TESIS ALUMINIO FUNDICION

8/9/2019 TESIS ALUMINIO FUNDICION

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INSTITUTO P OLITCNICO N ACIONAL

ESCUELA S UPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA UNIDAD A ZCAPOTZALCO

DESARROLLO DE MTODO PARA EL C LCULO DE M QUINA DE INYECCIN

DE ALUMINIO A A LTA P RESIN

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE

DIRIGIDA POR:ING. PLCIDO JESS DURN LPEZ

P R E S E N T A :

RODRIGO NAJERA SALGADO

MXICO, D.F. JUNIO DEL2012

INGENIERO MECNICO


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AGRADECIMIENTO

Mi ms sincero respeto y agradecimiento a mis Padres yHermanos por el apoyo continuo que he recibido de ellos durantemi formacin acadmica. Quiero expresarles que cada logroobtenido durante mi vida profesional lo sientan como suyo puessin su apoyo no hubiese sido posible lograr mis metas. A Olgaque en los ltimos aos me ha apoyado firmemente en misdecisiones.

A mi gran escuela la ESIME y al INSTITUTO POLITCNICONACIONAL, as como a cada uno de los profesores quienes mecompartieron gustosos sus enseanzas, mi ms profundo respetoy admiracin.

Al Ingeniero Plcido Jess Durn Lpez por haberme compartidosus conocimientos en las aulas de clase y por haberme guiado enla realizacin de esta tesis, mi gratitud y aprecio.

RODRIGO


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ndice GeneralPgina

ndice General 1

ndice de Tablas 3

ndice de Figuras 4

Resumen 6

Objetivo General 7

Justificacin 7

Introduccin 8

1. Proceso de fundicin a presin 101.1 - Procesos bsicos de fundicin a presin 111.2 - Moldes de fundicin A presin 171.3 - Requerimientos del sistema de fundicin a presin 18

2. Aluminio y aleaciones de aluminio 202.1 - Composiciones qumicas 21

2.1.1 - Efecto de los elementos aleantes 222.1.2 - Procesos de fundicin 252.1.3 - Modificacin y refinamiento de aleaciones aluminio-silicio 352.1.4 - Preparacin del metal 392.1.5 - Sistema de alimentacin 40

2.2 - Composiciones para fundicin a presin 422.2.1 - Tratamiento trmico 472.2.2 - Propiedades de las aleaciones de aluminio usadas 572.2.3 - Propiedades mecnicas 582.2.4 - Aplicaciones 62

3. Hornos 633.1 - Horno de arco elctrico 643.1.1 - Fuente de energa 64

3.1.2 - Componentes del horno de arco 643.1.3 - Equipo de medicin de peso y pruebas de laboratorio 72

3.2 - Horno de reverbedero 733.2.1 - Tipos de hornos de reverbedero 733.2.2 - Fusin de aleacin de aluminio 773.2.3 - Seguridad 82

3.3 - Horno de crisol 833.3.1 - Tipos de hornos de crisol 833.3.2 - Consideraciones para el diseo del horno 87

3.4 - Horno de cubilote 893.4.1 - Refinamiento progresivo en equipos de cubilote 893.4.2 - Construccin y operacin del cubilote 903.4.3 - Cubilotes enfriados con agua 923.4.4 - Almacenaje y manejo de componentes de carga 943.4.5 - Zonas de la cpula 96

4. Diseo de la fundicin 974.1 - Geometra de la fundicin 984.2 - Duracin de disponibilidad de metal lquido para llenado 106

4.2.1 - Mtodo del factor de forma 106


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4.2.2 - Mtodo geomtrico 1064.2.3 - Mtodo de mdulo 1074.2.4 Ayudas de llenado en diseo de cargadores 1084.3.1 - Propiedades trmicas de los materiales 109

4.4 - Cuello del cargador 1104.4.1 - Configuraciones ptimas del cargador y el cuello 111

5. Diseo de coladas 1125.1 - Variable del diseo 113

5.1.1 - Llenado rpido del molde 1135.1.2 - Evitar erosin en el molde y los corazones 1145.1.3 - Principios de flujo del fluido 1155.1.4 - Teorema de Bernoulli 1155.1.5 - Ley de la continuidad 116

5.2 - Efectos del momento 1175.2.1 - Nmero de Reynolds y tipos de flujo 117

5.3 - Consideraciones de diseo 120

6. Desarrollo de herramentales de fundicin para cuerpo de aluminio 1236.1 - Funcin de la Bomba de Vaco 1246.2 - Funcin de la unidad servo de frenado 1256.3 - Funcin de la bomba elctrica de vaco 1276.4 - Funcin de la Bomba de paletas 1276.5 - Bomba controlada de vaco de anillo abierto 1286.6 - Bomba controlada de vaco de anillo cerrado 1296.7 - Diseo del molde y troquel para cuerpo de aluminio 131

6.7.1 - Datos generales del proyecto 1326.7.2 - Desmoldeo de la pieza 1326.7.3 - Anlisis de aire atrapado en la cavidad 1336.7.4 - Anlisis de porosidad por contraccin 1336.7.5 - Calculo de mquina de inyeccin y molde mtodo desarrollado 134

Conclusiones 139

Bibliografa 140


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ndice de Tablas Pgina

Tabla 2.1 Composicin de aleaciones de aluminio usadas para fundicin 22Tabla 2.2 Tabla de conductividad 43Tabla 2.3 Efecto de elementos en la resistividad del aluminio 44Tabla 2.4 Propiedades mecnicas de fundicin de aluminio 46Tabla 2.5 Tratamiento Trmicos en aleaciones de aluminio 48Tabla 2.6 Propiedades fsicas tpicas de las aleaciones de aluminio de fundicin 57Tabla 2.7 ndices de fundicin, resistencia corrosin, maquinabilidad y soldadura 59Tabla 2.8 Aplicaciones representativas en las aleaciones de aluminio 62

Tabla 3.1 Tipos de escorias 65Tabla 3.2 Refractarios usados como base de composiciones tpicas 66Tabla 3.3 Tamao de electrodos, pesos y tamaos 67Tabla 3.4 Calor requerido para fusionar diferentes tipos de aleaciones 78Tabla 3.5 Calor de entrada como funcin de la temperatura de la aleacin de aluminio 78Tabla 3.6 Tamaos de cubilote convencionales 91

Tabla 6.1 Clculo del tamao de maquinad de inyeccin de aluminio a alta presin 134


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ndice de Figuras Pgina

Figura 1.1 Componentes bsicos inyeccin cmara caliente 11Figura 1.2 Cierre de molde y subida del mbolo 12Figura 1.3 Embolo en desplazamiento en la cmara caliente 12Figura 1.4 Molde abrindose 13Figura 1.5 Expulsin de la pieza en cmara caliente 13Figura 1.6 Componentes bsicos inyeccin cmara fra 14Figura 1.7 Cierre de molde 15Figura 1.8 Embolo empujando metal en cmara fra 15Figura 1.9 Molde abrindose en cmara fra 16Figura 1.10 Expulsin de la pieza en cmara fra 16Figura 1.11 Mquina de inyeccin cmara caliente 17Figura 1.12 Lado fijo de molde de inyeccin de aluminio 17Figura 1.13 Lado mvil de molde de inyeccin de aluminio 18

Figura 2.1 Solubilidad del hidrgeno 27Figura 2.2 Porosidad en funcin del contenido de hidrogeno 28Figura 2.3 Esfuerzo ltimo de tensin vs. porosidad por hidrgeno 29Figura 2.4 Propiedades de tensin vs. tamao de clula dendrtica 33

Figura 2.5 Sodio y estroncio como modificadores 36Figura 2.6 Propiedades mecnicas Aluminio A356 38Figura 2.7 Fase binaria aluminio-cobre 50Figura 2.8 Efecto de elementos a la tensin 61

Figura 3.1 Vista en corte horno de arco elctrico 64Figura 3.2 Aparatos para bajar y subir electrodos 66Figura 3.3 efectos de arco en refractarios 67Figura 3.4 Diseo de anillos de techo 68Figura 3.5 Dispositivos de giro para carga superior 68Figura 3.6 Diseo de horno enfriado con agua 69Figura 3.7 Horno con vlvula deslizante 69Figura 3.8 Horno con salida inferior excntrica 70Figura 3.9 Mtodos para control de humo y polvo 71Figura 3.10 Esquemas de cubos de carga 71

Figura 3.11 Aislamientos tpicos de cucharones 72Figura 3.12 Versin horno encendido con carbn 73Figura 3.13 Horno de reverbedero de corazn hmedo 74Figura 3.14 Horno de reverbedero de corazn seco 74Figura 3.15 Patrones de flama del quemador 75Figura 3.16 Horno cargado con una rampa 75Figura 3.17 Horno con resistencia elctrica 76Figura 3.18 Horno de reverbedero de giro 76Figura 3.19 Horno de corazn seco con cmara de mantenimiento 77Figura 3.20 Efecto temperatura e hidrgeno 80Figura 3.21 Horno estacionario de crisol 83Figura 3.22 Horno de crisol doble 84Figura 3.23 Horno de crisol estacionario 84Figura 3.24 Horno estacionario a crisol abierto 85Figura 3.25 Horno de crisol inclinado 85Figura 3.26 Horno de induccin 86Figura 3.27 Operacin de fusin automtica 87Figura 3.28 Cpulas enfriadas con agua 90Figura 3.29 Vista en corte de cpula enfriada con agua 93Figura 3.30 Cpula con recuperacin de rfaga caliente 94Figura 3.31 Sistema para cargar un cubilote 95

Figura 4.1 Esquema de enfriamiento de metales puros 99Figura 4.2 Enfriamiento de aleaciones con rango corto 99Figura 4.3 Solidificacin de aleaciones con enfriamiento largo 100


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ndice de Figuras (Continuacin) Pgina

Figura 4.4 Esquema de enfriamiento intermedio 101Figura 4.5 Porosidad por contraccin en fundicin en arena 101Figura 4.6 Porosidad por contraccin por capa externa 102Figura 4.7 Porosidad progresiva 103Figura 4.8 Relacin de distancia de llenado en placas 104Figura 4.9 Relacin de distancia de llenado en barras 104Figura 4.10 Efecto de los rebosaderos 105Figura 4.11 Rebosaderos para reducir cargadores 105Figura 4.12 Cargadores en secciones gruesas 106Figura 4.13 tamao mnimo del cargador 107Figura 4.14 Contraccin tipo cnica 107Figura 4.15 Seccin transversal de cargador lateral 108Figura 4.16 Sistema con cargadores altos 108Figura 4.17 Aplicacin de ayudas de llenado 109Figura 4.18 Prdida de calor de un cargador 110Figura 4.19 Diseo de cuellos de cargador 110Figura 4.20 Efecto de cargadores en la solidificacin 111

