El proceso de contracción en piezas fundidas. Formas de evitarlo

Obtención de piezas fundidas en molde de arena

En la fabricación de una pieza fundida utilizando el método del moldeo en arena intervienen un grupo grande de procesos, la elaboración de las plantillas, selección de las mezclas, fusión del metal, entre otros y del acabado final. Uno de los más importantes es el diseño por parte de los especialistas de la tecnología de fundición, documento donde se plasman todos los detalles necesarios para la obtención de una pieza con calidad [1].

En la figura 1.1 se puede apreciar la distribución de las diferentes etapas dentro de la cadena productiva.

Figura 1.1: Flujo de producción de una pieza fundida en molde de arena

Fuente: Suárez Lisca, L.H.; Coello Machado N. I. Incidencia de la simulación en la disminución del consumo de materias primas en la industria de la fundición. MAS XXI 2013. [1]

Conocer cuál es el subproceso o la variable que más afecta la calidad del producto final es algo realmente difícil y engorroso porque casi todas las variables se encuentran interrelacionadas entre sí. Definitivamente los procesos que ocurren en el interior del molde durante el llenado y la solidificación son los que más han preocupado a investigadores. La gran cantidad de procesos físicos y termodinámicos que se producen a la vez son difíciles de controlar y observar. Como resultado de ellos se originan una gran cantidad de defectos a nivel micro y macro en la estructura de la pieza. Uno de los fenómenos que más incide en lo anterior es la contracción volumétrica del metal.

La contracción como fenómeno físico asociado a la aparición de defectos

Las cavidades de rechupe son cavidades presentes en el interior y el exterior de la pieza obtenida por fundición, ocasionadas por una falta de alimentación de metal líquido que compensa la contracción volumétrica que se produce durante el enfriamiento y la solidificación, se muestra en la figura 1.2. Según Echavarría [2], suelen originarse al quedar confinada una masa de metal fundido en el interior de la pieza ya superficialmente solidificada.

Figura 1.2: Intervalo donde ocurre la contracción del metal

Fuente: Quintero Sayago, O., Evaluación microestructural de solidificación usando perfiles numéricos T vs t. RLMM, 2009. 1(2): p. 743-750. [3]

Para evitar este defecto, el diseñador metalúrgico debe proveer de una cantidad extra de metal contenida en apéndices conocidos como mazarotas; cuyo objetivo es el de proveer a la pieza con metal líquido durante la solidificación, como se puede observar en las figuras 1.3 y 1.4.

Figura 1.3: Cavidades originadas por la contracción en el interior y exterior de las piezas

Fuente: Quintero Sayago, O. Evaluación microestructural de solidificación usando perfiles numéricos T vs t. in X Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales Iberomet. 2008. [4]

Figura 1.4: Solución en la alimentación para evitar el rechupe

Fuente: Quintero Sayago, O., Evaluación microestructural de solidificación usando perfiles numéricos T vs t. RLMM, 2009. 1(2): p. 743-750. [3]

La figura 1.5 esquematiza una representación simplificada de las diferentes manifestaciones del rechupe en piezas fundidas sin mazarota, para acero, hierro gris, hierros maleable y nodular, y materiales no ferrosos [5]. En un extremo, el acero, con cavidades claramente visibles corresponde a un material de relativa baja conductividad térmica que ha sido vertido desde muy altas temperaturas. Normalmente a distancias de pocos centímetros de la cavidad de rechupe se puede apreciar que no existe ninguna manifestación de microrechupes [6].

Figura 1.5: Distintas formas en que ocurren los rechupes o cavidades de contracción en función del metal que se está trabajando

Fuente: Quintero Sayago, O. Evaluación microestructural de solidificación usando perfiles numéricos T vs t. in X Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales Iberomet. 2008. [4]

Siempre que se tienen piezas con geometrías complicadas se necesitan múltiples mazarotas; éstas aumentan tanto la cantidad de material como los costos de producción; en consecuencia, se debe limitar su cantidad y volumen cuanto sea posible. Las mazarotas sólo son efectivas en áreas limitadas y no siempre es posible alcanzar la alimentación de las partes más alejadas o con mayor espesor si no se realiza un correcto diseño del moldeo de la pieza.

