FUNDICION DE PLOMO PROCESO DE FABRICACION CATEDRATICO ING. JERVIS CALLE FREDDY XAVIER INTEGRANTES DEL EQUIPO LUIS DIAZ RUBEN COLOMA RUBEN DARIO PAUL SUAREZ

2014

ING. ELECTROMECÁNICA 6º SEMESTRE

06/07/2014

INTRODUCCIÓN

La fundición es el proceso de producción de un objeto metal por vaciado de un metal fundido dentro de un molde y que luego es enfriado y solidificado. Desde tiempos antiguos el hombre ha producido objetos de metal fundido para propósitos artísticos o prácticos. Con el crecimiento de la sociedad industrial, la necesidad de fundición de metales ha sido muy importante. El metal fundido es un componente importante de la mayoría de maquinarias modernas, vehículos de transporte, utensilios de cocina, materiales de construcción, y objetos artísticos y de entretenimiento. También está presente en otras aplicaciones industriales tales como herramientas de trabajo, maquinarias de manufactura, equipos de transporte, materiales eléctricas y electrónicas, objetos de aviación, etc. La mejor razón de su uso es que puede ser producida económicamente en cualquier forma y tamaño. El tipo más común de molde de fundición es hecho de arena y arcilla, en donde el diseño forma una cavidad en la cual se vaciará el material fundido. Los moldes deben ser fuertes, resistentes a la presión del metal derretido, y suficientemente permeable para permitir el escape de aire y otros gases desde la cavidad de los moldes. El material del molde también debe resistir la fusión con el metal.

OBJETIVO GENERALES

llevar a cabo la fundición de un metal con el fin de conocer las características o propiedades que toma el metal al llegar a su punto de fusión y diseñar el molde donde será vertido el metal liquido tomando en cuenta las características de los materiales usados en el molde como arena de sílice o yeso.

OBJETIVO ESPECÍFICOS

Conocer las propiedades que presenta el metal al ser fundido.

Identificar algunos criterios de diseño de moldes.

Calcular estimados del tiempo de solidificación de la pieza en el molde.

Diseñar el modelo requerido para realizar la práctica de la fundición, teniendo en cuenta las contracciones volumétricas que experimentan los metales cuando se solidifican. De esta manera, calcular las dimensiones requeridas para obtener la pieza deseada.

MARCO TEÓRICO

Fundición Se denomina fundición y también esmelter al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

DIAGRAMA DE TRABAJO

1) generalidades

Según en la clase de trabajo se utiliza:

a) Metales laminados o perfilados;

b) Metales forjados;

c) Elementos metálicos unidos entre sí por medio de ensambles o soldaduras;

d) Piezas metálicas obtenidas por fundición o colada.

La fundición permite obtener, fácil y económicamente, piezas de diversas formas y

tamaños y utilizar de modo conveniente algunos metales y aleaciones cuyas

características particulares no los hacen aptos para la laminación, la forja o la

soldadura, por ejemplo el hierro colado.

La fundición es, por lo tanto, una industria fundamental para la construcción de

máquinas, y exige amplia cultura profesional en el que se dedica a ella, pues

requiere conocimientos técnicos tan diversos como son, el dibujo industrial, la

mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos, la óptima, la terminología, la electrónica,

la química, etc.

La fundición además de una industria, es también un arte: el moldeador, sin más

ayuda que la de un modelo y algunas herramientas rudimentarias, puede

reproducir piezas muy complejas, realizando un trabajo que puede llamarse de

escultor.

2.- Lo que contiene un diagrama de trabajo

Proyecto y diseño: El proyectista al idear la máquina, debe darle un cuerpo

resistente y duradero; calcula por consiguiente, las diversas partes de las mismas

y, para transmitir su idea al constructor, realiza los diseños de conjunto y los de

detalle de cada pieza, debidamente acotados

Ejecución del modelo: después de las debidas comprobaciones, el diseño para el

modelista, si el modelo ha de ser de madera o aun mecánico especializado, si ha

de construirse de metal.

En colaboración con la fundición, el modelista o el modelista o el mecánico

construyen el modelo teniendo en cuenta el sistema de moldeo que adoptara el

fundidor, el grado de contracción del metal y de los espesores de mecanización.

Si la pieza ha de tener algún hueco interior, el modelista hará también la

correspondiente caja de machos, almas núcleos.

