Diseño y fabricación de moldes para solidificación direccional en aleaciones de aluminio

Laura Méndez, Pedro Delvasto, Omar Quintero Sayago*

Departamento de Ciencia de los Materiales. Universidad Simón Bolívar. Apartado 89000, Caracas 1080A, Venezuela * E-mail: omhqs@yahoo.com

Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html

Resumen

Se explica el diseño de moldes cerámicos que brinden un adecuado aislamiento térmico, para ser usados en ensayos de solidificación direccional de aleaciones de aluminio. Se estudiaron seis mezclas compuestas de arena sílice, bentonita, caolín y feldespato, en proporciones variables; estos componentes se escogieron dada su estabilidad dimensional a las temperaturas de ensayo y a que no reaccionan con las aleaciones de aluminio vaciadas. Para la fabricación de los moldes se eligió la composición 60% sílice, 16% bentonita, 16% caolín y 8% feldespato (en seco); en atención a la mejor resistencia al manejo (en húmedo y a la temperatura del ensayo de solidificación) que presentó esta mezcla. Además, dicha mezcla mostró buena colapsibilidad, propiedad indispensable para liberar el lingote producido y los termopares utilizados en los ensayos de solidificación. Se determinó un espesor de pared del molde de 2 cm, considerando cálculos teóricos de transferencia unidireccional de calor por conducción en estado no-estacionario y la facilidad para el moldeo manual de la mezcla elegida. El secado y sinterización parcial de los moldes definitivos se realizó durante 37 h, en seis etapas térmicas (25, 70, 100, 200, 300 y 1000ºC) de diferentes duración. Finalmente, se validó la aplicabilidad de los moldes fabricados mediante el vaciado en los mismos de una aleación Al-8,86% Si-0,21% Fe, encontrándose que cumplen con el objetivo planteado.

Palabras Claves: Moldes aislantes, Diseño de moldes, Solidificación de aleaciones

Abstract

This work explains the design process of isolating ceramic moulds to be used in experimental set-ups for directional solidification of aluminium alloys. Six mixtures composed of silica sand, bentonite, kaolin and feldspar, in different proportions, were studied. These components were chosen due to their dimensional stability at high temperatures and also because these ceramic materials do not react with molten aluminium alloys. For the manufacturing of the moulds, a mixture composed by 60% silica, 16% bentonite, 16% kaolin and 8% feldspar (dry weight) was chosen, because it exhibited a better handling resistance (in green and also at high temperatures). This mixture also showed a good collapsibility, an important property to grant the recovery of the ingot produced during the solidification tests and the recovery of the thermocouples used. A 2 cm moulds wall thickness was determined, considering non-stationary, unidirectional, conductive heat transfer and the ease for hand-based shaping of the moulds. Drying and partial sintering of the green moulds was performed through a stepwise heat treatment that lasted 37 h (25, 70, 100, 200, 300 y 1000ºC for different times, each step). Finally, the moulds were tested by pouring a molten aluminium alloy (Al-8.86% Si-0.21% Fe), and they were found feasible for the directional solidification tests proposed.

Key words: Insulating moulds, Moulds design, Alloys solidification

Recibido: 20-Ene-2006; Revisado: 18-Oct-2007; Aceptado: 12-Nov-2007 Publicado On-Line: 05-Dic-2007

1. INtRODUCCIÓN

El ensayo del “dedo frío” de ALCOA, se utiliza para evaluar el refinamiento del grano al solidificar las aleaciones de base aluminio. Consiste en vaciar la aleación de aluminio en un molde de grafito precalentado mediante resistencia eléctrica a la misma temperatura del líquido. Después del vaciado, se coloca un enfriador de cobre refrigerado con agua; de esta manera, se produce la solidificación direccional de un lingote de 45 mm de diámetro y 105 mm de altura [1-3]. Este lingote después de su preparación metalográfica, es utilizado para evaluar la calidad de los refinadores de grano.

