fundiciones esferoidales de espesores delgados

CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002
FUNDICIONES ESFEROIDALES DE ESPESORES DELGADOS – AVANCES
EN LA TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN
Diego Novelli; Juan M. Massone; Roberto E. Boeri y Jorge Sikora.
División Metalurgia INTEMA
Universidad Nacional de Mar del Plata – CONICET
e-mail: massonej@fi.mdp.edu.ar
RESUMEN
El desarrollo de la tecnología de producción de piezas de Fundición Esferoidal (FE)
delgados abre una importante alternativa a la hora de ampliar el campo de aplicación de
permitiendo la competencia con aleaciones más livianas. Por tratarse
de piezas con
superficie – volumen debe tenerse especial cuidado en el diseño de modelos y moldes,
necesidad de establecer criterios específicos para este tipo de piezas.
de espesores
este material,
alta relación
surgiendo la
Se reportan los avances logrados en la fabricación de placas de FE con espesores comprendidos entre 1.5
y 4 mm de espesor realizados en la División Metalurgia del INTEMA, referidos al control de la
composición química y particularmente al diseño de moldes. Se evaluaron comparativamente un diseño
de disposición horizontal y uno de disposición vertical. El diseño de disposición horizontal se realizó en
base a criterios empíricos, mientras que el diseño vertical se llevó a cabo empleando el programa de
calculo de flujo del metal líquido y de solidificación Novaflow® del cual la División Metalurgia del
INTEMA posee licencia de uso académico.
El molde de disposición vertical posibilitó la obtención de piezas sanas en todos los espesores, merced a
un llenado sin turbulencias y sin interrupciones.
Palabras claves : Fundiciones nodulares, espesores delgados, diseño de moldes, producción.
1.
INTRODUCCION
El desarrollo de fundiciones esferoidales de
pequeños espesores continua siendo en la
actualidad un importante tema de estudio en el
campo de la metalurgia de las fundiciones de
hierro. La constante demanda para la reducción del
peso de los componentes, especialmente aquellos
destinados a la industria automotriz, persigue la
finalidad de economizar combustible y reducir las
emisiones de dióxido de carbono. Recientemente
se ha comenzado a prestar especial atención al
desarrollo de tecnologías adecuadas para el
desarrollo de piezas de fundición esferoidal de
espesores delgados, en reemplazo de aleaciones
tradicionalmente livianas de mayor costo de
producción.
Existen dos razones por las cuales los
componentes fundidos son más grandes y pesados
que lo estrictamente necesario de acuerdo a las
solicitaciones mecánicas. Por un lado las piezas de
fundición necesitan un mínimo de espesor para
mantener la integridad estructural, y por otro las
tecnologías de moldeo son a menudo inadecuadas
para producir piezas coladas de buena calidad [1].
Las piezas de fundición de grafito esferoidal
pueden ser producidas fácilmente empleando
técnicas
convencionales,
sin
embargo
la
producción de piezas de pequeño espesor genera
problemas metalúrgicos, tales como formación de
carburos
y
microporosidad,
que
afectan
adversamente las propiedades mecánicas y la
maquinabilidad [2], y también inconvenientes en el
moldeo. El problema de la formación de carburos
puede ser solucionado con adecuados controles del
metal líquido y eventuales tratamientos térmicos
[3]. Los problemas de moldeo, en cambio, son aún
un tema por
resolver, ya que los criterios de
diseño habitualmente empleados para espesores
convencionales, no son directamente aplicables en
este caso. La fabricación de piezas de espesor
delgado hace particularmente crítica la producción
de partes libres de defectos e inclusiones, para lo
cuál resulta fundamental efectuar un correcto
diseño de molde, que asegure un llenado sin
turbulencias y una adecuada alimentación de la
pieza.
En el presente trabajo se presentan los avances
logrados en el diseño de moldes aptos para colar
piezas de espesores delgados (menores a 5mm),
mostrándose los resultados de la evaluación de un
molde de disposición horizontal, presentado en las
Jornadas Sam 2001 y otro de disposición vertical,
recientemente diseñado. Para el proyecto del
molde vertical se realizaron simulaciones térmicas
y de flujo de fluido, usando el software
Novaflow® del cual la Div. Metalurgia posee
licencia de uso académico.
2.