Otro defectos presente originado también por un mal diseño del proceso metalúrgico es las grietas en caliente, las cuales son rupturas por desgarramiento que presenta la pieza fundida, producto de la creación interna de esfuerzos y deformaciones durante la solidificación. Su localización siempre está en lugares donde por debilidad en el diseño metalúrgico, existen puntos calientes (hot spots), como se esquematiza en la figura 1.6.

Figura 1.6: Representación de la formación de grietas en piezas fundidas

Fuente: Quintero Sayago, O. Evaluación microestructural de solidificación usando perfiles numéricos T vs t. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, 2009. [3]

Entre las grietas conocidas están las grietas en frío o grietas de contracción, se originan a bajas temperaturas. Si el estado de esfuerzos acumulados en el interior de la pieza es mayor al esfuerzo de fluencia pero menor al de rotura, en la pieza se produce pandeo o warpage, que es el resultado de uno o más de los siguientes factores: condiciones de enfriamiento, inadecuado diseño metalúrgico y resistencia del molde.

En el caso de las porosidades generadas por la contracción del metal es posible obtener información previa sobre sus localizaciones preferenciales, puesto que estas irregularidades se originan en los llamados centros térmicos de las piezas o zonas de última solidificación. La realización de estudios previos de simulación permite seleccionar las zonas críticas, analizar el proceso de solidificación en ellas y llevar a cabo las modificaciones geométricas necesarias con el fin de minimizar la formación de este tipo de defectos en dichas zonas [7-9].

Proceso de solidificación y volumen de contracción. Mecanismos del fenómeno de la contracción

El proceso de solidificación en las aleaciones fundidas ocurre en tres etapas fundamentales [10]:

• a) Contracción del metal en estado líquido

Cuando la intensidad de enfriamiento es muy baja y el gradiente de temperatura en la sección transversal de la pieza fundida es pequeño, la contracción del metal en estado sólido reduce las complicaciones al mínimo, Sin embargo, con una alta intensidad de intercambio de calor, la temperatura en la sección transversal de la pieza fundida en el momento del tiempo de solidificación t3 de la completa solidificación es distribuida desigualmente [11]

La contracción con el cambio de estado o agregación

La solidificación o fusión del metal es acompañada por cambios considerables en el volumen. Cuando el metal solidifica, progresivamente el espesor de la capa crece hacia el interior de la superficie de la pieza fundida y es cuando la cavidad de contracción o "Rechupe" se forma en la pieza.

Existen un grupo de factores que de una forma u otra intervienen en el proceso de la contracción o son causas del mismo, entre ellos están: el cambio en el volumen con la transformación de fase, los modos de solidificación de las aleaciones, las cavidades provocadas por la contracción y el proceso de la solidificación dirigida.

Cambio en el volumen con la transformación de fase

Varias transformaciones en el metal sólido y a la temperatura de solidificación o por debajo de ella, son acompañadas por ciertos cambios en el volumen. Durante el enfriamiento del metal las transformaciones ocurren en una parte de la pieza y en otras no. La diferencia en volumen de las fases causa las llamadas tensiones de fase, las cuales pueden resultar en alabeos o a veces en grietas. La contracción, en las piezas fundidas, produce en las mismas, defectos como cavidades y porosidades de contracción o tensiones térmicas.

La ocurrencia de las cavidades de contracción está asociada con la solidificación dirigida o simultánea.

Criterios del modo de solidificación

La condición para la solidificación consecutiva del metal toma la forma:

Cavidades de contracción

La solidificación dirigida ocurre cuando la sección transversal más lejana de la pieza fundida solidifica primero, a continuación las partes más remotas, las zonas debajo de la contracción principal y finalmente la contracción principal.

Criterios de la solidificación dirigida natural

El criterio de la solidificación dirigida natural puede ser el ángulo Q de expansión del canal de alimentación. Esto también es posible por el uso de la razón de los espesores del canal en cierta sección transversal I a la distancia ?I entre esta sección y la sección transversal cercana, completamente sólida II, de la pieza fundida.

Se puede expresar esta situación mediante la expresión siguiente:

La magnitud de este criterio caracteriza el grado de realización de alimentación de la pieza fundida.

Cálculo de la cavidad de contracción

Las dimensiones y forma de la cavidad de contracción, están directamente asociadas, con la solidificación dirigida y la naturaleza de la solidificación del metal. Varios autores examinan la formación de la cavidad concentrada durante la solidificación progresiva y dan ejemplos de cálculo. Un rasgo distintivo de los cálculos es la aproximación estimada de la forma compleja de la pieza fundida [12, 13].