Moldeo: Una vez comprobado el modelo, pasa al moldeador, quien debe hacer el

molde o forma, reproducción en negativo de la configuración y las dimensiones de

la pieza que ha de ser fundida. El Molde puede ser:

a) Perdido transitorio: En este caso le molde se hace comprimiendo arena de

fundición alrededor del molde colocado en el interior de un bastidor

adecuado llamado caja, después de la colada, se levanta la caja y se rompe el

molde para extraer la pieza. Para hacer otra pieza es necesario rehacer el

molde.

b) Permanente: En este caso el molde se prepara sin la ayuda de modelo

ninguno, labrando directamente en negativo la pieza en uno o varios

bloques de metal (generalmente hierro fundido o acero) que vienen a

construir la coquilla, que dura numerosas fundiciones. Algunas veces los

moldes permanentes se hacen de yeso, e modo que sirvan para varias

coladas, con solo leves reparaciones.

Cuando la pieza ha de tener huecos interiores, el noyero, con la caja de machos u

otros utensilios, hace los machos o noyos convenientes.

Los moldes perdidos son aptos para la colada de toda clase de metales y para

piezas de cualquier dimensión; en cambios los moldes permanentes en coquilla se

adaptan especialmente para fundir pequeñas piezas, sencillas y en gran número, de

un modo particular para metales de muy bajo grado de fusión (aleaciones de cobre

aluminio y de zinc, de plomo o similares).

Los moldes de coquilla confieren a algunas aleaciones (por ejemplo al hiero

fundido) características mecánicas especiales (una grado de dureza muy elevado)

porque modifican profundamente su estructura; por ello se emplean para la colada

de piezas que han de estar sometidas a un fuerte desgaste, como los cilindros de

las maquinas laminadoras, ruedas para ferrocarriles, bancas para maquinas

herramienta, etc. Si ls piezas de hierro fundido obtenidas en los moldes de coquilla

han de estar trabajas posteriormente en las maquinas herramienta, deben

someterse a un oportuno tratamiento.

Preparación de las arenas: Para los moldes perdidos es necesario preparar la

arena, añadiéndole las materias adecuadas para que adquiera las propiedades

convenientes para el buen éxito de la colada, esta propiedades son: permeabilidad,

cohesión, refractariedad, dureza, etc.

Preparación de la coquilla: Para los moldes permanentes hay que construir la

coquilla mediante operaciones mecánicas de torneado, fresado, etc. Y prepararlo

para la colada, recociéndola y recubriéndola con una capa de barniz protector.

Retoque del molde: Hecho el molde es necesario levantar la caja, extraer el

modelo perfilar y asentar las partes arrancadas, colocar los eventuales machos

destinados a formar los huecos en el interior de las piezas, y volverlo a cerrar.

Incluso en los molde de coquillas hay que colocar los machos (metálicos o de

arena) antes de cerrarlos de nuevo. Esta operación recibe el nombre de retoque

del molde o recomposición de la forma.

Preparación del metal fundido: El metal se calentara a la temperatura de fusión,

es decir, se reducirá del estado sólido al líquido. Esta operación puede efectuarse

en un horno de combustible o en un horno eléctrico; cada tipo de horno posee sus

características, sus ventajas, sus inconvenientes, sus exigencias y sus aplicaciones

particulares.

Colada: Cuando el molde esta repasado y cerrado sólidamente de modo que

resista la presión metalostatica, se puede introducir en el mismo el metal fundido a

través de uno o más aberturas de colada(bebederos) previamente dispuestas e el

molde.

Solidificación y enfriamiento: Después de la colada, se debe esperar que la pieza

se solidifique y se enfrié en el molde. Las piezas pequeñas, de modo especial las

que se vacíen el molde de coquilla, se solidifican y enfrían en pocos instantes. Las

mayores, coladas en moldes de arena, requieren algunas horas más o menos, según

sus dimensiones. En cuanto a las piezas macizas de gran tamaño no son accesibles

a las operaciones posteriores más que acabo de algunos días.

Desmoldeo: Cuando la pieza se ha solidificado y enfriado hasta el punto de poder

ser manipulada sin peligro, se procede al delmoldeo, bien se trata de cajas o de

coquillas. Para realizar esta operación, después de levantar la caja, se rompe el

molde de arena con martillos o barras adecuados. Los moldes permanentes de

yeso y las coquillas metálicas solo han de abrirse ya que, después de sacada la

pieza, deben ser utilizados nuevamente.