Figura 5.1 Componentes para sistema de molde horizontal 113Figura 5.2 Sistema de llenado 116Figura 5.3 Uso de coladas afiladas 117Figura 5.4 Nmero de Reynolds 118Figura 5.5 Formacin de reas de baja presin 118Figura 5.6 Flujo alrededor de un ngulo recto 119Figura 5.7 Efecto de la presin frontal 119Figura 5.8 Aplicacin del teorema de Bernoulli 120Figura 5.9 Comparacin de patrones de flujo 121Figura 5.10 Colada inferior para llenado suave 122

Figura 6.1 Sistema con vlvula reguladora ligeramente abierta 124Figura 6.2 Sistema con vlvula reguladora abierta 124Figura 6.3 Unidad servo de frenado 125Figura 6.4 Unidad servo de frenado sin presin al freno 125

Figura 6.5 Unidad servo de frenado con presin parcial al freno 126Figura 6.6 Unidad servo de frenado con presin total al freno 126Figura 6.7 Bomba elctrica de vaco 127Figura 6.8 Configuracin de una bomba elctrica de vaco 127Figura 6.9 Sistema de anillo de control de bomba elctrica de vaco 128Figura 6.10 Localizacin de la bomba de vaco de anillo abierto en un auto 129Figura 6.11 Funcin del sensor de presin 130Figura 6.12 Deformacin del diafragma con la existencia de vaco 130Figura 6.13 Localizacin de la bomba de vaco de anillo cerrado en un auto 130Figura 6.14 Bomba de vaco con motor elctrico 131Figura 6.15 Cuerpo de motor en aluminio A413 132Figura 6.16 Anlisis de desmoldeo del cuerpo de motor elctrico 132Figura 6.17 Anlisis de aire atrapado en la cavidad del molde 133Figura 6.18 Anlisis porosidad por contraccin 133Figura 6.19 Molde del cuerpo de motor elctrico 135Figura 6.20 Lado mvil del molde de cuerpo de motor elctrico 136Figura 6.21 Lado mvil del molde de cuerpo de motor elctrico 136Figura 6.22 Troquel de rebabeo y eliminacin de coladas 137Figura 6.22 Detalle inferior del troquel de rebabeo. 137


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Resumen

Este trabajo contiene los principios de la fundicin por inyeccin a alta presin describiendo los dosprocesos que se tienen y que son el proceso de cmara caliente y el proceso de cmara fra. En el

primero, el embolo de inyeccin se encuentra dentro del metal lquido contenido en el horno demantenimiento y en segundo se encuentra fuera del metal, de aqu provienen sus nombres.Contiene tambin los componentes que conforman un molde y los requerimientos para realizar elproceso de fundicin a presin. Se explican las diferentes aleaciones utilizadas en el proceso deinyeccin y los efectos que los componentes de las aleaciones tienen sobre la calidad de losproductos obtenidos mediante este mtodo de fabricacin as como la forma de preparacin delmetal. Los sistemas de alimentacin para inyectar el metal dentro de la cavidad del molde y quedeterminan la calidad que se obtendr del producto incluyen las coladas, las entradas de material,

los canales de alimentacin y los parmetros de inyeccin, para esto existen mtodos desimulacin del flujo del metal desde que es inyectado en la boquilla, pasando por los canales dealimentacin, entrando a las cavidades y que posteriormente formarn la pieza hasta losrebosaderos. Se discute adems, diferentes tipos de tratamiento trmico y las propiedadesmecnicas que resultan de este tratamiento tales como fatiga, corrosin, maquinabilidad ysoldabilidad. Se expone la fluidez del metal al ser inyectado as como los factores que la afectantales como viscosidad, tensin superficial y pelcula de xido, inclusiones y solidificacin. Loshornos para fusionar el metal generalmente no estn en la mquina de inyeccin, sino en hornos

especialmente diseados para este fin, el metal una vez fusionado se transporta a los hornos demantenimiento los cuales estn integrados directamente el mquina de inyeccin a presin ydesde ah se inyectada hacia el molde, aunque en algunas pequeas empresas, el aluminio sefusiona en los mismos hornos de mantenimiento, los cuales normalmente tienen tambin esacapacidad. El metal fundido se transporta en un crisol generalmente con montacargas y se vacaen el horno de mantenimiento, con esto queda listo para iniciar el proceso de inyeccin a presin.El diseo de la fundicin y el diseo de coladas son dos temas muy importantes para eldesempeo del proceso de fundicin por lo cual tambin se discuten en el desarrollo de este

trabajo. Finalmente, se presenta la implementacin de un mtodo para calcular el tamao demquina de inyeccin a presin necesaria para una pieza en funcin de su geometra y de supeso, con esto minimizamos el tiempo de desarrollo de los proyectos y se muestra una aplicacinprctica de este mtodo.


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Objetivo GeneralEstablecer un mtodo de clculo de mquina de inyeccin de aluminio a alta presin para reducirel tiempo de desarrollo de nuevos productos en la industria automotriz.

JustificacinLa industria automotriz demanda cada da reducir los tiempos de desarrollo de un nuevo productopara mantenerse competitivo, con lo anterior, los proveedores de componentes deben implementarprocedimientos que permitan lograr este fin, en nuestro caso de estudio, el cual est enfocado enlas piezas aluminio de fundicin, es el de establecer un mtodo para calcular la mquina deinyeccin a alta presin de aluminio de manera rpida y precisa. Este mtodo permitir calcular eltamao de la mquina de una forma simple como es la definicin del rea proyectada y ladefinicin del peso de la pieza, en el caso del rea proyectada no es ms que la vista superior dela pieza en centmetros cuadrados y si es necesario la implementacin de carros laterales paraformar geometras en la pieza que no puedan ser obtenidas por medio del desplazamiento normaldel molde en las platinas de la mquina de inyeccin, en el caso del peso de la pieza, no es msque obtener el valor volumtrico en centmetros cbicos y conociendo el valor de la densidad delaluminio podemos calcular el peso y dependiendo de la cantidad de cavidades que se puedanincorporar en el molde debido al tamao de la platina de la mquina de inyeccin se calcula unpeso total por piezas, a lo anterior se debe agregar el peso del sistema de alimentacin, ennuestro caso de estudio, se considera un 60% del peso considerado para las piezas; tambin seconsidera un factor de seguridad del 10% recomendado por el proveedor de mquinas deinyeccin.Los tiempos estndar para el desarrollo de un proyecto para piezas de aluminio de la industriaautomotriz es aproximadamente de 20 semanas, el clculo y determinacin del tamao de lamquina basado en la experiencia toma 1 semana lo cual representa un 5% del tiempo dedesarrollo, con este mtodo propuesto, la determinacin del tamao de la mquina de inyeccin dealuminio puede tomar como mximo 2 h, con lo cual se obtiene la reduccin de prcticamente el5% antes requerido para este paso del desarrollo. Considerando que el costo por tiempo dedesarrollo es de $38,000 dlares por proyecto, el objetivo es poder obtener ahorros alrededor de$1,900 dlares por proyecto lo cual se puede obtener reduciendo el 5% de este costo. La inversinrequerida es de 80 h de trabajo de un ingeniero que al usar el costo internacional de $70 dlares/hnos da una inversin de $5,600 dlares. Con la premisa que la compaa realiza un promedio de45 proyectos anualmente, llegamos a un total de ahorro anual de $85,000 dlares. Con lo anterior,se considera es un proyecto factible de desarrollo.


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INTRODUCCION

Hoy en da, debido a la apertura mundial de nuevos mercados y a la emergencia de nuevos pasesen el panorama mundial de pases industrializados, las empresas requieren de sistemas y mtodosque les permitan ser competitivas y llevar una paso adelante de su competencia, esto se logra atravs de una buena preparacin de los recursos humanos, para lo cual las universidades y suvinculacin con las empresas juegan un papel determinante, aunado a lo anterior, la capacitacin,actualizacin y preparacin del personal en el desarrollo de tcnicas y mtodos para mejorar laproductividad de las mismas es de suma importancia. Los programas de capacitacin deben estardiseados de tal forma que no solo sean instrumentos para mantener la operacin sino el mtodode encontrar nuevas formas que permitan la mejora de los procesos ya existentes. La maquinaria yequipos tienen tambin un papel determinante pues cada da se mejoran de tal forma que sepueden obtener formas ms complejas en los productos fabricados mediante estos equiposadems de mejorar la repetibilidad de los procesos asegurando una alta calidad y confiabilidad enlos mismos. Asimismo, los sistemas para disear los productos son un instrumento tan poderosoque permiten generar geometras tan complejas como se desee pensando siempre en lograrproductos que nos den ventajas competitivas y que nos diferencien de lo existente. La tecnologade los materiales es tambin un factor relevante ya que permite el desarrollo de materiales oaleaciones nuevas con propiedades y caractersticas mejoradas obteniendo as mejor desempeo.El empleo de metales ligeros en la industria ha tomado tanta relevancia que se empleanactualmente en aplicaciones que no nos hubisemos imaginado en el pasado y que ahora son unarealidad, por ejemplo, existen ya componentes de aleacin de aluminio empleados en lassuspensiones de autos e incluso en camiones de carga. El uso del aluminio como materia prima hatenido un auge impresionante en los ltimos aos e incluso materiales como el magnesio esestudiado y empleados en aplicaciones donde el peso del producto final tiene gran importancia.

Los medios de control empleados para asegurar la calidad deben estar orientados a prevenirproblemas de calidad en vez de detectarlos, esto significa que el proceso mismo debe considerarcontroles que eviten la fabricacin de partes defectuosas que generen costos de desperdicio altos,estos controles son generalmente dispositivos que forman parte de la maquinaria y equipos desdesu conceptualizacin o bien pueden ser adaptados para prevenir defectos, esto se lograaprovechando las lecciones aprendidas de problemas que se hayan suscitado y que no debenpresentarse mas tanto por prevencin interna como para no producir piezas fuera deespecificacin y que por consecuencia provoquen insatisfaccin del cliente al que se destine laproduccin. Equipos que van desde simple dispositivos de medicin en las lneas de produccindedicados a productos especficos y que controlan las caractersticas ms simples hasta equiposelectrnicos de alta presin que son utilizados en la actualidad para realizar verificaciones delestado de un producto tanto dimensionalmente como aspectos de apariencia, acabado superficial,espesores de pared, tamao de grano, etc.

El diseo del producto juega tambin un papel de primordial importancia para lo cual en laactualidad existen herramientas nuevas y ms sofisticadas que permiten conceptos y el desarrollode partes ms complejas con una funcionalidad mejorada lo cual conduce a reducir costos,mejorar eficiencias o brindar mejores servicios. Lo anterior no solo obliga a tener equipos dediseo de mayor alcance sino que obliga adems a que los herramentales requeridos sean mscomplejos para lograr geometras cada da ms difciles de lograr que permiten reducciones depeso debido a espesores de pared ms delgados y menos componentes en un ensamble no solomejorando el desempeo del producto sino tambin mejorando los costos de forma notable ya quecomponentes que se constituan de varias componentes ensamblados hoy da es posibleobtenerlos como una sola pieza. Por lo anterior, los procesos deben ser desarrollados para serrobustos lo cual significa reducir los errores inherentes al diseo del proceso, alta confiabilidad y


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repetitividad. Los procesos hoy da colaboran a la fabricacin de productos de mayor calidad yconfiabilidad lo cual puede ser percibido por el cliente final.

