UNIVERSIDAD SIMN BOLIVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA DE MATERIALES

VARIABLES DE PROCESO QUE INFLUYEN EN LA APARICIN DE DEFECTOS EN PIEZAS VACIADAS DE ALEACIN Cu-Zn-Pb

Realizado por:

Hilander Vieira Rodrigues

INFORME FINAL DE CURSOS DE COOPERACIN

Presentado ante la ilustre Universidad Simn Bolvar como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero de Materiales

Opcin Metalurgia

Sartenejas, Octubre de 2006

UNIVERSIDAD SIMN BOLIVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA DE MATERIALES

VARIABLES DE PROCESO QUE INFLUYEN EN LA APARICIN DE DEFECTOS EN PIEZAS VACIADAS DE ALEACIN Cu-Zn-Pb

Realizado por:

Hilander Vieira Rodrigues

Bajo la tutora de:

Tutor industrial: Ing. Jess Mayora

Tutor Acadmico: Prof. Julio Milln

Aprobado por:

Jurado evaluador: Prof. Omar Quintero

Sartenejas, Octubre de 2006

VARIABLES DE PROCESO QUE INFLUYEN EN LA APARICIN DE DEFECTOS EN PIEZAS VACIADAS DE ALEACIN Cu-Zn-Pb

Realizado por:

Hilander Vieira Rodrigues

RESUMEN

Las variables vinculadas al proceso de fusin y vaciado en moldes metlicos as como el

desempeo de los noyos de arena al momento del vaciado, pueden promover la aparicin de porosidades en las piezas fabricadas por este mtodo. En consecuencia, las propiedades de servicio de las piezas as como su calidad y sanidad se ven mermadas por la aparicin de dichos defectos. Por consiguiente, resulta de gran utilidad precisar las posibles causas que inciden en este hecho, para la puesta en prctica de ajustes pertinentes.

La clasificacin de los defectos presentes en tres piezas de grifera, fabricadas por Fundicin Pacfico C.A., se realiz mediante una inspeccin visual. Posteriormente se analiz, tericamente, la influencia de determinados parmetros del proceso de fusin y vaciado, en la generacin de porosidades; en especfico la temperatura de vaciado y a partir de sta el sobrecalentamiento. Adicionalmente, se realizaron ensayos con el fin de caracterizar tanto a las arenas base como a la mezcla de arena para noyos bajo las normativas sugeridas por la American Foundrymens Society (AFS), con el propsito de precisar si algunas de sus propiedades fsicas influan en la aparicin de los defectos.

Las consideraciones tericas indican, que algunos gases como el hidrgeno y el vapor de agua posiblemente, estaban contenidos en el bao metlico y son responsables de la aparicin de los defectos observados. Un sobrecalentamiento superior a los 142 C parece indicar que la temperatura de vaciado es una variable influyente en la solubilidad de los gases. Por otra parte, en concordancia con los ensayos realizados a las arenas base y mezcla de arena para noyos, la metodologa seguida actualmente por la empresa para la fabricacin de noyos no es la ms adecuada en funcin de la permeabilidad. Tanto el uso de arenas base muy finas, de morfologa compuesta as como el exceso de catalizador empleado en la mezcla son causas que afectaron la permeabilidad de los machos. La baja humedad absorbida superficialmente por los noyos durante el almacenamiento, no puede considerarse como factor determinante en la aparicin de los defectos. Finalmente, los ensayos practicados contribuyeron a corregir algunos estndares existentes en la empresa, enmarcados en la preparacin de la mezcla de arena para noyos.

ii

DEDICATORIA

A Dios, por ayudarme y acompaarme en las diferentes etapas de mi vida.

A mi padre y madre, por darme la vida y ser las personas que con todo el amor del mundo me han ayudado y alentado a seguir. No podra ser lo que soy y no podra llegar hasta donde estoy, sin su apoyo y cario. Espero en un futuro, poder ensear todas las cosas maravillosas que aprend y aun aprendo de ustedes, doy gracias a Dios por tenerlos.

A mis hermanos: Alex, Hilmar y Andy, que de una u otra forma han colaborado en mi desarrollo universitario y como persona. No slo en el camino que llevo recorrido de mi vida sino en el que me falta por recorrer, espero contar siempre con su apoyo incondicional.

A mis sobrinitos: Sara y Jos Ignacio, por que son una gran alegra para mi.

A mi linda, quien siempre estuvo presente dndome fuerzas y nimos. An en los momentos ms difciles estuviste all, nunca olvidar tu llegada inesperada para ayudarme a superar pruebas que parecan interminables. Tu amor incondicional muestra lo maravillosa que eres.

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AGRADECIMIENTOS

Al Profesor Julio Milln, por haber aceptado ser mi tutor y orientarme a lo largo del

desarrollo de la pasanta.

Al Ing. Jess Mayora, por ser mi tutor industrial y ser una persona dispuesta a ayudarme en

todo momento en el desenvolvimiento del proyecto de investigacin.

A mis compaeros de oficina: El Tata, Liseth, Tony y Mari, quienes facilitaron mi

integracin a la empresa. A Rmulo y Jess, quienes siempre se mostraron dispuestos a colaborar y

brindarme su ayuda en el departamento de fundicin de la empresa. De igual manera, al resto del

personal de esta rea.

A Mnica, Jenny y Luis, quienes de una u otra forma colaboraron durante la fase

experimental del proyecto.