Los crisoles de grafito y los alambres para construir la resistencia para el calentamiento eléctrico requerido por este ensayo, son difíciles de importar en los actuales momentos en el país. Por otro lado, el molde de grafito circundado por alambres, impide la colocación de los termopares necesarios para la grabación de la historia térmica de solidificación, porque al mismo tiempo se altera la información básica obtenida a través de esos termopares. Por lo tanto, se contempló la posibilidad de diseñar moldes sustitutos fabricables con materiales de moldeo similares a los utilizados en la industria de la Fundición. De esta forma, las características básicas de aislamiento térmico a ser considerados para los moldes que se diseñaren deberían ser similares a esos patrones.

En Fundición, los moldes utilizados para la producción de piezas vaciadas contienen partículas de arena enlazadas adecuadamente para mantener su forma durante el vaciado y la solidificación del metal; así como también la fácil colapsabilidad del molde durante el desmoldeo. A pesar de que varias arenas pueden ser usadas, éstas deben tener tamaño y forma de partículas adecuadas, estabilidades térmica y dimensional a elevadas temperaturas, composición y pH consistentes, compatibilidad con los sistemas enlazantes, ser químicamente inertes a los metales fundidos y, estar libres de reactivos volátiles que produzcan gases durante el calentamiento y durante la solidificación del metal.

Las arenas de moldeo están constituidas por diferentes tipos de minerales, los cuales desempeñan distintas funciones dentro de las mezclas. El principal componente es la arena base, que otorga fundamentalmente la refractariedad. Entre los minerales que pueden ser empleados como arena base se encuentra la sílice, que es muy común en la naturaleza. Otro componente fundamental de las arenas de moldeo son minerales de tipo arcilloso que junto a la adición de agua, se usan como enlazantes de las partículas de la arena base. Estas arcillas están formadas por varias especies de silicatos de aluminio hidratados cuya fórmula genérica se puede escribir como nSiO₂·mAl₂O₃·xH₂O. Las principales características que poseen estas arcillas minerales son: (1) desarrollo de plasticidad y de adhesividad cuando son combinadas con cierta cantidad de agua; (2) pueden someterse a secado a bajas temperaturas y adquirir nuevamente plasticidad mediante la adición de agua; (3) pierden plasticidad y se calcinan cuando las temperaturas alcanzadas son muy elevadas para conducir a lo que en fundición se conoce como “arcillas muertas”. Existen varios tipos de arcillas que pueden ser empleadas en las mezclas de moldeo y por consiguiente presentan distintas propiedades; entre las más frecuentes se encuentran: la montmorillonita que forma parte de una roca denominada bentonita; puede ser sódica o cálcica, y el caolín que está constituido por los minerales caolinita y haloisita [4].

La sílice es un mineral muy abundante en la corteza terrestre constituyendo cerca del 60% de su composición, tanto libre como en silicato combinado con otros óxidos. Por esta razón, la mayoría de las mezclas de moldeo empleadas en fundición, utilizan sílice como arena base, enlazada con bentonita mediante la adición de agua. Las principales características de la arena base son: gran variedad de distribuciones y de tamaños de partículas; alta refractariedad y resistencia al calor [4,5], químicamente consiste de SiO₂, denominado dióxido de silicio. Su unidad estructural fundamental consta de un tetraedro de silicio-oxígeno, en el cual un átomo de silicio se encuentra rodeado de cuatro átomos de oxígeno que ocupan las esquinas del tetraedro. Esta estructura se mantiene unida a través de fuertes enlaces químicos [6,7]. La sílice puede existir en diferentes formas polimórficas, las cuales corresponden a diferentes combinaciones de los grupos tetragonales con todas las esquinas compartidas. Las tres formas cristalinas básicas son: el cuarzo, la tridimita y la cristobalita [8].

