noyos

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDA: NOYOS CERÁMICOS Kohl R. (1) (2) (3) (4)

(1)

, Oviedo O.

(2)

, Varela P.

(3)

, Radevich O.

(4)

Univ. Nac. Río Cuarto, Fac. Ing., Ruta Nac. 36 km. 601, Rio Cuarto, Argentina. [email protected]

Univ. Nac. Río Cuarto, Fac. Ing., Ruta Nac. 36 km. 601, Rio Cuarto, Argentina. [email protected] Univ. Nac. Río Cuarto, Fac. Ing., Ruta Nac. 36 km. 601, Rio Cuarto, Argentina. [email protected]

Univ. Nac. Río Cuarto, Fac. Ing., Ruta Nac. 36 km. 601, Rio Cuarto, Argentina. [email protected]

RESUMEN Básicamente, todo proceso de fundición involucra la introducción del material fundido en un molde, el enfriamiento y solidificación del metal, y por último la extracción y obtención de la pieza colada del molde. El método de fundición a la cera perdida utiliza un modelo de cera que es una réplica exacta de la pieza metálica que va a ser elaborada. Dicho modelo se lo recubre con sucesivas capas de material refractario y aglutinante, para elaborar el molde. Una vez terminado el molde, se extrae el modelo por calentamiento. En muchos casos, la forma de la pieza que se desea obtener es tan compleja que el modelo no es fácilmente removido del molde. Efectivamente, ésta puede incluir formas tales que dificultan el desmolde, o simplemente se desea fabricar una pieza hueca. Precisamente para moldear estas formas, son empleados los noyos. Dichos noyos se elaboran con un material adecuado y se usan para restringir el metal fundido en determinados sectores del molde. En este trabajo se propone y analiza una técnica para la obtención de noyos cerámicos para fundición a la cera perdida, que consiste básicamente en la utilización de materiales como harina y arena de circonio, aglutinados con silicato de sodio, así como el procedimiento para su elaboración y su posterior remoción. Los materiales relacionados se fabrican en Argentina o son de fácil obtención, permitiendo que este procedimiento sea conveniente por la reducción de costos. Los noyos obtenidos fueron ensayados con pruebas de resistencia mecánica y de solubilidad. De los resultados obtenidos se concluye que el procedimiento propuesto para la fabricación de noyos resulta apto, puesto que éstos reúnen propiedades adecuadas; y además, se establecen datos importantes para la elaboración y posterior remoción de los noyos, teniendo en cuenta distintas necesidades del fundidor. Palabras clave: Fundición de precisión, noyos, noyos cerámicos, cerámicos, silicato de sodio, investment investment casting.

1. INTRODUCCIÓN La fundición es una técnica de fabricación que está presente y es de uso extendido junto con una variedad de materiales. Dicho proceso permite la fabricación a bajo costo de artículos con diversas formas sin la necesidad de mecanizado, estampando u otros procesos para la conformación de metales. En general, la fundición involucra la colada del metal fundido en un molde, enfriamiento del mismo y remoción de la pieza colada del molde. En muchos casos la complejidad de la forma de la pieza es tal que su modelo (copia positiva de la misma) no es fácilmente removido del molde. Por ejemplo, ésta puede incluir regiones con cavidades, agujeros, contrasalidas u otras formas que evitan su desmolde. En otros casos, se desea fabricar una pieza hueca o se puede necesitar moldear la rosca de un tornillo u otras formas con estas características. Para moldear estas formas complejas, generalmente son

empleados los noyos, según Metals Handbook [1]. Estos noyos se forman de un material adecuado y se usan para confinar el metal fundido en una forma particular. Por ejemplo, en la colada de una pieza hueca, se pondrá el noyo en un molde, dejando un espacio a ser llenado por el metal fundido como consecuencia del noyo introducido Figura Nº 1 Modelo

Pieza

Portada

Noyo

Basin de colada Aire

Caja de Moldeo

Linea de Partición

Canal de Colada

Sobre Mazarota

Sistema de Colada

Noyo

Cavidad del Molde

Bajo

Figura Nº 1 . Esquema de moldeo en arena con noyo.