La porosidad producida por la contracción ocurre en la solidificación extensiva. Junto con el flujo normal del metal (en la etapa inicial del proceso) es necesario también conocer la filtración de la fase líquida a través de la malla de cristales que se forma.

El caso intermedio es el más complejo por teoría. Como una aproximación, el cálculo del defecto de contracción bajo las condiciones examinadas puede ser reducido a la determinación de la zona de cavidad de contracción y la zona de porosidad de contracción.

Sin embargo, la ecuación no tiene en cuenta la geometría de la zona de formación del rechupe, la forma de la pieza y otros aspectos térmicos como la razón de vertido y la temperatura de vertido con el sobrecalentamiento.

Mecanismos de alimentación para evitar la porosidad por contracción

A medida que el metal líquido va enfriando la presión interna puede caer lo suficiente como para llegar a ser negativa. Tales diferencias de presión negativas proporcionan la fuerza impulsora para la iniciación y el crecimiento de los defectos de volumen, la porosidad y el rechupe en piezas de fundición.

Hay cinco mecanismos de alimentación que conducen a la reducción de la tensión hidrostática y su presencia está bien marcada en el transcurso de la alimentación como se muestra en la figura 1.7, donde aparecen la alimentación en estado líquido, la alimentación de masa, la alimentación interdendrítica, la alimentación explosiva y la alimentación en estado sólido.

Figura 1.7: Mecanismos de alimentación durante el proceso de solidificación en piezas fundidas

Fuente: Campbell, J., Metal Casting Processes, Techniques and Design, Complete Casting Handbook, Elsevier. 2011. [15]

La complejidad matemática del modelo numérico para la predicción de la porosidad por contracción condujo a varios investigadores a desarrollar un modelo más simplificado que denominaron criterion functions [16] para predecir la región de la pieza más propensa a la formación de defectos. Esta función de criterios está compuesta por un grupo de reglas y condiciones empíricas y particulares, entre las que se incluyen la razón de enfriamiento, el gradiente térmico, la velocidad de solidificación, entre otros [9], como se puede apreciar depende completamente del material que se estudia [17, 18].

El criterio de Chvorinov, desarrollado para evitar los defectos de la contracción en las piezas fundidas, relacionaba la posibilidad de que la mazarota solidificara después que la pieza y que el tiempo de solidificación del conjunto estaba unido o basado en el módulo del mismo, siempre teniendo en cuenta el transporte de calor unidireccional a través de la interface molde-metal [19].

La principal limitante de este método está en que sólo puede ser utilizado como una aproximación del problema, porque no tiene en cuenta el factor de forma ni la posición de la mazarota en la pieza.

Figura 1.8: Localización de la porosidad basado en el gradiente térmico y el espesor de la placa.

Fuente: Campbell, J., Metal Casting Processes, Techniques and Design, Complete Casting Handbook, Elsevier. 2011. [15]

Para probar las limitaciones del método anterior, Hansen y Sahm, demostraron que el gradiente térmico crítico para evitar el rechupe en barras de acero es de 5 a 10 veces mayor que el requerido para placas. En el caso de piezas tipo ruedas, el gradiente térmico crítico depende del diámetro exterior, por tal motivo, el criterio anterior tiene como principal limitante que no puede ser utilizado para todas las geometrías por igual [22].

El criterio de Niyama elaborado, sobre la idea de Pellini, para la fundición de acero de bajo carbono, utilizó la ley de Darcy en coordenadas cilíndricas para relacionar la velocidad del fluido y la caída de presión en la zona pastosa. El modelo de Carman-Kozeny se utilizó para calcular la permeabilidad de la zona pastosa, se asumió que no existía fracción de gas (gp) y expresó la caída de presión en la zona pastosa como el inverso de

Existe mucha validación experimental del criterio de Niyama para demostrar su validez y aplicabilidad [24], donde su principal ventaja radica en que la razón de enfriamiento y el gradiente térmico son fáciles de determinar en la pieza, permitiendo su aplicación. Está ampliamente probada en aceros, pero tiene sus limitaciones, el valor crítico es dependiente de la aleación a utilizar y no proporciona ninguna información sobre los tamaños de la porosidad, su ubicación y sobre la nucleación y crecimiento de los poros.

