INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA

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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA OPTIMIZACION EN CALIDAD Y PRODUCTIVIDAD DE DISCO TAMBOR DE FRENO 053 FABRICADO POR MOLDEO VERTICAL EN VERDE DE ALTA DENSIDAD TESIS QUE PARA ONTENER EL GRADO DE INGENIERO EN METALURGIA PRESENTA OSCAR GOMEZ MOLINA ASESOR: DR. FEDERICO CHAVEZ ALCALA 42

2 AGRADECIMIENTOS. A Dios por permitirme ir alcanzando mis objetivos y metas en mi vida personal y profesional. A mi esposa Dagne e hijos Dafne y Oscar que me motivan a seguir y continuar mejorando en todos los aspectos de mi vida donde reconozco un gran acierto la decisión de formar una familia contigo Dagne Gracias. A mis padres por brindarme su apoyo para mi formación como profesionista que sin duda es la mejor herencia que pude haber recibido. A la institución, profesores, amigos y compañeros con los cuales compartí momentos que me permitieron crecer y desarrollarme de mejor forma. 43

3 INDICE CONTENIDO PAGINA RESUMEN. 1 INTRODUCCIÓN. 2 I.- ANTECEDENTES PROCESO DE PRODUCCION Operaciones básicas de maquina moldeadora Transportador de moldes de precisión pmc Transportador de banda sincronizado sbc Colocación de machos automática cse Arena de moldeo METALURGIA BÁSICA DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS Principios de fabricación de hierro gris Diagrama de hierro carbono Carbono equivalente Hierro gris. 18 II.- PLAN EXPERIMENTAL EN PLANTA Descripción del problema Principales defectos Productividad y calidad en planta Características de pieza problema Parámetros importantes de máquina disamatic Determinación de espesor de molde optimo (0L20) Incremento de resistencia de la de arena (0L23) Disminución de temperatura de vaciado (1B02) Parámetros y receta de arena de moldeo en corridas experimentales 30 III.- RESULTADOS Y ANALISIS Análisis de resultados de pruebas realizadas Espesor de molde Resistencia a la compresión de la arena de moldeo Temperatura de vaciado Resumen de resultados. 37 IV.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 40 V.- BIBLIOGRAFÍA. 41

4 RESUMEN El disco tambor de freno con número de parte A-5811, producido mediante moldeo en verde de alta densidad automático tipo Disamatic, presentaba como principal defecto de fundición rotura de molde o cresta en pieza fundida. Este defecto de fundición se presentaba principalmente por no tener las condiciones de proceso adecuadas, ya que por ser uno de los herramentales más grandes con un peso integral de 60 kg. al ser vaciado, la propagación de la grieta en el molde era severa generando el defecto en pieza fundida causando rechazo definitivo ya que afectaba la zona de leyenda. La propagación de la grieta provocaba la ruptura del molde y en consecuencia el derrame de metal teniendo que desmoldear la línea para limpiar el PMC (transportador de moldes). Para reducir el porcentaje de rechazo por molde roto o cresta e incrementar la productividad en este herramental se efectuaron las siguientes modificaciones al proceso: 1. Determinación del espesor de molde óptimo de 430 mm, con lo que se evita parar la línea por falta de arena y se disminuye el riesgo de propagación de grieta en el molde y por consecuencia la ruptura y derrame de metal. 2. Se Incrementa al máximo especificado la resistencia a la compresión de la arena de 1.96 a 2.25 Kg/cm. 3. Se redujo la temperatura de vaciado a C. Las modificaciones al proceso mencionadas anteriormente, además de reducir el porcentaje de rechazo por molde roto o cresta en pieza fundida, también incrementan los moldes por hora vaciados de 130 a 210 m/hr. En este trabajo se presenta una serie de pruebas experimentales, las cuales muestran las condiciones reales del proceso como los son espesor de molde, las propiedades de la arena, temperaturas de colado, moldes por hora y calidad en cada prueba. 1

5 INTRODUCCIÓN. Los discos y tambores de freno son partes de seguridad de los automóviles y su buen estado garantizará la integridad del vehículo y de sus usuarios. Para los discos de freno existen diferentes tipos como el disco sólido, disco ventilado, rotor integral ventilado y disco tambor ventilado. Para los tambores existen dos tipos el tambor sencillo y el tambor integral. El efecto de frenado en el automóvil es similar al que se percibe cuando se prensa con los dedos un disco fonográfico para frenarlo. El disco es una sola pieza fundida, la cual puede tener aletas de enfriamiento entre sus dos superficies de frenado, estas aletas hacen que el aire circule entre las superficies de frenado siendo menos sensibles al incremento de la temperatura, y más resistentes. La mugre y el agua no afectan el frenado porque los contaminantes son lanzados por la acción centrifuga del disco o fragmentados por los forros de las zapatas. Así mismo, el prensado parejo de las dos zapatas asegura que las paradas sean uniformes y en línea recta. Los frenos de disco son auto - ajustables. Un disco de freno se compone de las siguientes partes: Pistas de frenado. Ventilas. Brida Diámetro piloto. Barrenos. Barreno guía. Leyenda. En los automóviles las configuraciones típicas de los discos de freno son dos: Disco Disco ( discos en las cuatro ruedas ). Disco - Tambor ( discos delanteros y tambores traseros ). 2

6 En todos los discos de freno está indicado el mínimo espesor límite al cual puede utilizarse dicha parte. De la misma forma los tambores presentan una leyenda que incluye el máximo diámetro de la pista al cual puede ser utilizado el freno. El objetivo del presente trabajo es el de reducir el porcentaje de rechazo por rotura de molde en el disco tambor de freno con número de parte A-5811 GMT 053. Este defecto de fundición se presentaba por no tener las condiciones de proceso adecuadas y para solucionar este problema fue necesario establecer las condiciones de proceso favorables como lo son los parámetros importantes del proceso, Disamatic, propiedades físicas de la arena de moldeo, espesor de molde, temperatura de vaciado y frecuencia de colado. Al respetar estas condiciones de proceso se tendrá un proceso continuo y se cumplirá con los objetivos de calidad y moldes por hora en planta, así como la satisfacción de las necesidades del cliente, en este caso GENERAL MOTORS. El presente trabajo puede ser útil como guía rápida cuando este modelo entre a producción y para estandarización mediante una hoja de proceso. El disco tambor de freno con número de parte A-5811 GMT 053 es ensamblado en las ruedas traseras de la Chevrolet Cargo Van ( figura 1 y 2 ), la cual tiene un diseño aerodinámico de gran fortaleza y gran capacidad. La chevrolet Cargo Van cuenta con frenos de potencia auto ajustables con sistema antibloqueo en las cuatro ruedas, donde las delanteras son de disco y las traseras de tambor. Figura 1 Chevrolet Cargo Van. Figura 2 Frenos de potencia. 3