La bentonita consta de una estructura cristalina de capas formadas por dos láminas tetraédricas de sílice y una lámina central conformada por un octaedro de alúmina. En otras palabras, estas arcillas están constituidas por tres placas, en las cuales todas las puntas de los tetraedros tienen la misma dirección y se hallan dirigidas hacia el centro de la unidad. El agua se adsorbe sobre la superficie de esas placas, generando su expansión y una contracción después del secado. Esta adsorción de agua entre las placas proporciona gran plasticidad a las mezclas de moldeo. Su temperatura de fusión está entre 1250 y 1300ºC.

Otro mineral utilizado como enlazante en materiales refractarios, tanto crudo como calcinado, es el caolín. Es una arcilla primaria de color blanco que posee alta refractariedad. Los dos principales minerales constituyentes del caolín son la caolinita y la haloisita. Típicamente los caolines poseen una plasticidad moderada y una alta contracción durante el secado y la calcinación. Debido a su alta pureza, el caolín posee un alto punto de fusión y es la más refractaria de todas las arcillas [6]. La caolinita, como principal componente del caolín, es un mineral cuya estructura cristalina consiste de una capa tetraédrica de sílice y de una capa octaédrica de alúmina, combinadas de tal forma que construyen una unidad en donde las puntas de los tetraedros de sílice forman una capa común con una de las capas de la lámina octaédrica de alúmina. Usualmente es combinada con la bentonita en la construcción de moldes. A pesar de ser altamente refractaria, posee una baja plasticidad y poca durabilidad. Su uso mejora la resistencia en caliente del molde y permite variar el contenido de agua en grandes intervalos [4,5].

El tercer componente seleccionado para la fabricación de los moldes es el feldespato, que es un mineral compuesto principalmente por silicatos de aluminio, presentes en la arcilla con granulometría muy fina. Estos minerales tienen una estructura análoga a la forma cristalina de la sílice, pero difieren de ésta, en que los átomos de silicio en algunos tetraedros son reemplazados por átomos de aluminio. Tienen un punto de fusión alrededor de 1350ºC. Se comportan como fundentes, siendo inertes y sólo en cocción reaccionan con las partículas arcillosas, entrando a formar parte de la estructura cristalina del material cocido y por lo tanto, ayudan a la formación de fases vítreas [9-11].

El principal objetivo de este trabajo es presentar los criterios de diseño basados en la transferencia unidireccional de calor aplicada a los moldes de arena de moldeo para elegir su espesor. Igualmente, mostrar el desarrollo de las técnicas de fabricación de los moldes donde se deja solidificar el material líquido vaciado. 

1. Parte Experimental

El molde se realizó mediante la técnica de moldeo manual, abarcando cuatro etapas: selección de los materiales de moldeo; elección del espesor de pared del molde; diseño de una preforma de madera y establecimiento del mezclado y del tratamiento térmico adecuado para lograr sinterización parcial.

1.1 Selección de los Materiales de Moldeo

Para la selección de la composición de la mezcla de moldeo, se tomó como criterio básico la utilización de minerales disponibles en el país: por ello, se ensayó con bentonita, caolín, feldespato y arena silícea. Nuestra experiencia en Fundición permite considerar que esos materiales elegidos deberían tener las características requeridas por los moldes que sustituirían a los crisoles de grafito calentados por resistencia eléctrica.

En la Tabla 1 se presentan las composiciones de las mezclas de moldeo ensayadas. Los minerales se mezclaron y molieron en seco durante 5 minutos en un molino de bolas, con cuerpos moledores de alúmina. A cada mezcla se le determinó su resistencia a la compresión en verde (RCV), su dureza superficial y su índice de permeabilidad, según los estándares establecidos por la American Foundrymen’s Society, AFS [12]. Los valores experimentales obtenidos se presentan en el apartado 3.

Tabla 1. Composición porcentual en peso (seco) de los materiales de las mezclas ensayadas.