La fundicin por inyeccin a alta presin de aluminio y otros metales ligeros nos es la excepcin delos avances logrados en su tecnologa y ha alcanzado niveles de excelencia que permiten lafabricacin de piezas muy complejas y ligeras para aplicaciones inimaginables en algn tiempo.

La industria automotriz ha implementado en sus aplicaciones el aluminio como una de las materiasprimas principales en piezas de motor, sin embargo, hoy en da existen incluso componentes de lasuspensin que son hechos de aluminio, estos componentes se les aplica un tratamiento trmicoque permite mejorar las propiedades mecnicas del aluminio, logrando los requerimientos deingeniera necesarios para su aplicacin. Esto por supuesto, lograr reducir el peso de los autos ycomo consecuencia mejorar el rendimiento del combustible y mejorando el rendimiento enpotencia.

Por lo anterior, este estudio est enfocado al estudio de una aplicacin del aluminio en uncomponente para la industria automotriz.


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Este captulo muestra los diferentes

procesos utilizados para la inyeccin

de metales y est dividido en

procesos de cmara caliente y

procesos de cmara fra as como los

componentes del sistema en cada

uno de los procesos.

PROCESO DE FUNDICIN A PRESIN


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PROCESO DE FUNDICIN A PRESION

La fundicin por inyeccin a alta presin es un proceso en el cual una cantidad de metal fundido seinyecta, a presin elevada, dentro de la cavidad de un molde metlico durante una fraccin desegundo, despus de lo cual se deja que el metal solidifique. Una vez que esto ltimo ha ocurrido,se abre el molde y se separa la pieza obtenida. El proceso es rpido y permite la obtencin deformas complejas, casi terminadas; adems con un juego de moldes pueden producirse variosmiles de piezas, sin que a lo largo del proceso haya cambios significativos en las dimensiones destas.

1.1 Procesos bsicos de Fundicin a Presin.

Existen dos procesos bsicos de fundicin a presin: El de cmara caliente y el de cmara fra. Elprimero se usa para metales que funden a bajas temperaturas (308-386 C), como el zinc y elplomo. El otro sirve para materiales como el aluminio, el magnesio y el latn, que funden atemperaturas mayores. En este estudio vamos a describir brevemente el proceso de fundicin decmara caliente pero vamos a estar enfocados al proceso de cmara fra y para aplicaciones dealuminio.Proceso de Cmara Caliente. En la figura 1.1 se ilustran los componentes bsicos de una mquinade fundicin a presin de cmara caliente, incluyendo el molde. En este proceso, el embolo deinyeccin y el cilindro quedan sumergidos en el metal fundido, dentro del horno de mantenimiento.La potencia necesaria para bombear el metal hacia la cavidad del molde proviene de unacumulador hidrulico. El acumulador recibe aceite por medio de una bomba hidrulica, a unrgimen tal, que permita al acumulador alcanzar presiones que estn por encima del nivel deoperacin deseado cada vez que se vaya a producir una pieza (antes de cada inyeccin).

.Figura 1.1 Componentes bsicos inyeccin cmara caliente

El ciclo de fundicin para el proceso de cmara caliente se ilustra en el Figura 1.2. Cuando se va ahacer una inyeccin, se abre la vlvula de control, que hace que el cilindro empuje al embolo haciaabajo, forzando al metal fundido a recorrer el camino entre la boquilla de inyeccin y cavidad delmolde, atravesando el difusor, los canales y las entradas. Los gases que haba al principio dentrodel sistema del metal fundido fluyen a travs de la cavidad, atraviesan las salidas de aire yabandonan el sistema o quedan atrapados en los rebosaderos. Una vez que se ha llenado lacavidad, se deja que el metal solidifique, se separa la pieza obtenida y repite el ciclo. Como elcuello de cisne y el pistn de inyeccin se encuentran sumergidos en el metal, el sistema vuelve allenarse automticamente cuando el pistn queda libre.

MoldeCuello de Cisne

Platinas

Barras gua

Metal

Acumulador

Embolo


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El embolo se mueve hacia abajo sellando el puerto y empuja el metal a travs del cuello de cisne yla boquilla a la cavidad del molde, donde lo mantiene bajo presin hasta que solidifica. Figura 1.2

Figura 1.2 Cierre de molde y subida del mbolo

El embolo se mueve hacia abajo sellando el puerto y empuja el metal a travs del cuello de cisne yla boquilla a la cavidad del molde, donde lo mantiene bajo presin hasta que solidifica. Figura 1.3.

Figura 1.3 Embolo en desplazamiento en la cmara caliente

La figura 1.4 muestra que el molde abre, y los carros, si existieran, se retractan, la pieza semantiene en un solo lado del molde (parte mvil), el embolo retorna, permitiendo al metal lquidoresidual, regresar del cuello de cisne y la boquilla.

Corazn Cavidad

Embolo

MetalL uido

CavidadFija

Cavidadmvil

Expulsor

Pieza

Boquilla Cuello de

Cisne

Entrada


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Figura 1.4 Molde abrindose

Como lo muestra la figura 1.5 los expulsores empujan la pieza fuera de la cavidad del molde,mientras tanto, el embolo descubre la entrada permitiendo al metal lquido entrar al cuello de cisne.

Figura 1.5 Expulsin de la pieza en cmara caliente

Proceso de Cmara Fra. El proceso ms comn se da de la siguiente manera, el aluminio sefusiona en un horno de fusin que normalmente recibe la carga del aluminio o aleacin de aluminioen forma de lingotes o pieza con la aleacin predeterminada a utilizar, estos hornos generalmenteutilizan gas natural como combustible de su proceso, la carga introducida se precalienta en unarecamara y posteriormente pasa a la recamara principal donde se transforma al estado lquido, una

vez que el aluminio est en su estado lquido, este se vaca en crisoles de transportacin y pasa aun proceso de desgasificado el cual se hace por medio de sales minerales que provocan que elaire atrapado en el interior del aluminio salga a la superficie evitando quede atrapado dentro de laspiezas a fabricar ms adelante, una vez que el aluminio esta desgasificado, se transporta a loshornos de mantenimiento que estn conectados a la mquina de inyeccin y que sern losresponsables de estar suministrando el aluminio de cada inyeccin.

La preparacin de la maquina previa al proceso de inyeccin se da de la siguiente manera, elmolde que se utilizara se monta en las platinas de la maquina y se realizan todas las conexionestanto hidrulicas como neumticas a la mquina de inyeccin, se establecen los parmetros de la

Pieza

Pieza Carro

Expulsor


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inyeccin, los cuales fueron diseados para tener un proceso de fabricacin ptimo, estosparmetros son introducidos al controlador de la maquina, generalmente son programasperfectamente diseados y probados durante el periodo de desarrollo de un nuevo proceso, unavez que la maquina, el molde, los accesorios y el programa estn listos para correr se inicia elproceso de inyeccin a presin, en este caso el pistn que empujara el aluminio se encuentrafuera de aluminio fundido as como la recamara donde se deposita el aluminio que se inyectaraestn fuera, de ah el nombre de cmara fra.

Cuando se est listo, el molde se encuentra abierto montado en las dos platinas de la mquina, esentonces cuando inicia el ciclo de lubricacin del molde que no es ms que la aplicacin dedesmoldante a las cavidades del molde, esto con el fin de que las piezas una vez fundidas no sequeden pegadas al acero del molde, posterior a esto se sopletea el exceso de lubricante a travsde boquillas de aire a presin, esto con la finalidad de evitar enfriamientos o manchas en laspiezas causadas por exceso de lubricante, simultneamente a los dos ciclos anteriores, lacalefaccin de molde se activa para mantener el molde a una temperatura que permita al aluminiofluir de manera adecuada tanto en los canales de alimentacin como cuando debe fluir por lascavidades del molde para llenar las zonas ms alejadas del ataque o entrada, se cierra el molde,es entonces cuando el horno de mantenimiento abre un compuerta que permite que el aluminiobaje a travs de una rampa metlica o cermica hasta la recamara de inyeccin

Figura 1.6 Componentes bsicos inyeccin cmara fra

El proceso de la figura 1.6 el metal tomado del horno de mantenimiento se vaca a travs de unacanaleta hasta una recamara previo a ser inyectado en la cavidad del molde a travs del embolo.

En la figura 1.7 muestra la secuencia correspondiente al proceso de cmara fra, en el cual elmetal fundido se vaca dentro de la cmara fra y luego avanza el pistn de inyeccin, que empujaal metal hacia el molde. Evidentemente, los ciclos de fundicin son similares para ambos procesos,excepto en la forma en que el metal fundido se alimenta en el sistema de inyeccin.

Platina Acumulador

Sistema de fijacin

Cilindro parallenado

Molde

Embolo


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La figura 1.7 muestra el molde cerrando y el metal es vaciado desde la canaleta de inyeccin.

Figura 1.7 Cierre de molde

En la figura 1.8, el embolo empuja el metal lquido hacia la cavidad del molde donde se mantienebajo presin hasta su solidificacin.

Figura 1.8 Embolo empujando metal en cmara fra

El molde se abre y el embolo avanza para asegurar que la pieza se mantiene en el lado mvil delmolde donde se alojan lo expulsores y los carros si existieran, se retraen. Mostrado en la figura1.9.

Corazn Cavidad

Expulsor

Metal lquido esvaciado aqu atravs de unarampa

Piston

Lado Mvil Lado Fijo

Pieza

Embolo


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Figura 1.9 Molde abrindose en cmara fra

Finalmente, los expulsores empujan la pieza fuera de la cavidad mvil y el embolo se retrae a suposicin original. Lo anterior se muestra en la figura 1.10.

Figura 1.10 Expulsin de la pieza en cmara fra

A continuacin, en la figura 1.11 se muestra una mquina de inyeccin a presin para proceso decmara fra en una vista general, es una mquina del fabricante Bhler.


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Figura 1.11 Mquina de inyeccin cmara fra

El proceso de fundicin de cmara fra es el mtodo de fundicin utilizado para la inyeccin dealuminio a alta presin y ser el mtodo que estudiaremos y que utilizaremos en los clculos.

1.2 Moldes de Fundicin a Presin

Los moldes de fundicin a presin se componen en dos partes, una fija y una mvil. En las figuras1.12 y 1.13 se ilustran los componentes bsicos del molde correspondiente al proceso de cmarafra. La parte fija del molde se coloca en la parte estacionaria de la mquina; en esta parte va elorificio para llenar la cavidad del molde, alineado con la boquilla de inyeccin de la cmara fra. Laparte mvil del molde se fija al marco movible de la mquina; contiene el mecanismo expulsor y,en la mayora de los casos, los respiraderos, tal como se muestra en el diagrama 1.13.