Al Sr. Walter Sandrock por brindarme la oportunidad de desarrollar un proyecto de estudio

en la empresa Fundicin Pacfico C.A.

iv

NDICE GENERAL

RESUMEN .......................................................................................................................................... ii DEDICATORIA ................................................................................................................................iii AGRADECI MIENTOS ................................................................................................................... iv NDICE GENERAL ........................................................................................................................... v NDICE DE TABLAS ......................................................................................................................vii NDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................viii LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS ............................................................................... ix CAPTULO I ...................................................................................................................................... 1

INTRODUCCIN ........................................................................................................................ 1 CAPTULO II ..................................................................................................................................... 3

OBJETIVOS ................................................................................................................................... 3 2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................ 3 2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ............................................................................................... 3 CAPTULO III ................................................................................................................................... 4

FUNDAMENTO TERICO ..................................................................................................... 4 3.1 ALEACIONES DE COBRE .................................................................................................. 4 3.2 FUNDICIONES EN MOLDES PERMANENTES ............................................................. 6 3.3 ARENAS PARA MOLDEO .................................................................................................. 8 3.4 PROPIEDADES DE MEZCLAS DE ARENAS PARA MOLDEO ................................... 9 3.5 ALMAS DE ARENA ............................................................................................................ 12 3.6 PROCESO DE ELABORACIN DE ALMAS DE ARENA ........................................... 13 3.7 DEFECTOS EN PIEZAS VACIADAS .............................................................................. 16 3.8 PROCESO DE FUNDICIN EN LA EMPRESA ............................................................ 18 CAPTULO IV ................................................................................................................................. 19

DESARROLLO EXPERIMENTAL .................................................................................... 19 4.1 DESCRIPCIN DE LAS PIEZAS ..................................................................................... 19 4.2 PROCESO DE FUSIN Y VACIADO .............................................................................. 20 4.2.1 Variables Evaluadas .................................................................................................... 22 4.3 FABRICACIN DE ALMAS DE ARENA ....................................................................... 24 4.3.1 Arenas Base .................................................................................................................. 24 4.3.2 Ensayos Practicados a la Arena Base ........................................................................ 25

v

A.- Finura de las arenas ................................................................................................ 25 A.1- Contenido de arcilla AFS ............................................................................... 25 A.2- Anlisis granulomtrico .................................................................................. 25 B.- Forma de grano ....................................................................................................... 26 4.3.3 Mezcla de Arena para Noyos ...................................................................................... 26 A.- Identificacin de componentes ............................................................................... 27 B.- Mtodo de mezclado ................................................................................................ 27 C.- Preparacin de la mezcla de arena para noyos .................................................... 29 4.3.4 Ensayos Practicados a la Mezcla de Arena para Noyos .......................................... 30 A.- Permeabilidad .......................................................................................................... 30 B.- Contenido de humedad superficial en almas de arena ........................................ 30 CAPTULO V ................................................................................................................................... 32

RESULTADOS Y DISCUSIN ............................................................................................. 32 5.1 IDENTIFICACIN DE DEFECTOS ................................................................................ 32 5.2 CAUSAS DE LOS DEFECTOS ENCONTRADOS EN LAS PIEZAS VACIADAS ..... 36 5.2.1 Causas Atribuibles a una Posible Prctica Inadecuada durante la Fusin y

Vaciado .......................................................................................................................... 36 5.2.2 Causas Atribuibles a Propiedades Inadecuadas de la Arena Base y Mezcla de

Arena para Noyos ........................................................................................................ 41 A.- Finura de las arenas ................................................................................................ 41 B.- Forma de grano ....................................................................................................... 49 C.- Permeabilidad .......................................................................................................... 52 D.- Contenido de humedad superficial en almas de arena ........................................ 58 CAPTULO VI ................................................................................................................................. 61

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 61 6.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 61 6.2 RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 62 CAPTULO VII ................................................................................................................................ 64

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................ 64 CAPTULO VIII .............................................................................................................................. 67

APNDICES ................................................................................................................................. 67 CAPTULO IX ................................................................................................................................. 74

ANEXOS ........................................................................................................................................ 74

vi

NDICE DE TABLAS

Tabla 3.1: Clasificacin de las aleaciones de cobre ............................................................................. 5 Tabla 4.1: Mtodos de mezclado practicados para evaluacin de propiedades ................................. 29

Tabla 4.2: Tiempo de adicin de los componentes de la mezcla ....................................................... 29

Tabla 4.3: Nomenclatura de los mtodos de mezclado empleados .................................................... 29 Tabla 5.1: Clasificacin de los defectos en las piezas bajo estudio ................................................... 34

Tabla 5.2: Composicin Qumica para la aleacin en fundicin en coquillas UNS 85700 (28) .......... 37 Tabla 5.3: Variables de temperatura pertinentes a la etapa de anlisis terico .................................. 37

Tabla 5.4: Sobrecalentamiento para la aleacin UNS 85700 ............................................................. 40 Tabla 5.5: Valores calculados durante el ensayo de finuras de las arenas base 1 y 2 ........................ 41

Tabla 5.6: Tabla comparativa de los porcentajes retenidos de las arenas base 1 y 2 con respecto a las especificaciones recomendadas por el Brass and Bronze Ingot Institute para las arenas de macho en latones y bronces (16) .......................................................................................................... 44

Tabla 5.7: Condiciones y observaciones del ensayo de contenido de humedad superficial .............. 59 Tabla 8.1: Clculos para el Porcentaje de Arcilla AFS de las arenas base 1 y 2 .............................. 67 Tabla 8.2: Clculos para el Nmero de Finura AFS de la arena base 1. ........................................... 67 Tabla 8.3: Clculos para el Nmero de Finura AFS de la arena base 2. ........................................... 68 Tabla 8.4: Tiempos de adicin de los componentes de la mezcla ...................................................... 68

Tabla 8.5: Cantidad de los componentes de la mezcla a nivel industrial ........................................... 69

Tabla 8.6: Variables para el proceso de mezclado de arena con resina y catalizador ........................ 69

Tabla 8.7: Anlisis granulomtrico fuera de Norma AFS para la arena base 1 ................................ 71 Tabla 8.8: Anlisis granulomtrico fuera de Norma AFS para la arena base 2 ................................ 71 Tabla 8.9: Resultados del ensayo de Permeabilidad para mezclas de arena de macho...................... 72 Tabla 8.10: Resultados del ensayo de humedad superficial................................................................ 73