7 I.- ANTECEDENTES PROCESO DE PRODUCCION OPERACIONES BASICAS DE MAQUINA MOLDEADORA. Para producir un molde en verde de alta dureza mediante proceso automático tipo Disamatic, la máquina realiza un ciclo de seis operaciones que se describen y se muestran en la figura 3.: Operación 1. Llenado de la cámara. La válvula de soplado se abre y aire comprimido del depósito de aire sopla arena de la tolva dentro de la cámara de moldeo. Después del soplado de la arena, la tolva es purgada por la válvula de desfogue. Para realizar esta operación se debe observar que: la cámara de moldeo este cerrada. La tolva de arena contenga arena suficiente. La válvula de arena esté cerrada. Operación 2. Prensado. El fluido hidráulico es conducido a los cilindros de la placa basculante SP (Swing Plate) y la placa de prensado PP (Press Plate) de tal forma que la SP y PP se mueven la una hacia la otra prensando el molde hasta que la presión haya alcanzado un valor prefijado. Operación 3. Esta operación se divide en dos 3 A y 3 B. Operación 3 A. Movimiento del molde al frente de la cámara. El molde prensado es llevado al frente de la cámara mientras sigue acuñado entre las placas SP y PP. Operación 3 B. Desmodelado de la SP (abertura de la cámara de moldeo). La SP es sacudida de manera que lentamente se desmodele y se mueve hacia arriba a su posición horizontal. En este momento la cámara de moldeo esta abierta. 4

8 Operación 4. También se divide en dos 4 A y 4 B. Operación 4 A. Unión de moldes. La placa PP empuja el molde fuera de la cámara de moldeo y justamente antes de que el molde se una con la fila de moldes, la velocidad de la PP se reduce. Operación 4 B. Transporte de fila de moldes. Después de la unión de moldes, el transportador de moldes de precisión (PMC), que se mueve sincrónicamente con la placa PP, transporta la fila de moldes hacia a delante la distancia que equivale al espesor de un molde. Operación 5. Desmodelado de la PP. La PP es sacudida de manera que lentamente se desmodele y retorna a su posición inicial en la cámara de moldeo. Operación 6. Cierre de la cámara de moldeo. La placa SP se mueve hacia abajo a su posición vertical y cierra la cámara de moldeo para iniciar un nuevo ciclo. Figura 3 operaciones básicas de maquina Disamatic 5

9 TRANSPORTADOR DE MOLDES DE PRECISION (PMC). El transportador de moldes de precisión mueve la fila de moldes por las zonas de vaciado, solidificación y de enfriamiento en etapas sincronizadas con la operación de la disamatic. El PMC es llamado sistema de barras móviles y se compone de un conjunto de barras estacionario, que sólo puede subirse y bajarse y un conjunto de barras móvil, que además de subirse y bajarse también puede moverse paralelamente a la dirección de la fila de moldes. El ciclo PMC comprende seis etapas como se describe a continuación y se muestra en la figura 4. Etapa 1. El conjunto de barras móvil lleva la fila de moldes hacia adelante. Etapa 2. El conjunto de barras estacionario es elevado al nivel del conjunto móvil. Etapa 3. El conjunto móvil es bajado y ahora la fila de moldes es sostenida por el conjunto estacionario. Etapa 4. El conjunto móvil vuelve a su posición inicial. Etapa 5. El conjunto móvil es elevado y vuelve a sostener la fila de moldes. Etapa 6. El conjunto estacionario es bajado, y el PMC esta listo para empezar otro ciclo cuando la Disamatic haya completado la unión de moldes. Figura 4 etapas del PMC. 6

10 1.1.3 TRANSPORTADOR DE BANDA SINCRONIZADO (SBC) El transportador de banda sincronizado (SBC) esta mecánicamente conectado al conjunto móvil del PMC mediante un acoplamiento de sujeción neumático móvil. Esto asegura el sincronismo absoluto de los movimientos PMC y SBC. Una sujeción fija del acoplamiento de sujeción funciona como freno (un tope de marcha atrás de la banda). La secuencia del tope de marcha atrás es inversa en relación a la del acoplamiento de sujeción: Mientras el acoplamiento de sujeción retorna a su posición inicial, el tope de marcha atrás es activado. Cuando el acoplamiento de sujeción mueve la cinta hacia delante, el tope de marcha atrás es desactivado. El ciclo de trabajo del SBC comprende cuatro etapas que se describen a continuación y se muestran en la figura 5. Etapa1. El acoplamiento de sujeción es activado por aire comprimido que infla las mangueras. Esto significa que el acoplamiento de sujeción agarre la banda en todo su largo en los dos lados simultáneamente. Al mismo tiempo el tope de marcha atrás es purgado de aire y por consiguiente suelta la banda. Etapa 2. En sincronización con el PMC el acoplamiento de sujeción mueve la banda hacia adelante la distancia que equivale al espesor de un molde. Etapa 3. Las mangueras del acoplamiento de sujeción son desinfladas y el acoplamiento de sujeción suelta los lados de la banda. Al mismo tiempo que suministra aire al tope de marcha atrás. Etapa 4. El acoplamiento de sujeción retorna a su posición inicial sincrónicamente con el conjunto móvil del PMC. 7

