regla de Chvorinov

La regla de Chvorinov es una fórmula empírica que predice cuánto tiempo tarda el metal fundido en solidificarse en un molde de fundición. La ecuación relaciona el tiempo de solidificación t con la geometría y las propiedades térmicas de la pieza fundida: t = B(V/A)n, donde V es el volumen de la pieza fundida, A es el área de la superficie en contacto con el molde, y B y n son constantes dependientes del material. La relación V/A se denomina módulo o módulo térmico; expresa cuán gruesa o voluminosa es la pieza fundida en relación con su superficie de enfriamiento. Una pieza fundida con un módulo alto se enfría lentamente; una con un módulo bajo se enfría rápidamente.

El exponente n suele oscilar entre 1.5 y 2.0, dependiendo de las condiciones de fundición y del sistema de materiales. El hierro gris a menudo sigue un n alrededor de 1.8, mientras que el acero y el aluminio pueden diferir ligeramente. La constante B refleja la facilidad con la que el calor fluye del metal al molde y al entorno circundante. Varía con el material del molde, la temperatura del metal, el tamaño de la pieza fundida y si se utilizan enfriadores o manguitos exotérmicos. Un molde hecho de arena de sílice seca da un B diferente al de un troquel metálico o un molde cerámico aglomerado.

Los ingenieros de fundición utilizan la regla de Chvorinov durante la planificación del proceso para estimar si las mazarotas, los bebederos y las temperaturas de vertido permitirán obtener piezas fundidas sanas. Una sección que se solidifica demasiado rápido puede no tener tiempo suficiente para que el metal líquido alimente la contracción en regiones adyacentes gruesas, causando porosidad o grietas. Por el contrario, si una mazarota se solidifica antes que el cuerpo principal, no puede funcionar. Al calcular los módulos para diferentes secciones, los diseñadores pueden predecir el orden de solidificación local y ajustar la ubicación de la mazarota, la distancia de alimentación y la gestión térmica en consecuencia.

La regla funciona mejor para geometrías simples y enfriamiento en estado estacionario. Las formas complejas con ramificaciones, secciones delgadas y espesores de pared desiguales introducen gradientes térmicos locales que el módulo simple no puede capturar. La fórmula también asume que el metal y el molde alcanzan condiciones de cuasi-equilibrio; el enfriamiento rápido o los flujos de fundición de alta velocidad pueden invalidar la suposición. Para predicciones de precisión, la simulación por computadora utilizando métodos de elementos finitos o diferencias finitas ha reemplazado en gran medida el cálculo manual, pero la regla de Chvorinov sigue siendo la herramienta más rápida para estimaciones de orden de magnitud y para aprender los principios de la fundición.

La regla lleva el nombre de Nikolai Chvorinov, un investigador de fundición soviético que publicó la relación a mediados del siglo XX. Existen variantes: algunas añaden un coeficiente para la permeabilidad del molde o utilizan diferentes exponentes para sistemas de aleación específicos. En la práctica, las fundiciones a menudo calibran B y n empíricamente fundiendo bloques de prueba y midiendo las curvas de enfriamiento, y luego aplican esos valores ajustados al trabajo de producción.