INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE ENSAYO SOBRE EL MÓDULO DE RUPTURA EN MOLDES PARA FUNDICIÓN DE PRECISIÓN

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1 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE ENSAYO SOBRE EL MÓDULO DE RUPTURA EN MOLDES PARA FUNDICIÓN DE PRECISIÓN P.G. Varela, N.G. Cotella, O.E. Oviedo, O.A. Radevich y R.G. Kohl Universidad Nacional de Río Cuarto - Facultad de Ingeniería Ruta Nacional 36 Km Río Cuarto (Cba.) - Argentina pvarela@ing.unrc.edu.ar RESUMEN La técnica de fundición de precisión o microfusión provee gran cantidad de piezas a la industria con buena terminación superficial y calidad dimensional. Un molde de microfusión está sujeto a las siguientes solicitaciones mecánicas: sin calcinar deberá soportar la presión del material del modelo al extraerlo; y una vez calcinado, el mismo tiene que contrarrestar la presión del metal fundido y el choque térmico. A fin de estimar las propiedades físicas del molde que caracterizan la capacidad de éste para hacer frente a las solicitaciones antedichas, tradicionalmente se utiliza el módulo de ruptura MOR (modulus of rupture), el cual se determina preparando una placa plana de cerámica. A la muestra se le determina la tensión de rotura por flexión en tres puntos. El objetivo del presente trabajo es estudiar cómo influye la velocidad de ensayo en el Módulo de Ruptura, para la caracterización y optimización de sistemas cáscara para fundición de precisión, a fin de determinar un rango de velocidades en los cuales los ensayos puedan ser comparables entre sí, particularmente para el caso de moldes aglutinados con silicato de sodio. Con los datos reportados por el presente trabajo, el fundidor dispondrá de criterios para establecer rangos de validez de resultados de ensayos que hayan sido realizados bajo la técnica antedicha. Palabras claves Fundición de precisión, Módulo de ruptura, Cáscara, MOR, Investment casting INTRODUCCION La técnica de fundición a la cera perdida provee gran cantidad de piezas a la industria, que requiere de éstas una perfecta terminación superficial y estrechas tolerancias dimensionales (Mullers y Tagle [1]). Este proceso consiste en recubrir un modelo de cera con materiales refractarios cerámicos, luego extraer el modelo por fusión del mismo y llenar el espacio dejado por este con metal fundido, posteriormente a su solidificación se elimina el molde y se obtienen las piezas terminadas. La cáscara cerámica está compuesta por un barro aglutinante que es aplicado en sucesivas capas alternando con material de relleno o estuco hasta lograr un molde de espesor adecuado. El barro refractario está constituído por dos fases, una sólida y una líquida. La fase 101

2 Varela, Cotella, Oviedo, Radevich y Kohl líquida está compuesta de aglutinantes, tensioactivos y antiespumantes (Metals Handbook [2]). El aglutinante provee sol de sílice que cohesiona los granos del refractario de relleno, para lograr la resistencia requerida del molde. Como aglutinante es tradicional la utilización industrial del sílice coloidal o el silicato de etilo, (B.I.C.T.A. [3]). El procedimiento de elaboración de moldes cerámicos para microfusión aglutinados con silicato de sodio es una tecnología recientemente desarrollada (Kohl et al [4]). La misma consiste básicamente en la utilización de un barro que contiene silicato de sodio, realizándose la gelificación de cada capa en una atmósfera enriquecida con dióxido de carbono. El molde sin calcinar deberá soportar la presión que ejerce el modelo al extraerlo. Una vez calcinado, el molde tiene que contrarrestar la presión del metal fundido y el choque térmico. En virtud de ello es fundamental el control de la resistencia del molde sin calcinar y calcinado, a fin de lograr valores adecuados para que no se vea comprometida su integridad y sus dimensiones. P h L Figura 1. Esquema del ensayo para obtener el MOR. A fin de estimar las propiedades físicas del molde, tradicionalmente se utiliza el MOR (modulus of rupture), el cual se determina preparando una placa plana de material de molde, utilizando como modelo una barra de cera rectangular. La barra se reviste utilizando el sistema de cáscara deseado. Luego de secado, se remueven las caras laterales con una lijadora de banda. Las dos piezas remanentes son separadas de la cera, produciendo sendos especímenes para ensayo. La muestra se ensaya a la rotura por flexión utilizando una disposición de carga de tres puntos (figura 1). El modulo de ruptura equivale a: 3PL MOR = (1) 2 2bh Donde: P = carga de rotura L = distancia entre soportes b = ancho de la muestra en el punto de rotura h = espesor de la muestra en el punto de rotura El Módulo de Ruptura es frecuentemente utilizado por la industria de fundición de precisión, para evaluar componentes de cáscara, y procesos de construcción de la misma, así como para cualificar materiales y métodos alternativos para la elaboración de moldes. Los ensayos se realizan en cáscaras secas sin calcinar, pero también pueden realizarse a la temperatura de calcinación (hot MOR), y eventualmente, luego del enfriamiento posterior a la calcinación (fired MOR). 102