Sigworth y Wang propusieron un modelo "geométrico" del proceso de solidificación, como se muestra en la Figura 1.9, que muestra esquemáticamente la sección transversal de una placa durante el proceso de solidificación. La zona oscura en el centro de la placa representa el líquido. Ellos determinaron el gradiente térmico crítico como una función del ángulo del canal de alimentación interno dentro de la pieza (?), requerido para evitar el micro-rechupe.

Figura 1.9: Representación esquemática del modelo geométrico de Sigworth y Wang

Fuente: Beckermann, C., Author"s reply to the Discussion of "Prediction of Shrinkage Pore Fraction using a Dimensionless Niyama Criterion". Metallurgical and Materials Transactions A, 2009. 40A: p. 3054-3055. [25]

Por su parte Hansen y Sahm propusieron su propio criterio, el cual indicaba que

Ellos propusieron este modelo teniendo en cuenta el hecho de que la velocidad del flujo en barras es de cinco a diez veces más que en placas del mismo espesor, resultando en una resistencia adicional en el momento de la alimentación en barras respecto a las placas. Sin embargo,, para las dos geometrías de acero, el valor crítico es 1 KS3/4mm-7/4 [26, 27]. En su contra tienen que este método es mucho menos utilizado que el criterio de Niyama por la necesidad de contar con las velocidades del fluido (VS y VL), mientras que con el de Niyama solamente se requiere la distribución de temperatura a través de la pieza.

Carlson y Beckermann, propusieron una modificación al criterio de Niyama, denominado Criterio de Niyama Adimensional (Ny *), tomando en consideración las condiciones térmicas locales, las propiedades de las aleaciones a elaborar, parámetros de solidificación y la presión crítica necesaria para la formación de poros [28].

Figura 1.10: Representación esquemática de la solidificación en la zona intermedia o pastosa con un gradiente de temperatura constante.

Fuente: Beckermann, C., Prediction of Shrinkage Pore Volume Fraction Using a Dimensionless Niyama Criterion. Metallurgical and materials transactions A, 2008. 40A: p. 163-175. [28]

Para calcular el Criterio de Niyama Adimensional, se utilizó la ecuación 1.14:

Este criterio presenta un grupo de ventajas entre las que se encuentran: no utilizar dimensiones, ser fácil de aplicar, considerar las condiciones térmicas locales, las propiedades de las aleaciones a elaborar y los parámetros de solidificación, además, obtener de forma directa la fracción de volumen de poros eliminando la necesidad de calcular un valor crítico de Niyama y poder ser calculado por cualquier software de simulación de la misma forma que el criterio original de Niyama (Ny) [29, 30]. Sin embargo Sigworth sostiene que el criterio de Niyama no debe ser utilizado como primera opción para predecir los rechupes, debido a que su formación está conducida por la razón de enfriamiento y la presencia de gases en el baño metálico [31]. Carlson y Beckermann defendieron su trabajo, contestando que su modelo predice la porosidad por contracción solamente y no la porosidad originada por gases. La principal limitante de este criterio se basa en que no tiene en cuenta el fenómeno de la nucleación y la formación de poros en la solidificación.

Por último, hay algo muy importante que destacar en el proceso de solidificación de las piezas, la formación de los puntos calientes o hot spots. Los puntos calientes son zonas donde converge la interface líquido-sólido, por tanto es un lugar extremadamente peligroso, según la mayoría de los autores antes mencionados, es donde la probabilidad de ocurrencia de defectos producidos por la contracción es mayor. También son puntos claves para la formación de centros de concentración de tensiones residuales, aspecto muy negativo para las propiedades mecánicas de la pieza. La principal solución, a la no ocurrencia de defectos en estos puntos calientes, es la utilización de mazarotas en el proceso de alimentación, teniendo en cuenta, un adecuado diseño geométrico (altura y diámetro) así como, una adecuada distancia de alimentación.