Se construyeron manualmente moldes de menor escala a la requerida [13], y se sometieron a secado y a cocción (a 1000ºC), para lograr la sinterización parcial de los componentes. La fabricación de estos moldes permitió evaluar la facilidad de moldeo y su resistencia a la manipulación tanto en las etapas previas a la cocción como luego de la sinterización parcial. La Figura 1 muestra el diagrama ternario de equilibrio de fases Arcilla-Feldespato-Cuarzo, donde se ubican las 6 composiciones de las mezclas de moldeo presentadas en la Tabla 1.

1.2 Elección del espesor de pared del molde

Se efectuó considerando la solución general de Schwartz [4], que describe la transferencia de calor por conducción unidireccional en el estado no-estacionario, aplicada sobre la sección transversal del molde de arena. Este modelo describe los gradientes de temperaturas en el interior de la sección transversal del molde de arena [13], al  derivar la ecuación general [T₁(x,t)] en función del espesor “x”, como se indica en la ec. (1)

     (1)

donde las constantes se identifican así: T_f es la temperatura de fusión del metal; T_o es la temperatura ambiente; M es una constante adimensional del molde, definida por la relación entre las difusividades calóricas entre el metal sólido y el molde, M = (b₂ / b₁), siendo b = (kcρ)^1/2; a₁ es el coeficiente de difusividad térmica del molde, a = k/cr; y “x” es la variable espesor que tiene signo negativo debido al sistema de referencia establecido [4]. Los parámetros k, c, r, son el coeficiente de conductividad térmica, la capacidad calorífica y la densidad, respectivamente. Los subíndices 1 y 2 se refieren al molde de arena y del metal sólido, respectivamente.

1.3 Diseño de la Preforma de Madera

Una vez establecido el espesor mínimo requerido para la pared del molde, se procedió al diseño de la preforma para moldear la mezcla seleccionada (Figura 2). El procedimiento detallado se describe en la referencia [13].

Figura 2. Preforma de madera. a) Sus partes. b) Vista frontal, señalando los orificios para la colocación de los termopares. c) Vista superior del ensamblaje para moldeo.

La preforma de madera constituye una caja de moldeo que facilita la compactación de la mezcla para producir los moldes cerámicos, que se utilizan en los ensayos de solidificación direccional, los lingotes que se producen en dicho moldes tienen las siguientes dimensiones normalizadas [1]: 45 mm de diámetro y 105 mm de altura.

En la Figura 2b se observa que la caja de moldeo posee cuatro orificios, cuya finalidad es facilitar el moldeo en verde de los agujeros por donde se introducen los cuatro termopares (distanciados 17 mm entre sí) que permiten registrar la historia térmica de las aleaciones de aluminio en los ensayos de solidificación direccional.

1.4 Procedimientos de Mezclado y de Tratamientos Térmicos

Los procedimientos de mezclado y de tratamiento térmico para la sinterización parcial, se diseñaron una vez seleccionada la mezcla de moldeo adecuada, mediante la evaluación de los moldes de prueba. Para definir el ciclo se tomó en consideración las características de expansión de las arenas de cuarzo [11] y además, que se permitiera la remoción cuidadosa del agua libre presente en la mezcla, evitando generación de grietas, lo cual es explicado en el Apartado 3. Para la fabricación de los moldes con las medidas definitivas, se repitió el procedimiento ejecutado para construir los moldes a escala menor, pero utilizando la caja de moldeo de la Figura 2 [13].

1.5 Validación del Diseño

En el molde fabricado, se vació una aleación comercial de base aluminio, Al-8,86% Si-0,21% Fe y se dejó solidificar el lingote producido, sin usar el sistema de enfriamiento del “dedo frío”. De esta manera, se evaluó la macroestructura en su corte longitudinal para determinar la calidad de producto y confirmar la característica de aislamiento térmico, objetivo de este trabajo.