Figura 1.12 Lado fijo de molde de inyeccin de aluminio


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Figura 1.13 Lado mvil de molde de inyeccin de aluminio

La cavidad del molde, que contiene la forma de la pieza que se va a producir, se obtienemaquinando directamente las dos planchas que van a constituir el molde, o bien elaborando dosinsertos que despus que colocan uno en la parte mvil y el otro en la parte fija del molde. Este sedisea de tal manera que la pieza quede en la mitad mvil despus de la tercera etapa del ciclo.La pieza se separa entonces de la cavidad por medio de los expulsores, que se mueven a travsde orificios practicados en el molde; dichos expulsores se mueven gracias a la accin de bastidormovible, que recibe la fuerza impulsora directamente de la mquina. Las guas posicionadorasforman parte de una de las mitades y penetran en la otra mitad cuando el molde se cierra; estotiene el objeto de alinear perfectamente ambas partes del molde.Los moldes para producir piezas de formas complicadas, pueden contener respiraderos fijos ymovibles. Estos se mueven por medio de pernos de leva o cilindros hidrulicos y ocupan suposicin de trabajo cuando el molde est cerrado.Como las mquinas de fundicin a presin operan a velocidad elevada, el calor proporcionado porel metal fundido tiene que eliminarse del molde tambin a alta velocidad. Esto se logra haciendocircular agua u otro refrigerante a travs de canales maquinados dentro del molde. En algunoscasos, en lugar de enfriar el molde, se calienta elctricamente o por medio de quemadores de gas;esto es necesario al iniciar una operacin, (para dar al molde la temperatura adecuada), o biencuando se desea moldear piezas de espesor muy reducido, las cuales no proporcionan el calornecesario para mantener el molde a la temperatura de operacin.

1.3 Requerimientos del Sistema de Fundicin a Presin

El sistema de fundicin a presin debe reunir las siguientes caractersticas a fin de producir piezasde alta calidad.


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Las dimensiones del sistema de inyeccin deben permitir que la cantidad de metalinyectado en cada ciclo, sea suficiente para llenar por completo la cavidad del molde.

El sistema completo debe disearse de tal forma que el llenado de la cavidad del moldesea rpido y uniforme, con el fin de que todo el metal comience a solidificar al mismotiempo (esto evita las zonas fras).

El diseo del sistema deber facilitar en lo posible la salida del aire, a fin de eliminar o almenos minimizar la posibilidad de que aparezcan ampollas en las piezas.

Debe controlarse la temperatura del molde para:

a) Evitar los rechupes.b) Ayudar a que ninguna porcin del metal solidifique antes de que el flujo del mismo

concluya (esto evita las zonas fras).c) Enfriar las piezas rpidamente, lo cual asegura una productividad elevada.

La mquina tiene que producir suficiente presin para mantener el molde firmementecerrado durante las dos primeras etapas del ciclo.

La mayora de las mquinas de fundicin a presin cumplen parcial o totalmente con estascondiciones. Sin embargo, el diseo del canal de colada, el sistema de alimentacin y losrebosaderos pueden influir grandemente, tanto en la velocidad de llenado de la cavidad, como enla cantidad de aire atrapado al concluir la inyeccin. El uso del control de temperatura del molde yla colocacin de los canales de enfriamiento, son determinantes en cuanto a la solidificacin de lapieza, lo cual a su vez influye en la calidad final del producto y en la productividad de la operacin.


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En este captulo se describen las

diferentes aleaciones de aluminio

utilizados en la fundicin dealuminio, sus propiedades y el

efecto de los elementos aleantes.

ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO


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Aluminio y Aleaciones de AluminioLa fundicin de aluminio ha jugado un rol integral en el desarrollo de la industria del aluminiodesde que se inicio a finales del siglo XIX. Los primeros productos comerciales de aluminio fueroncastings tales como utensilios de cocina y partes de decoracin lo cual exploto la novedad delnuevo metal. Esas aplicaciones tempranas se expandieron rpidamente en un rango amplio deespecificaciones de ingeniera. El desarrollo de aleaciones y la caracterizacin de las propiedadesfsicas y mecnicas dieron las bases para el desarrollo de nuevos productos durante las dcadassiguientes. Los procesos de fundicin fueron desarrollados para extender las posibilidades de lafundicin en nuevas aplicaciones comerciales y tcnicas. La tecnologa de fusionar metal, lasolidificacin y el desarrollo de propiedades han avanzado para asistir al fundidor en lo relacionadoa lo econmico y a la produccin confiable de partes que consistentemente alcanzan lasespecificaciones requeridas.En la actualidad, las aleaciones de aluminio para fundicin son producidas en cientos decomposiciones por todos los procesos de fundicin comercial, incluyendo entre ellos, el proceso dearena verde, molde compuesto, molde semipermanente e inyeccin a presin.Los procesos de fundicin son divididos normalmente en dos categoras: proceso de moldedesechable y los procesos en los un herramental produce partes repetitivamente. Ejemplo delprimero es fundicin en arena y fundicin en arena verde y del segundo el proceso de moldepermanente y el de molde para inyeccin a presin.Las aleaciones pueden tambin ser divididas en dos grupos: aquellas que son para el proceso porgravedad cualquiera que sea su tipo y las que son utilizadas en inyeccin a presin. El proceso dede inyeccin a presin en donde se miden mas de los usual las propiedades de fundicin. Elproceso demanda un nivel de fluidez alto, resistencia al calor, resistencia al desgarre contemperatura y la resistencia a la soldadura del molde..Las restricciones que usualmente limitan al ingeniero de diseo a la eleccin de la aleacin a usaruna vez que el proceso ha sido seleccionado estn siendo cada vez mas eliminadas debido a losavances que se han logrado con las nuevas tcnicas de fundicin. De la misma manera, laseleccin del proceso est cada da menos restringida.

2.1 Composiciones QumicasLos sistemas para designar las composiciones no estn internacionalmente estandarizados. EnEstados Unidos por ejemplo, las especificaciones de las composiciones son emitidas a travs deagencias del gobierno (federal, militar, entre otras) y por sociedades tcnicas como la ASTM(Sociedad Americana de Pruebas y Materiales) y la SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices).La sociedad del aluminio registra las aleaciones de aluminio por nomenclatura que puede distinguiruna de otra por decimales en la composicin.Las designaciones en su forma xxx.1 y xxx.2 indica la composicin de una aleacin especifica dealuminio en forma de lingote para uso en la fundicin. La designacin en su forma xxx.0 en todoslos casos define los limites de composicin aplicables a la pieza. Otras variaciones decomposiciones especficas son denotadas con letras de prefijo usadas principalmente para definir

diferencias en los lmites de impurezas. De acuerdo a lo anterior, una de las aleaciones mscomunes para gravedad, la 356, es mostrada como A356, B356 y C356, cada una de estasaleaciones son idnticas en su contenido pero tienen un nivel decreciente en el nivel de impurezas,especialmente en el contenido de hierro.

Aunque la nomenclatura y designacin de varias aleaciones estn estandarizadas en Norte Amrica, muchas aleaciones importantes han sido desarrolladas por fundiciones alrededor delmundo. En muchos casos, cada pas (y en muchos casos compaas) ha desarrollado su propianomenclatura. Existen referencias excelentes que interrelacionan y definen las diferentescomposiciones qumicas y sus equivalentes, as como su uso.


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Debido a las diferencias que existen en los procesos en cuanto a su capacidad, no todas lasaleaciones pueden usarse en todos los mtodos. Las aleaciones son usualmente separadas enfamilias en la cual cada aleacin es separada de acuerdo a sus caractersticas en cuanto a lafuncin o a los requerimientos del proceso. El sistema de designacin de la Asociacin de Aluminiointenta el reconocimiento de las familias de aleaciones por el esquema siguiente:

1xx.x: Composiciones controladas no aleadas. 2xx.x: Aleaciones de aluminio con contenido de cobre como el mayor elemento de aleacin. 3xx.x: Aleaciones Aluminio-Silicio conteniendo adems Magnesio y/o cobre. 4xx.x: Aleaciones binarias aluminio-silicio. 5xx.x: Aleaciones de aluminio con contenido de Magnesio como el mayor elemento de

aleacin. 6xx.x: No usado actualmente. 7xx.x: Aleaciones de aluminio con contenido de zinc como el mayor elemento de aleacin,

usualmente tambin contiene adems cobre, magnesio, cromo o manganeso o lacombinacin de estos elementos.

8xx.x: Aleaciones de aluminio con contenido de latn como el mayor elemento de aleacin. 9xx.x: No usado actualmente.

2.1.1 Efectos de los elementos aleantes

Antimonio. En niveles de concentracin igual o mayor que 0.05%, el antimonio refine la faseeutctica aluminio-silicio a forma laminar en composiciones hipoeutcticas. La efectividad delantimonio en alterar la estructura eutctica depende de la ausencia de fsforo y a una adecuadavelocidad de solidificacin. El antimonio tambin reacciona con el sodio o el estroncio para crearsecciones gruesas intermetlicas con efectos adversos en el proceso de fundicin y la estructuraeutctica.El antimonio es clasificado con un metal pesado con potencial toxico e implicaciones de higiene,especialmente cundo es asociado con la formacin de gas estibina y los efectos de la exposicinhumana a otros combinados de antimonio.Berilio . Con adicin tan baja como algunas partes por milln puede ser efectivo para reducir lasprdidas por oxidacin e inclusiones de componentes de magnesio. Estudios han mostrado que elincremento proporcional de concentracin de berilio es requerido para suprimir la oxidacincuando el contenido de magnesio incrementa.La tabla 2.1 muestra las aleaciones de aluminio usadas en fundicin.

Tabla 2.1 Composicin de aleaciones de aluminio usadas para fundicin


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A concentraciones ms altas (>0.04%), el berilio afecta la forma y la concentracin de contenidointermtalico de fierro, mejorando marcadamente la resistencia y la ductilidad. Adems cambiandobenficamente la morfologa de la fase insoluble, el berilio cambio su composicin, rechazando elmagnesio del complejo Al-Fe-Si y con esto permitiendo su uso completo en los propsitos deendurecimiento.El contenido de berilio es sin embargo, uno de los elementos cancergenos conocidos querequieren precauciones especficas en la fusin y en el manejo del metal fundido, la disposicin y

el manejo de los desechos y en el soldado de aleaciones. Existen estndares que definen loscontenidos mximos de berilio en barra de soldadura y los metales base para soldadura tal como0.008 y 0.010% respectivamente.

Bismuto. Mejora la maquinabilidad de piezas fundidas en aleacin de aluminio a concentracionesmayores a 0.1%.