3 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga Las determinaciones del Módulo de Ruptura pueden ser incorrectamente interpretadas debido a que comúnmente aparece una amplia variabilidad en la resistencia de rotura entre una muestra y otra. La utilización efectiva de los resultados del Módulo de Ruptura para el control de los procesos desarrollados en la industria de la fundición de precisión dependen del control adecuado del procedimiento de ensayo, correctas interpretaciones estadísticas, y el muy cuidadoso conocimiento de las condiciones de ensayo que son en general diferentes de las tensiones que aparecen en las cáscaras durante el procesamiento. La repetividad y reproductividad de los resultados es el parámetro de control del método de ensayo. Precisamente, uno de los factores que más afectan los resultados del ensayo MOR es la forma con que se efectúa la aplicación de la carga, que depende del tipo de máquina empleada para realizar la prueba. En efecto, una variación en la velocidad de carga durante un ensayo MOR puede causar una variabilidad no deseada en los resultados. Variaciones en la velocidad de carga causan variaciones correspondientes en la velocidad de deformación de la muestra. Estas variaciones deben ser eliminadas debido a que los resultados obtenidos durante ensayos MOR son sensibles a la velocidad de deformación. Diferencias en la velocidad de deformación pueden causar variaciones en el módulo de ruptura. En un principio parecería que valores mayores serán medidos a velocidades de ensayo más bajas, lo que a su vez conllevará a un mayor tiempo total de ensayo. En la práctica, los ensayos de Módulo de Ruptura pueden ser realizados utilizando máquinas de testeo que operen bajo condiciones de control por deformación o bajo control por carga. La mayoría de las máquinas de ensayo utilizadas en la industria operan bajo las condiciones de control por carga, en cuyo caso durante un ensayo la fuerza se incrementa continuamente por el uso de un resorte, presión de aire, o por la adición de pesos en forma de pellets o agua. En este caso, pueden aparecer variaciones no deseadas de velocidad de deformación, lo que reduce la carga de rotura. Las máquinas de ensayo que operan con control por deformación son utilizadas en laboratorios de investigación, que utilizan máquinas universales de ensayo adaptadas para el testeo de vigas. Las muestras son deformadas a velocidad constante y la curva de carga versus deformación se registra automáticamente. Este método es preferible debido a que aquí no aparecen variaciones indeseables de velocidad de deformación. En la bibliografía consultada no se encontraron recomendaciones normalizadas de velocidad para los ensayos, existiendo referencias de utilización de distintas velocidades de aplicación de carga. Ciertos equipos para ensayos de masas de moldeo que utilizan el método de control por carga emplean velocidades que varían desde 7 a 33 N/seg. En cuanto a las velocidades que se emplean en laboratorios de investigación, que utilizan control por deformación, se puede relacionar que Doles [5] utiliza una velocidad de 1,27 mm/min (0,05 pulgadas/minuto); mientras que d Ambrosio y Ferreira [6] utilizan 2 mm/min. Resumiendo se puede afirmar que el módulo de ruptura MOR o resistencia a la flexión, es un buen punto de partida para caracterizar cáscaras. Las ventajas de esta herramienta son: medición sensible a pequeños cambios en resistencia de cáscara y espesor; facilidad de preparación de muestras de ensayo, utilizando barros y procesos de producción; método de ensayo rápido y aplicable con equipamiento fácilmente disponible. Las desventajas de este método de medición son: problemas de medición del espesor debido a que la superficie exterior es irregular y en general el espesor de cáscara no es uniforme; y gran desviación standard, razón por la cual se requiere gran cantidad de muestras a fin de incrementar la sensibilidad del método. Con la finalidad de subsanar algunos de los inconvenientes que presenta el Módulo de 103