2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

2.1 Selección de las Mezclas y del Tratamiento Térmico 

La condición básica para el diseño del molde refractario, que sustituya al de grafito utilizado en el ensayo ALCOA, es permitir que la extracción de calor a través de las paredes sea mínima en comparación a la extracción de calor del enfriador de cobre o “dedo frío”. Esta condición permite minimizar la solidificación en la dirección radial. Para la fabricación de un molde con estas características, fue necesario seleccionar los materiales de moldeo y los aditivos enlazantes cuidadosamente, basándose en la refractariedad, el tipo de metal a vaciar, en la facilidad de adquisición de esos materiales, en los equipos de moldeo disponibles y en la calidad requerida por el producto a fabricar [5,14,15].

Se aprecia en la Tabla 2 que durante el mezclado de las materias primas en el molino de bolas se produce un incremento en el área superficial de la arena sílice del 10,5% con respecto a la distribución granulométrica inicial. De esta forma, se aumenta tanto la uniformidad en la compactación durante el moldeo, como la fuerza motora para la sinterización parcial de la mezcla durante el tratamiento térmico de cocción [13]. Cuando se realiza el mezclado de los minerales con agua, se generan [4] micelas que por atracción intermicelar y por tensión superficial de la película de agua sobre los granos de cuarzo, mantienen unidos a todos los componentes enlazantes del sistema cuarzo-arcillas. El enlace intermicelar en la arcilla se desarrolla por atracción y por repulsión electrostática; cuando el espaciado intermicelar es crítico, la fuerza total del enlace es máxima [4,11,14].

Tabla 2. Área superficial de la arena de sílice base antes y después de la molienda.

La Tabla 3 presenta los resultados de las propiedades en verde para todas las muestras ensayadas. Se aprecia que para todas las mezclas de moldeo los valores de dureza superficial y de resistencia a la compresión en verde son muy similares. Por el contrario, los valores de los Índices de Permeabilidad no resultaron similares, las mezclas 3 a 6 fueron ensayadas sin poder determinarse el valor, debido a los altísimos tiempos obtenidos, indicativos de la impermeabilidad del sistema moldeado. Las durezas y las resistencias a la compresión en verde para todas las muestras están dentro de los valores requeridos para las arenas de moldeo de pequeñas piezas [5,11,12].

Tabla 3. Propiedades en verde de las mezclas de moldeo ensayadas.

A pesar de que los valores de dureza superficial y resistencia a la compresión en verde obtenidos para todas las mezclas de moldeo son muy similares (Tabla 3), los moldes de prueba construidos y sometidos a secado y a cocción presentaron comportamientos diferentes.

Los moldes fabricados con las mezclas 1 y 2, presentaron desmoronamiento durante la manipulación en seco, lo cual se atribuye al elevado contenido de arena sílice presente en dichas mezclas (75 y 85%, respectivamente, Tabla 1), y, por lo tanto, una cantidad de arcilla muy baja que no facilitó la cohesión de los granos de arena. Si se observa la Figura 1, se aprecia en el diagrama ternario de equilibrio de fases que las composiciones de las mezclas 1 y 2 se encuentran dentro el campo monofásico de la sílice; por lo que dichas mezclas estuvieron sometidas a importantes cambios volumétricos durante el proceso de calentamiento y los granos de sílice no alcanzaron la sinterización requerida durante el tratamiento térmico.

También se puede apreciar en la Figura 1, que las mezclas 3, 4 y 5, se encuentran dentro del campo de la mullita. Los moldes de prueba realizados con estas mezclas presentaron mayor sinterización que las mezclas 1 y 2 después de la cocción. Esta afirmación se basa en el hecho de que los moldes resistieron los esfuerzos mínimos de manipulación. Las mezclas 3, 4 y 5 contienen mayor contenido de arcilla (Tabla 1) la cual permite mayor recubrimiento de los granos de arena y por lo tanto, incrementa la sinterización. Adicionalmente, a pesar de que el feldespato disminuye la resistencia de la mezcla en verde (Tablas 1 y 3), éste presenta el comportamiento de fundente [8-12], disminuyendo la temperatura necesaria para la sinterización. Estos moldes, sin embargo, presentaron tendencia a fallar durante el vaciado del metal, lo cual es indeseable pues disminuye la seguridad de los operarios que realizan los ensayos de solidificación.