Tabla 9.1: Composicin qumica de la resina y el catalizador ........................................................... 74

Tabla 9.2: Propiedades fsicas de la resina y el catalizador ............................................................... 75 Tabla 9.3: Anlisis Granulomtrico de la arena base 3 ..................................................................... 75

vii

NDICE DE FIGURAS

Figura 3.1: Diagrama de fases Cu-Zn (5) .............................................................................................. 6 Figura 3.2: Curva de permeabilidad base para la serie de tamices U.S (7) ......................................... 11

Figura 3.3: Estructura qumica de la resina de Urea-Formaldehido (19) ............................................. 15

Figura 3.4: Solubilidad del hidrgeno en cobre lquido en funcin de la temperatura (PH2 = 1 atm) (1) .................................................................................................................................... 17 Figura 4.1: Piezas de grifera para bao consideradas en el proyecto de investigacin .................... 19 Figura 4.2: Vista esquemtica del horno utilizado en el vaciado de coquillas metlicas .................... 22

Figura 4.3: Esquema ilustrativo para la medicin de temperaturas del molde metlico .................... 23 Figura 4.4: Apariencia fsica de las arenas base empleadas ............................................................... 24 Figura 5.1: Defectos ms representativos de la pieza 1 (boca baera ARC) ..................................... 32 Figura 5.2: Defectos ms representativos de la pieza 2 (grifo lavamanos Swing) ............................. 33 Figura 5.3: Defectos ms representativos de la pieza 3 (ducha regadera Elite y Suprema) ............... 33 Figura 5.4: Localizacin general de los defectos en las tres piezas estudio ...................................... 33 Figura 5.5: Curva de distribucin granulomtrica para las arenas base 1 y 2 segn mtodo AFS ... 42 Figura 5.6: Curva de distribucin granulomtrica para las arena base 3 .......................................... 46 Figura 5.7: Curva de distribucin granulomtrica bajo Norma AFS y fuera de Norma para la

arena base 1 ....................................................................................................................................... 48 Figura 5.8: Curva de distribucin granulomtrica bajo Norma AFS y fuera de Norma para la

arena base 2 ....................................................................................................................................... 48 Figura 5.9: Morfologa de las partculas de la arena base slice 1 ................................................... 49 Figura 5.10: Morfologa de las partculas de la arena base slice 2 ................................................... 50 Figura 5.11: Morfologa de las partculas de la arena base slice 3 ................................................... 50 Figura 5.12: ndice de Permeabilidad Promedio para tres modalidades de mezclado ....................... 53 Figura 5.13: Gases evidenciados durante la prctica del ensayo de permeabilidad ........................... 57 Figura 5.14: Contenido de humedad superficial en dos noyos de arena ............................................ 60 Figura 8.1: Diagrama de Fases Ternario para la aleacin Cu-Zn-Pb (29) ............................................ 70 Figura 9.1: Figura ilustrativa de las diferentes morfologas existentes en una arena base (14) ........... 74

viii

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

Smbolos y Abreviaciones

AFS American Foundry Society CDA Copper Development Association UNS Unified Numbering System for Metals and Alloys UNI Ente Nazionale Italiano di Unificazione Fase estable Fase intermedia en una aleacin Cu-Zn SiO2 Arena slice ZrO2-SiO2 Arenas de zirconio FeO-Cr2O3 Arenas de cromita FeO-TiO2 Arenas de ilmenita Fe3O4 Arenas de magnetita / magnetita Fe2O3 Hematita Mg-Fe2-SiO4 Arenas de olivino U-F Resina de Urea Formaldehdo Calor ppm Partculas por milln H2 Hidrgeno H2Ov Vapor de agua CO Monxido de carbono SO2 Dixido de azufre Cu2O xido Cuproso [H] Hidrgeno disuelto en el bao lquido [O] Oxgeno disuelto en el bao lquido Tas Temperatura antes del vaciado para la coquilla separada Tac Temperatura antes del vaciado para la coquilla en conjunto Tds Temperatura despus del vaciado para la coquilla separada To Temperatura de operacin del horno de fusin TL Temperatura de lquidus Tv Temperatura de vaciado Tv mx Temperatura de vaciado promedio mxima

ix

Tv mn Temperatura de vaciado promedio mnima Tas Temperatura antes del vaciado para la coquilla separada tv Tiempo de vaciado tp Tiempo de permanencia T Sobrecalentamiento Tmax Sobrecalentamiento para la temperatura de vaciado promedio mxima T min Sobrecalentamiento para la temperatura de vaciado promedio mnima % T Porcentaje de Sobrecalentamiento P ndice de permeabilidad Pprom ndice de permeabilidad promedio tpoexp Tiempo de exposicin del alma de arena a condiciones industriales

x

1

CAPTULO I

INTRODUCCIN

En la actualidad muchas empresas estn en la necesidad de optimizar sus procesos de

produccin con la finalidad de reducir costos. Aunado a esto, se hace ms evidente la importancia que tiene a nivel nacional e internacional, certificar a una empresa bajo estndares internacionales como prueba de la calidad de los productos fabricados y como medio de alcance de nuevos mercados.

Fundicin Pacfico C.A., fue fundada en Guarenas en el ao 1973 e inicia su proceso industrial como una pequea empresa dedicada a la manufactura de piezas para herrajes de sanitarios, grifos para manguera y grifera econmica. Con el transcurrir de los aos se establecen en Filas de Mariche, Caracas, incrementando considerablemente su capacidad productiva y convirtindose en una de las empresas ms prestigiosa en la fabricacin de grifera de lujo, vlvulas de todo tipo para uso domstico e industrial, accesorios para bao y la ms completa lnea de accesorios que complementan cualquier tipo de instalacin sanitaria o industrial.