Acabado: La pieza extraída del molde esta áspera, tiene incrustaciones de arena y

las rebabas que corresponden a las juntas de la caja o la coquilla, y lleva unido

todavía bebederos, cargaderos y mazadores, desbarbarla, limpiarla con el chorro

de arena.

Tratamientos térmicos, descubrimientos y similares: Algunas veces, las piezas

han de ser sometidas a tratamientos térmicos( el recocido el acero y el hiero

fundido colado en coquilla; al reposo o maduración artificial, el hierro fundido

mecánico; al recocido, las piezas de grafito esferoidal, y a los tratamientos térmicos

las aleaciones de aluminio) o ser recubiertas con materiales protectores especiales

(alquitranado de los tubos para condiciones de agua y de gas; esmaltado de las

piezas para la industria química o para uso doméstico, galvanizado, estañado, etc.

Mecanización: Las piezas destinadas a la construcción de alguna maquina pasan

finalmente al taller para su mecanización por medio de máquinas herramienta.

Esta mecanización tiene por objeto dimensionar exactamente la pieza para que las

varias partes ajusten cinéticamente y asegurar con ello el perfecto funcionamiento

de la máquina.

DEFECTOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN

Los vacíos se producen antes de llenar por completo la cavidad del

molde, por mala fluidez del metal derretido, bajas temperaturas de

vertido, bajas velocidades de vertido y bajas secciones transversales de

la cavidad del molde.

Los cierres fríos se producen cuando fluyen juntas dos porciones del

metal y no se produce fusión entre ellas porque se solidifican

prematuramente, por razones similares a las de los vacíos.

Los gránulos fríos ocurren por salpicaduras durante el vertido,

formando glóbulos sólidos del metal atrapados en el fundido.

La cavidad de fuga es una depresión en la superficie o un vacío interno

en el fundido. Se forman por fugas en la solidificación restringiendo la

cantidad de metal derretido disponible en la última región que se

solidifica.

La microporosidad es una red de vacíos pequeños distribuidos a lo largo

del fundido. Se forman por falta de solidificación localizada del metal

derretido final en la estructura derretida.

El desgarre caliente, se forma porque el fundido se ve impedido de

contraerse por el molde y este no lo propicia durante las etapas finales

de la solidificación, o en las primeras del enfriamiento.

PLOMO

El plomo es un metal blando, maleable y dúctil. Si se calienta lentamente puede

hacerse pasar a través de agujeros anulares o troqueles. Presenta una baja

resistencia a la tracción y es un mal conductor de la electricidad. Al hacer un corte,

su superficie presenta un lustre plateado brillante, que se vuelve rápidamente de

color gris azulado y opaco, característico de este metal.

Tiene un punto de fusión de 328 ºC, y un punto de ebullición de 1740 ºC. Su

densidad relativa es de 11,34 y 207,20 su masa atómica. El plomo reacciona con el

acido nítrico, pero a temperatura ambiente apenas le afectan los ácidos sulfúrico y

clorhídrico. En presencia de aire, reacciona lentamente con el agua formando

hidróxido de plomo, que es ligeramente soluble. Los compuestos solubles de plomo

son venenosos.

El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el

revestimiento de cables eléctricos. También se utiliza industrialmente en las redes

de tuberías, tanques y aparatos de rayos X. Debido a su elevada densidad y

propiedades nucleares, se usa como blindaje protector de materiales radiactivos.

Entre las numerosas aleaciones de plomo se encuentran las soldaduras, el metal

tipográfico y diversos cojinetes metálicos. Una gran parte del plomo se emplea en

forma de compuestos, sobre todo en pinturas y pigmentos.

PRÁCTICA

la práctica que se llevara a cabo tiene como finalidad que apliquemos los conceptos

de fundición y diseño de molde con el propósito de conocer el proceso que se tiene

que llevar acabo tomando en cuenta los factores que pueden afectar al producto

terminado, para esto tendremos que aplicar todo lo aprendido teóricamente.

MATERIALES A USAR

Arena 2 libras

Agua a nivel

madera (para realizar el molde)

soplete a base de gas butano

4 libras de plomo

A continuación presentaremos la pieza a reproducir en plomo.