La mezcla 6 (Tablas 1 y 3, Figura 1) que se encuentra dentro del campo monofásico de las porcelanas, fue la mezcla de componentes que produjo las características exigidas para manipulación segura, tanto en verde como en seco, de los moldes construidos. En dichos moldes se evaluó mediante inspección visual la presencia de fisuras en verde; se chequeó la consistencia obtenida tras el apisonado de la mezcla y la garantía de que los moldes de prueba no colapsaran durante la manipulación en seco y durante el vaciado del metal.

Este comportamiento se puede explicar, al observar la composición de la mezcla 6 en la Tabla 1, en donde se verifica que posee mayor cantidad de arcilla total, 32 % entre caolín y bentonita, que las mezclas restantes. Las mezclas 3, 4 y 5 tienen un máximo de arcilla total de 24%, y, a pesar de tener arcilla suficiente para lograr cierta sinterización, en la mezcla 6 el recubrimiento de los granos de sílice es mayor, lo que se traduce en una mayor uniformidad en la sinterización parcial producida. Esta mayor uniformidad en la sinterización, disminuyó las fallas catastróficas observadas en los moldes de pruebas fabricados con las mezclas 3, 4 y 5.

El tratamiento térmico mostrado en la Figura 3, garantizó la sinterización parcial de los moldes fabricados con la mezcla 6, lo cual redundó en una buena resistencia a la manipulación en seco y una adecuada colapsibilidad que facilitó la extracción del lingote solidificado y de los termopares durante los ensayos de solidificación [1,13], por consiguiente, se inició bajo estas condiciones la fabricación de los moldes definitivos que se muestran en la Figura 4.

Figura 3. Proceso de secado y sinterización de los moldes.

Figura 4. (a) Apariencia superficial del molde construido. (b) Molde al final del ensayo de solidificación, mostrando los termopares y el dedo frío ubicado en la parte superior.

Es necesario señalar que el ciclo escalonado de la Figura 3 se diseñó en base a las características de expansión de las arenas de cuarzo [11]. Además, para remover lentamente el agua libre, los moldes se mantuvieron a la temperatura ambiente seguido de calentamiento a 70ºC durante 12 horas; de esta manera, se evitó la fractura que se presentaban en los moldes al suprimir este paso [5,25].

Durante la evaporación del agua de hidratación, contenida entre las placas de arcilla de la mezcla, se produce un aumento de volumen del orden de 1600 veces, lo cual genera una gran cantidad de gas en el espesor de los moldes en verde, gas que debe encontrar una salida entre los granos de arena, sin que conlleve a la generación de fracturas en el molde [13]. Con el propósito de eliminar progresivamente el agua de hidratación y evitar la ruptura o formación de grietas en la superficie, fue necesario mantener los moldes a 100, 200 y 300ºC durante diferentes tiempos [9].

Desde el punto de vista de las transformaciones polimórficas de los granos de arena base, el cuarzo-a se transforma a cuarzo-b a la temperatura de 573ºC, esta transformación polimórfica por desplazamiento no necesita activación térmica para difusión puesto que involucra únicamente la rotación de los átomos; por lo que es muy rápida e implica un elevado cambio volumétrico [7,9]. Estos cambios en densidad asociados a esas transformaciones de fase, inducen esfuerzos que se acumulan en los moldes.