Actualmente, la empresa desarrolla una reestructuracin orientada a la certificacin ISO en todas sus reas de proceso a travs de la adopcin de un sistema de calidad basado en la Norma COVENIN ISO 9001:2000, Sistema de Gestin de la Calidad. El propsito es poder certificar la calidad de lo manufacturado bajo estndares reconocidos que abran caminos a nuevos mercados, nacionales e internacionales. De manera conjunta, el compromiso de la empresa con la excelencia y su poltica de constante bsqueda y renovacin, promueven la incorporacin de tecnologa de vanguardia en todos sus procesos productivos y la exigencia de optimizarlos con la finalidad de garantizar la calidad de los productos elaborados.

2

Cada pieza metlica de su lnea de productos es diseada y fabricada por la empresa. Esto vincula una etapa de diseo con una serie de procesos metalmecnicos y de fundicin que culminan en una amplia variedad de vlvulas, grifos y accesorios fabricados. Parte de estos productos, se elaboran a partir de un proceso de fusin y vaciado en moldes metlicos junto a un proceso de fabricacin de noyos de arena. El presente trabajo de investigacin se desarroll dentro de estos 2 procesos y estn enmarcados, en relacin a la estructura de la empresa, dentro del departamento de fundicin.

La problemtica existente recae en la necesidad de caracterizar la produccin en forma individual bajo lineamientos ingenieriles especficos y no bajo una metodologa general contenida en los estndares del proceso de fundicin. Bsicamente, se requiere de una prctica de fusin y vaciado a la par de un proceso de fabricacin de noyos caracterstico de la pieza, tomando en cuenta sus propiedades y requerimientos ingenieriles. Como consecuencia de una falta de metodologa especfica de fundicin, algunas piezas vaciadas presentan defectos que derivan en su no funcionalidad, y constituyen prdidas econmicas que justifican la implementacin de mejoras tcnicas que contribuyan a disminuir dichas prdidas y satisfagan las exigencias de la empresa en garantizar productos de la ms alta calidad.

La produccin en masa que representa la tcnica de fundicin en coquillas desarrollada por la empresa representa un factor limitante, ya que puede contraponer la necesidad de caracterizar en forma individual la metodologa de obtencin de una pieza con los beneficios que implica una produccin en serie.

El presente estudio tiene por objeto determinar cules son las posibles causas de los defectos que presentan las piezas de grifera boca baera ARC, ducha regadera Elite y Suprema y grifo lavamanos Swing. Dicho estudio se basa en una evaluacin prctica, orientada a determinar si la metodologa existente en el proceso de mezclado de arena para noyos es inapropiada, y una terica, dirigida a establecer si la prctica de fusin y vaciado es inadecuada. Adems, complementar, bajo estndares de la empresa, los procedimientos normalizados existentes en el rea de fundicin, con nuevas normativas en pro de la optimizacin del proceso.

3

CAPTULO II

OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Caracterizar el proceso de fundicin de piezas para grifera, con la finalidad de estandarizar las variables vinculadas al proceso que permita el diseo e implementacin de controles destinados a maximizar la produccin de piezas libres de defectos.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Determinar las posibles causas que originan la aparicin de porosidades en las piezas sometidas a estudio, mediante una evaluacin prctica de las propiedades fsicas de las mezclas de arenas empleadas en la elaboracin de noyos, y por medio de un estudio terico inherente al proceso de fusin y vaciado que puedan ser de influencia en la generacin de dichos defectos.

Evaluar las propiedades de distintas mezclas de arena para machos en funcin del mejoramiento de su permeabilidad. De igual manera, evaluar las condiciones actuales del proceso de fusin y vaciado en moldes metlicos para la minimizacin de causas que promuevan la aparicin de porosidades en las piezas estudiadas.

Establecer correcciones en los procedimientos estandarizados actuales concernientes a la elaboracin de almas de arena y proceso de vaciado en moldes metlicos siguiendo los lineamientos existentes en la empresa.

Proponer sugerencias viables que contribuyan a mejorar u optimizar los procesos de dosificacin y mezclado de la arena con resina para la elaboracin de almas, as como el procedimiento relacionado al proceso de fusin y vaciado de una aleacin Cu-Zn-Pb.

4

CAPTULO III

FUNDAMENTO TERICO

3.1 ALEACIONES DE COBRE

El cobre puro posee bajas propiedades mecnicas; es blando y con poca resistencia mecnica, y su proceso de fundicin es complicado a la par de ser muy propenso a la formacin de cavidades internas, porosidades y agrietamiento superficial (1,2). Sin embargo, la adicin de pequeas cantidades de elementos aleantes como el zinc, cromo, plomo, silicio, nquel, berilio y plata, mejoran notablemente sus propiedades (1).

A nivel industrial las aleaciones de cobre son usadas en una amplia variedad de aplicaciones. Son excelentes conductores elctricos, cuando el contenido de cobre es alto y con pocas impurezas, por lo que abarcan un uso considerable en la industria elctrica (3). Poseen una buena conductividad trmica, lo que las convierte en una opcin en la fabricacin de intercambiadores de calor y radiadores. Tienen gran resistencia a la corrosin en agua de mar y otros ambientes corrosivos y son de elevada ductilidad y conformabilidad (4).

Las aleaciones de cobre pueden obtenerse por fundicin en moldes y almas de arena y en moldes permanentes, fundicin centrfuga y fundicin a presin (1). Una clasificacin general de las aleaciones, en base a la Asociacin de Desarrollo del Cobre (CDA: Copper Development Association), designa un nmero UNS CXXXXX, que comprende las aleaciones de forja, nmeros C10100 al C79900, y las aleaciones para fundicin, nmeros C80000 al C99900 (5), como se muestra en la tabla 3.1. Este sistema refiere tanto la composicin qumica de la aleacin como a sus propiedades fsicas, mecnicas, elctricas, trmicas y otros aspectos de importancia (1).