Boro. Combinado con otros metales para formar boruros, tales como el Al2 y el TiB2. Boruros detitanio forman lugares de nucleacin estable para interactuar con fases activas de refinamiento degrano tales como TiAl3 en aluminio lquido.Boruros metlicos reducen la vida til en las herramientas en operaciones de maquinado y en laformacin de partculas gruesas que consisten en inclusiones objetables con efectos detrimentales

en las propiedades mecnicas y en la ductilidad. La alta concentracin de boro, boruroscontribuyen al lodo del horno, en la aglomeracin de partculas y el incremento de riesgos deinclusiones en la fundicin. Sin embargo, el tratamiento de boro en elementos peritcticos dealuminio para mejorar la pureza y la conductividad elctrica en rotor de fundicin. Rotor dealeaciones de grado ms alto podran especificar boro para exceder contenidos de titanio yvanadio para asegurar la precipitacin de estos elementos para mejorar el desempeo elctrico.

Cadmio. En concentraciones que exceden el 0.1% mejora la maquinabilidad. Precaucionesreconociendo su volatilidad a 767 C son esenciales.

Calcio. Es un modificador dbil del eutctico aluminio-silicio. Incrementa la solubilidad delhidrgeno y es frecuentemente responsable de porosidad en niveles de rastreo. Las

concentraciones de calcio mayores que 0.005% tambin afectan adversamente la ductilidad en lasaleaciones aluminio-magnesio.

Cromo. Agregar cromo es comnmente hecho en bajas concentraciones para envejecimiento atemperatura de cuarto y en composiciones trmicamente inestables en donde la germinacin y elcrecimiento de grano es conocido que sucede. El cromo forma tpicamente el componente CrAl7, elcual muestra limitada solubilidad en estado slido y es sin embargo usado para suprimir lastendencias de crecimiento de grano. Lodo que contiene fierro, manganeso y cromo es a vecesencontrado en composiciones de fundicin a presin pero es raramente encontrado encomposiciones de fundicin por gravedad. El cromo mejora la resistencia a al corrosin en ciertasaleaciones e incremente la sensibilidad de enfriamiento a altas concentraciones.

Cobre. Las primeras y las ms ampliamente aleaciones usadas fueron aquellas que contenan de4 a 10% de Cu. El cobre mejora sustancialmente la resistencia y la dureza en la fundicin y encondiciones de tratamiento trmico. Aleaciones que contienen de 4 a 6% Cu respondenfuertemente al tratamiento trmico. El cobre generalmente reduce la resistencia a la corrosin engeneral y en composiciones especficas y condiciones de material a la susceptibilidad a la tensinde corrosin. Adicin de cobre tambin reduce la resistencia a las ralladuras y decrece la facilidadde fundicin.

Hierro. Mejora la resistencia a las ralladuras y decrece la tendencia de metal pegado o soldado enel molde en el proceso de inyeccin a presin. El incremento en contenido de fierro es sin


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embargo, acompaados por una reduccin sustancial en la ductilidad. El fierro reacciona paraformar una mirada de fases insolubles en aleaciones de aluminio, de los cuales el ms comn esel FeAl3, FeMnAl6 y AlFeSi. Estas fases esencialmente insolubles son las responsables de lasmejoras en resistencia, especialmente a temperaturas elevadas. Como la fraccin de la faseinsoluble incrementa con el incremento de contenido de fierro, consideraciones de fundicin talescomo la fluidez y el llenado son afectados adversamente. El fierro participa en la formacin defases de lodo con el manganeso, cromo y otros elementos.

Plomo. Es usado en aleaciones de aluminio en cantidades mayores a 0.1% para mejorar lamaquinabilidad.

Magnesio. Es bsico en el desarrollo de resistencia y dureza en el tratamiento trmico enaleaciones Al-Si que contienen cobre, nquel y otros elementos para el mismo propsito. La fasede endurecimiento Mg2Si muestra un lmite de solubilidad til correspondiente a aproximadamente0.70% Mg, ms all puede no incrementar la dureza o incluso una matriz de ablandamiento tomalugar. Comnmente, composiciones de alta resistencia en la familia Al-Si emplean magnesio en elrango de 0.40 a 0.70%.

Aleaciones binarias Al-Mg son ampliamente usadas en aplicaciones que requieren un acabadosuperficial brillante y resistencia a la corrosin, as como en combinaciones atractivas de

resistencia y ductilidad. Composiciones comunes entre 4 y 10% Mg y composiciones quecontienen ms de 7% Mg son candidatas a tratamiento trmico.

Manganeso. Es considerado normalmente una impureza en composiciones de fundicin y escontrolado a bajos niveles en la mayora de las composiciones para fundicin a gravedad. Elmanganeso es un elemento aleante importante en composiciones para labrar, a travs de lascuales las composiciones de fundicin secundaria podran contener niveles de manganeso msaltos. En ausencia de trabajo de endurecimiento, el manganeso no ofrece beneficios significantesen fundicin a las aleaciones. Existe sin embargo evidencia, que a mayor fraccin de Mnal 6 enaleaciones que contiene ms de 0.5% Mn pueden influenciar en beneficiar internamente a validarla fundicin. El manganeso puede tambin emplearse para alterar la respuesta en acabadosqumicos y anodizados.

Mercurio. Las composiciones que contienen mercurio fueron desarrolladas como material andicode sacrificio para la proteccin catdica de sistemas, especialmente en ambientes marinos. El usode estas aleaciones ptimamente electronegativas que no se apaciguan en agua marina fueronseveramente restringidas por razones ambientales.

Nquel. Es empleado usualmente con cobre para realzar las propiedades a altas temperaturas.Reduce adems el coeficiente de expansin trmica.

Fsforo. En forma AlP3 el fsforo refina la formacin de la fase primaria de silicio en aleacioneshipereutcticas Al-Si. En concentraciones de partes por milln, el fsforo convierte la estructuraeutctica en hipoeutctica Al-Si. El fsforo disminuye la efectividad de los modificadores eutcticos

comunes sodio y estroncio.Silicio. El efecto sobresaliente del silicio en las aleaciones de aluminio es el mejoramiento de lascaractersticas de fundicin. Agregar silicio al aluminio puro mejora dramticamente la fluidez,resistencia a las ralladuras en caliente y las caractersticas de llenado. Las composicionesprominentemente ms usadas en fundicin son las de la familia aluminio-silicio. Las composicionescomerciales hipereutcticas llegan a un rango hasta del 25%Si.En general, un rango ptimo de silicio puede ser agregado en los procesos de fundicin. Paraprocesos con enfriamiento lento (tales como el yeso y arena) el rango es entre el 5 y el 7%, paramolde permanente el rango es del 7 al 9% y para inyeccin a presin entre el 8 y el 12%. Las


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bases para estas recomendaciones son la relacin entre el ndice de enfriamiento, la fluidez y elefecto del porcentaje del eutctico en el llenado. La adicin de silicio est tambin acompaadopor una reduccin en la gravedad especfica y el coeficiente de expansin trmica.

Plata. Es usada solo en un rango limitado de aleaciones superiores aluminio-cobre aconcentraciones de 0.5 a 1%. La plata contribuye a la precipitacin de endurecimiento y a laresistencia a la corrosin.

Sodio. Modifica el eutctico aluminio-silicio. Su presencia fragiliza las aleaciones aluminio-magnesio. El sodio interacta con el fsforo para reducir su efectividad en modificar el eutctico yeso del fsforo en el refinamiento de la fase primaria del silicio.

Estroncio. Es usado para modificar el eutctico aluminio-silicio. Una modificacin efectiva puedeser lograda con la adicin de niveles muy bajos, un rango de 0.008 a 0.04% es comnmenteusado. Adicin de niveles ms altos es asociado con porosidad, especialmente en procesos o enpartes con secciones grandes en donde la solidificacin ocurre ms lentamente. La eficiencia deldesgasificado puede verse tambin afectada a niveles altos de estroncio.

Latn. Es efectivo en el mejoramiento de las caractersticas antifriccin. Y es por lo tanto usado en

aplicaciones como rodamientos. Las aleaciones de fundicin pueden llegar a tener hasta 25% Sn. Adicin de estroncio puede ser tambin para mejorar la maquinabilidad. El latn puede tambininfluenciar en la respuesta de precipitacin endurecida al sistema de algunas aleaciones.Titanio. Es usado extensamente para refinar la estructura de grano en aleaciones para fundicinde aluminio, frecuentemente es usado en combinacin con pequeas cantidades de boro. El titanioen exceso de estequiometra de TiB 2 es necesario para el refinamiento del grano. El titanio esfrecuentemente empleado a concentraciones mayores a las requeridas para refinar el grano parareducir las tendencias en composiciones.

Zinc. No existen beneficios significantes por la adicin de zinc al aluminio. Acompaado por laadicin de cobre y/o magnesio, sin embargo, el zinc resulta atractivo en aleaciones paratratamiento trmico o envejecimiento natural. Un gran nmero de estas composiciones tienen un

gran uso. El zinc es tambin comnmente encontrado en composiciones secundarias de fundicinpor gravedad e inyeccin a presin.

2.1.2 Procesos de fundicin

La amplia aplicacin de los procesos de fundicin y variaciones de procesos en la produccin decomposiciones base aluminio necesita un entendimiento y comprensin de las caractersticas yhabilidades del proceso. La seleccin del mtodo de fundicin es basada en la habilidad de cadaproceso relativo al diseo y a los requerimientos especficos de cada parte. En la mayora de loscasos, partes fundidas pueden ser producidas fcilmente por ms de una tcnica. En estos casos,la decisin es basada econmicamente en el volumen de produccin el cual dicta el proceso aelegir. En otros ejemplos, requerimiento de calidad o ingeniera restringen la eleccin del proceso.

Aunque el ndice de desarrollo de nuevas aleaciones ha declinado en aos recientes, la actividaden el desarrollo de nuevos procesos se ha incrementado dramticamente. Estos desarrollos sonprimariamente variaciones de tres amplias categoras: procesos de molde desechable, incluyendoarena verde y arena seca, as como moldeado en yeso; molde permanente en gravedad,incluyendo fundicin centrifuga y de baja presin; y fundicin a presin. El progreso en patrones ymateriales para moldes ya han sido documentados.

Fusin y tratamiento del metal . El aluminio y las aleaciones de aluminio pueden ser fusionados endiferentes formas. Hornos de induccin, crisol, de reverbero, calentados con gas natural o aceitecombustible, de resistencia elctrica o radiacin elctrica todos son de uso rutinario. La naturaleza


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de carga del horno es variada e importante como la seleccin del tipo de horno para la operacinde fundicin de metal. La carga del horno puede ir desde lingotes pre-aleados de alta calidad acargas de hechas exclusivamente de desecho de bajo grado. An en ptimas condiciones defusin y de retencin de la fusin, el aluminio fusionado es susceptible a tres tipos de degradacin:

Con tiempo y temperatura, la absorcin de hidrgeno resulta en incremento de contenidode hidrgeno disuelto a un valor de equilibrio para la composicin especfica y temperatura.