11 Figura 5 Etapas del SBC COLOCACIÓN DE MACHOS AUTOMATICA CSE. (CORE SETTER) El coloca corazones CSE coloca corazones en el molde recién producido mientras la Disamatic produce un molde nuevo. El operador coloca los corazones en un porta corazones cambiable donde están sujetados mediante vacío hasta que se coloca en el molde. El CSE trabaja mientras esta cerrada la cámara de moldeo (desde el final de la operación 6 de la Disamatic hasta el comienzo de la operación 3). El ciclo del coloca corazones comprende nueve etapas, las cuales se describen a continuación y se muestran en la figura 6. Etapa 0. El operador coloca los corazones en el porta corazones, donde se sujetan por vacío y pulsa el botón de arranque del CSE. La cortina luminosa que protege al operario es activada desde el momento en que se pulsa el botón. Etapa 1. El porta corazones se aleja de la cortina luminosa. Etapa 2. Cuando se ha cerrado la cámara de moldeo, el porta corazones se mueve hacia la Disamatic y para detrás de la fila de moldes. 8

12 Etapa 3. El coloca corazones se mueve hacia a delante hasta tocar el último molde producido. Etapa 4. El coloca corazones coloca los corazones en el molde con una presión de colocación controlada. Etapa 5. El vacio es aliviado y así los machos se desprenden del coloca corazones. Etapa 6. El coloca corazones vacio se aleja del molde. Etapa 7. El coloca corazones se mueve hacia a fuera a su posición inicial. Etapa 8. El coloca corazones se mueve hacia delante hacia el operador que ahora puede colocar nuevos corazones en el porta corazones. Los movimientos de la Disamatic y del coloca corazones son sincronizados. Una unidad no iniciará un nuevo ciclo hasta que la otra unidad haya completado el ciclo anterior. Esto asegura que cada molde sólo esta provisto de un sólo juego de machos. Figura 6 Etapas del coloca corazones. 9

13 1.1.5 ARENA DE MOLDEO. La mayoría de las plantas de moldeo automático utilizan arena sintética para moldeo donde la arena de sistema es producida añadiendo arcilla montmorillonítica, materiales carbonosos y agua para la arena base clasificada y lavada. La arena natural modificada de esta manera muy a menudo es llamada arena semi-sintética. Se ha comprobado que para el proceso tipo DISAMATIC, la penetración de metal entre los granos de arena aumenta a medida que es mayor el tamaño promedio de grano. Los granos de arena deben distribuirse por 3-4 tamices para facilitar un empaquetado denso de los granos de arena. La resistencia de la arena de moldeo depende de: El contenido apropiado de bentonita activa. La calidad de bentonita. El contenido de humedad apropiado. El contenido de finos inactivos. La eficacia del mezclado. Temperatura de la arena. El contenido apropiado de bentonita activa en la arena de moldeo es tan importante como la elección del tipo correcto de bentonita. Los efectos positivos de utilizar una bentonita de alta calidad son: Se obtiene una alta resistencia a la compresión en verde para producir moldes más robustos que son más fáciles de transportar, y para evitar deformaciones de moldes en la línea de separación. Mantienen una elevada resistencia a la tracción en verde para evitar la rotura de los moldes en el desmodelado, y de los resaltes de arena débiles en las partes profundas de los moldes. 10

14 Obteniendo una resistencia a la tracción en verde más alta. Asegurando buena plasticidad de la arena de moldeo para evitar el defecto de arena denominada efecto muelle (springback) por retorno elástico de la arena después de comprimir la misma y que la arena fluya por la ranura de inyección entrando en la cámara de moldeo en las operaciones de soplado. Estabilizando la cavidad del molde para evitar defectos de fundición tales como rechupe y otras porosidades, expansión de piezas fundidas, erosión de arena e inclusión de arena. El uso de bentonitas de buena calidad en un sistema de moldeo automático es uno de los requerimientos más importantes. Normalmente, una bentonita de buena calidad debe poseer las siguientes cualidades. Desarrollar mejores propiedades aglutinantes al mezclarse con arena y agua en la proporción requerida. Elevada estabilidad térmica. Debe posibilitar a la arena para que resista altas temperaturas y pueda ser reutilizada. Aumenta eficazmente sus propiedades aglutinantes después de mezclarse con agua porque forma rápidamente una capa de bentonita / agua alrededor de los granos de arena con una mínima necesidad de agua. Un aumento en la adición de bentonita aumentará la cantidad de agua en la arena de moldeo. Mejor estabilidad al calor produciendo una pequeña cantidad de bentonita quemada. Un alto contenido de arcilla quemada reduce la plasticidad de la arena de moldeo y aumenta sus necesidades de agua. Se obtiene una alta resistencia en caliente, lo que contrarresta una serie de defectos en pieza fundida, como penetración de metal. 11

15 Existen principalmente dos tipos de bentonita, cada una con propiedades especificas: caolín (arcilla refractaria) y arcilla montmorillonita. El caolín no es apropiado para la arena del proceso de moldeo de alta densidad debido a su baja resistencia aglutinante, baja durabilidad térmica, y baja plasticidad. La bentonita es arcilla que contiene un mínimo del 70% de montmorillonita. En la naturaleza existen dos tipos de bentonita: bentonita sódica y bentonita cálcica, no se puede preferir una u otra sin tomar en consideración el trabajo concreto (tipo de pieza) en cuestión. Nadie utilizará bentonita cálcica para piezas de acero, donde la temperatura de la arena de moldeo es muy grande, o utilizará una bentonita sódica pura para piezas de pared delgada. Por la misma razón no se utiliza bentonita sódica para piezas de aluminio, la que, sin embargo, tiene que ser añadida en grandes cantidades para la producción de piezas de fundición de hierro de gruesos espesores. Normalmente se recomienda utilizar tanto la bentonita sódica como la cálcica en una proporción que corresponda o convenga a las condiciones de producción, de modo que se obtenga la correcta estabilidad del molde, igual que la correcta regularidad de la arena, resistencia en verde y resistencia en seco, además de una buena colapsabilidad durante la solidificación. El contenido de agua en la mezcla de arena de moldeo debe ser la necesaria para garantizar que se desarrollen sus propiedades aglutinantes. Si el contenido de agua es demasiado alto disminuye la resistencia de los moldes, aumenta la probabilidad de que se presenten defectos de porosidad por gases, provoca que la arena se adhiera al transportador y paredes de silo de arena, aumenta la compresibilidad y a moldes más duros difíciles de desmoldear, genera mayor cantidad de vapor provocando defectos tales como sopladuras y gases. El contenido de finos inactivos debe estar entre 2.5 y 4% en la arena de moldeo, cuando hay una cantidad de finos excesiva combinada con un alto contenido de agua la resistencia a la compresión en verde permanece igual, mientras la resistencia a la tracción en verde baja drásticamente, así como también la permeabilidad se ve disminuida. Los finos en la proporción adecuada son necesarios para llenar los intersticios en el empaquetado de arena. 12