Los latones son aleaciones que se componen principalmente de cobre y zinc. Sin embargo, pueden contener adems pequeas cantidades de plomo, estao y aluminio (6). Son las aleaciones de mayor importancia dentro de la familia de aleaciones de cobre por ser las de menor precio, buenas propiedades para la fundicin, ductilidad y facilidad para ser mecanizado (3). Las diferencias en composicin derivan en un color diferente en la aleacin y variaciones en algunas de las siguientes propiedades: resistencia mecnica, maquinabilidad, ductilidad y resistencia a la corrosin (6).

5

Tabla 3.1: Clasificacin de las aleaciones de cobre (5)

ALEACIONES PARA FORJA C1xxxx Cobres (99,3 % mn), y aleaciones de alto contenido de cobre (96% mn, 99,3% mx) C2xxxx Aleaciones de cobre-zinc (latones) C3xxxx Aleaciones de cobre-zinc-plomo (latones de plomo) C4xxxx Aleaciones de cobre-zinc-estao (latones de estao) C5xxxx Aleaciones de cobre-estao (bronces de fsforo) C6xxxx Aleaciones de cobre-aluminio (bronces de aluminio), aleaciones de cobre-silicio

(bronces de silicio) y diversas aleaciones de cobre zinc C7xxxx Aleaciones de cobre-nquel y cobre-nquel-zinc (platas de nquel) ALEACIONES PARA FUNDICIN C8xxxx Cobre de fundicin: aleaciones para fundicin de alto contenido de cobre, latones para

fundicin de varias clases, aleaciones para fundicin de manganeso-bronce y aleaciones para fundicin de cobre-zinc-silicio

C9xxxx Aleaciones para fundicin de cobre-estao, aleaciones de cobre-estao-plomo, aleaciones de cobre-estao-nquel, aleaciones de cobre-aluminio-hierro, aleaciones de cobre-nquel-hierro y cobre-nquel-zinc

En general, los latones pueden clasificarse en latones ; aleaciones cuyo contenido de zinc es inferior al 36 % y latones + ; aleaciones con contenido de cobre entre el 54 y 62 % (6), ver diagrama de fases Cu-Zn de la figura 3.1. La fase , es el constituyente principal en la mayora de las microestructuras de los latones, a excepcin de aquellas con alto contenido de zinc. Es relativamente blanda, dctil y de poca resistencia mecnica (2). La solubilidad del zinc en la solucin slida () aumenta de 32,5 % a 903 C, a aproximadamente un 39 % a 454 C (6).

Un aumento del contenido de zinc hasta un 40 %, aumenta la resistencia mecnica y ductilidad del latn. Por encima de este valor, la ductilidad de la aleacin disminuye por la aparicin del constituyente ; que es duro y frgil (6). Tanto la conductividad trmica como elctrica disminuyen con el aumento del porcentaje de zinc en la aleacin. Otro aspecto relacionado con el contenido de zinc presente, es conocido como flaring o volatilizacin del zinc, ste aumenta con el contenido de zinc a cualquier temperatura de fusin y vaciado y es responsable de la aparicin de defectos en las piezas como sopladuras (2).

En relacin a los elementos aleantes ms importantes que pueden estar presentes en las aleaciones de cobre se tienen los siguientes:

El aluminio (Al), cuando es agregado en proporciones reducidas, mejora la fluidez del metal (3). Adems, es beneficioso para la desoxidacin y previene la volatilizacin del zinc cuando su contenido est por debajo del 0,25 % (6). El nquel (Ni), es un aleante que contribuye a mejorar las propiedades mecnicas y la resistencia a la corrosin de los latones (3,6).

6

El hierro (Fe), contribuye a obtener estructuras de granos ms fino (2,3), aumenta la dureza del latn y reduce su resistencia a la corrosin (3,7). El estao (Sn), como elemento aleante aumenta la dureza de la aleacin y mejora la resistencia a la corrosin (3,7). En contenidos elevados, dificulta la etapa del mecanizado de la pieza (7). El plomo (Pb), mejora el mecanizado de la pieza, en cantidades del 0,5 a 3 % es prcticamente insoluble en el cobre slido y se encuentra distribuido en los latones de plomo en pequeos glbulos (5).

Figura 3.1: Diagrama de fases Cu-Zn (5) 3.2 FUNDICIN EN MOLDES PERMANENTES

El proceso de fundicin en moldes permanentes consiste en el uso de un molde metlico, denominado tambin coquilla, para la produccin en serie de piezas iguales (3). Esto debido a que los moldes empleados, a diferencia del vaciado en moldes perdidos de arena, no son destruidos para remover la pieza fabricada, permitiendo as su uso reiterado en la produccin a gran escala (8).

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El metal lquido se vierte y entra al molde por accin de la gravedad (1), de aqu a que este proceso se le conozca tambin como gravity die Casting (fundicin a gravedad). Sin embargo, cuando se utilizan noyos de arena, al proceso se le refiere como fundicin en moldes semi-permanentes (1,3). Dentro del contexto del presente estudio, se conceptualizar la fundicin en moldes metlicos como fundicin en coquillas.

La fundicin en coquillas requiere de una alta inversin econmica debido a los costos de elaboracin y fabricacin de los moldes; lo que sera irracional su uso en la produccin unitaria de piezas. No obstante, el proceso se hace rentable cuando esta destinado a la produccin masiva (8). La razn es el aumento significativo que se alcanza en el volumen de produccin lo que economiza a su vez mano de obra, tiempo y gastos de mezclas de moldeo que implicara el uso de moldes de arena (3,8).

Las coquillas se fabrican de materiales con una alta estabilidad trmica y resistencia al desgaste. Los ms comunes son la fundicin de hierro, acero, aluminio y cobre (9). La alta conductividad trmica de estos materiales contribuye a acelerar el proceso de solidificacin y enfriamiento de la pieza, favoreciendo, en muchos casos, sus propiedades mecnicas (8) al presentarse estructuras de grano muy fino (3).