Por esta razón, el calentamiento entre 500 y 600ºC, se efectuó a una velocidad lenta, 0,98ºC/min, procedimiento que evita la probable fractura del molde. A 870ºC la sílice sufre una nueva transformación polimórfica de cuarzo a tridimita, sin embargo requiere de una elevada barrera energética para su trasformación, por ser de tipo reconstructiva que involucra ruptura de enlaces en la estructura cristalina del cuarzo y por lo tanto, es muy lenta. Solo se produce cuando el calentamiento es muy lento en ausencia de impurezas [7,9]. Por estos motivos, junto a los efectos del feldespato, ya descritos, las probables fracturas en este intervalo de temperaturas no fueron consideradas durante la cocción.

Una vez alcanzados los 600ºC se llevaron los moldes hasta 1000ºC a una velocidad de 3,3ºC/min. El tiempo de mantenimiento fue de 5 horas, para lograr la sinterización parcial en el interior del molde. Por último, el enfriamiento se realizó dentro del horno durante 10 horas para evitar choques térmicos. Por lo tanto, el procedimiento de secado y cocción de cada molde requiere un total de 37 horas de tratamiento.

El propósito del mantenimiento de los moldes a 1000ºC, fue alcanzar la sinterización parcial de la mezcla para lograr la colapsibilidad de los moldes. Como ya se indicó, la sinterización parcial es importante para recuperar tanto los termopares utilizados para el monitoreo de la historia térmica como los lingotes vaciados. Si la sinterización es total, la consistencia del molde sería similar a las de los ladrillos refractarios, impidiendo la recuperación de los termopares y el desmoldeo de los lingotes.

2.2 Cálculo del Espesor Mínimo de la Pared del Molde

La solución general de Schwartz describe el perfil de temperaturas a través de la sección transversal del molde, T₁(x,t), para sistemas donde existe flujo unidireccional de calor bajo condiciones de estado no-estacionario. La ecuación 1, que permite calcular los gradientes de temperaturas como función del espesor, fue obtenida mediante la derivación parcial con respecto a la distancia de este perfil.

La solución general de Schwartz puede ser aplicada a un sistema dimensionalmente no semi-infinito como el molde, debido a su naturaleza porosa. Se ha encontrado experimentalmente que en las mezclas de moldeo utilizadas en Fundición, la transferencia de calor es predominante por conducción a través del espesor de los moldes, cuando éstos se encuentran entre 6 y 10 mm; a partir de estos valores, hay predominio de cualquiera de los otros modos de transporte de calor (convección y radiación) [16]. Esa amplitud en espesores depende del metal o de la aleación que se le vacíe, lo cual significa que varía con la temperatura de fusión o específicamente con la temperatura de liquidus de la aleación y con su temperatura de sobrecalentamiento [16].

A pesar de la sobre simplificación que conlleva la aplicación de este método utilizado en fundición, el modelo de Schwartz, tal como se aplica en docencia y en investigación [4,16], ha sido utilizado ampliamente desde la década de los años 70 en el Departamento de Metalurgia, Comisión Nacional de Energía Atómica Argentina y en otros países [17-23] para describir el flujo calórico a través de moldes de arena y de moldes metálicos. 

El uso de métodos de análisis numérico para obtener respuesta computacional en moldes de arena, resultan imprácticos en sistemas porosos como las mezclas de moldeo de uso en Fundición, debido a la imprecisión en las magnitudes de los valores de las propiedades termofísicas necesarias para la secuencia de iteración. Se conoce [24] que la conductividad térmica del cuarzo disgregado es entre 10 a 14 veces menor a la del cuarzo sólido. En consecuencia, para poder aplicar los métodos de análisis numérico a la transferencia de calor en medios porosos como las mezclas de moldeo, se requeriría de un banco de datos experimentales confiables, aspecto que está fuera de nuestros intereses de investigación; de hecho, desconocemos la publicación de trabajos en este aspecto.

Por esas razones y por ser de uso común en fundición de piezas moldeadas en arena, se utilizaron los Métodos Analíticos Exactos que sirven de base para la Solución de Schwartz; porque si bien es verdad que no hay precisión en valores numéricos debido a la idealización del problema, si es de gran utilidad para orientar sobre el problema planteado [16-25].