16 La bentonita y el agua deben mezclarse correctamente para producir una masa plástica de agua / bentonita, esta masa plástica debe distribuirse uniformemente por toda la superficie de los granos de arena. La eficacia del mezclado se puede medir ensayando la compactabilidad o la resistencia a la tracción en húmedo. La temperatura de la arena de moldeo no debe exceder de 40 C porque si la temperatura es mayor puede provocar: 1. Propiedades de arena no uniformes, especialmente resistencia y permeabilidad. 2. Secado superficial. 3. Mayor demanda de agua. 4. Baja plasticidad, demandando mayor cantidad de bentonita. La resistencia a la compresión en verde se incrementa aumentando el contenido de arcilla activa sin embargo después del vaciado la arcilla activa es convertida en inerte perdiendo parte de su agua de cristalización que es la responsable de las propiedades plásticas de la arcilla. Demasiada arcilla quemada en la arena recuperada hace que parezca seca y frágil, y pierde su resistencia. A menudo se añade más agua, y la arena puede parecer más fuerte, pero la verdad es que el resultado será resistencia y plasticidad más bajas. La permeabilidad de la arena debe considerarse en relación a la cantidad de gas producido en el molde, la permeabilidad no solo depende del tamaño promedio de grano sino también del contenido de finos igual que a la distribución granulométrica de la arena. La permeabilidad se define como la cantidad de gas/seg. que pasa a través de la pared del molde. La compactabilidad es una propiedad de las arenas de moldeo que es de importancia práctica esencial para determinar su comportamiento en las máquinas de moldeo modernas. Determina el porcentaje de la reducción en altura del nivel original constante de la arena suelta, bajo la influencia del prensado. La compactabilidad es un indicador preciso del grado de humedad, casi independiente de la composición de la arena, por eso tiene mucho en común con la moldeabilidad. 13

17 La compresibilidad puede ser calculada de acuerdo a la siguiente ecuación: Compresibilidad % Verdadera profundidad de cámara C - Espesor de molde(t) = Verdadera profundidad de cámara C Donde la verdadera profundidad de cámara es la distancia actual entre las caras de las dos placas modelo antes de la operación de prensado, y el espesor del molde puede ser medido periódicamente por el operario de la máquina. El factor de compresibilidad determina si la energía de compactación disponible de la Disamatic es utilizada en la mejor manera posible, o en otras palabras si la consistencia de la arena conviene a la característica de la moldeadora. Si la arena tiene un contenido de humedad correcto, la compresibilidad debe ser de %. Los componentes de la arcilla AFS (contenido total de finos) son los siguientes: Finos activos: Bentonita activa Finos inactivos: Bentonita quemada Polvo de carbón quemado Finos naturales de la arena base Todos los finos activos y los inactivos requieren de agua, y por eso un aumento del contenido de finos aumentara la necesidad de humedad de la arena a una compactabilidad constante del 40 %. La pérdida por calcinación indica la cantidad de material combustible existente en la arena. 14

18 1.2 METALURGIA BASICA DE FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS Principios de fabricación de hierro gris. El término fundición, así como el termino acero, identifica una gran familia de aleaciones ferrosas. Las fundiciones son aleaciones de hierro las cuales contienen arriba del 2% de carbono y del 1 al 3 % de silicio. Variaciones en propiedades pueden ser obtenidas por la variación entre el porcentaje de carbono y silicio, por aleación con elementos metálicos y no metálicos, y por variación en la fusión, procesamiento, y prácticas de tratamiento térmico. Las fundiciones tienen bajas temperaturas de fusión en comparación con el acero, son muy fluidas cuando están liquidas, no forman películas indeseables en la superficie cuando es colado y sometido a una ligera a moderada contracción durante la solidificación y enfriamiento. Sin embargo, las fundiciones tienen relativamente baja resistencia al impacto y ductilidad, las cuales pueden limitar su uso. Las propiedades mecánicas de las fundiciones especialmente resistencia, ductilidad, y módulo de elasticidad dependen fuertemente de sus constituyentes microestructurales. En algunas fundiciones la característica microestructural que tiene el más significativo efecto sobre las propiedades es el grafito libre. La forma y distribución del grafito libre y la matriz son más útiles que la composición para clasificar las fundiciones; los limites de composición para diferentes tipos de fundiciones coinciden, y en algunas instancias el hierro de una composición dada puede ser producido dentro de los cinco tipos básicos por variación en el proceso o prácticas de inoculación, del tratamiento térmico. La estructura de la matriz alrededor de las partículas de grafito libre también influye en las propiedades mecánicas. Los cinco tipos básicos de fundiciones son hierro blanco, hierro gris, hierro dúctil hierro maleable y hierro atruchado. El hierro blanco y hierro gris derivan sus nombres de la apariencia de su respectiva superficie de fractura: la fundición blanca exhibe una blanca superficie de fractura cristalina, y el hierro gris exhibe una superficie de fractura gris con excedentes facetas diminutas. El hierro dúctil, dependiendo de la forma de cómo se produjo éste, exhibe cierta ductilidad. 15