En comparacin a la fundicin en moldes de arena, la fundicin en coquillas es un procedimiento que permite obtener piezas ms uniformes, con dimensiones ms exactas y mejor acabado superficial (1). En contraposicin a los moldes de arena, los moldes metlicos no son permeables, hecho que dificulta la salida de los gases y posibilita la aparicin de porosidades (10). Por esta razn, las coquillas deben estar provistas de canales o respiraderos (vents) (9) para la evacuacin de gases, generalmente de profundidad no mayor a los 0,3 mm y practicados en el plano de separacin del molde (8).

Las coquillas pueden ser enterizas o con plano de separacin horizontal, vertical complejo (8). Todo esto permite la extraccin de la pieza vaciada o la puesta del noyo o alma de arena (10). Previo a su uso, es de gran importancia precalentar el molde, de manera uniforme, hasta una temperatura variable que depende del espesor de la coquilla y facilidad con la cual el metal llena el molde (3). La finalidad es evitar el choque trmico con el metal caliente que derive en posibles agrietamientos en la superficie (3). Adems, con el propsito de facilitar el desmoldeo de la pieza y evitar su enfriamiento brusco, las coquillas pueden someterse a un bao de una mezcla a base de grafito (8).

8

El proceso para producir piezas en coquillas o moldes metlicos puede resumirse en las siguientes etapas (8):

1.- Preparacin de las coquillas: corresponde a la limpieza inicial de los moldes para la remocin de polvo, grasas y xidos. Con este fin, puede aplicarse algn mtodo de limpieza superficial; por ejemplo, sandblasting. Esta etapa incluye tambin la aplicacin de algn revestimiento o pintura en la superficie de la coquilla.

2.- Montaje de la coquilla: abarca el armado de las coquillas en sus respectivas mquinas as como la etapa de precalentamiento del molde.

3.- Solidificacin de la pieza: etapa iniciada con el vaciado de metal lquido y su posterior solidificacin.

4.- Extraccin de las piezas: una vez finalizado el enfriamiento de la pieza en las coquillas, se inicia la apertura del molde, mediante algn mecanismo mecnico o manual, y el retiro de la pieza.

5.- Desbarbado y limpieza: durante el proceso de vaciado y debido al desgaste del molde, puede requerirse de una limpieza en el sistema de entrada o la rectificacin de su superficie para eliminar defectos como rebabas o mejorar la tolerancia dimensional de la pieza.

3.3 ARENAS PARA MOLDEO

Una arena base de alta refractariedad, es el componente principal empleado en la preparacin de una mezcla de moldeo. Estas mezclas estn constituidas tambin por algn sistema aglomerante y son las destinadas a la preparacin de noyos y a la fundicin en moldes de arena.

Las arenas de moldeo pueden clasificarse en sintticas y naturales. Las arenas sintticas son arenas lavadas, aglomeradas de forma intencional con un material arcilloso determinado y tamizadas para brindar un tamao y granulometra especfica. Esto permite el manejo de su tamao en base a los requerimientos de la fundicin a realizar. Adems, son arenas refractarias y libres de feldespatos, carbonatos y otras impurezas que pueden actuar como fundentes (11). Estas arenas son de importancia puesto que constituyen, hoy en da, una alternativa a las tradicionales arenas empleadas en el moldeo de piezas.

Las arenas de moldeo naturales son aquellas mezcladas en forma natural con un aglomerante arcilloso y se emplean en la fundicin directamente como vienen de los yacimientos de donde se extraen. Dentro de esta categora, se encuentran las arenas cuarzosas o silceas; las cuales estn constituidas fundamentalmente por partculas de cuarzo o slice (SiO2) cuyo tamao vara

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aproximadamente de 2 a 0,005 mm. Son las ms empleadas en la industria de la fundicin, ms econmicas, de mayor abundancia en la naturaleza y de fcil extraccin de los depsitos naturales (11). Se encuentran en una amplia variedad de tamaos y distribuciones y son altamente refractarias debido al alto punto de fusin de la slice (1.713 C) (8,11). Aunque estas arenas se componen principalmente de slice (SiO2), en algunos casos pueden estar mezcladas con pequeas cantidades de feldespato, mica, xidos de hierro, hidrxidos de hierro, carbonatos y minerales arcillosos. Estas impurezas son las responsables de la coloracin de la arena y la merma de sus propiedades (12).

Existen otras categoras que son utilizadas como arena base; por ejemplo, las arenas de zirconio (ZrO2-SiO2), arenas de cromita (FeO-Cr2O3) (13) y otras arenas de fundicin compuestas por minerales de ilmenita (FeO-TiO2), magnetita (Fe3O4) u olivino (Mg-Fe2-SiO4) (14). Cada una de ellas tiene alguna propiedad especial que la hace necesaria para algn tipo de moldeo especfico (11).

3.4 PROPIEDADES DE MEZCLAS DE ARENAS PARA MOLDEO

Las arenas para fundicin presentan propiedades fsicas que influyen en el desempeo de las mezclas de moldeo y para machos durante el proceso de vaciado. La American Foundrymens Society (AFS), acord que las propiedades ms importantes son: el contenido de humedad, la permeabilidad, resistencia, finura, refractariedad y durabilidad o vida de las arenas (14). No obstante, existen otras propiedades de gran importancia como la colapsabilidad, capacidad de evolucin de gases (13), la cohesin y plasticidad (10).

El conocimiento de las caractersticas ms resaltantes de las propiedades fsicas y su influencia en el proceso de vaciado para la obtencin de piezas libres de defectos, es un aspecto de mucha importancia en la industria de la fundicin. Debido a esto, se enuncian a continuacin las propiedades ms importantes relacionadas con el proyecto de estudio.