En la Figura 5 se muestran los gradientes de temperatura a través del espesor del molde para todos los tiempos calculados, el valor de “x” es de signo negativo debido al sistema de referencia [4]. Para el cálculo de estos gradientes, se utilizaron las propiedades termofísicas presentadas en la Tabla 4, tanto para el molde como para el metal [13]. En la Figura 5 se evidencia que para todos los tiempos hay un comportamiento de tipo parabólico, haciéndose cero a cierta distancia a partir de la intercara metal-molde, correspondiendo con x = - 1 cm. Debido a que los tiempos de ensayo de enfriamiento y de solidificación son menores a 1000 segundos para condiciones sin sistema de enfriamiento (dedo frío), se eligió la distancia x = 10 mm como la mínima adecuada para lograr el aislamiento térmico requerido para el molde [13].

Figura 5. Perfiles de gradientes de temperaturas calculados para el molde.

Tabla 4. Valores de las propiedades termofísicas de las arenas de moldeo usadas para determinar los perfiles de gradientes de temperatura en las arenas de moldeo [26].

Con los valores de la Tabla 4, considerando la temperatura de vaciado de 655ºC, el sobrecalentamiento adimensional de 0,2 y la constante adimensional del molde M = 389,82, el valor para la constante particular del sistema obtenido fue f = 0,046. Toda esta información produjo la ecuación:

  (2)

graficada en la Figura 5 y sirve para describir el perfil de gradientes de temperaturas en función del tiempo y del espesor del molde.

Para definir el espesor de pared del molde adecuado, se tomó en consideración que la dimensión elegida permitiera moldear en la caja de moldeo de la Figura 2, obteniendo un apisonado uniforme y compacto de la mezcla de arena. Este factor es muy importante para lograr la integridad de los moldes, ya que hay dificultades prácticas que se presentan durante el apisonamiento compacto de espesores reducidos; de ahí, la selección como espesor adecuado y constante para todos los sectores del molde de x = 20 mm.

2.3 Validación del Proceso de Fabricación

Con el propósito de comprobar la característica de aislamiento térmico necesaria en los ensayos de solidificación direccional, se vació en el molde fabricado, la aleación comercial Al-8,86% Si-0,21% Fe. La Figura 6 presenta la macroestructura en su corte longitudinal, producida en el lingote solidificado sin utilizar el “dedo frío” [13]. Se puede apreciar granos grandes, típicos de una solidificación lenta, con tamaño uniforme, lo cual es indicativo de la baja capacidad de extracción de calor por parte del espesor del molde construido.

Figura 6. Macroestructura del lingote producido.

3. CONCLUSIONES

El diseño del molde refractario, sustituto del grafito en el ensayo ALCOA, se estableció con base en los siguientes criterios:

• La expresión de la derivada con respecto a la distancia, de la ecuación general de Schwartz que describe el flujo unidireccional de calor en el molde, sirvió de base para definir el espesor mínimo. Finalmente, se seleccionó un espesor de pared del molde de 2 cm, superior al calculado, para facilitar el moldeo manual.

• El análisis del diagrama ternario arcilla-cuarzo- feldespato resultó útil para la selección de la mezcla final que consistió en: 60% arena sílice, 16% bentonita, 16% caolín y 8% feldespato (en seco).

• El secado y sinterización parcial de los moldes definitivos se realizó en un total de 37 horas, con seis etapas térmicas (25, 70, 100, 200, 300 y 1000ºC) de diferentes duración. Este tratamiento evitó la generación de grietas que puedan conducir a fallas catastróficas durante la manipulación de los metales líquidos contenidos en esos moldes.

• Por último, se validó la utilización de los moldes fabricados a través del vaciado de una aleación de aluminio, comprobándose que los mismos presentaron características aislantes adecuadas para ser usados en ensayos de solidificación direccional.

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