19 En contraste ni el hierro gris ni el hierro blanco exhiben una significativa ductilidad en una prueba de tensión estándar. El hierro maleable es producido como un hierro blanco la maleabilizaciòn se logra mediante un tratamiento térmico que primero disuelve los carburos y después precipita el grafito para impartir ductilidad a un material fuertemente quebradizo. Además de los cinco tipos básicos de fundición existen otras formas específicas de producir hierro aleados o especiales Diagrama de hierro - carbono. Cementita: Es un carburo de hierro tiene de fórmula química Fe3C, contiene hasta un 6.67 % en peso de carbono. Este es un componente intersticial típico que presenta alta dureza es quebradizo de baja resistencia a la tensión y su estructura cristalina blanca es ortorrómbica. Austenita: También conocida como hierro gamma, la cual es una solución sólida intersticial de carbono disuelto en hierro con una estructura cristalina cúbica centrada en las caras. Ferrita: Es también conocida como hierro alfa la cual es una solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de carbono disuelto en hierro con una estructura cristalina cubica centrada en el cuerpo. Perlita: es el eutectoide que contiene 0.83 % C y es formada a 723 ºC con un muy lento enfriamiento. Esta es una mezcla laminar de ferrita y cementita la estructura de perlita presenta una matriz blanca la cual incluye delgadas láminas de cementita. Ledeburita: Esta es el eutéctico de austenita y cementita esta contiene el 4.3 % C y representa el eutéctico del hierro. La ledeburita existe cuando el contenido de carbono es mayor que el 2 % el cual es representado por la línea de división en el diagrama de equilibrio entre aceros y fundiciones. Hierro delta: Existe entre 1400 y 1539 ºC, este puede existir en combinación con el líquido alrededor de 0.50 % C, en combinación con austenita alrededor de 0.18 % C y en una sola fase alrededor de 0.10 % C. El hierro delta presenta una estructura cristalina cubica centrada en el cuerpo y es magnético. En la figura 7 se presenta el diagrama de equilibrio Hierro Carbono. 16

20 Figura 7 Diagrama de Hierro - Carbono 17

21 1.2.3 CARBONO EQUIVALENTE. El carbono equivalente (CE) es un parámetro que frecuentemente es usado para la evaluación simplificada del efecto de composición en un hierro sin alear. El carbono equivalente es igual al carbono total (TC) mas un tercio de la suma de los contenidos de silicio y fósforo. CE = TC + (%Si + %P)/3 La comparación de CE con la composición eutectica en el sistema Fe-C (4.3 %C) indicará si una fundición se comporta como una aleación hipoeutéctica o hipereutectica durante la solidificación. Cuando el CE esta cerca del valor eutéctico, el estado líquido persiste a una relativamente baja temperatura y la solidificación toma lugar sobre un rango de temperatura pequeña HIERRO GRIS Cuando el hierro presenta composición, velocidad de enfriamiento y solidificación adecuadas, una porción substancial del contenido de carbono se separa del líquido para formar hojuelas de grafito. Cuando una pieza de la aleación solidificada es rota la trayectoria de la fractura sigue las hojuelas de grafito, y la apariencia gris superficial de la fractura es por el predominante grafito expuesto. El hierro gris tiene varias propiedades únicas que son derivadas de la existencia o resistencia de hojuelas de grafito en la microestructura. El hierro gris puede maquinarse fácilmente, tiene excelentes propiedades para aplicaciones que involucran vibraciones o moderados cambios térmicos. Con variaciones en las prácticas de fusión se pueden obtener diferentes tamaños y distribución de hojuelas de grafito. Debido a que las hojuelas de grafito tienen una fuerte influencia sobre las propiedades mecánicas, su tamaño y distribución son frecuentemente especificadas al igual que sus propiedades físicas y mecánicas. 18

22 SOLIDIFICACION DE HIERRO GRIS. El proceso de solidificación de hierro gris hipoeutéctico es similar al de hierro blanco, excepto que en las interdendritas separadas de contenidos eutecticos aparecen hojuelas de grafito en lugar de carburos masivos. La estructura resultante puede ser descrita como una dispersión de hojuelas de grafito en austenita. El hierro gris fundido es frecuentemente inoculado para controlar el tamaño y distribución de hojuelas de grafito. Después de la solidificación, la estructura de celdas eutécticas y las dendritas de austenita proeutéctica no pueden ser distinguidas metalográficamente, excepto en hierro fuertemente hipoeutéctico. Con composiciones eutécticas, obviamente, la solidificación toma lugar cuando la aleación fundida es enfriada a través del rango de temperatura eutéctica normal, pero sin prioridad de formación de un constituyente proeutectico. ESTRUCTURA. Al reducir la temperatura de la reacción eutéctica, la matriz austenita pasa por la descomposición en cierto modo similar a un acero hipereutectoide. Los productos actuales de la descomposición dependen de la velocidad de enfriamiento, así como de la composición de la austenita, pero bajo condiciones normales la austenita transformará también a perlita o a ferrita más grafito. La transformación de ferrita mas grafito es más probable que ocurra con a) bajas velocidades de enfriamiento, b) contenidos altos de silicio las cuales favorecen la formación de grafito antes que la cementita; c) valores altos de CE; y d) la presencia de grafito fino bajo enfriamiento. Cuando los valores de carbono equivalente son relativamente bajos o cuando las velocidades de enfriamiento son relativamente rápidas, la transformación a perlita se ve favorecida. En algunas instancias la microestructura contendrá los tres constituyentes ferrita, perlita y grafito. 19

23 II.- PLAN EXPERIMENTAL EN PLANTA 2.1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA. La secuencia del proceso de moldeo en verde de alta densidad tipo Disamatic puede explicarse fácilmente en base a las siguientes fotografías numeradas de la figura 8 a la 21 donde, podemos observar el conjunto de placas modelo, impresiones del molde, ensamble de corazón, el colado de moldes, la formación y propagación de grieta, el desmoldeo de piezas, enfriamiento y desmazarotado. Figura 8 Juego de placas modelo A-5811 Figura 9 Placa SP A-5811 Figura 10 Placa PP A-5811 Figura 11 Mascara del A

24 Figura 12 Impresión de placa PP. Figura 13 Impresión de placa SP. Figura 14 Macho del A-5811 Figura 15 Ensamble de macho A-5811 Figura 16 Colado de moldes Figura 17 Formación de grieta en molde 21

25 Figura 18 Rompimiento de molde Figura 19 Desmoldeo Figura 20 Enfriamiento de piezas Figura 21 Desmazarotado de piezas 2.2 PRINCIPALES DEFECTOS DE FUNDICIÓN. Las figuras 22 a 29 presentan los principales defectos de fundición. Figura 22 Cresta o molde roto(mr3) Figura 23 Cresta o molde roto (MR3) 22

26 Figura 24 Fractura (PZ3) Figura 25 Pieza incompleta (PI3) Figura 26 Exceso de material (EM3) Figura 27 Inclusión de arena (PA3) Figura 28 Falta de corazón (FC3) Figura 29 Ventila Obstruida (VO3) 23