Con tiempo y temperatura, la oxidacin de la fusin ocurre; en aleaciones que contienenmagnesio, oxidacin y la formacin de xidos complejos pueden ser no limitantes de smismo.

Elementos transitorios caracterizados por vapores de baja presin y alta reactividad sonreducidos como una funcin de tiempo y temperatura; magnesio, sodio, calcio y estroncio,alguna vez con propiedades mecnicas directa o indirectamente confiables, son ejemplosde elementos que muestran caractersticas transitorias.

Turbulencia y agitacin de la fusin y el incremento de la temperatura de retencinsignificativamente incrementa el ndice de solucin del hidrgeno, oxidacin y prdida deelementos transitorios. Las propiedades mecnicas de las aleaciones de aluminio dependen en lavalidez de la fundicin, que es fuertemente influenciada por la porosidad de hidrgeno einclusiones no metlicas arrastradas. La reduccin del contenido de hidrgeno disuelto y materiasuspendida son logrados normalmente a travs del tratamiento de la fusin antes de ser vaciada.

Hidrgeno. El hidrgeno es el nico gas que es apreciablemente soluble en el aluminio y en susaleaciones. Su solubilidad vara directamente con la temperatura y la raz cuadrada de la presin.Como se muestra en la figura 2.1, la solubilidad del hidrgeno es considerablemente mayor en elestado lquido que en el estado slido. La solubilidad real del aluminio puro lquido o slido justoarriba y debajo del slido son 0.65 y 0.034 mL/100g, respectivamente. Estos valores varanligeramente con el contenido de la aleacin. Durante el enfriamiento y la solidificacin del aluminiofusionado, hidrgeno disuelto en exceso de la solubilidad slida extremadamente baja podraprecipitarse en forma molecular, resultando en la formacin de vacos primarios o secundarios.La formacin de burbujas de hidrgeno es fuertemente resistido por la fuerzas de tensinsuperficial, por el ndice de de enfriamiento lquido y solidificacin y por la ausencia de sitios denucleacin para la precipitacin del hidrgeno como un oxido arrastrado. Concentracionessignificantes de hidrgeno disuelto en exceso de solubilidad slida, son sin embargo, requeridospara la formacin de porosidad. En ausencia de xidos de nucleacin, concentraciones altasrelativamente (en el orden de 0.30 mL/100 g) son requeridos para la precipitacin del hidrgeno.No porosidad ha sido encontrada que suceda en un rango de aleaciones comunes conconcentraciones de hidrgeno altas como 0.15 mL/100 g.Fuentes de Hidrgeno. Hay numerosas fuentes de hidrgeno en el aluminio, mezcladas en laatmosfera desasociadas en la superficie del metal fundido, ofreciendo una concentracin dehidrgeno atmico capaz de disolverse en el metal fundido. La barrera de oxido de aluminio,resiste la solucin del hidrgeno por este mecanismo, pero disturbios en la superficie del metalfundido que rompe la barrera de oxido resulta en una rpida disolucin de hidrgeno. Elementosaleantes, especialmente el magnesio, puede tambin afectar la absorcin del hidrgeno formandoproductos de reaccin de oxidacin que ofrecen reducida resistencia a la difusin del hidrgeno enel metal fundido y alterando la solubilidad lquida. La introduccin de herramientas contaminadasde humedad en el metal fundido incrementa dramticamente la disolucin de los niveles dehidrgeno. El flujo de sales, las cuales pueden haber absorbido humedad, y tubos de flujo noprotegidos con un recubrimiento con sales de reaccin, ambos incrementan la disolucin delcontenido de hidrgeno. La carga de metal fundido puede contener ambos, hidrgeno disuelto ycuando no hay precalentamiento antes de la carga, superficies contaminadas de humedad.


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Figura 2.1 Solubilidad del hidrgeno

Una fuente adicional de hidrgeno, especialmente en la fundicin de arena verde, es laparticipacin de la reaccin del metal fundido y agua en el molde. Adems, la turbulencia queinevitablemente ocurre durante el vaciado y en cierto grado en el sistema de llenado incrementa elpotencial para la solucin de hidrgeno y una subsecuente precipitacin.

Porosidad por hidrgeno. Dos tipos o formas de porosidad de hidrgeno podran ocurrir en lafundicin de aluminio. De mayor importancia es la porosidad interdendrtica, que es encontradacuando contenido de hidrgeno es suficientemente alto que el hidrgeno rechazado en el frente desolidificacin resulta en presin de la solucin arriba de la atmosfrica. Secundaria(microporosidad) ocurre cuando el contenido de hidrgeno disuelto es bajo y la formacin de vacoes subcrtica.Finamente distribuida, la porosidad por hidrgeno no siempre es indeseable. La precipitacin dehidrgeno podra alterar la forma y distribucin de porosidad por contraccin en partes con pobrellenado o en secciones de partes. La porosidad por contraccin es generalmente ms daina a laspropiedades de las piezas fundidas. En casos aislados, el hidrgeno puede ser intencionalmenteintroducido y controlado en concentraciones especficas, compatible con requerimientos deaplicaciones en la fundicin a fin de promover validez superficial.


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Sin embargo, la porosidad por hidrgeno afecta adversamente las propiedades mecnicas deforma que vara dependiendo de la aleacin. La figura 2.2 muestra la relacin entre el contenidoreal de hidrgeno y la porosidad observada. La figura 2.3 define el efecto de la porosidad en elesfuerzo ltimo de tensin en composiciones seleccionadas.

Figura 2.2 Porosidad en funcin del contenido de hidrogeno

Con frecuencia se asume que el hidrgeno puede ser deseado o tolerado en aplicaciones depresin alta. Asumiendo que la porosidad por hidrgeno se presenta siempre en la estructura de lafundicin, como vacios integralmente redondos. En efecto, La porosidad por hidrgeno puedeocurrir como vacos redonda o alargada y en presencia de contraccin puede decrecer laresistencia a la fuga en lugar de incrementarla.

Hidrgeno en solucin slida . La disposicin del hidrgeno en una estructura solidificada dependedel nivel de disolucin del hidrgeno y de las condiciones bajo las cuales ocurre la solidificacin.Debido a que la presencia de porosidad por hidrgeno es un resultado de la difusin controlada denucleacin y crecimiento, decrecer la concentracin de hidrgeno e incrementar la tasa desolidificacin acta para suprimir la formacin y crecimiento de vacos. Por esta razn, la fundicinhecha en procesos de moldes desechables es ms susceptible a defectos causados por elhidrgeno que en partes producidas en molde permanente o de alta presin.


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Remocin de Hidrgeno. Los niveles de hidrgeno disuelto se pueden reducir por diversosmtodos, lo ms importante es fundir seco, nitrgeno qumicamente puro, argn, cloro y fren.Componentes como el hexacloroetano son comnmente usados, estos componentes desasocian atemperaturas de metal fundido para proveer la generacin de gas de la fundicin.

Figura 2.3 Esfuerzo ltimo de tensin vs. porosidad por hidrgeno

El gas de la fundicin reduce el contenido de hidrgeno disuelto del metal fundido por difusin depresin parcial. El uso de gases reactivos tales como el cloro mejora la tasa de desgasificacinalterando la interface gas/metal para mejorar la difusin cintica. Mantener el metal fundido sinmovimiento por perodos largos de tiempo o cerca del estado lquido tambin reduce el contenidode hidrgeno no mayor al especificado.

Medicin del hidrgeno. Es posible determinar cuantitativamente la cantidad de hidrgeno enaluminio fundido a travs de tcnicas de extraccin lquida y estado slido. Un instrumento ofrecetiempo real, medicin exacta de hidrgeno en aluminio fundido. Existen gran variedad de tcnicasde extraccin de estado slido para medir el hidrgeno en el aluminio despus de la solidificacin.Un nmero importante de instrumentos han sido tambin desarrollados para cuantificar la cantidadde hidrgeno en aluminio fundido. Sistemas comercialmente disponibles de este tipo, confan en lacorrelacin de parmetros que gobiernan la evolucin de hidrgeno en muestras solidificadas envaco (tiempo, temperatura y presin) o pueden utilizar otras relaciones para definir el contenido dehidrgeno. Pruebas basadas en aplicacin de vaco son tambin usadas algunas ocasiones.


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Muestras colocadas en una cmara de vaco podran ser visualmente observadas durante lasolidificacin. La evolucin rpida de burbujas de gas con la aplicacin de vaco, indica un altonivel de oxido y un nivel desconocido de hidrgeno. La formacin de burbujas en la superficie de lamuestra solo en las ltimas etapas de la solidificacin, indica la ausencia de oxido y nivelesmoderadamente altos de hidrgeno. En muchas fundiciones, muestras para solidificacin en vacono son observadas durante la solidificacin pero posteriormente son seccionadas para observarlos niveles de contenido de vacos.

La seleccin de la presin de vaco para desarrollar las pruebas de solidificacin al vaco esimportante. Para piezas de fundicin de muy alta calidad, presiones de 2 a 5 mm de mercurio sonutilizadas como estndar ms riguroso. En estos casos, cualquier evolucin de la muestraobservada indica la calidad no aceptable del metal fundido. Diferentes presiones de vaco sonutilizadas en estas pruebas para seleccionar lmites de calidad aceptables ms bajos.Para fundiciones que confan en la determinacin de la gravedad especfica desarrollada en lamuestra solidificada, 102 mm de mercurio es una prueba deseable. El sistema de control dedensidad ha probado su efectividad en la prediccin de lmites de aceptabilidad basada en lainfluencia combinada de hidrgeno disuelto y de xidos en la formacin de porosidad y ofreceadems mediciones ms exactas de contenidos de hidrgeno, con oportunidad de un tratamientoestadstico.Debido a que la solubilidad del hidrgeno es inversamente dependiente de la presin absoluta

durante la solidificacin, cualquier reduccin en la presin de vaco tiene como resultado lareduccin en la sensibilidad de cualquier aproximamiento es usado en prueba de vaco paradeteccin de hidrgeno. Es esencial que las condiciones se puedan reproducir para asegurar elresultado sin importar la presin y la temperatura empleada. Sistemas que confan en el diferencialde la presin atmosfrica es marcadamente inferior a aquellos que miden y controlan la presinabsoluta en la cmara de prueba, preferentemente en mm de mercurio.La porosidad por hidrgeno es normalmente distinguible en la estructura de piezas de fundicin atravs de radiografa, por pruebas de maquinado y por revisin microscpica. Discriminacincausada por contraccin o por hidrgeno es difcil y frecuentemente malinterpretada. La porosidadpor hidrgeno es encontrada generalmente que afecta la seccin de las piezas uniformemente,con solo pequeas diferencias de tamao de los vacos y la forma que ocurre en la estructura delas piezas.

