PROYECTO EKINBERRI 7/12/EK/2005/1 MEMORIA TECNICA AÑO 2006 (RESUMEN VERSION DIGITAL)

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1 PROYECTO EKINBERRI 7/12/EK/2005/1 MEMORIA TECNICA AÑO 2006 (RESUMEN VERSION DIGITAL) MEJORA DE LA PRECISION DIMENSIONAL Y LA CALIDAD SUPERFICIAL/SUBSUPERFICIAL DE LAS PIEZAS FUNDIDAS MEDIANTE LA OPTIMIZACION DE LAS CARACTERISTICAS DEL MOLDE Y LA MINIMIZACION DE LA REACCION MOLDE-METAL Durango, Febrero de 2007

2 1. OBJETIVOS Objetivos industriales: Identificar y caracterizar los parámetros fundamentales del conjunto molde metal que interaccionan e inciden significativamente en la precisión dimensional y en la calidad superficial-subsuperficial de las piezas. Profundizan en el conocimiento y dominio de los fenómenos que se producen en el interior del molde en el proceso de solidificación de las piezas. Desarrollar un sistema que permita chequear las características del molde y compararlas con los valores de especificación previamente establecidos. Disponer de una herramienta orientada a la optimización de las características del molde y la minimización de la reacción molde metal. Objetivos económicos: Reducción significativa de los costes de no calidad derivados del incumplimiento de especificaciones relacionadas con las exigencias dimensionales y de acabado superficial. Mejora de la imagen y la confianza del cliente por la incorporación de elementos tecnológicamente avanzados. Objetivos sociales: Reducción de consumos energéticos derivados de la minimización de reprocesos. Eliminación de residuos del molde producidos por vitrificaciones y calcinaciones. Mejora del aprovechamiento en las materias primas. El carácter innovador del proyecto se centra en desarrollar un sistema inteligente que permita chequear los parámetros fundamentales del molde en tiempo real y realizar un análisis comparativo con las especificaciones establecidas. 1/12

3 2. TAREA 1. Identificación y caracterización de los parámetros fundamentales que inciden en la precisión dimensional y la calidad superficialsubsuperficial de las piezas. Se han realizado ensayos en los que se analiza el tamaño, la forma y distribución de los granos presentes en la arena base, el tipo y calidad de los materiales utilizados como aglomerantes, la densidad de compactado en la mezcla y su humedad. En todos los casos, la modificación de estos parámetros se traduce en diferentes permeabilidades en los moldes fabricados, sin que haya alteración alguna en el resto de condiciones de fabricación. Entre todas las variables de proceso relacionadas con el estado superficial de las piezas, los parámetros que se han estudiado por considerarlos de máxima importancia tratando de establecer a la vez una correlación entre los mismos han sido los siguientes: 2.1. Permeabilidad Se ha establecido un procedimiento experimental para ajustar el valor de la permeabilidad de las mezclas de arena utilizadas en el moldeo, la calidad del acabado y la precisión dimensional de las piezas mediante un factor de calidad. Este método consiste en examinar un número determinado de piezas (en este caso 30), asignándoles un valor a cada una de ellas en función de su acabado superficial y anotando la permeabilidad correspondiente. Posteriormente, se suman todos estos valores y el resultado se divide por el número total de piezas examinadas. Al final se obtiene un valor denominado factor de calidad (Tabla 1), el cual está vinculado a la permeabilidad que posee la arena de moldeo utilizada para fabricar las piezas examinadas. Tabla 1. Determinación del factor de calidad en un lote de 30 piezas. Calidad superficial Valor asignado Nº de piezas Factor Buena Regular Deficiente Mala Factor de calidad = 64/30 = /12