Refractariedad: conocida tambin como resistencia termoqumica, es la capacidad de una mezcla de arena para soportar, sin mostrar signos de ablandamiento o fusin, el calor contenido por el metal lquido. Esta propiedad est influenciada por el tamao de las partculas de arena y el contenido de impurezas de presente. A mayor tamao de partcula y menor cantidad de impurezas la refractariedad de la arena aumenta, mientras que un mayor contenido de impurezas y un menor tamao la disminuyen (13).

10

Higroscopicidad: es la capacidad de la mezcla de arena de moldeo o machos de absorber la humedad del aire y es influenciado por las propiedades del enlazante para la preparacin de la mezcla (8,13). Un exceso de agua disminuye la permeabilidad, ya que ocupa los espacios vacos entre partcula y partcula en la mezcla de arena o macho (10).

Colapsabilidad: es la propiedad de la mezcla para machos de colapsar fcilmente una vez enfriada la pieza durante la etapa de remocin del noyo. Depende de la cantidad de arena, de arcilla y el tipo de aglutinante usado en las mezclas para machos (8). En este aspecto, las resinas de Urea Formaldehdo (U-F) son uno de los aglomerantes que promueve una rpida colapsabilidad del macho, en comparacin a las resinas fenol-formaldehdo y otros sistemas aglomerantes (15).

Capacidad de evolucin de gases: es la capacidad de la mezcla de generar gases y vapor durante el vaciado (13), esta propiedad es conocida tambin como poder gasgeno (8). Los gases salen a travs de los poros de la mezcla de arena, y se producen debido a la descomposicin de los materiales orgnicos y la evaporacin del agua (13).

Finura de las arenas: esta propiedad es de gran importancia ya que permite establecer las proporciones de arena, granos y arcilla de una arena de moldeo. Adems, permite conocer el tamao de los granos y las proporciones de cada tamao (14). El nmero de finura es aproximadamente, el nmero de mallas por pulgada de tamiz que justamente dejara pasar la muestra, si todos sus granos fuesen de tamao uniforme. Es prcticamente proporcional, al rea superficial por unidad de peso de arena, excluyendo la arcilla (11,14).

Esta propiedad se determina, en primer lugar, al establecer el contenido de arcilla AFS y en segundo lugar, realizando sobre la muestra obtenida del contenido de arcilla, el anlisis granulomtrico de norma AFS (14). Finalmente, usando los factores de conversin respectivos, se calcula el nmero de finura sobre la informacin del anlisis granulomtrico. Un trmino mencionado que merece ser explicado es la arcilla AFS, la cual se define como: las partculas que se decantan a una velocidad de una pulgada por minuto (2,54 cm/min) cuando estn suspendidas en agua; y usualmente esas partculas son de tamaos menores a 20 m (13).

Permeabilidad: referida tambin por algunos autores como penetrabilidad al gas (8), es la propiedad fsica de la arena de moldeo de permitir el paso de gas, producido a consecuencia del vaciado, a travs de ella (13). Se determina por la cantidad de aire que puede pasar a travs de una muestra patrn cilndrica de norma AFS (50,8 mm x 50,8 mm), bajo una presin normalizada (14).

11

El procedimiento consiste en medir el tiempo necesario para que 2000 cm3 de aire que pasan por una muestra patrn confinada a un tubo a una presin de 10 g/cm2. Al medirse este tiempo, puede definirse el nmero de permeabilidad como la velocidad en ml/s de aire o gases que pasan por un volumen de arena de seccin transversal de 1 cm2 y altura 1 cm (13).

Existen varios factores que regulan o afectan la permeabilidad, entre ellos se tienen el tamao, forma y uniformidad de los granos de arena (10). El tipo y cantidad de aglomerante, la densidad a la cual la arena se ha empacado y el porcentaje de humedad presente (14). De igual manera, influyen tambin la calidad y cantidad de arcilla y arena cuarzosa en la mezcla de arena (8).

La permeabilidad aumenta cuanto ms gruesa es la arena y caso contrario ocurre cuando la arena se hace ms fina (8), ver figura 3.2. Existe tambin una relacin con la cantidad de sedimentos presentes en la arena; si es mayor la cantidad menor ser la permeabilidad (13). Cuando es rpida la formacin de gases en una arena de moldeo de baja permeabilidad, la presin del gas puede exceder a la presin de la masa fundida vaciada o presin metalosttica, y el gas como consecuencia, tiende a salir a travs del metal y no a travs de la mezcla, para conducir a la formacin de cavidades gaseosas en las piezas (8,13).

Figura 3.2: Curva de permeabilidad base para la serie de tamices U.S (7)

El trmino PAN significa plato o fondo de la serie

12

En relacin a la morfologa de las partculas de la arena, se conoce que sta puede ser circular, angular, subangular y compuesta. Siendo esta ltima una mezcla de alguno de los granos mencionados. En general, los granos circulares son los que ofrecen mejor permeabilidad cuando son apisonados y presentan la mnima rea de contacto entre granos. Debido a esto, ofrecen una baja resistencia en verde, se cocinan fcilmente y requieren, generalmente, la menor cantidad de material aglutinante (16).

Los granos angulares, confieren baja permeabilidad al ser apisonados pero ofrecen alta resistencia en verde y son los que frecuentemente requieren mayor cantidad de aglutinante. Cuando estos granos son muy angulares mayor es la tendencia a fracturarse Los subangulares, ofrecen condiciones intermedias. Los granos compuestos presentan condiciones no deseables puesto que se fracturan cuando son sometidos al calor (16).