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Después de que el proceso de fundición se ha completado es necesario quitar los noyos y con ese fin, estos se fabrican frecuentemente de un material fungible como por ejemplo un compuesto de arena y resina orgánica que puede quitarse rápidamente de la pieza colada. Los noyos de arena son relativamente baratos, pero ellos no son capaces de proporcionar una superficie con acabado de alta calidad o mantener tolerancias dimensionales precisas y no son adecuados para colar formas como el filete de un tornillo. Una solución posible es proporcionar noyos fácilmente removibles lo que involucra el uso de un cerámico que cubra el noyo de espuma de polímeros sintéticos. En el proceso de fundición, la materia orgánica que comprende la espuma se quema fácilmente mientras el recubrimiento cerámico mantiene un acabado liso del metal. Este método frecuentemente llamado "proceso de espuma perdida" proporciona piezas fundidas de calidad superior al de un proceso de noyo de arena. Tales noyos son relativamente difíciles de fabricar, frágiles, caros, y no tienen buen desempeño en la fundición a la cera perdida. Por esta razón se han buscado alternativas capaces de proporcionar piezas de calidad como los noyos cerámicos El método de fundición a la cera perdida, o fundición de precisión, es un procedimiento destinado a la elaboración de piezas de alta calidad, tanto dimensional como de terminación superficial. Básicamente, en dicho método se inyecta la cera del modelo en una matriz alrededor de un noyo cerámico para reproducir la parte del metal a ser fabricada. La réplica de cera junto con el canal de colada y los ataques que conforman un racimo es sumergida en un barro de sílice, circonio o alúmina que usan silicato de sodio, sílice coloidal o silicato del etilo como aglutinante. El conjunto impregnado en el barro es cubierto con refractario en polvo, por lluvia o mediante la inmersión en un lecho fluidizado, [2], [3]. Por lo general, el espesor de la pared del molde es de 6 a 8 milímetros y se construye repitiendo la secuencia de baño, estucado y secado. Después de que el molde se ha secado al aire, la cera se funde y desaloja el molde. El molde con el o los noyos cerámico ubicados dentro se transfiere entonces a un horno y se calcina-precalienta a temperaturas de aproximadamente 900 ºC a 1100 ºC y a continuación es llenado con metal fundido. Después de la solidificación del metal, el molde cerámico se remueve fracturándolo. Las piezas obtenidas son entonces sometidas a chorros de arena o vapor para remover cualquier resto del molde que pudiese quedar adherido. El canal de colada es cortado de la porción útil de la pieza y la misma se sumerge en un baño de lixiviación como el hidróxido de sodio para quitar el material del noyo cerámico de los pasajes interiores formados por estos. El proceso de la lixiviación normalmente tiene lugar con temperatura y con agitación por un periodo de 2 a 24 horas [4]. Los productos utilizados en la lixiviación, hidróxido de sodio diluido o fundido o ácido fluorhídrico deben quitar rápida y completamente el noyo cerámico sin atacar la aleación metálica colada. En la construcción de moldes para fundición a la cera

perdida se ha desarrollado un procedimiento para la construcción de moldes empleando harina y arena de circonio, y como aglutinante silicato de sodio. Kohl et al [4]. En cuanto a los noyos cerámicos empleados en fundición de precisión, la mayoría de ellos se construyen con mezclas de sílice fundida, circonio, alúmina, silicato de aluminio y nitruro de silicio, usando como aglutinante sílice coloidal o silicato del etilo. Los noyos se forman por compactado de una mezcla húmeda, por colada de un barro espeso o barbotina o con moldeo por inyección o extrusión que, además, utiliza varios sistemas de resina y plastificadores aptos para tal fin. Los noyos obtenidos se calcinan para producir un elemento con dureza y resistencia suficientes. El principal problema que se presenta es la rotura del noyo debido a su baja resistencia lo que contribuye significativamente al promedio de rechazo en las piezas terminadas. La resistencia de éstos noyos no puede incrementarse sin reducir la solubilidad a niveles dónde, quitar el noyo es lento e incluso incompleto. La densidad del noyo se mantiene tan baja como sea factible para aumentar el área del reactante de la lixiviación y también para reducir la variación dimensional del noyo durante el último calentamiento. Los defectos en las piezas coladas directamente asociados con los materiales del noyo son debidos a: el material del noyo atrapado después de lixiviar, debido a las masas localmente insolubles dentro del noyo o el acceso restringido para lixiviar; las inclusiones de partículas de noyo expulsadas en la pared de la aleación; las áreas vacías en la pared de la pieza que es el resultado del cambio dimensional del noyo, rotura o distorsión en el momento de moldear; rotura del molde o fisura como resultado de la diferencia de la dilatación térmica entre la cáscara y el noyo; porosidad en la pieza producida por la reacción de metal fundido con el material del noyo lo que genera gases o los gases de los noyos atrapados en la colada del metal fundido. En este trabajo se analiza y evalúa un nuevo procedimiento para la obtención de noyos cerámicos para fundición a la cera perdida construidos con harina y arena de circonio, empleando un aglutinante alternativo, no habitual en noyos para fundición a la cera perdida: el con silicato de sodio. Los materiales seleccionados se fabrican en Argentina o son de fácil obtención ya que se emplean en otras industrias, lo que hace accesible este procedimiento a producciones de series cortas. Además, considerando el actual estado del arte se pretende proveer de materiales y procedimientos que permitan fabricar un componente a bajo costo y que a su vez sustituya importaciones.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para la construcción de noyos se evaluaron los materiales antes citados, los que se obtienen en el mercado y presentan la ventaja de minimizar las diferencias de contracción y dilatación térmica, a pesar de emplearse