Formacin de oxido. El aluminio y sus aleaciones se oxidan fcilmente en estado slido y enestado lquido generando una pelcula delimitada por s misma. El ndice de oxidacin incrementacon la temperatura y es sustancialmente mayor en aluminio lquido que en aluminio solido. Loselementos reactivos contenidos en las aleaciones tales como el magnesio, estroncio, sodio, calcio,berilio y titanio son factores tambin de formacin de oxidacin. En ambos, estado lquido y estadoslido, el oxido formado en la superficie ofrece beneficios como barrera a la difusin y solucin dehidrgeno. La turbulencia inducida resulta sin embargo, en arrastre de partculas de oxido, lascuales resisten la separacin de la gravedad debido a que su densidad es similar a la del aluminiolquido.Los xidos son formados por oxidacin directa con aire, por reaccin con vapor de agua, o por lareaccin trmica del aluminio con xidos de otros metales tales como el hierro o el siliciocontenidos en herramientas o refractarios. El oxido de aluminio es polimrfico, pero a temperaturasde fusin, la formas comunes de oxido encontrado son cristalinas y de una variedad de tiposdependiendo de su exposicin, temperatura y tiempo. Algunas formas cristalogrficas de oxidoafectan la apariencia y la coloracin de las piezas fundidas sin otros efectos significantes.

Aleaciones con magnesio deben recibir una consideracin especial, ya que este oxida msfcilmente y ms continuamente como una funcin del ambiente, temperatura y tiempo. Elresultado puede ser incremento en la prdida de aluminio lquido y la generacin de oxido, el cualse incrementa con la concentracin de magnesio. El oxido de magnesio ocurre msfrecuentemente en forma de micropartculas. A temperaturas ms altas (>745 C), oxido complejode aluminio magnesio es formado con un potencial de rpido crecimiento. En ocasiones se forma


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duro, cristalino negro y contamina los hornos, crisoles y cucharones. An cuando esto ocurre atemperaturas que exceden la temperatura convencional de mantenimiento, es importanteconsiderar el especificar en lugar de generalizar las temperaturas en fusin del metal,mantenimiento, manejo y tratamiento. El choque de quemadores de gas, las temperaturasexcesivas en la superficie fusionada, sin importar la fuente de energa y reacciones exotrmicasque ocurren durante el tratamiento de la fundicin pueden dar como resultado la formacin deoxido.Separacin y remocin de oxido. Es usualmente necesario tratar el aluminio fusionado y susaleaciones para remover los componentes no metlicos suspendidos. Esto es normalmentelogrado usando ya sea slidos o qumicos gaseosos que contienen cloro, flor, Cloratos ofluoruros. En cada caso, el objetivo es la deshumidificacin de la interfase oxido/aluminio paraproveer una separacin efectiva de oxido y de otros inclusiones y la flotacin de los no metlicospor la unin a los slidos o elementos de los gases o componentes introducidos durante eltratamiento del metal lquido.Los flujos pueden tambin ser usados para minimizar la formacin de xidos. Por esta razn,metales fundidos que contienen magnesio son protegidos comnmente por sales que forman unapelcula lquida, ms frecuentemente se usa cloruro de magnesio, en la superficie del metal lquido.Estos flujos, deben ser peridicamente removidos y remplazados. Carbn Grafito y boro en polvoretardan tambin de manera efectiva la oxidacin cuando se aplica en la superficie del metal

lquido.Se est volviendo comn el empleo de filtracin en el tratamiento de metal fundido para removerpartculas no metlicas suspendidas. Tales procesos, pueden ser usados para transferir el metaldel horno al cucharn o al crisol, dentro del horno y crisoles, en cmaras de hornos demantenimiento y en el sistema de llenado de moldes. Esponjas cermicas porosas, materialesrefractarios permeables fundidos, y sistemas de filtrado son usados en la operacin de la fundicin.Filtracin verdadera del metal fundido es capaz de reducir sustancialmente el contenido nometlico o metal introducido en la fundicin, medido en micras.

Efectos de las inclusiones. En adicin a los xidos, un nmero adicional de componentes puedenser considerados como inclusin en la estructura de la fundicin. Todo el aluminio contiene carburo(Al4C3) formado durante reduccin. Boruros pueden estar tambin presentes; por aglomeracin, los

boruros pueden asumir el tamao suficiente para representar un factor significante en la estructuradel metal, con factores especialmente adversos en el maquinado.Bajo todas las condiciones, las inclusiones, ya sea en pelcula o en forma de partcula, daan laspropiedades mecnicas. El efecto mayor de las inclusiones es el de reducir la efectividad de laseccin transversal bajo carga. El efecto ms devastador en propiedades es la concentracin deesfuerzos cuando las inclusiones aparecen en o cerca de la superficie de partes o muestras. Eldesempeo a la fatiga es reducido por la condicin del efecto de la muesca. El esfuerzo ltimo yde cedencia son tpicamente ms bajos y la ductilidad puede ser reducida cuando hay inclusionespresentes.Inclusiones de partculas duras son encontradas frecuentemente asociadas a xidos del tipopelcula. Boruros, carburos, xidos y partculas no metlicas en el metal lquido son barridos ydespus concentrados en regiones localizadas dentro de la estructura fundida.

Las inclusiones afectan directamente la fluidez y la capacidad de llenado. El efecto de contraccinpuede ser general (basado en la efectividad del llenado) o localizado (el efecto de barrera dealgunos xidos en el flujo del metal lquido durante la solidificacin). La tendencia de no llenadotambin se incrementa con el contenido de xidos. Coladas con funcionamiento incorrecto puedenser minimizadas asegurando bajo nivel de contaminacin de xido.

Pruebas de xidos. La presencia de inclusiones puede ser determinadas a travs de pruebas desolidificacin en vaco, radiografa, metalografa y pruebas de maquinado. La presencia de oxidoes frecuentemente detectado en probetas para pruebas mecnicas debido a que la falla ocurre enel plano ms dbil por inclusiones. Otras pruebas ms sofisticadas estn disponibles como la


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lixiviacin, absorcin atmica y de neutrones y de activacin de neutrones. La determinacincuantitativa del contenido de xido son raramente desarrollados debido a que las muestrasprcticas son de tamao limitado, por lo que los resultados de la prueba pueden no sersignificativamente correlacionados con la calidad de la fundicin. Pruebas de ultrasonido y deconductividad elctrica estn en desarrollo pero no han sido probadas en operaciones reales defundicin.

Control de la estructura. Un nmero de factores determinan la estructura metalrgica de lafundicin, De importancia primaria es el tamao de las clulas dendrticas o el espacio entre losbrazos de la dendrita, la forma y la distribucin de las fases microestructurales y el tamao degrano. El fundidor puede controlar lo fino de la dendrita controlando la velocidad de solidificacin.Caractersticas microestructurales como el tamao y distribucin de las fases primarias eintermetlicas son mucho ms complejas. Sin embargo, el control qumico (particularmente elcontrol de la concentracin de elementos de impureza), control de radio de los elementos basadosen la estequiometra de fases intermetlicas y el control de las condiciones de solidificacin paraasegurar tamao y distribucin uniforme de intermetlicos son con esta finalidad. El efectivorefinamiento de grano influye fuertemente en este objetivo. El uso de modificadores y refinadorespara influenciar la estructura eutctica y la hipereutctica en aleaciones aluminio-silicio sontambin un ejemplo de maneras en las que la microestructura y la macroestructura pueden ser

optimizadas en la fundicin.Espacio entre brazos de dendritas . En todos los procesos comerciales, la solidificacin toma lugara travs de la formacin de dendritas en la solucin lquida. Las clulas contenidas dentro de laestructura de la dendrita corresponden a las dimensiones que separan los brazos de las dendritasprimarias y son controladas por una velocidad de solidificacin dada.

A travs de un examen microestructural, es posible determinar la velocidad a la que dada reginde la fundicin ha solidificado por referencia a datos obtenidos de muestras solidificadasunidireccionalmente al cruzarlos con velocidades de solidificacin representados por una rangocompleto de varios procesos de fundicin. La fig. 2.4 muestra el mejoramiento de las propiedadesmecnicas alcanzadas por el cambio en la formacin de dendritas controlados por la velocidad desolidificacin.

En piezas de ingeniera superiores y en muchas otras aplicaciones de fundicin, cuidadosaatencin es dada para obtener velocidades de solidificacin que corresponda al desarrollo depropiedades mecnicas ptimas. La velocidad de solidificacin afecta ms que el tamao de ladendrita pero la medicin del tamao de la dendrita se est convirtiendo importante de maneracreciente.

Estructura de grano. Grano fino y equidistante es normalmente deseado en la fundicin. El tipo ytamao de grano son determinados por la composicin de la aleacin, velocidad de solidificacin yla adicin de aleaciones maestras (refinadoras de grano), contenido de partculas en faseintermetlica, proveen sitios de nucleacin de grano heterognea.

Efectos del refinamiento de Grano. Un tamao de grano fino promueve mejora de la fundicin,

minimizando la contraccin, agrietamiento y porosidad por hidrgeno. Las ventajas de unrefinamiento de grano efectivo son: Caractersticas de llenado mejoradas. Resistencia a las ralladuras mejorada. Mejora en las propiedades mecnicas. Mejora la respuesta al tratamiento trmico. Apariencia mejorada despus de acabados qumicos, electroqumicos y mecnicos.


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Figura 2.4 Propiedades de tensin vs. tamao de clula dendrtica

Bajo condiciones normales de solidificacin, a travs del rango completo de procesos de fundicincomerciales, las aleaciones de aluminio sin refinadores de grano exhiben secciones de columnagruesas y estructuras gruesas a la misma distancia del eje. La estructura de grano de columnagrande es menos resistente a la fractura durante la solidificacin y la post-solidificacin que laestructura de grano bien refinado de la misma aleacin. Esto es debido a la reduccin de laresistencia a las fuerzas de tensin a temperaturas elevadas podran esperarse como resultado delincremento de sensitividad a la formacin de lmites de grano en estructura con grano grande.Una estructura con grano fino tambin minimiza los efectos de fundicin y propiedades asociadascon el tamao y distribucin de lo intermetlicos que ocurren. Partculas intermetlicas grandes einsolubles que estn presentes o se forman en rangos de temperatura entre lquido y slidoreducen la capacidad de llenado. Un tamao de grano ms fino, promueve la formacin departculas intermetlicas ms finas y mejor distribuidas con las correspondientes mejoras en lascaractersticas de llenado. Debido a que la mayora de estas fases ms frgiles se precipitan tardeen el proceso de solidificacin, su formacin preferencial y los lmites de los granos tambinafectan profundamente la resistencia a la ralladura y las propiedades mecnicas. Reduciendo elefecto de la magnitud del grano a travs del refinamiento, las tendencias de fracturas en calienteen algunas soluciones slidas predominantes en la aleacin pueden ser sustancialmentereducidas.Si existe porosidad en piezas con grano fino, esta se presenta en tamaos pequeos y discretos.El tamao de espacios vacos interdendrticos por contraccin es directamente influenciado por el


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tamao de grano. Los efectos previamente mencionados de refinamiento estructural encaractersticas de llenado minimizan la formacin potencial de cavidades por contraccin y cuandose presenta porosidad por hidrgeno, poros de tamao mayor con ms impacto daino de laspropiedades pueden experimentarse en piezas con grano grueso con mayor facilidad que enpiezas con grano fino.La distribucin ms fina de intermetlicos solubles a travs de fundicin con grano refinado dancomo resultado una respuesta ms rpida y ms completa a tratamiento trmico.

