s)
El módulo M es una dimensión de
longitud y se determina teniendo en cuenta
las diferencias de espesor de pared, los
puntos nodales y las acumulaciones locales
de material, si llega el caso recurriendo a
"cuerpos sucedáneos" simplificados (fig.
1).
De esta manera se obtiene el
máximo rendimiento con el mínimo
porcentaje de material de bebederos. No
obstante, las condiciones enunciadas en a)
y b) obligan con frecuencia a acortar
considerablemente el tiempo de colada en
sí mismo posible según e).
Asi, pues, para la fundición, J.
Czikel ha establecido una fórmula utilitaria
que como único criterio contiene el espesor
de pared "determinativo" de la pieza
fundida en cuestión.
Para la fundición colada en moldes
no estufados rige entonces:
t = 2.E-3
y para la colada en moldes estufados:
t = 2.5.E-3
29
F. Nielsen:
t = 0.32. E.P.O.4
en que t ha de expresarse en (s) y E en
(mm).
A la primera fórmula corresponde:
= 0.025
en que:
t = tiempo de colada en (s).
E = espesor de pared determinativo
en (mm).
P = peso de colada, incluido material
del sistema de llenado, en (Kg.).
(cm/s)
. Para piezas pequeñas de paredes
gruesas estas fórmulas pueden dar tiempos
de colada excesivos, por lo que hay que
recurrir entonces al módulo.
Estas fórmulas se representan en la
figura 2.
Para
fundición
de
máquinas
herramientas con más de 1TM. de peso de
colada ha dado buen resultado la última
fórmula.
Para piezas fundidas de hasta 1.000
Kg. se recomienda asimismo al fórmula de
.I/>I>.it
I
Basis
7 cm'
Discos de a ~ 5 d.
Placas d. a ~ 5 d.
Cubitos sacados de ellas:
V = 1 cm' d; S = 2 cm'.
200
M = ~
= _d_ [cm).
S
2
Como la placa puede su ponerse
por un numero erblcompuesta
el módulo de
tr ar lo de cubitos,
d
placa M = -2-'
4~
== •
b
I cm,
5=2
(.
+
b)
1 cm.
Cubo
- --V
o~~""t7"
,'/VV
l
ínscr+tcs
6
5
E,fera
a"
a' •
rr
4
~
--
V¡S=-¡;• V¡S=-¡;
//~"/
1
~? ;./
de estos
tres cuerpos
a
;s: -6-·
igual y asciende a M
En
tip-¡
~
ss,
--
-1b
M=
M~
r'h
2 (r
+
a
b
2 (a
+
es
//%/ /
-:¡.'
~~/
v:
//
/V
2
]
-' 5 6
Un aumento dI! temperatura tiene
los mismos efectos que un mayor
espesor de pared determmante
111
tJ 10
Espesor de pared
El módulo
b
V7'/': :
/
/.;
/
2
-a
V¡S",,-¡;
~V;Vv.~~o~
'/:V~V~
~,'>~
/
a' •
al-a'ft
2
'1
'/
/
3
6
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VV-oo
VVVO 0
///m~!
/' VV
~ 10
tJ
Cilindro
a
M
: 50
'" .0
-g'" 30
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e,rr •• Ilrg ••
Piell UCld. de .11•• ·
Y
Tiempo de colada en tuncion del
-espesor
de pared determinan/e y
del peso de calada.
I~~l\
o
.,0 l' '()ocY
~e
b
1
20
1 1 1 1 1
301,0 6080
¡I
I00
determinante
en m m.
Fig. 2.- Tiempo de colada en función del peso de
colada y el espesor de pared (según J. Czikel y
FNielsen)
h)
b)
Tomado del texto:
"CALCULO y DISEÑO DE SISTEMAS
DE ALIMENTA crox y COLADA"
/0
Fig. 1.- Módulo de solidificación de cuerpos geométricos simples (según R.WLODA WER)
Reporte metalúrgico NO 3 Septiembre
30
1987