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 distintos métodos para la elaboración de moldes y noyos. Los refractarios empleados fueron mezclas de sólidos [6] [7], harina de circonio malla 325, arena de circonio índice de fineza 100 AFS (American Foundrymen’s Society) y como aglutinante silicato de sodio con módulo 2,0 a 2,8 Para la evaluación de los cerámicos se emplearon tres mezclas de refractarios, los que se detallan en la Tabla Nº 1.

Tabla Nº 1. Mezclas de refractarios Mezcla N° 1 2 3

Harina de Circonio 70 % 50 % 30 %

Arena de Circonio 30 % 50 % 70 %

Estas mezclas fueron aglutinadas con silicato de sodio en distintas proporciones a saber: 3; 3.5; 4; 5; 6, y 7 % en masa con relación a la masa de los refractarios, más agua en cantidad suficiente para lograr una masa de moldeo húmeda. Se construyeron muestras para ensayos, de forma rectangular y circular empleando moldes con las formas antes citadas, mediante moldeo por compresión. Para lograr una liga química, el conjunto, muestra-molde fue introducido en una cámara con atmósfera de dióxido de carbono, con una presión de 100 KPa durante 5 minutos, posteriormente se procedió al desmoldar las probetas y secarlas en aire forzado durante 72 horas para luego calcinarlas a 950 ºC. A fin de determinar las propiedades mecánicas del noyo, se utilizó el MOR (modulus of rupture), el cual se determinó con las probetas de cerámica rectangulares de 70x30x6 mm. Las muestras fueron evaluadas utilizando una Máquina Universal de Ensayos Digital para masas de moldeo, según AFS, con montaje para flexión, apoyos flotantes y carga aplicada en tres puntos, siendo la luz entre apoyos de 50 mm (Figura Nº 2).

h = espesor de la muestra en el punto de rotura Para determinar la permeabilidad se utilizaron las muestras circulares de 60 mm de diámetro y 6 mm de espesor, las que fueron construidas en forma simultánea con las de flexión empleando el mismo procedimiento. Estas muestras se montaron en un recipiente con tapa roscada la que posee una sección de ensayo de 50 mm de diametro, y tiene en su parte inferior la conexión al instrumento de medida. Para el sello entre la muestra y el dispositivo se utilizó caucho de silicona. Los ensayos se realizaron con un Permeametro Digital de accionamiento neumático según AFS. La permeabilidad se calculó mediante la fórmula (2):

P=

h× v × υ p×s×t

(2)

Donde: P = permeabilidad en cm2 v = volumen percolado en ml h = altura de la probeta en cm 2 p = presión de aire en g/cm 2 s = sección de la probeta en cm t = tiempo requerido en minutos υ  = viscosidad cinemática del aire en poises La solubilidad de los noyos, necesaria para quitarlos de la pieza, se determinó mediante diferencia de pesos antes y después del ensayo, colocando muestras del cerámico en una solución de hidróxido de sodio al 50% en agua, en baño termostatizado a 65ºC, sin agitación, durante 48 horas. Por seguridad del operador y facilidad de manejo de estos productos cáusticos, se prefirió estas temperaturas en vez de hacerlos a 540 /  595 ºC que es la temperatura de fusión del hidróxido de sodio.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El comportamiento de las cerámicas a esfuerzos de flexión o módulo de rotura (MOR) están representados en la Figura Nº 3. 16000 14000 12000

Figura Nº 2: Esquema del ensayo para obtener el MOR.