EMPLEO DE MOLDE HORIZONTAL
Utilizando el molde mostrado en la Figura 1,
descrito anteriormente [4], se realizaron coladas
con
el
objetivo
de
optimizar
variables
metalúrgicas. El llenado de los moldes fue
simulado usando el software Novaflow®, el cual
no estaba
disponible en la Div. Metalurgia al
momento de haberse realizado el diseño.
realizadas para la optimización del contenido de
magnesio y la cantidad de FeSiMg agregado en
cada caso.
Composición química
Colada
C
Si
Mn
S
P
Mg
%FeSiMg
A
3.6
3.1
0.2
0.01
0.06
0.051
2
B
3.7
3.1
0.3
0.01
0.03
0.058
2
C
3.8
3.1
0.3
0.02
0.06
0.058
1.5
D
3.7
2.9
0.3
0.02
0.05
0.045
1.2
Tabla 1: Composición química de las coladas
realizadas con el molde horizontal
Además del ajuste en la cantidad de FeSiMg
agregado, se modificó el método de tratamiento de
nodulización. En las coladas A y B se colocó el
nodulizante y el inoculante en el bolsillo de la
misma cuchara, en cambio, en las coladas C y D se
pasó a un tratamiento en dos etapas. En una primer
cuchara se colocó el nodulizante cubierto por
chatarra de acero y luego de producirse la reacción
se traspasó a una segunda cuchara inoculando con
Fe-Si en el chorro de metal líquido.
Utilizando las piezas coladas se mecanizaron
probetas de tracción de acuerdo al esquema
mostrado en la Figura 2.
Figura 1: Esquema del molde horizontal
Los primeros trabajos se dirigieron a la
optimización del tratamiento de nodulización,
procurando determinar la cantidad óptima de Mg. a
incorporar en el tratamiento. La cantidad de Mg
incorporada depende primariamente del método y
tipo de nodulizante empleados, y de la cantidad del
mismo agregada. El contenido de Mg en el
nodulizante
debe
limitarse,
ya
que
altas
concentraciones de Mg resultan en elevada
reactividad, produciendo una marcada agitación
del baño líquido, que causa la aglomeración de los
productos de reacción (por ejemplo Ó xidos y
sulfuros) generando grandes cantidades de escoria
y disminuyendo el número de sitios probables para
la nucleación del grafito. Por este motivo se optó
por el empleo de un nodulizante comercial que
posee un contenido relativamente bajo de Mg,
igual a 6%. Posteriormente se realizó un análisis
de la cantidad de inoculante a adicionar.
Típicamente, el tenor de Mg necesario para
obtener estructuras de alta nodularidad es menor
en el caso de FE de espesor delgado [5]. La Tabla
1 lista la composición química de las coladas
Figura 2: Esquema del mecanizado de las
probetas de tracción a partir de las placas coladas
La Figura 3 muestra los resultados de los ensayos
de tracción realizados sobre probetas mecanizadas
a partir de las piezas coladas usando el molde
horizontal.
Las
propiedades
mecánicas,
particularmente el alargamiento a la rotura, se
incrementan a medida que disminuye la cantidad
de nodulizante agregado. La misma tendencia se
observa con la modificación del tratamiento de
nodulización,
verificándose
un
marcado
incremento al pasar del tratamiento en una etapa al
de dos etapas. Este comportamiento es claro para
las placas de 4, 3 y 2mm de espesor, mientras que
la placa de 1.5mm de espesor presenta resultados
dispersos y con valores muy por debajo de las
demás
La simulación del llenado del molde horizontal
muestra que el metal, al entrar a la zona mas fina
40
35
30
25
20
15
10
5
0
500
450
400
350
300
250
200
150
100
1
1,5 2
2,5 3
3,5 4 4,5
Espesor [mm]
ColadaA
ColadaB
ColadaC
ColadaD
Figura 3: Resultados de los ensayos de tracción
hechos en probetas extraídas del molde horizontal
de la pieza más delgada (1.5mm), rompe su frente
de avance, observándose un llenado irregular y
descontrolado . El frente de avance fragmentado
hace que la superficie libre del metal, que presenta
películas de óxidos, se incorpore a la pieza
generando defectos internos. La Figura 4 muestra
una simulac ión del avance del llenado del molde,
para un 88.9% de volumen lleno. Se observa que
en el ángulo inferior izquierdo, en la pieza más
delgada, existe un canal de líquido, cuyo avance
deja superficies libres, las que luego de llenarse
completamente la pieza quedarán dentro de la zona
más delgada.