Granos grandes frecuentemente enfatizan diferentes reflexiones basadas en la orientacincristalina aleatoria resultando en apariencia piel de naranja o de lentejuela despus de acabadosqumicos, anodizado o maquinado. Desgarros tambin llegan a ser ms pronunciados en elmaquinado de composiciones de grano grueso.

Refinamiento de Grano. Todas las aleaciones de aluminio pueden hacerse para solidificar conestructura de grano fino equidistante a travs del uso de la adicin de refinadores de grano que seajusten a la aleacin. El refinador de grano ms ampliamente usado son aleaciones maestras detitanio o de titanio y boro en aluminio. Refinadores aluminio-titanio generalmente contienen de 3 a10% de Ti. El mismo rango de concentraciones de titanio es usado en refinadores Al-Ti-B concontenidos de boro de 0.2 a 1% y el rango de titanio a boro de 5 a 50. Sin embargo, los refinadoresde grano de este tipo pueden ser considerados endurecedores convencionales o aleaciones

maestras, se diferencia aleaciones maestras agregadas a la aleacin de lo que es el aleanteagregado a una aleacin. Para ser efectivos, los refinadores de grano deben ser introducidos demanera controlada, predictiva y en cantidades de operacin de aluminiuros y boruros en la formacorrecta, tamao y distribucin de la nucleacin de grano. Refinadores labrados en forma de barra,desarrollados para el tratamiento continuo de aluminio en operaciones primarias, est disponibleen longitudes esquiladas para uso en fundicin. Las mismas composiciones de refinadores sonsuministrados en forma de galleta. Adems de las aleaciones maestras para refinar, existen salesusualmente en forma compacta que reaccionan con aluminio fundido para formar combinacionesde TiAl3 and TiB2.

Mecanismos de refinamiento de Grano . A pesar del gran progreso en entender lo fundamental enrefinamiento de grano, no existen teoras o mecanismos universalmente aceptados que satisfagan

la experiencia en laboratorio e industrial. Es conocido que el TiAl3 es una fase activa en lanucleacin de cristales de aluminio, aparentemente por las similitudes en el espacio de malladocristalogrfico. La nucleacin puede ocurrir en estratos de TiAl3 que estn sin disolverse oprecipitados con concentraciones de titanio suficientemente altas por reaccin peritctica. Elrefinamiento de grano puede ser logrado a concentraciones mucho ms bajas que aquellospredichos binarios Al-Ti con punto peritctico de 0.15%. Por esta razn, otras teoras, como la co-nucleacin de aluminiuro por TiB2 o carburos y otros efectos en la reaccin peritctica, se presumetienen influencia.Ultimas investigaciones tambin sugieren el role activo de boruros ms complejos del tipo Ti-Al-Ben la nucleacin de grano.La adicin de titanio en la forma de aleacin maestra a las composiciones de aluminio de fundicinnormalmente da como resultado una estructura de grano ms fina y de mejor distribucin. El

periodo de efectividad que sigue a la adicin del refinador de grano y la potencia de la accin derefinador de grano son realzados por la presencia de TiB 2. En pruebas de algunas composiciones,notablemente en aquellas de la familia aluminio-silicio, boruros de aluminio y boruros de titanio enausencia de titanio excesivo se han encontrado de proveer un refinamiento de grano efectivo. Sinembargo, el requerimiento de un exceso de titanio comprado con el balance estequiomtrico con elboro en TiB2 es comnmente aceptado para ptimos resultados de refinamiento de grano y titanioo aleaciones maestras de alto titanio-boro son usados casi exclusivamente para control de tamaode grano.El rol de los boruros en realzar la efectividad del refinamiento de grano y extender su duracin tilson observadas tanto en aleaciones para fundicin como para piezas labradas formando la base


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para su uso. Sin embargo, cuando el boruro est presente en forma de partculas largas yaglomeradas, estos toman el carcter de inclusin altamente objetable con daos especialmenteen el maquinado de las piezas. La aglomeracin de partculas es encontrada en aleacionesmaestras de calidad pobre o puede ocurrir como resultado de periodos largos y quietos demantener el aluminio en espera en los hornos de mantenimiento. Por esta ltima razn, esesencial que los hornos de mantenimiento sean rutinariamente limpiados cuando aleacionesmaestras de boro son usadas.

El objetivo en cada caso en las que las aleaciones maestras u otro refinador de grano seadicionan al metal fundido es el liberar partculas componentes capaces de la formacin denucleacin de grano y asegurar que es uniforme, fino, y estructura de grano distribuida. Laseleccin de un refinador de grano adecuado, las practicas de adicin de refinador y las practicasde mantener y vaciado de aluminio siguiendo la adicin del refinador de grano son usualmentedesarrollados por el fundidor despus de haber considerado los requerimientos del producto y delproceso y despus de la revisin de las caractersticas de desempeo del refinador de granosuministrado por el proveedor. Sin embargo, los refinadores de grano del tipo 5Ti-1B y 5Ti-0.6B,los cuales estn caracterizados por la pureza, fina y distribucin uniforme de las fases dealuminiuro y boruro cuando son adicionados a la fundicin a 0.01 a 0.03% Ti, se debe esperar queprovea un refinamiento de grano en la mayora de las condiciones.

Pruebas de tamao de grano. Varias pruebas han sido ideadas a muestras de aluminio fundidocon el propsito de determinar la efectividad del refinamiento de grano. Estas pruebas contemplanprincipios de solidificacin controlada para asegurar la determinacin del tamao de grano exacto,significativo y reproducible siguiendo el pulido y el ataque. Para muchas fundiciones, una pruebatil y estandarizada puede utilizar un molde de arena seca o un diseo fijo o probetas de rutina,tales como aquellas vaciadas en solidificacin al vaco o por pruebas de propiedades mecnicas.El tamao de grano obtenido en estructuras de fundicin, seccionando la pieza fundida, pulindolay atacndola es tambin determinado bajo magnificacin. Las determinaciones son usualmentecomparativas y juzgadas, pero la medicin y cuantificacin del tamao de grano por mtodo deintercepcin tambin es practicada. Mtodos de anlisis trmico y de conductividad elctrica estnen desarrollo para pruebas no destructivas y de prediccin de tamao de grano.

2.1.3 Modificacin y refinamiento de aleaciones aluminio-silicio Aleaciones hipereutcticas aluminio-silicio pueden ser mejoradas induciendo modificacinestructural al eutctico que normalmente ocurre. En general, los mayores beneficios sonalcanzados en aleaciones que contienen 5% Si a la concentracin de eutctico; este rango incluyela mayora de las composiciones para fundicin por gravedad.

Modificadores qumicos. La adicin de ciertos elementos tales como calcio, sodio, estroncio yantimonio a aleaciones hipereutcticas aluminio-silicio resultan en una red laminar fina o eutcticafibrosa. Es tambin comprendido que el incremento en la velocidad de solidificacin son tambintiles para obtener estructuras similares. Sin embargo, no hay acuerdo entre los mecanismosinvolucrados. Las explicaciones ms populares sugieren que la adicin de modificadores suprime

el crecimiento de cristales de silicio dentro del eutctico, proveyendo una distribucin ms fina delaminillas relativas al crecimiento del eutctico. Algunos grados de modificacin del eutctico sonmostrados en la figura 2.5. Los resultados de modificacin por estroncio, sodio y calcio son similares. El sodio ha mostradoser el modificador superior, seguido por el estroncio y calcio respectivamente. Cada uno de estoselementos es mutuamente compatible por lo que las combinaciones de adicin de modificacinpueden ser hechas sin efectos adversos. La modificacin eutctica es, sin embargo, transitoriacuando es promovida artificialmente por la adicin de estos elementos. La efectividad relativa devarios modificadores es una funcin de tiempo y temperatura.


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El antimonio ha sido abogado para alcanzar la modificacin estructural. En este caso, la estructuramodificada difiere, un eutctico ms acicular refinado es obtenido comparado a la estructurauniforme afiligranada dispersa de sodio, calcio o estroncio del metal. Como resultado, las mejoraspara la fundicin y las propiedades mecnicas ofrecidas por este grupo de elementos no soncompletamente alcanzadas. El refinamiento estructural es obtenido y es independiente del tiempocuando dos condiciones son satisfechas. Primero, el metal a ser tratado debe estar esencialmentelibre de fsforo y segundo la velocidad de solidificacin al frente debe exceder un valor mnimo

aproximadamente igual al obtenido en un proceso de fundicin convencional del moldepermanente.

Figura 2.5 Sodio y estroncio como modificadores

El antimonio no es compatible con otros elementos modificadores. En casos en los cuales elantimonio y otros modificadores estn presentes, contenidos gruesos de antimonio intermetlicosson formados que imposibilitan el logro de una modificacin de estructura efectiva y afectaadversamente los resultados de fundicin.La adicin de modificadores es usualmente acompaados por un incremento de contenido dehidrgeno. En el caso de sodio y calcio, las reacciones son invariablemente turbulentas o estnacompaadas por reacciones de componentes que por su naturaleza incrementan los niveles dehidrgeno disuelto. En el caso del estroncio, las aleaciones maestras pueden estar contaminadasaltamente con hidrgeno y existen numerosas indicaciones que la solubilidad del hidrgeno seincrementa despus de alearse.Para modificadores de sodio, calcio y estroncio, la remocin de hidrgeno a travs de gasesreactivos da como resultado tambin del elemento modificador. Practicas recomendadas para

obtener modificacin a travs de la adicin de elementos modificadores agregados a aleacionesbien procesadas, seguida de flujo de gases inertes a niveles aceptable de hidrgeno. Estasdesventajas no acompaan el uso del antimonio.Sodio y calcio pueden ser agregados al aluminio fundido en forma metlica o de sales. Sodiometlico preempacado al vaco es comnmente usado. El estroncio est actualmente disponibleen muchas formas, incluyendo aleaciones maestras aluminio-estroncio con rangos aproximados de10 a 90% Sr y aleaciones maestras Al-Si-Sr con contenido variable de estroncio.Concentraciones muy bajas de sodio de 0.001% son requeridos para una modificacin efectiva.Ms tpicamente, las adiciones son hechas para obtener un contenido de sodio en la fundicin de


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0.005 a 0.015%. Remodificacin es desarrollada como sea requerida para mantener el nivel demodificacin deseada.Un rango mucho ms amplio de concentraciones de estroncio est en uso. En general, rangos deadicin mayores que los requeridos para modificacin efectiva de sodio. Un rango de 0.015 a0.050% es una prctica estn

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TESIS ALUMINIO FUNDICION