3PL 2bh2

4000 2000

El módulo de ruptura se calculó mediante la fórmula (1)

MOR =

   ]   a    P10000    K    [ 8000    R    O 6000    M

(1)

Donde: P = carga de rotura L = distancia entre apoyos b = ancho de la muestra en el punto de rotura

0 MOLDE

3.5

5

7

% SILICATO DE SODIO MOLDE 7 CAPAS

70/30

50/50

30/70

Figura Nº 3: Módulo de rotura MOR

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Con el objetivo de comparar, en él se observan el valor MOR de una cáscara cerámica de siete capas correspondiente a un molde para fundición a la cera perdida construido con los mismos materiales de los noyos y con 6 % de silicato de sodio. Observamos que la resistencia de las probetas rectangulares, construidas para este análisis, se incrementa a medida que el porcentaje de silicato de sodio aumenta y con 5 % de aglutinante se supera la resistencia del molde. Vemos también que la resistencia de los noyos desciende con el incremento de la granulometría de la mezcla de los refractarios. La variación en el tamaño de grano del refractario no representa una pérdida significativa de calidad superficial de los noyos. A su vez, para evaluar la permeabilidad de estos cerámicos se tomó como referencia los valores correspondientes a un molde para fundición a la cera perdida compuesto de siete capas. Lo primero que se determinó es que para cada una de las mezclas el incremento del porcentaje de silicato de sodio no tiene influencia significativa.    ] 6.00E-09    2   m   c    [ 5.00E-09    E    D    L    O 4.00E-09    M    D    A 3.00E-09    A    D    I    L    I 2.00E-09    B    A    E    M1.00E-09    R    E    P

A los efectos de evaluar la posibilidad de lixiviación de los noyos, se realizaron ensayos para determinar la solubilidad de ellos en hidróxido de sodio, siguiendo el procedimiento explicado anteriormente. Se muestra en el Figura Nº 5 que a medida que se incrementa el porcentaje de silicato de sodio la solubilidad disminuye hasta cero a partir de 5 % para mezclas 70/30 y 30/70, para mezclas 50/50 se alcanza este valor con 6 % de aglutinante. Además, la solubilidad decrece con el aumento del tamaño de las partículas de refractario. Los valores obtenidos indican que los noyos obtenidos de esta forma pueden ser disueltos con relativa facilidad, empleando un procedimiento de bajo costo y minimizando el riesgo al operar productos cáusticos diluidos a baja temperatura.

4. CONCLUSIONES Se ha propuesto un nuevo procedimiento para la fabricación de noyos cerámicos para fundición a la cera perdida, que emplea el silicato de sodio como aglutinante. En tales noyos fueron evaluadas diversas propiedades físicas con que habitualmente se analizan estos materiales, arrojando valores que son aptos para el objetivo de destino. Del análisis de los resultados, se puede afirmar que el proceso propuesto posee suficiente flexibilidad para ser adecuado a las diversas variantes del método de fundición de precisión.

0.00E+00 Molde

70/30

50/50

30/70

5. REFERENCIAS

MEZCLAS

Figura Nº 4: Permeabilidad de noyos En la Figura N° 4 vemos que la permeabilidad se incrementa con el aumento de la granulometría de los sólidos. Para las diferentes mezclas estos valores son inferiores al del molde. Por lo tanto, para la construcción de los noyos, se deberá emplear la mezcla adecuada considerando la geometría y la masa del noyo. Además, debido a la baja permeabilidad del material se debe hacer reacciona con dioxido de carbono en una camara con presion 2.0    ]   r 1.8    h    /   r 1.6   g    [    O1.4    S    E1.2    P    E1.0    D 0.8    A    D    I 0.6    D    R0.4    E    P0.2

[1] Metals Handbook, 8 1970

th

edition - Vol. 5 - A.S.M.

[2] Handbook on the Investment Casting Process, AFS/ICI, 1982 [3] B.I.C.T.A. Shell Technology - The British Investment Casters Technical Association. 1984 [4] B.I.C.T.A., Preformed Ceramic Core. The British Investment Casters Technical Association. [5] Kohl R., Oviedo O., Cotella N., Varela P., Miskovski V., Radevich O., “Construcción de Moldes para Fundición a la Cera Perdida Aglomerados con Silicato de Sodio”: I Workshop Brasileiro de Fundição de Precisão, Porto Alegre, Brasil. 40-43 (1993). [6] Rober H. Perry. Manual del Ingeniero Quimico,. 5º Edición, Vol 3 y 5. Mc Graw Hill. 1986

0.0 2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

SILICATO DE SODIO [%] 70/30

50/50

30/70

Figura Nº 5: Solubilidad de los noyos

6.5

7

7.5

[7] Warren L. Mc Cabe. Operaciones Básicas de Ingeniria Quimica., Vol 2. Reverte 1980.