27 2.3.- PRODUCTIVIDAD Y CALIDAD EN PLANTA. RATE A-5811 GMT MOLDES / HORA Ago-00 Sep-00 Oct-00 Nov-00 Dic-00 MES Figura 30 Rate o productividad en moldes por hora CALIDAD EN A-5811 GMT % DE RECHAZO Ago-00 Sep-00 Oct-00 Nov-00 Dic-00 MES Figura 31 Calidad en A-5811 El objetivo de productividad y calidad del área que son de 200 m/hr y 2% máximo respectivamente en un periodo de cinco meses no se cumple, como se muestra en las figuras 30 y

28 2.4.- CARACTERISTICAS DE PIEZA PROBLEMA. La pieza con número de parte A-5811 tiene un peso integral de kg y cada pieza tiene un peso de kg. siendo dos impresiones por molde, el Yield o rendimiento es del 65 %. La temperatura de colado especificada es de 1380 a 1395 C y la inoculación es al 0.15 %, realizada con FeSi. El tiempo de colado es de 10.2 a 10.6 segundos. A continuación se presentan las características metalúrgicas requeridas por el cliente. Análisis Químico. Elemento %C %Mn %Si %S %P %Cr %Cu Norma max 0.10 max max Dureza, Resistencia y Metalografia. MOLDE. Modelo Dureza (HB) Resistencia(MPA) Metalografia A Mínimo Microestructura 95 % perlitica y Ferrita libre 5 % máximo. Tipo de grafito predominante A y tamaño de grafito 3-5. V=l*w*h m= V*D h= 72.2 cm h h l = 92.2 cm w= 43 cm D=1.5 g/cm 3 w l m= 429 kg. Relación en peso arena : metal = 7.0 : 1 Recomendado por Disamatic. 25

29 2.5.- PARAMETROS IMPORTANTES DE MAQUINA DISAMATIC. DIMENSIONES DE MODELOS: Son datos importantes que se deben introducir a la computadora para evitar colisiones que dañen al herramental y a la misma maquina. Espesor de placa modelo PP mm. Altura de modelo PP mm. Espesor de placa modelo SP 32.0 mm. Altura de modelo SP mm. Distancia mínima entre placas calentadoras mm. Espesor de porta machos mm. CORRECIÓN EN CÁMARA: Este parámetro sirve para ajustar el espesor de molde requerido y la posición del molde en la cámara con respecto a la ranura de soplado. Corrección de espesor nominal de molde mm. Corrección de posición de molde en cámara 20.0 mm. SOPLADO DE ARENA: Para el soplado o inyección de arena debe completarse cierto nivel de arena detectado por una varilla sensora, es entonces cuando se cierra el domo y la arena es introducida a la cámara de moldeo a una presión y tiempo controlados. Presión de soplado de arena bar. Corrección de tiempo de soplado 0.3 seg. Nivel de arena en la tolva de arena 70 % PRENSADO: Es importante este parámetro para evitar deformaciones en pieza fundida, una correcta presión de prensado también permite obtener una buena impresión en el molde. Presión de prensado Kp/cm 2 Velocidad de prensado m/seg 2. Tiempo de prensado extendido 0.5 seg. Corrección de movimiento de embolo durante prensado 0 %. 26

30 Compresibilidad mínima 20 %. Compresibilidad máxima 25 %. DESMOLDEO: Las correctas distancias y aceleraciones del desmodelado nos ayudan a obtener impresiones en los moldes sanas, sin rompimiento de molde principalmente en zona de leyendas. Selección de operación 3 A Después de CSE. Aceleración de desmodelado PP 0.5 m/seg 2. Distancia de desmodelado PP 10 mm. Aceleración de desmodelado SP 0.5 m/seg 2. Distancia de desmodelado SP 10 mm. Vibración PP en operación 5 Seleccionado. Vibración de SP en operación 3 Seleccionado. UNION DE MOLDES: La unión de moldes debe ser de forma gradual y a una presión controlada para evitar la abertura de moldes y que el último molde producido golpee al molde anterior provocando la fractura del corazón y derrame de metal. Presión de unión de moldes Kp/cm 2. Corrección de posición de unión de moldes -10 a 10. Tiempo de activación de sujeta moldes 0.0 seg. Corrección de posición de sujeta moldes 0 mm. Selección de zapata de sujeta moldes I I. TRANSPORTE DE MOLDES: es útil para llevar los moldes a la zona de colado y enfriamiento es importante controlar la aceleración y desaceleración durante el transporte para evitar abertura de moldes y el derrame de metal. Corrección de posición de entrega - 35 a -45 mm. Aceleración durante transporte de moldes operación 4B 0.50 m / seg 2. Desaceleración durante transporte de moldes operación 4B 0.50 m / seg 2. Aceleración durante transporte de moldes Op. 4B AFB modo 0.50 m / seg 2. Desaceleración durante transporte moldes Op. 4B AFB modo 0.50 m / seg 2. 27

31 INSERCIÓN DE CORAZONES: Debe ser a una presión controlada y a una correcta extensión de tiempo de inserción de machos para que se libere el vacío y el macho se mantenga ensamblado en el molde. Selección de modo de inserción de machos CSE. Presión de Inserción de machos 3.0 bar. Extensión de tiempo de inserción de machos seg. Selección de sujeta machos Deseleccionado. Retraso mientras se está activando sujeta machos 0.0 seg. Presión en cilindro motriz durante CSE etapa bar. Presión en cilindro motriz durante CSE etapa bar. Limpiado por aire de machos Seleccionado Control de vacío suficiente en porta machos Deseleccionado. LIQUIDO DE SEPARACIÓN: Se refiere a la lubricación que debe tener el juego de placas modelo. Esta lubricación se realiza mediante espreas de roció del liquido separador y estas se activan cuando la máquina realiza la operación 6. Frecuencia de rociado Tiempo de rociado Posición de SP al arrancar el rociado Cada molde. 0.3 seg mm. TEMPERATURA DE PLACAS: El mantener las placas a una temperatura de 50 a 60 C favorece a un correcto desmodelado y a que la arena de moldeo no se adhiera al juego de placas modelo. Temperatura de placa modelo PP Temperatura de placa modelo SP 55 C. 55 C. 28