El metal utilizado en esta práctica será el plomo, el cual es ideal para

producir esta pieza, ya que su punto de fusión es a los 54.85 ºC y no hay

necesidad de utilizar un horno sofisticado para lograr esto además de

que tiene bajo costo.

El tipo de fundición que se utilizara, es fundición en molde de yeso, pues

en esta se puede colocar casi cualquier metal, no limita el tamaño, forma

o peso y el costo es considerable.

El mejor material del que se puede hacer el modelo es de será ya que

tiene un bajo costo y es fácil de manipular además de que se obtiene un

mejor diseño de la pieza con mayores características en este caso serían

las letras incrustadas en la botella.

DESARROLLO DE LA FABRICACIÓN DE LA PIEZA

Condiciones de preparación

Las condiciones para fabricar la pieza son extremas por las altas temperaturas que se trabajan, es necesario garantizar un ambiente seguro para todas las personas que están en cercanas, además de unas condiciones óptimas para el trabajo. Se deben de tener en cuenta algunos factores. CREACIÓN DEL MODELO Y MOLDE

El modelo se realizara mediante cera, primero conseguiremos alrededor de 4 libras de

cera y se pondrá a derretir en un recipiente de metal la cera se debe de volver líquido

para que pueda ser introducido dentro de la botella, el derretimiento de la cera

tomara alrededor de 15 a 10 minutos luego se introducirá dentro del botella. Un factor

muy importante en este proceso es la contracción que tendrá la cera al irse enfriando

esto podría provocar en nuestro diseño grietas o deformaciones en los costados o en

parte superior. Luego dejaremos enfriar el producto hasta que este firme y sea capaz

de soporta un pequeño impacto ya se debe de romper la botella que lo contiene con el

fin de obtener la figura deseada para nuestro molde.

Por consiguiente se construirá el molde donde se introducirá la pieza de cera primero

aremos la caja que contendrá el yeso este será a base de madera las medidas serán de

24 cm de ancho por 25 cm de largo y 32 cm de alto la pieza debe de quedar en el

centro ya que lo mínimo que debe de tener de grosor es de 5 cm esto es una medida

de seguridad ya que el metal estará a una alta temperatura y esto podría provocar que

explote el molde o que se agriete dañando la pieza o causando lesiones a las personas

que estén cerca.

Luego de tener la caja de madera se introducirá el yeso que ya tenemos debidamente

preparado y también la pieza de cera que ya está lista para usarse, se introducirá

primero que nada el yeso y luego la pieza de cera será sujetado por alguien dejando la

boca de la botella sumergida y la cola en la parte superior, esto se realiza de esta

forma con el fin de dejar una salida amplia para los gases que se puedan llegar a

provocar al vaciar el metal liquido además de que será más fácil verter este. Después

de este procedimiento dejaremos secar el molde de 15 a 21 días el fin de de dejar

pasar mucho tiempo es que la humedad del yeso debe de desaparecer en un casi 100%

para que no se vaya a producir un accidente al introducir el metal liquido pero lo que

concierna a la botella de cera esta será retirada a los 3 o 5 días con el fin de que pueda

secar la parte interna del molde este se retirara con ayuda de un horno de pan o fuego

directo (ver fig. 1) .

Figura 1. Orificio después de retirar la cera del molde

FUNDICION Producido ya el molde se procede a derretir el plomo, esto se llevara a cabo con un soplete de gas de gas de butano. Teniendo el plomo ya preparado en el crisol este se someterá a una temperatura constante alrededor de 30 ò 60 minutos tratando de llevar la temperatura del metal hasta su punto de fusión que es de 54.85 ºC (ver fig. 2).

Figura 2. Plomo sometido a temperatura constante con un soplete de gas butano hasta que alcance el punto de fusión.

LIMPIEZA DE IMPUREZAS Luego se le retirara la escoria que se producirá por el proceso ya que el plomo que estamos utilizando es reciclado y contiene residuos de metal como hierro, este se retirara con extrema precaución con ayuda de pinzas y espátulas (ver fig. 3).