Determinación de los parámetros geométricos de las mazarotas

Muchos han sido los autores que han establecido métodos y teorías sobre la determinación de los parámetros geométricos de las mazarotas. Dentro de los principales autores se encuentra Caine [6], quien dio nombre a un método para determinar la forma y las dimensiones de las mazarotas. Su método está basado en la experimentación y puede ser aplicable a todos los metales y aleaciones; se fundamenta en los principios de la Regla de Chvorinov [32], que establece que el tiempo de solidificación de una pieza está gobernado por la relación (Volumen/Área)2, mediante el uso de la hipérbola siguiente:

Donde:

a es una constante característica de la solidificación

b es la contracción de solidificación líquido-sólido

c es la velocidad relativa de enfriamiento entre la mazarota y la pieza

x es la relación de solidificación, corresponde al tiempo relativo necesario para que se complete la solidificación

y es la relación volumétrica

Donde:

A es el área de la parte o de la mazarota

V es el volumen de la parte o de la mazarota

P representa la pieza

M representa la mazarota

La figura 1.11 refleja el uso de la ecuación anterior, para obtener zonas claves en el diseño de las mazarotas, zonas libres de defectos y zonas de piezas con defectos.

Figura 1.11: Gráfica resultante de la aplicación de la ecuación de Caine

Fuente: Beckermann, C., Prediction of Shrinkage Pore Volume Fraction Using a Dimensionless Niyama Criterion. Metallurgical and materials transactions A, 2008. 40A: p. 163-175. [28]

En la figura anterior se puede apreciar que la curva expresada por la ecuación 1.15, divide la gráfica en dos regiones, una sólida que corresponde a la pieza sana y otra donde la pieza presenta rechupe y por lo tanto no es aceptada. Esta figura puede interpretarse como, la curva indica que para un volumen dado de pieza, existe un tamaño mínimo requerido de mazarota; lo cual representa la cantidad de metal necesario para alimentar el rechupe de solidificación [33].

La figura 1.12 coteja los resultados experimentales con los dados por la curva hiperbólica para un conjunto de piezas manufacturadas en un determinado acero, que solidifica bajo condiciones específicas de enfriamiento, que siempre son las mismas. Cuando en una pieza se requieren múltiples mazarotas, la determinación del tamaño de ellas se basa en la relación AS/V de la porción de la pieza alimentada por esta mazarota. Si la pieza es de forma irregular, es de esperarse que las mazarotas sean de diferentes tamaños.

Figura 1.12: Curva que coteja los resultados experimentales de la figura 1. 14, para un conjunto de piezas manufacturadas en un determinado acero

Fuente: Quintero Sayago, O., Principios de la Tecnología de Fundición, Departamento Ciencia de los Materiales, 2004. [34]

El Naval Research Laboratory (NRL), desarrolló su método propio, aplicando el concepto de factor de forma, fue desarrollado para obtener el mínimo tamaño de mazarota cilíndrica capaz de alimentar piezas cuyas geometrías son cubos, barras, y placas manufacturadas en aceros.

Figura 1.13: Representación gráfica del concepto Factor de Forma analizado por el método NRL.

Fuente: Quintero Sayago, O., Principios de la Tecnología de Fundición, Departamento Ciencia de los Materiales, 2004. [34]

En forma gráfica se expresa en la figura 1.14 para una determinada relación (H/D), siendo H y D la altura y el diámetro de la mazarota, respectivamente.

Figura 1.14: Gráfica para la obtención del diámetro de la mazarota utilizada por el método NLR

Fuente: Quintero Sayago, O. Evaluación microestructural de solidificación usando perfiles numéricos T vs t. X Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales Iberomet. 2008 [4]

Figura 1.15: Gráfica para determinar diámetro de mazarotas en piezas de geometría complicada

Fuente: Quintero Sayago, O., Principios de la Tecnología de Fundición, Departamento Ciencia de los Materiales, 2004. [34]

Para piezas de geometría complicada se utiliza la figura 1.15, donde, cada sector de la pieza se ajusta con las figuras simples de placa y barra, una de ellas alimenta a la otra y la mazarota se coloca en la pieza alimentadora.

Otra modificación a la regla de Chvorinov fue desarrollada en [35], la misma fue extendida a consideraciones sistemáticas sobre materiales exotérmicos, rellenos, enfriadores, y otras ayudas para lograr una solidificación direccional. Este procedimiento consiste, fundamentalmente, en determinar el Módulo de Enfriamiento, M, dado por la relación, M = [Volumen / (Área Superficial de Extracción de Calor)].

La pieza se divide en tantas formas básicas como sean necesarias, a las cuales se les determina sus módulos de enfriamiento, teniendo cuidado de no considerar áreas comunes entre secciones donde no se extrae el calor.