32 2.6.- DETERMINACIÓN DE ESPESOR DE MOLDE ÓPTIMO ( 0L20 ). Determinando un espesor de molde para este herramental nos aseguramos que la propagación de la grieta en el molde no sea severa, evitando de esta forma la ruptura del molde y por consecuencia el derrame de metal. Inicialmente se manejó el máximo espesor de molde, pero, esto provocaba paros de línea prolongados por falta de arena, convirtiendo el proceso en intermitente. El espesor de molde se redujo gradualmente en intervalos de tiempo pero siempre observando que la propagación de la grieta no fuese severa y en el momento en que se propagara, se dejo de reducir el espesor de molde y se manejó una frecuencia de colado controlada INCREMENTO DE RESISTENCIA EN ARENA DE MOLDEO ( 0L23 ). La resistencia de la arena de moldeo es muy importante para el moldeo en verde ya que una apropiada resistencia permite mantener un molde fuerte fácil de transportar, desmodelar y mejora sus propiedades plásticas en caliente. De acuerdo a la norma la resistencia a la compresión debe ser de 28 a 32 Psi. Como segundo plan para disminuir el rechazo por molde roto o cresta se propuso trabajar con resistencias al máximo especificado, estableciendo las siguientes condiciones del proceso DISMINUCIÓN DE LA TEMPERATURA DE COLADO ( 1B02 ). El control de la temperatura de colado es muy importante ya que por ser un herramental grande que demanda un volumen de metal mayor es conveniente disminuir lo máximo posible la temperatura de colado. El rango especificado es de 1380 a 1395 C. Y la temperatura de colado propuesta es de 1360 a 1380 C. A continuación se presentan las condiciones del proceso en que se realizó esta prueba. 29

33 2.9.- Tabla 1 Parámetros de máquina y fórmula de arena de moldeo en las pruebas experimentales. Condiciones Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5 de corridas 0L20 0L23 1B02 1C05 1C27 experimentales Presión de soplado ( bar ) Tiempo de soplado ( seg ) Presión de prensado ( kp/cm 2 ) Tiempo de prensado ( seg ) Espesor de molde ( mm ) Arena nueva ( kg ) Bentonita ( kg ) Carbón marino ( kg ) Arena de retorno ( kg )

34 III.- RESULTADOS Y ANALISIS. A 5811 Prueba 1 (0L20). Tabla 2 Propiedades físicas de la arena de moldeo. Propiedad. Norma % Humedad 3.0 a % Compactabilidad 36 a Resist. A la compresión 1.9 a (Kg/cm 2 ) Resistencia al corte (Kg/cm 2 ) 0.5 a Permeabilidad (lt/seg) 90 min Temperatura ( C) 45 max % Volatiles 1.2 a % Arcilla activa 7 a % Material Combustible 3.5 a Tabla 3 Temperaturas de vaciado durante la prueba: Lectura T C Tabla 4 Moldes por hora: T. total (hrs). T. muerto (hrs). Objetivo Real Diferencia Principales paros Falla en operación 3B. Tabla 5 Calidad en piezas vaciadas: Inspeccionadas Rechazadas PA3 PZ3 MR3 PI3 % de Rechazo Tabla 6 Análisis Químico. Elemento %C %Mn %Si %S %P %Cr %Cu Obtenido Tabla 7 Dureza, Resistencia y Metalografia. A 5811 Dureza (HB) Resistencia(MPA) Metalografia Obtenido Perlitica. Grafito A 80%, B 20%,E trazas. Tamaño 3,4 y 5. 31

35 A 5811 Prueba 2 (0L23). Tabla 8 Propiedades físicas de la arena de moldeo. Propiedad. Norma % Humedad 3.0 a % Compactabilidad 36 a Resist. A la compresión 1.9 a (Kg/cm 2 ) Resistencia al corte (Kg/cm 2 ) 0.5 a Permeabilidad (lt/seg) 90 min Temperatura ( C) 45 max % Volatiles 1.2 a % Arcilla activa 7 a % Material Combustible 3.5 a Tabla 9 Temperaturas de vaciado durante la prueba: Lectura T C Tabla 10 Moldes por hora: T. total (hrs). T. muerto (hrs). Objetivo Real Diferencia Principales paros Falla en banda 539, Ajuste de placa. Tabla 11 Calidad en piezas vaciadas: Inspeccionadas Rechazadas PA3 PZ3 MR3 CR3 % de Rechazo Tabla 12 Análisis Químico. Elemento %C %Mn %Si %S %P %Cr %Cu Obtenido Tabla 13 Dureza, Resistencia y Metalografia. A 5811 Dureza (HB) Resistencia(MPA) Metalografia Obtenido Perlitica. Grafito A 75%, B 25%. Tamaño 3,4 y 5. 32

36 A 5811 prueba 3 (1B02). Tabla 14 Propiedades físicas de la arena de moldeo. Propiedad. Norma % Humedad 3.0 a % Compactabilidad 36 a Resist. A la compresión 1.9 a (Kg/cm 2 ) Resistencia al corte (Kg/cm 2 ) 0.5 a Permeabilidad (lt/seg) 90 min Temperatura ( C) 45 max % Volatiles 1.2 a % Arcilla activa 7 a % Material Combustible 3.5 a Tabla 15 Temperaturas de vaciado durante la prueba: Lectura T C Tabla 16 Moldes por hora: T. total (hrs). T. muerto (hrs). Objetivo Real Diferencia Principales paros Falla en Disamatic operación 1 (soplado). Tabla 17 Calidad en piezas vaciadas: Inspeccionadas Rechazadas PA3 PZ3 MR3 CR3 PI3 MF3 % de Rechazo Tabla 18 Análisis Químico. Elemento %C %Mn %Si %S %P %Cr %Cu Obtenido Tabla 19 Dureza, Resistencia y Metalografia. A 5811 Dureza (HB) Resistencia(MPA) Metalografia Obtenido Perlitica. Grafito A 75%, B 25%. Tamaño 3,4 y 5. 33