El diseño del molde vertical se realizó siguiendo
criterios propuestos por Campbell [6, 7, 8] y se
verificó por medio de simulaciones del llenado y la
solidificación,
empleando
software
específico.
Según Campbell, el llenado de una placa es más
eficiente cuando la placa se dispone verticalmente,
debiendo procurarse que el metal ingrese en el
molde en el sentido contrario a la aceleración de la
gravedad.
Empleando
una
configuración
vertical,
acompañada de un canal de alimentación también
vertical a lo largo de toda la placa, el llenado
puede producirse lentamente sin que deba
satisfacerse
el
habitual
requerimiento
de
producirse en un tiempo inferior al de
solidificación,
pudiéndose
así
disminuir
la
velocidad de llenado en busca de un proceso no
turbulento. La disposición vertical permite evitar la
formación de canales de líquido fluyendo dentro
de la cavidad del molde atravesando porciones
solidificadas, y prevenir la formación de frentes
múltiples o discontinuos, que pueden atrapar
inclusiones en el seno de la pieza.
Al poder disminuir la velocidad de llenado se
llegará a un caso límite, en el cual el líquido se
suministra justo por encima del frente de
solidificación, precisamente a la velocidad con la
cual avanza ese frente. De esta forma, la
alimentación del metal al molde se lleva a cabo en
forma controlada, desarrollándose un frente líquido
estable y disponiéndose en todo momento de metal
líquido para compensar contracciones sufridas por
el sólido en el proceso de solidificación. La Figura
5 muestra el caso crítico, cuando la velocidad de
ascenso del líquido iguala a la velocidad de avance
del frente de solidificación.
Figura 4: Foto de la simulación del llenado del
molde horizontal para un 88.9% del volumen lleno
Esta forma de llenado defectuosa puede ser la
causa de los bajos valores del alargamiento a la
rotura y su gran dispersión. En consecuencia,
puede concluirse que los criterios empíricos usados
para el diseño de éste molde, si bien son
recomendados para colada de piezas de secciones
convencionales, son inadecuados para el diseño de
piezas de pequeños espesores
3.
DISEÑO DE MOLDE VERTICAL
R: Velocidad de avance del frente de
solidificación
V: Velocidad de ascenso del líquido
Figura 5: Esquema representativo del caso
límite en la alimentación de una placa vertical
según Campbell
Los criterios de diseño de molde para fundiciones
esferoidales difieren marcadamente según el autor.
Habitualmente
el
dimensionamiento
de
las
distintas partes que componen el molde se basa en
experiencias previas, usándose en la mayoría de
La definición del valor de velocidad máxima
admisible se basó en la propuesta de Campbell [6] ,
basada en el número de Weber (We), siendo:
We =
v2ρ
γ
r
permitiendo que las burbujas y la escoria floten y
se separen del metal antes de ingresar al bebedero.
Zona de incidencia
del metal vertido
desde la cuchara
Comunicación
con el bebedero
los casos relaciones empíricas. Distintos autores
[9, 10] discrepan en las relaciones de área (área del
estrechamiento/ área del canal de colada/ área de
los alimentadores) necesarias para un correcto
diseño. Frente a esta ambigüedad de criterios
resulta
recomendable
basar
el
diseño
en
simulaciones numéricas del flujo de fluido y
solidificación. Esta metodología permite estimar la
velocidad de llenado en cada punto del sistema de
colada y de la pieza, ajustando las dimensiones
hasta
satisfacer
requerimientos
específicos,
buscando la mínima velocidad de fluido para evitar
turbulencias e inestabilidades en el frente del
líquido, sin recurrir a reglas empíricas.
Figura 6: Esquema del vaso de colada
En la Figura 7 se observa un dibujo del modelo
vertical diseñado con las dimensiones finales
donde:
v = velocidad del fluido [m/s]
ρ = densidad del fluido [kg/m3]
γ = tensión superficial [N/m]
r = radio de curvatura en la superficie del líquido
[m]
Para el caso de fundiciones esferoidales
ρ = 7800 kg/m3
γ = 2 N/m
r = 0.5 x espesor
El número de Weber relaciona las fuerzas
inerciales del fluido y las debidas a la tensión
superficial.
En base a experimentos realizados en aluminio [8] ,
se determinó que la rotura del frente líquido se
produce para números de Weber superiores a 4.5.
A partir de éste valor es posible calcular, para
fundiciones esferoidales, la máxima velocidad
admisible dentro de la pieza. Los resultados se
muestran en la Tabla 2 para espesores de placa de
2 y 3 mm
Espesor, mm.