Se parte del principio de que dos piezas con igual valor del módulo, solidifican en el mismo tiempo, independiente de la forma geométrica que ellas tengan.

Principalmente se basa en la forma geométrica de la pieza, se utiliza generalmente una relación de trabajo para las mazarotas 1 a 1, altura-diámetro, pero al no tener en cuenta la forma del nudo térmico que se origina, en el caso de la investigación que se realiza en eta tesis, nudos en T, puede fallar el análisis y tener que utilizar otras relaciones.

La ubicación de las mazarotas puede ser sobre la zona a ser alimentada y se les llama mazarotas superiores, figura 1.16a o pueden ser mazarotas laterales; de igual manera, pueden ser abiertas a la atmósfera o ser mazarotas ciegas (figura 1.16b), donde su conexión con la atmósfera se realiza a través de un macho hecho en arena.

Figura 1.16: Principales formas de las mazarotas por su localización en la pieza

Fuente: Ravi, B. Design for Casting. SOURECON"99. 1999 [36].

Uno de los métodos más utilizados por los tecnólogos, es el que aparece en la guía tecnológica de Belay, el método de los círculos inscritos [37]. Este método también denominado de Heuvers está caracterizado por su grado de empirismo y basado en construcciones geométricas de la pieza en el plano. Su principal ventaja es que tiene en cuenta, a diferencia del método de los módulos, la forma del nudo térmico que se origina, además, de la utilización de un sobreespesor para la salida efectiva del nudo hacia el exterior, siendo esto una medida que genera una confianza en el resultado final pero económicamente no es la mejor solución.

Aun cuando tenía un objetivo inicial de ayudar a la docencia, es considerado por el autor del presente trabajo, como una herramienta muy útil para la elaboración de tecnologías de fundición. Los resultados obtenidos, en el caso de las dimensiones de mazarotas, son bastante certeros aun cuando aplica siempre un coeficiente de seguridad muy excesivo, no teniendo en cuenta la economía de recursos en el proceso. En este caso se aprecia la utilización de una relación altura/ diámetro mayor de 1.5, lo cual es considerado por muchos autores poco económico e ineficiente [34, 38].

Se determina el volumen de metal necesario para compensar los rechupes que se forman en la pieza.

El objeto de estudio de este trabajo son piezas tipo ruedas, donde las uniones de los elementos que la componen forman en los cambios de sección una T y para ello existen una serie de fórmulas para determinar la geometría de las mazarotas. Entre los métodos más recientes y más aplicados se encuentra el publicado por Beckermann [39, 40], donde se aplican varios de los conocimientos que se aprecian en otros métodos, fundamentalmente la determinación del factor de forma y la división de la pieza en partes simples. Con el conocimiento del ancho y el espesor de la parte se calcula la distancia de alimentación.

Hay que tener en cuenta que el autor de este método consideró la forma geométrica de la mazarota como un cilindro, por tanto a partir del valor del volumen, calculado anteriormente, se puede determinar el diámetro de la mazarota

Aquí se utilizan un grupo de datos experimentales, dados en tablas, lo que presupone la incorporación de ciertos errores en los cálculos anteriores. Además, los datos aportados en [40] fueron obtenidos para un solo material.

Las posibilidades ofrecidas por el método clásico de Chvorinov en ocasiones no se cumplen y para evitar los que se consideran falsamente, cálculos complicados, el concepto del módulo fue remplazado por el de Factor de forma de Caine, Bishop y Johnson [41]. Los valores que se obtienen con la aplicación de ambos métodos son próximos, pero, existen casos donde, se aplica el método del Factor de Forma a cuerpos muy masivos o de paredes muy delgadas y los resultados que se obtienen no son totalmente ciertos, lo que provocó la introducción de factores de corrección. Existe una relación matemática entre el factor de forma y el módulo, sólo para cuerpos geométricamente similares, hecho que da cuenta de los resultados incorrectos ya mencionados. En el anexo IV se muestra una comparación entre métodos para la obtención de las dimensiones de mazarotas [35], la tabla 1, determinada por Wlodawer, refleja los resultados obtenidos con dichos métodos [35].

Tabla 1 Resultados de la aplicación de los métodos para la obtención de las dimensiones de mazarotas.