37 A 5811 Prueba 4 (1C05). Tabla 20 Propiedades físicas de la arena de moldeo. Propiedad. Norma % Humedad 3.0 a % Compactabilidad 36 a Resist. A la compresión 1.9 a (Kg/cm 2 ) Resistencia al corte (Kg/cm 2 ) 0.5 a Permeabilidad (lt/seg) 90 min Temperatura ( C) 45 max % Volatiles 1.2 a % Arcilla activa 7 a % Material Combustible 3.5 a Tabla 21 Temperaturas de vaciado durante la prueba: Lectura T C Tabla 22 Moldes por hora: T. total (hrs). T. muerto (hrs). Objetivo Real Diferencia Principales paros Falla en banda 513. Tabla 23 Calidad en piezas vaciadas: Inspeccionadas Rechazadas PZ3 MR3 PI3 % de Rechazo Tabla 24 Análisis Químico. Elemento %C %Mn %Si %S %P %Cr %Cu Obtenido Tabla 25 Dureza, Resistencia y Metalografia. A 5811 Dureza (HB) Resistencia(MPA) Metalografia Obtenido Perlitica. Grafito A 80%, B 20%. Tamaño 3,4 y 5. 34

38 A 5811 Prueba 5 (1C27). Tabla 26 Propiedades físicas de la arena de moldeo. Propiedad. Norma % Humedad 3.0 a % Compactabilidad 36 a Resist. A la compresión 1.9 a (Kg/cm 2 ) Resistencia al corte (Kg/cm 2 ) 0.5 a Permeabilidad (lt/seg) 90 min Temperatura ( C) 45 max % Volatiles 1.2 a % Arcilla activa 7 a % Material Combustible 3.5 a Tabla 27 Temperaturas de vaciado durante la prueba: Lectura T C Tabla 28 Moldes por hora: T. total (hrs). T. muerto (hrs). Objetivo Real Diferencia Principales paros Sin problemas Tabla 29 Calidad en piezas vaciadas: Inspeccionadas Rechazadas PZ3 MR3 PA3 % de Rechazo Tabla 30 Análisis Químico. Elemento %C %Mn %Si %S %P %Cr %Cu Obtenido Tabla 31 Dureza, Resistencia y Metalografia. A 5811 Dureza (HB) Resistencia(MPA) Metalografia Obtenido Perlitica. Grafito A 85%, B 15%. Tamaño 3,4 y 5. 35

39 3.1 ANALISIS DE RESULTADOS DE PRUEBAS REALIZADAS Espesor de molde. Para determinar el espesor de molde óptimo como se realizó en la primer corrida se observa que al reducir el espesor de molde gradualmente de 495 mm a 430 mm, la cresta o molde roto no se presenta en la pieza fundida, pero, si este espesor se reduce aún más la propagación de la grieta es severa, provocando el rompimiento del molde y por consecuencia el derrame del metal. Las propiedades de la arena durante toda la prueba estuvieron dentro de especificación excepto la temperatura de la arena la cual alcanzo temperaturas de hasta 62.4 C. Esta condición pudo haber sido causa de que la arena se quedara adherida al herramental provocando el molde roto en zona de leyenda que fue la principal causa de rechazo en fundición. La temperatura de vaciado estuvo dentro de especificación durante toda la prueba. Respecto a los paros de la máquina fueron por fallas en la operación 3B y tolva atascada. Los resultados del laboratorio químico y metalúrgico cumplen con las características especificadas por el cliente por lo que la disposición del producto fue aceptada Resistencia a la compresión de la arena. Incrementando la resistencia a la compresión de la arena al máximo especificado Kg/cm 2 como se realizó en la segunda prueba, se observo que la formación y propagación de la grieta no fue severa lo cual permitió colar hasta 12 moldes dejando pasar uno. El ciclo de la máquina moldeadora fue en promedio de 14 seg y las últimas tres horas de producción se alcanzó un rate de 200 a 220 m/hr. El espesor de molde fue constante de 430 mm, con lo que se evito parar por falta de arena. Los resultados del laboratorio químico y metalográfico cumplen con las características especificadas por el cliente por lo que la disposición del producto fue aceptada. 36

40 3.1.3 Temperatura de vaciado. Al disminuir la temperatura de vaciado a C se observó que el metal tiene muy buena fluidez y que la propagación de la grieta no es severa, que se puede incrementar la frecuencia de colado hasta 15 moldes dejando pasar uno. La arena durante la prueba se mantuvo en los límites superiores de resistencia a la compresión especificados y ligeramente arriba de la temperatura especificada, se manejo un espesor de molde constante de 430 mm. Los resultados de laboratorio químico y metalográfico estuvieron dentro de especificación por lo que la disposición del producto fue aceptada. 3.2 RESUMEN DE RESULTADOS. De las tres modificaciones al proceso mencionadas anteriormente y buscando la confirmación con las dos pruebas presentadas 1C05, 1C27, se puede decir que las contramedidas consideradas para evitar el molde roto o cresta en pieza, lograron el objetivo de calidad y productividad, el porcentaje de rechazo fue disminuyendo del 13 % hasta alcanzar el 0.52 % siendo el objetivo de 2.0 % y los moldes por hora fue incrementando de 159 hasta alcanzar los 212 moldes por hora siendo el objetivo de 200 moldes por hora. Figura 32 piezas del A después del granallado se observan libres del defecto cresta o molde roto 37

41 En la tabla 32 se resumen los resultados obtenidos en el presente trabajo y se puede observar como el porcentaje de rechazo por molde roto disminuye considerablemente. Respecto a los moldes por hora varía ya que en algunas pruebas el objetivo no se alcanza por diversas causas como lo fue falla en bandas, sistema de soplado etc. Sin embargo se puede observar que cuando se tienen las condiciones de proceso ideales se puede alcanzar el objetivo como sucedió en la corrida 1C27. Tabla 32 Resumen de resultados de pruebas. Corrida % de rechazo Piezas con MR3 Moldes / hora 1, (0L20) , (0L23) , (1B02) , (1C05) , (1C27) Calidad en A % de rechazo Ago-00 Sep-00 Oct-00 Nov-00 Dic-00 Corrida 1 Corrida 2 Corrida 3 Corrida 4 Corrida 5 Periodo Figura 33 Calidad en A-5811 En la figura arriba se puede observar el comportamiento en calidad del A-5811 y se muestra también la disminución del rechazo al Incorporar los resultados de las cinco pruebas. 38

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