4 Varela, Cotella, Oviedo, Radevich y Kohl Ruptura, Doles [5] introduce una nueva propiedad para la caracterización de sistemas cáscaras construídos con las tecnologías tradicionales basadas en sílice coloidal o silicato de etilo. Tal propiedad es el Indice de Fractura, el cual es una medida del trabajo o energía requerido para romper la cáscara. El Indice de Fractura se determina integrando el área bajo la curva carga/desplazamiento para un especímen de testeo MOR. El índice por lo tanto, mide el producto (fuerza) x (distancia). Varela et al [7] realizan determinaciones del Indice de Fractura para el caso de moldes aglutinados con silicato de sodio, mostrando como varía el mismo en función del porcentaje de silicio. El objetivo del presente trabajo es determinar cómo varían los resultados de ensayos de Módulo de Ruptura e Indice de fractura, en función de la velocidad de aplicación de la carga, empleando el control por deformación, en sistemas cáscara para fundición de precisión, particularmente para el caso de moldes aglutinados con silicato de sodio. PARTE EXPERIMENTAL Para lograr la finalidad propuesta, se prepararon muestras MOR de 55 mm. de largo, 30 mm. de ancho y seis capas de espesor, empleándose barro confeccionado con Silicato de Sodio como aglomerante, y chamote sílico aluminoso malla 12/70 como material de relleno, siguiendo el procedimiento enunciado por Kohl et al [4], confeccionándose una primera capa con ortosilicato de circonio malla 100/110. A fin de realizar las determinaciones de esfuerzo y deformación en flexión, se utilizó una máquina universal de ensayos, obteniéndose las deformaciones mediante un extensómetro y los esfuerzos mediante una celda de carga. Ambas variables fueron sucesivamente obtenidas por un sistema de adquisición de datos, y almacenadas en una computadora. La máquina universal de ensayos utilizada fue una Amsler-Wolpert de control servohidráulico. A la misma se le agregó, a los fines de este trabajo, una celda de carga adicional, para mejorar la sensibilidad en la lectura de esfuerzos dentro del rango necesario para estos ensayos. Fuerza (N) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Deformación (mm) Figura 2. Curva esfuerzo/deformación en flexión, para un sistema cáscara. Las deformaciones fueron medidas con un extensómetro marca Amsler de 10 mm. de fondo de escala, utilizándose un amplificador de la misma marca. 104

5 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga Tanto el transductor de la celda de carga, como el amplificador del extensómetro, fueron conectados a un sistema de adquisición de datos marca Keithley modelo ADC16 con una resolución de 16 bits., aplicándose la máxima velocidad de muestreo que el mismo dispone. Con los datos obtenidos se trazaron las curvas esfuerzo/deformación para cada muestra ensayada, arrojando curvas como las mostradas en la figura 2. Los valores del Módulo de Ruptura se obtuvieron en función del valor máximo de esfuerzo obtenido de la curva antedicha, aplicando la fórmula (1). Los valores del Indice de Fractura se determinaron integrando el área bajo dicha curva carga/desplazamiento, utilizando para ello un programa de análisis numérico. RESULTADOS Las muestras se ensayaron en series de cinco probetas cada una, donde para cada serie fue variada la velocidad de desplazamiento de los puntos de apoyo de la probeta sometida a flexión, a los efectos de realizar el ensayo por control por deformación. Tabla 1. Resultados obtenidos Velocidad (mm/min) MOR (MPa) Indice de fractura / Area (J/m2) 0,37 3,56 67,41 0,95 3,42 63,79 1,05 3,56 66,25 1,90 4,01 81,25 4,15 4,18 90,07 8,80 3,83 82,25 11,00 3,77 82,50 15,80 3,75 82,99 33, ,62 58, ,42 72, ,18 100, ,59 MOR (Mpa) Velocidad (mm/min) Figura 3. Variación del MOR en función de la velocidad de ensayo 105