Fuente: Wlodawer, R., Directional solidification of steel castings. First English ed. 1966: Pergamon Press. 40-70 [35]

Los resultados destacan cómo el método de los módulos satisface la mayoría de las necesidades de los fundidores, aun en los casos más difíciles y esto conduce por lo general a un funcionamiento fiable del método en la práctica. El método del factor de forma, por el contrario, debe involucrar extensas correcciones, incluso con formas simples.

Influencia de la forma de la mazarota

La forma de la mazarota también tiene una influencia marcada en la calidad de la solidificación. Existen un gran número de formas de mazarotas que se han utilizado durante varios años, incluso hoy en día todavía se realizan investigaciones por parte de empresas como FOSECO, líder mundial en el abastecimiento de consumibles y servicios en la industria de la fundición. Las geometrías más utilizadas en la industria de la fundición a nivel internacional son las mazarotas superiores cilíndricas abiertas, las mazarotas laterales abiertas y ciegas y dentro de la industria cubana, en específico el taller de fundición de Planta Mecánica de Santa Clara, la forma arriñonada, buscando un incremento en la distancia de alimentación, olvidando la eficiencia del proceso. La pérdida de calor en estas mazarotas abiertas es de hasta un 42% y solo tienen hasta un 14% de entrega.

El otro esquema de mazarotas son las laterales. Estos reservorios de metal, unidos a la pieza, sufren de una pérdida de velocidad y otros parámetros debido al cambio de dirección que tiene que hacer el metal líquido, por tanto alimenta menos que una mazarota directa de las mismas dimensiones, resultando en mayor volumen que la anterior. Con determinadas aleaciones, sobre todo aquellas que tienen un elevado por ciento de contracción como el acero, es casi imposible evitar la formación de rechupes, utilizando solamente la mazarota lateral abierta. Para evitar esto último se utilizan las mazarotas laterales ciegas. Con formas bastante parecidas a la esfera se logra un buen módulo pero al estar rodeadas completamente por el material del molde, presentan una gran superficie de contacto y tienden a enfriarse rápidamente. Según Wlodawer [35], en ocasiones el rendimiento de las mazarotas laterales tiende a ser menor que las mazarotas superiores, porque se utiliza un volumen extra de metal. Sin embargo a su favor tienen que no pueden ser sobrellenadas, como es el caso de las abiertas, que en muchos casos se utilizan para saber cuándo la pieza está llena y se ahorra material en esto, además al utilizar un bajo centro de gravedad se favorece la alimentación.

Simulación del proceso de obtención de piezas fundidas en moldes de arena

La simulación numérica es uno de los métodos más efectivos para observar el llenado del molde. En los últimos años, la optimización de las tecnologías de fundición, han estado soportadas bajo esta técnica.

Muchos estudios han usado los distintos métodos de simulación numérica y algoritmos de optimización en función de obtener un sistema de fundición óptimo. Dantzing estudió como conectar la simulación de la solidificación con técnicas de optimización matemática [42], lo que llevó al estudio de cómo eliminar los micro-defectos dentro de las piezas. En Alemania el profesor Sahm, miembro del equipo de investigación del Centro de Investigación en Fundición de la Universidad Tecnológica de Aachen, estudió la forma de automatizar el proceso de optimización de la fundición de piezas [43]. El software fue desarrollado para decidir el diseño óptimo de la geometría de las mazarotas y su ubicación, así como la temperatura de vertido [44]. Sin embargo, la mayoría de estos estudios tienen que ver con los procesos de solidificación de las piezas fundidas. El criterio defecto relacionado con los procesos de llenado del molde aún no ha sido bien desarrollado.

La fabricación de piezas fundidas en moldes de arena presenta, dentro de las etapas de elaboración, aspectos muy complejos como el, poder analizar correctamente todos los procesos de interacción que ocurren entre el metal líquido y el material del molde, entre otros se encuentran, la rugosidad superficial de las paredes del molde, la generación de gases en el interior del molde y la permeabilidad que tenga este para dejar pasar los gases.

Durante muchos años se han utilizado software para la simulación del proceso de fundición, los más utilizados se muestran en la tabla 2. Para la ejecución de esta investigación, se cuenta con el ProCAST, programa basado en elementos finitos y que contiene tanto el preprocesador como el postprocesador.