4 2.2. Dureza resistencia del molde Se ha establecido que los valores más idóneos de compactabilidad de la arena se deben situar en 39±2%, puesto que valores excesivos propician hinchamientos y deformación de paredes verticales del molde perdiendo precisión dimensional. En relación a las durezasresistencias de los moldes, en cada caso es necesario establecer cuáles son los límites que garantizan la máxima rigidez, sin afectar negativamente a las operaciones de compactación de las mezclas de arena Presiones y tiempos de soplado Se han realizado ensayos variando las presiones de soplado de 2.0 a 2.5 bar y de prensado de 10.0 a 13.5 bar, obteniéndose un aumento general de las resistencias interiores del molde en ambas caras con mayores presiones de prensado y disminución de la presión de soplado. Tabla 2. Variaciones de las resistencias en diferentes condiciones de moldeo vertical. Parámetros Valores Presión soplado (bar) Tiempo soplado (s) Presión prensado (bar) Tiempo prensado (s) Resistencia (N/cm 2 ) Zona superior 1 Zona superior 2 Zona inferior 3 Zona inferior 4 1,5 0,2 12,0 0,2 21,9 19,5 20,2 30,9 1,5 0,2 13,5 0,2 27,0 22,3 22,0 32,0 2,5 0,8 10,0 0,2 20,6 16,8 18,2 26,2 La reproducibilidad de las huellas moldeadas en estas condiciones y el grado de compactación de la arena en las zonas críticas es considerablemente mejor. De este modo, el acabado de las piezas es también de mayor calidad Presión de prensado y espesor de los semimoldes La utilización de elevadas presiones de prensado, especialmente en las técnicas de moldeo vertical, mejoran la rigidez de los moldes y en consecuencia la calidad superficial de las piezas. Sin embargo, existen otros fenómenos no deseables que también están asociados a los procesos de compactación intensos. Dos de ellos son la recuperación elástica de los moldes tras el prensado de la arena en la cámara (problemas en el control dimensional de las piezas fabricadas) y la presencia de dificultades en las operaciones de desmodelado. En este último caso, se producen roturas en las huellas que configuran el interior del molde al ser separadas del modelo y posteriormente se obtienen imprecisiones dimensionales en las piezas. Otro efecto asociado a este fenómeno es la degradación más o menos rápida de las superficies de los modelos, lo que repercute directamente en el grado de compactación de la arena en la interfase molde-modelo y la calidad final de las piezas. 3/12

5 Una vez más se observa la conveniencia de trabajar con la menor compactabilidad posible, con la precaución de mantener en las mezclas de arena la capacidad óptima para llevar a cabo las operaciones de moldeo Presión metalostática Los resultados experimentales obtenidos muestran pequeños grados de desacuerdo entre las presiones metalostáticas calculadas a partir de la altura de metal presente en el molde cuando comienzan a observarse indicios de penetración en las piezas analizadas. Este hecho puede asignarse a la imprecisión a la hora de evaluar la tensión superficial de la aleación utilizada en los ensayos experimentales ( µn/cm) y la estimación de un radio medio de abertura en los empaquetamientos de grano. La Figura 1 muestra la evolución experimental de la profundidad de penetración en función de la presión metalostática (altura de huella) utilizada. No se han considerado las posibles variaciones en las propiedades de las mezclas de arena utilizadas para fabricar los moldes, por ser prácticamente indetectables. 20 Nivel de penetración (mm) Presión metalostática (cm, altura de metal) Figura 1. Profundidad de las penetraciones en pieza en función de la P metalostática. Pruebas realizadas con diferentes niveles de presión inicial en función de la altura de la bajante de colada cuya energía potencial se transforma en energía cinética permite establecer que las mayores presiones iniciales generan reducción de tiempo de colada, mayor proporción de metal colado y una mayor respuesta de la presión del aire en la cavidad del molde. Al reducir la presión inicial se aprecia una significativa reducción de la presión del aire en la cavidad del molde, especialmente en la parte superior siendo menos sensible en la parte inferior (Figura 2). 4/12