6 Varela, Cotella, Oviedo, Radevich y Kohl Indice de fractura (J/m2) Velocidad (mm/min) Figura 4. Variación del Indice de fractura en función de la velocidad de ensayo Las figuras 3 y 4 muestran respectivamente los resultados de Módulo de Ruptura e Indice de Fractura en función de la velocidad de aplicación de la carga, estando esta última en escala logarítmica, a fin de cotejar en un mismo gráfico, velocidades pequeñas con aquellas mucho mayores. Las hipótesis estadisticas aplicadas para el tratamiento de los resultados obtenidos son las clásicas: los errorres experimentales están normalmente distribuidos con media cero y varianza constante pero desconocida, la cual fue estimada a partir de los valores medidos (Milton & Arnold [8]). Considerando un valor típico de velocidad de ensayo de 1,5 mm/min, además de hallar una estimación puntual para el valor medio del MOR y del Indice de Fractura, resulta util obtener un intervalo de confianza para estos parámetros al 95 %, lo cual arrojó: MOR = 3.70 ± 0.58 MPa con una aproximación de un polinomino de grado cuatro; e Indice de Fractura = ± J/m 2 con una aproximación de un polinomino de grado tres, ajustándolos por el método de mínimos cuadrados. DISCUSION Se observa claramente de los resultados obtenidos que tanto el Módulo de Ruptura como el Indice de fractura muestran valores dependientes de la velocidad de ensayo. En ambos casos se puede apreciar que la curva representativa de los valores analizados decrece significativamente para velocidades de ensayo relativamente altas, esto puede ser atribuído a la fragilidad de este tipo de moldes, característica ésta que los hacen poco resistentes para cargas de aplicación dinámica. Puede observarse además en ambos casos que la curva presenta una marcada tendencia hacia un valor constante para bajas velocidades de ensayo. Como resultado de esto último, puede afirmarse que ensayos realizados a velocidades iguales o menores a 1,5 mm/min no arrojarán variaciones en los resultados debidas a pequeñas desviaciones en la velocidad de ensayo. CONCLUSIONES Ha sido evaluado cómo varían el Módulo de Ruptura e Indice de Fractura para un amplio rango de velocidades de ensayo, en sistemas cáscaras de fundición de precisión 106

7 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga aglutinados con silicato de sodio. Si bien ambas propiedades se basan en consideraciones diferentes, los resultados muestran curvas similares, arrojando valores notablemente decrecientes para altas velocidades de ensayo, y tendiendo a permanecer constantes para bajas velocidades. Del análisis de las curvas obtenidas surge la posibilidad de proponer como un estándar para los ensayos de sistemas cáscaras de fundición de precisión aglutinados con silicato de sodio una velocidad aplicación de la carga de 1,5 mm/min, pues una pequeña variación en la misma no producirá variación apreciable en los resultados. Esto hará a los ensayos comparativos entre los distintos industriales y grupos de investigacion, proporcionando además un procedimiento de testeo agil y rápido. REFERENCIAS 1. Müllers, Tagle, Fundición de precision en cascara cerámica, Universidad Católica de Valparaíso, Metals Handbook, Ninth edition, 15, A.S.M., B.I.C.T.A., Shell Technology, The British Investment Casters Technical Association, R. Kohl, O. Oviedo, N. Cotella, P. Varela, V. Miskovski, O. Radevich, Construcción de Moldes para Fundición a la Cera Perdida Aglomerados con Silicato de Sodio, I Workshop Brasileiro de Fundição de Precisão, Porto Alegre, Brasil , R.S. Doles, A New Approach to the Characterization and Optimization of Investment Casting Shell Systems, 9 th World Conference on Investment Casting, San Francisco, California, USA. Paper N 8, M.P. d Ambrosio, C.R.F. Ferreira, Caracterização de Moldes Cerâmicos do Tipo Casca: Permeabilidade a Quente e MOR, I Workshop Brasileiro de Fundição de Precisão, Porto Alegre, Brasil , P. Varela, N. Cotella, O. Oviedo, R.G. Kohl, Utilización del Indice de Fractura para la Caracterización de Sistemas Cáscara Aglomerados con Silicato de Sodio : Jornadas SAM 99, Rafaela (Santa Fe), Argentina, trabajo 2.2, Milton, Arnold, Probability and Statistics in the Engineering and Computing Science,: McGraw - Hill,