2
3
Velocidad, m/seg
1.07
0.87
Tabla 2:Velocidades máximas admisibles para
placas de 2 y 3 mm de espesor
El molde finalmente diseñado posee dos filtros de
carburo de silicio espumado de 50x50x10 mm y 10
ppi, dispuestos dentro de sendas cámaras que
permiten usar como área de filtrado el área total de
cada filtro. Este diseño es el mismo que el
empleado en el molde horizontal y respeta las
recomendaciones de la bibliografía [11, 12].
El vaso de colada se diseñó como se muestra en la
Figura 6. El metal se vierte en el extremo ciego
con el fin de arrestar la caída del chorro
Figura 7: Dibujo del molde vertical para colar
placas delgadas
Para realizar el dimensionamiento del molde
vertical, se realizaron sucesivas simulaciones del
flujo de fluido, modificando el área del
estrechamiento en la base del bebedero, para
controlar la velocidad de llenado, la sección y la
forma de los alimentadores para desplazar la zona
de contracción lejos de las placas, y para lograr un
llenado uniforme.
En la Figura 8a se muestra la simulación del
llenado, interrumpida en un 46% del total del
volumen de la pieza, donde se ve que debido al
ángulo negativo que se le dio a la base del
bebedero, el metal sale del mismo una vez que está
totalmente lleno, sin producirse proyecciones de
metal, debido a la alta velocidad que toma en este
punto, como sucede cuando dicha base se diseña
con lados perpendiculares a la base. En esta
imagen también es posible observar el efecto de
barrera que producen los filtros a cada lado de la
base del bebedero, reduciendo marcadamente la
velocidad del líquido en el canal de colada.
Siguiendo con la secuencia de llenado, la Figura
8b muestra como llega el metal al final del canal
de colada, depositándose en las cavidades
diseñadas para que este primer metal que
a
b
de éste punto que debe comenzarse, conforme al
criterio de diseño elegido, con el seguimiento de la
velocidad de avance del metal, cuidando de no
superar en ningún momento los valores sugeridos
anteriormente. En ambos casos los alimentadores
están ubicados en la parte superior del canal de
colada para que el metal entre a la pieza después
de haber llenado el bebedero y todo el canal de
colada. En la imagen d puede verse como se
desarrolla un perfil de llenado semejante al
sugerido por Campbell, con el metal alcanzando el
lado opuesto de la placa donde se diseñó un canal,
semejante al usado para alimentación, con la
finalidad de desplazar posibles cavidades de
contracción lejos de la zona de interés. La imagen
e muestra un avance estable del frente líquido, con
velocidades inferiores a las máximas sugeridas.
Utilizando el modelo diseñado se realizaron dos
coladas. La Figura 9 muestra una foto de la pieza
colada.
Las
propiedades
mecánicas
y
microestructuras de dichas coladas se encuentra
aún en proceso de caracterización. En ambas
coladas el llenado fue completo obteniéndose
placas sanas, con muy buena terminación
superficial.
c
d
Figura 9: Fotografía de la pieza colada usando el
molde vertical
4.
e
Figura 8: Simulaciones del fluido dentro del
molde vertical para distintos porcentajes de
llenado. a) 46.47%, b)69,58%, c)82.05%,
d)84,50%, e) 95.88%
generalmente arrastra impurezas y está a menor
temperatura no entre a la pieza. En la imagen c el
metal
comienza
a
llenar
las
piezas,
simultáneamente, ascendiendo por el canal vertical
que actúa también como alimentador. Es a partir
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos en la evaluación del
molde horizontal indican que los criterios
empíricos empleados para moldes convencionales,
no puede ser trasladado directamente al diseño de
moldes específicos para piezas de espesores
delgados. Las simulaciones del flujo de fluido
permitieron observar un llenado no conveniente
para la pieza más delgada (1,5mm) notándose un
frente de avance discontinuo con canales de
líquido aislados.
El uso de las simulaciones matemáticas del llenado
de molde, conjuntamente con criterios de diseños
basados en el número de Weber surgen como una
alternativa muy conveniente a la hora de diseñar
éste tipo de moldes-
La disposición vertical de las placas, sugerida por
Campbell, permitió obtener llenados controlados,
con frentes de líquido estables y uniformes, con
avances a velocidades inferiores a las máximas
sugeridas.
5
REFERENCIAS
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