6 Presión (cm de altura) cm. 30 cm. 25 cm. 35 cm. 30 cm. 25 cm. Aire Metal Tiempo (s) 2.6. Magnesio superficial Fig. 2. Incidencia de la presión metalostática. Las pruebas experimentales realizadas en este estudio muestran una afinidad crítica entre los contenidos de azufre en las mezclas de arena (procedente de materiales carbonosos con elevados contenidos de este elemento y/o resinas químicas que han sido solidificadas con productos que poseen este mismo elemento) y la presencia de degeneraciones grafíticas relacionadas con la ausencia de magnesio activo en la matriz metálica. Por ello, es necesario minimizar en todos los casos la presencia de este elemento y llevar a cabo controles de su presencia en los materiales auxiliares. Otro parámetro relacionado con este tipo de defectos superficiales es el grado de oxidación de los moldes. El oxígeno ha mostrado una elevada capacidad para reaccionar con el magnesio, aunque su determinación y control en los moldes es una tarea complicada. Habitualmente, el control de los niveles de humedad en los moldes permite minimizar los efectos del oxígeno en las interfase con el metal Carbono superficial Los estudios efectuados indican que la eliminación del defecto es más complicada en las secciones más pequeñas del material, aunque las capas decarburadas obtenidas en estos casos son considerablemente más estrechas. Aquellas secciones superiores a 50 mm necesitan un mínimo del 3-4% de materiales carbonosos en la arena de moldeo para evitar la continuidad de la capa decarburada. Aunque en sistemas con reducidas velocidades de enfriamiento los fenómenos de decarburación pueden ser sistemáticamente minimizados adicionando cantidades controladas de materiales carbonosos en las mezclas de arena, el método más efectivo para evitar la aparición del defecto es utilizar pinturas especializadas (con grafito en su composición). Las verificaciones superficiales en estos sistemas muestran una escasa incidencia de los fenómenos de decarburación. 5/12

7 3. TAREA 2. Análisis de los fenómenos termodinámicos que se generan en el interior del molde 3.1. Influencia de la temperatura en la resistencia de los moldes El efecto principal del calentamiento de los moldes fabricados con arena en verde tras la colada es la migración del agua hacia las zonas más alejadas al metal. Este proceso de desplazamiento supone un cambio de estado previo, obteniéndose vapor de agua, y una migración de éste a través del molde hasta alcanzar zonas más frías donde tiene lugar la condensación. Teniendo en cuenta todos estos fenómenos, se obtienen dos zonas diferenciadas, concéntricas a la posición del metal en el interior del molde y con propiedades físicas diferentes. En la zona seca, la resistencia a la compresión de la arena compactada inicialmente se incrementa de forma considerable (desde a N/cm 2 según las pruebas efectuadas en el laboratorio) Efecto de la temperatura sobre los productos aglutinantes El primer proceso térmico corresponde a la deshidratación de la bentonita,. En consecuencia, la pérdida de masa asociada a este proceso de deshidratación depende del contenido de moléculas de agua en la muestra de bentonita. En el intervalo ºC tiene lugar el proceso de quemado irreversible del producto aglutinante. Las características de este segundo proceso térmico se pueden utilizar para controlar la calidad de las bentonitas suministradas a la fundición. El estudio de las curvas termogravimétricas para diferentes bentonitas activadas, ha permitido observar cómo la forma y posición de los procesos endotérmicos, motivados por el quemado, son características propias de cada tipo de bentonita. En principio, la minimización del quemado de la bentonita y por tanto su consumo en la fundición, exige que su intervalo de estabilidad térmica sea lo más amplio posible Efecto de la temperatura sobre los materiales carbonosos Los factores que afectan a la velocidad de desplazamiento de la capa de agua hacia el exterior del molde son: el tiempo de mezclado, la humedad presente en la mezcla y las características del material carbonoso. La disminución del tiempo de mezclado y el aumento de la humedad (para obtener una misma compactabilidad) dificultan el avance de la película de agua y, por tanto, favorecen la oxidación del metal durante la colada. Las pruebas experimentales realizadas indican que el control eficaz de las condiciones de preparación de la arena mejora la distribución de los materiales carbonosos en el molde y se obtienen acabados superficiales más adecuados. 6/12