Figura 3. Retirando la escoria del metal líquido. VERTIDO

Obtenido el plomo líquido sin escoria se procede a verter dentro del molde, esta operación implica altos riesgos tanto para el operario por las altas temperaturas como la pieza ya que si la velocidad es muy alta generara turbulencias dentro de las cavidades del molde y se erosionara o en caso que contenga humedad o residuos de cera provocaría burbujeos que podrían salpicar al operario y a los que se encuentran a su alrededor, por otro lado si al vertimiento se realiza muy lento es posible que el plomo se enfrié durante este tiempo y no logre llenar por completo el interior del molde(ver fig. 4) .

Figura 4. Vertimiento del plomo liquido al molde.

ENFRIAMIENTO Y SOLIDIFICACION

La etapa de enfriamiento y solidificación es una de las etapas más críticas del

proceso ya que un enfriamiento muy rápido incurrirá en tensiones dentro de la

pieza e incluso la aparición de grietas o granulados (ver fig. 4).

RUPTURA DEL MOLDE

La ruptura del molde o el desmolde implica la rotura de este y la extracción de la pieza. Es necesario tener cuidado en este procedimiento ya que la pieza aunque está solida, sigue caliente lo cual es riesgoso para las personas involucradas. El molde es quebrado mediante golpes hasta liberar la pieza (ver fig. 5).

Figura 5. Rompimiento del molde

PIEZA TERMINADA

Para facilitar la manipulación de la pieza es necesario retirar los residuos de arena adheridos a la pieza (ver fig. 6).

Figura 6. Pieza terminada

CÁLCULOS

CODUCCIÓN

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a

través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con

otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos

energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las

más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal

conductor del calor.

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se

calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura,

el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende

en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero

se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que

transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura.

La conducción de calor sólo si hay diferencias de temperatura entre dos partes del

medio conductor. Para un volumen de espesor Δx, con área de sección transversal

A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1, como se

muestra en la figura 14.2, se encuentra que el calor ΔQ transferido en un tiempo Δt

fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por

unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ΔQ/Δt, está dada por la

ley de la conducción de calor de Fourier.

Donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material, magnitud que

representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la

consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura. El

signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente de la

temperatura. En la tabla 14.2 se listan valores de conductividades térmicas para

algunos materiales, los altos valores de conductividad de los metales indican que

son los mejores conductores del calor.

Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su largo

por un material aislante, como se muestra en la figura 14.3, cuyos extremos de área

A están en contacto térmico con fuentes de calor a temperaturas T1 y T2 > T1,

cuando se alcanza el estado de equilibrio térmico, la temperatura a lo largo de la

barra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es el mismo en

cualquier lugar a lo largo de la barra, y la ley de conducción de calor de Fourier se

puede escribir en la forma:

Problema:

Una barra de plomo está en contacto térmico con otra barra de plomo, una a

continuación de la otra, ambas de la misma longitud y área transversal (figura 8).

Un extremo de la barra compuesta se mantiene a T1 = 80º C y el extremo opuesto a

T2 = 30º C. Calcular la temperatura de fusión cuando el flujo de calor alcanza el

estado estacionario.

Solución con L1=L2=L:

Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son iguales:

Despejando las temperaturas T, con k1 y k2 del plomo, valores obtenidos de la

tabla 14.1.

CONCLUSION

En este trabajo nos fue posible aplicar los conocimientos adquiridos sobre

procesos de fabricación, el objetivo fue la elaboración de una pieza cualquiera y

para ello aplicamos un proceso de fundición. Fue necesario diseñar el molde y el

modelo. Además el proyecto le permitió al grupo el desarrollo de habilidades en la

aplicación e implementación de las técnicas de manufactura con el cual

comprobamos la teoría atreves de la práctica. Sin embargo hay que remarcar

algunos aspectos importantes que ocurrieron durante el proceso son:

No tomamos en cuenta que se consumiría una gran cantidad de plomo y

que a pesar de que se observó de que era muy poco su peso era mucho

mayor al considerado ya que el plomo tiene una densidad de 11.34, por

lo cual al fundir 2 libras de plomo se volvió muy poco en estado líquido.

El molde aun contenía un alto grado de humedad a pesar de que tenía 21

días de haberse hecho, sin embargo no daño la pieza a pesar de que al

momento del vaciado se presentó burbujeos y salpicaduras.

BIBLIOGRAFIA

SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de losMateriales, segunda edición, 1996.

ASKELAND, Ronald R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, tercera

edición.

GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. Tercera Edición. Mc Graw Hill.

https://procesosbio.wikispaces.com/Transferencia+de+Calor