Tabla 2 Principales programas para la simulación de los procesos de fundición

Fuente: Elaboración propia

En la figura 1.17 se aprecia la utilización del ProCAST para evaluar el tiempo de solidificación de una pieza dentro del molde. ProCAST ofrece una solución completa para todo tipo de procesos, incluyendo fundición continua y semicontinua, es posible estimar condiciones de inicio y final del proceso, así como sus condiciones en estado normal.

Figura 1.17: Imagen resultante de la utilización del ProCAST y su postprocesador.

Fuente: ESI-Group, ProCAST User's Manual. 2011 [45]

Se puede determinar la temperatura en cualquier instante del proceso y encontrar las zonas frías para poder hacer mejores predicciones incluyendo llenado, solidificación, diseño de molde. Posee el método más apropiado para capturar los detalles finos y las paredes estrechas que son comunes en los moldes de fundición. La figura 1.18 muestra la distribución de temperaturas en un molde de fundición a alta presión.

Figura 1.18: Distribución de las temperaturas en una pieza y en el molde inferior. Inyección a alta presión.

Fuente: ESI-Group, ProCAST User's Manual. 2011 [45]

Modelizado de la porosidad con ProCAST

La porosidad se forma durante la solidificación, la cual depende de las condiciones de llenado y de transferencia térmica. Así, para obtener una buena predicción de porosidad, es necesario tener una buena modelización numérica del llenado y de la historia térmica. Para hacer una buena modelización de la porosidad, hay que tener en cuenta la caída de presión en la zona pastosa, la segregación de gases durante la solidificación, el límite de solubilidad de los gases en función de la segregación de los componentes de la aleación, además de la nucleación y la física del crecimiento de los poros.

La literatura no reporta un modelo matemático que englobe completamente toda la física que gobierna el problema de la predicción cuantitativa de la microporosidad. Para tener una respuesta más cuantitativa, se tienen que usar criterios y modelos matemáticos más avanzados. El conocido "Criterio de Niyama", está implementado en ProCAST, además, el propio usuario puede definir sus propios criterios por sí mismo. Adicionalmente, ProCAST tiene implementado un modelo matemático avanzado para la predicción de porosidad, teniendo en cuenta la densidad como función de la temperatura. Este modelo "PoroS", permite tener una visualización en términos de cantidad de la porosidad, la figura 1.19 muestra los resultados del análisis utilizando el mismo.

Mediante esta opción es posible tener una idea de la ubicación de la porosidad, y si está localizada o no en un punto crítico de la pieza. Además del resultado de la función PoroS, es posible identificar por qué se ha formado la porosidad y cómo se puede solucionar el problema, mediante el estudio de la evolución de la fracción de sólido (es decir, la evolución de la solidificación).

Si el molde no está correctamente diseñado, se pueden ver las bolsas de aire atrapado que pueden producir problemas de porosidad de otra naturaleza. Aunque las causas y la forma de este defecto son completamente diferentes de las producidas por la porosidad tradicional, también tiene una gran importancia para la calidad final de las piezas.

Figura 1.19: Visualización del resultado de PoroS.

Fuente: ESI-Group, Predicción de las propiedades de la pieza y mejoramiento a través de todo el proceso productivo. Foundry Trade Journal Internacional, 2012 [46]

ProCAST tiene un modelo matemático incluido para la simulación del aire atrapado. El usuario puede situar fácilmente sobre el modelo FEM los puntos de salida de aire (vientos), y así el software tiene en cuenta el escape de aire que se produce durante el llenado del molde. Cuando un punto de salida de aire es cubierto por el metal, se desactiva automáticamente y el aire tiene que escapar por otras salidas (si existen). Esto puede llevar a aumentos de presión en el aire y a una contrapresión en el líquido, que afectará a la forma de llenado. Este modelo es especialmente útil para la optimización de sistemas de llenado en vacío. La figura 1.20 muestra los resultados de la simulación del aire atrapado, la 1.20a muestra un molde llenado al vacío, mientras que la 1.20b muestra el mismo molde llenado con aire y sin salidas de (vientos). Se pueden apreciar claramente las bolsas de aire, así como la contrapresión producida en el líquido.

Figura 1.20: Simulación de aire atrapado

Fuente: ESI-Group, Predicción de las propiedades de la pieza y mejoramiento a través de todo el proceso productivo. Foundry Trade Journal Internacional, 2012 [46]