8 4. TAREA 3. Estudio de otros fenómenos con incidencia en las características de la arena y el molde que repercuten en la calidad de las piezas 4.1. Expansión dimensional de la sílice. Deformaciones del molde Se detectan dos procesos de expansión, debidos la transición de fase sólido-sólido que experimenta el cuarzo α de forma reversible a cuarzo β (573ºC) y posteriormente a tridimita (867ºC) de forma irreversible. Esta reorganización estructural supone un aumento crítico del volumen ocupado por la sílice incidiendo de forma directa en el grado de acabado superficial de la pieza y en su precisión dimensional. Durante la colada de los moldes, los granos de arena aumentan su temperatura hasta que se produce el mencionado cambio de fase. La expansión dimensional resultante genera tensiones espaciales en el seno del molde que dan lugar a grietas en el molde origen de la rugosidad superficial y pérdida de precisión dimensional. Entre las causas que han provocado la aparición de este defecto en las piezas analizadas se encuentran: una compactación excesiva del molde, una humedad elevada en las mezclas de arena y especialmente aquellos factores que acentúan la expansión dimensional de la sílice con la temperatura. Entre estos factores se pueden destacar: los contenidos reducidos de bentonita (o bien que ésta posea baja resistencia en húmedo), la presencia de sales minerales inhibidoras de la acción aglutinante sobre los granos, la utilización de arenas de grano muy grueso, redondeado y/o arenas excesivamente regeneradas (bajos contenidos de materiales carbonosos, oolíticos, finos, etc., que sirven de colchón entre los granos compactados) Reacciones químicas entre el molde y el metal Generación de gases y capas de óxidos debido a las reacciones químicas en la interfase molde de sílice metal. Flujo de materia y perfil de temperaturas en un molde de arena. Zona seca. Zona te transporte de vapor. Zona no perturbada. Parámetros de influencia en la porosidad relacionada con moldes y machos aglomerados químicamente. Efecto de la arena Adiciones de óxido de hierro Nivel de aglomerante respecto a la arena Dispersión del aglomerante/mezclado 7/12

9 Proporción aglomerante/catalizador Curado del macho Horneado del macho Tamaño de sección Composición del metal Adiciones de Ti y Zr Temperatura de colada 5. TAREA 4. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL QUE INCLUYA LOS PARÁMETROS DE PROCESO Y ESTABLEZCA LA CORRELACIÓN ENTRE ÉSTOS Y LOS DIFERENTES FENÓMENOS SUPERFICIALES EN LAS PIEZAS Selección de los parámetros de proceso utilizados por el sistema a la hora de estimar el tipo de interacción molde-metal Mat. Primas METAL Carbono Equivalente % Acero % Lingote % FeSi % CSi Acondicionadores % Grafito Especi ales Estado Metal Tiempo Permanencia Sobrecalentamiento Sobretramiento Tª Max. Inoculación Tipo de Inoc ulante %C % Inoc ulaci ón %Si Composición Tipo de % FeSiMg FeSiMg Tratamiento Colada Tiempo de colada Parámetros de colada Tª Colada Tª Tratamiento APARICIÓN Calidad Superficial DE RECHUPE Arena % Agua % Bentonita Mezclado Tiempo De Mezclado % Material Carbonoso Tª arena Módulo Geométrico Geometría De la Pieza Relación De secciones Posición Nº de entradas Enfriadores Posición en placa Sistema De llenado Sección Entradas Sistema Alimentación Aditivos Sistema de alimentación/pieza Máquina de Moldeo Altura Sección Cuello Diámetr o Posición Mazarotas MOL DE P. Prensado P. Disparo Espes or De Mota T. Disparo Parámetros De Moldeo 8/12

10 5.2. Aplicación de los estudios realizados en moldes colados con el fin de diseñar un modelo matemático Tabla 3. Esquema de las pruebas industriales realizadas para estudiar la influencia del tamaño de la pieza, presión metalostática, temperatura de colada y compactación del molde. Tamaño pieza Pequeña Masiva Selección de la pieza Parámetros de Proceso Presión Metalostática Tª colada (ºC) Compactación molde 2 alturas diferentes 2 alturas diferentes Alta Baja Alta Baja Molde duro Molde blando Molde duro Molde blando Molde duro Molde Intermedio Molde blando Molde duro Molde Intermedio Molde blando Prueba P1 P2 P3 P4 M1 M2 M3 M4 M5 M6 Se han seleccionado dos piezas de tamaños muy diferentes con objeto de analizar la incidencia de la masa directamente relacionada con la energía calorífica que se transmite al molde. La pieza pequeña pesa entre 270 y 280 gr. y la masiva en los y gr. Estas piezas se disponen en la placa modelo a dos alturas diferentes permitiendo determinar así la influencia de la presión metalostática en la calidad superficial. 9/12

11 Figura 3. Comparación de la pieza pequeña con la masiva, ambas seleccionadas para el estudio de calidad superficial. Prueba Tabla 4. Valores de los parámetros en los que se han realizado las pruebas industriales para estudiar la influencia del tamaño de la pieza, presión metalostática, temperatura de colada y compactación del molde. Tª colada (ºC) Parámetros de Proceso Compactación del molde (Kp/cm 2 ) Presión de soplado (Bares) Dureza Molde Lateral Superior (N/cm 2 ) Dureza Molde Lateral Inferior (N/cm 2 ) P P P P M M M M M M /12

12 Tabla 5. Parámetros de la arena y las condiciones de granallado utilizadas en las pruebas industriales. Pieza pequeña P1, P2, P3 y P Pieza masiva M1, M2, M Pieza masiva M4, M5, M Compactabilidad arena (%) Humedad (%) Resistencia a la compresión en verde (N/cm 2 ) Permeabilidad (cm 4 /min g) Bentonita Activa (%) Finos Partículas Metálicas (%) Pérdidas por calcinación (%) Resistencia a la fisuración (N/cm 2 ) Temperatura de la arena (ºC) Resistencia a tracción húmeda (N/cm 2 ) Tiempo granalla parte superior 5 min. 5 min 5 min Tabla 6. Composición química de los hierros utilizados en las pruebas industriales (% en peso). Pieza pequeña P1, P2, P3 y P Pieza masiva M1, M2, M Pieza masiva M4, M5, M C Si Mn P S Mg Cu Cr Ti De la comparación de los pesos se detectan dos procesos de expansión, debidos la transición de fase sólido-sólido que experimenta el cuarzo α de forma reversible a cuarzo β y posteriormente a tridimita de forma irreversible. Esta reorganización estructural supone un aumento crítico del volumen ocupado por la sílice incidiendo de forma directa en el grado de acabado superficial de la pieza y en su precisión dimensional. 11/12

13 5.3. Validación del sistema desarrollado utilizando piezas críticas en cuanto a su precisión dimensional y/o la calidad del acabado superficial A la vista de los resultados se cree que la utilización de redes de probabilidad causal para el análisis probabilístico de los resultados puede ayudar a la obtención de predicciones en otras condiciones diferentes a las analizadas en el presente trabajo. Actualmente, se está trabajando en este camino con el objeto de obtener un prototipo de predicción de la calidad superficial en función de los parámetros del proceso de fundición considerados como variables de entrada. El proyecto ha permitido establecer un procedimiento de preevaluación y análisis de este tipo de fenómenos como sistema de control de la calidad superficial y la precisión dimensional en piezas de fundición grafítica esferoidal. Por el momento, desde el punto de vista industrial, una alta temperatura de colada es desaconsejable en la fabricación de piezas pequeñas cuando se requieren piezas de elevada calidad superficial. Este efecto, sin embargo, no tiene tanta importancia cuando la pieza es más masiva. La validación industrial en cuanto a la influencia de la temperatura de colada, se puede realizar considerando la temperatura de colada en cada fabricación y separando varias piezas de cada una de las fabricaciones para corroborar los resultados predichos en el presente proyecto. Este proceso, permitirá una mejora continua del programa de predicción y permitirá incrementar el conocimiento de los fenómenos que afectan a la calidad superficial subsuperficial de las piezas de fundición grafítica esferoidal. AZTERLAN Ingeniería y Procesos de Fundición 12/12