El caso ideal es contar con partculas de arena cuya morfologa se aproxime ms a la esfrica y su tamao sea lo ms uniforme. En estas condiciones, es mayor el espacio vaco disponible entre las partculas lo que imposibilita que aquellas de diversos tamao rellenen los espacios vacos que quedan entre los grandes, disminuyendo como consecuencia la permeabilidad. Sin embargo, un tamao excesivo disminuye la cohesin y la plasticidad de la mezcla de arena de moldeo puesto que en estos casos, lo idneo es contar con partculas de poco tamao y de forma irregular. Debe existir un equilibrio ya que en general, las condiciones que son favorables a la cohesin de la mezcla no lo son para la permeabilidad (10).

Cuando se requieren especificaciones para las arenas de fundicin, stas quedan sujetas a los requisitos individuales de la empresa o fundidor. La mayora de las especificaciones se basan en el anlisis granulomtrico deseado, contenido de arcilla y componente mineral presente. Las tolerancias referentes al contenido de humedad, permeabilidad en verde y resistencia en verde en las arenas naturalmente aglutinadas pueden establecerse mediante ensayos dispuestos por la AFS para este fin (14).

3.5 ALMAS DE ARENA

En la industria de la fundicin son muchas las formas que pueden fabricarse de materiales metlicos. Dentro de esta amplia variedad existen piezas que requieren del diseo de cavidades y hacerlas partiendo de la pieza llena sera muy costoso o fsicamente imposible, y es en estos casos cuando se emplean los noyos (12).

13

Un noyo es una forma elaborada a partir de una mezcla, generalmente de arena con otros componentes, que se dispone en un molde o coquilla con la finalidad de fundir cuerpos huecos o piezas con determinadas secciones que no pueden obtenerse directamente del molde (12). Los noyos tambin pueden ser fabricados de acero, fundiciones de hierro, plstico(1), materiales cermicos entre otros (2) y bajo diferentes mtodos de elaboracin (1). La escogencia del tipo de noyo obedece esencialmente al punto de fusin del metal a fundir, el tamao y geometra de la pieza a obtener, la cantidad de piezas a producir, costos del material y del proceso de fabricacin (1). En base al contenido de proyecto de investigacin, los noyos sern referidos como almas de arena. Otros sinnimos aplicables pueden ser: machos (8), nimas (10), o ncleos, este ltimo derivado del trmino en ingles cores (1,2) .

Las almas constituyen el hueco o cavidad de la pieza, por esta razn deben ser de menor tamao que la pieza a obtener (10). Deben estar provistas de prolongaciones o apndices, llamadas marcas de noyos o portadas de macho, para encajar en huecos dispuestos adecuadamente en el molde denominados soportes de macho. Esto con el propsito de fijar de manera precisa su posicin y evitar as el desplazamiento del alma durante la colada, debido a la presin que ejerce el metal lquido, y permitir la evacuacin de los gases que se desprenden del macho (8,10).

Las almas durante el vaciado quedan rodeadas de metal lquido (8), motivo que exige su resistencia a las acciones trmicas, erosin, deformacin (12) y penetracin del metal (3). El uso de machos de arena reduce los procesos de mecanizado posteriores de las piezas (3) e incluso permite la elaboracin de formas imposibles de reproducir directamente por este medio (2). El noyo debe colapsar despus de solidificada la pieza y su remocin o extraccin de su interior debe ser lo ms fcil posible; con un simple golpe o movimiento vibratorio de la pieza (12).

Es imperativo que los noyos de arena sean permeables, ya que esto facilita la salida de los gases producidos y contribuye a garantizar la calidad y sanidad de la pieza vaciada (10). En este aspecto, el macho debe estar elaborado de materiales que no promuevan el exceso de formacin de gases que contribuya a disminuir la evolucin de stos en la pieza y evitar la aparicin de sopladuras (12). 3.6 PROCESO DE ELABORACIN DE ALMAS DE ARENA

En general, y en relacin al proyecto de investigacin, el macho se elabora de una mezcla de arena base, resina y catalizador, que una vez introducida en la caja de noyo y por la alta temperatura de ste, ocurre una reaccin qumica que le da resistencia al noyo (proceso en caja caliente o Hot

14

box process). Basados en estos principios, es comn encontrar en la literatura procesos similares que estn destinados a la elaboracin de almas de arena. Puede mencionarse el shell molding process y el referido proceso Hot box. Ambos guardan muchas similitudes entre s y en la actualidad tienden a ser referidos como procesos equivalentes, por lo que muchas de sus caractersticas y aspectos son compartidos.

El campo de aplicacin del proceso Hot Box abarca la industria automovilistica y la industria de la grifera y miscelneos; siendo esta ltima rama el campo de aplicacin ms comn de este proceso (16). El proceso consiste en revestir la arena base con una resina sinttica termoendurecible y un catalizador mediante un proceso de mezclado mecnico.

La mezcla resultante permanece en estado hmedo, se carga en la mquina de fabricacin y se inyecta a un molde metlico con la forma del noyo a producir. La accin del calor de la caja del noyo promueve una reaccin de curado en la mezcla de arena que termina dndole dureza al noyo. La reaccin que simplifica el proceso es la siguiente (1):

Resina slida + agua + calor (Ec. 3.1) Resina lquida + Catalizador

Las resinas son un tipo de aglomerante que se introduce en la mezcla de arena para machos con el propsito de unir las partculas de arena y darle resistencia en estado hmedo y seco (8). La cantidad presente en la mezcla influye en las propiedades de la arena. Un aumento del contenido de resina, aumenta la resistencia en caliente y fro y la evolucin de gases, mientras que disminuye la permeabilidad (17).

Se clasifican en dos grupos, las resinas termoplsticas y las resinas termoendurecibles. Las termoplsticas, son resinas generalmente slidas a temperatura ambiente que se ablandan con el calor y se endurecen al enfriarse, recuperando sus propiedades fsicas iniciales. Las termoendurecibles, son resinas que al estar sometidas a la accin del calor sufren una reaccin de entrecruzamiento que transforma la resina en un slido incapaz de revertirse al estado lquido inicial (17). Las resinas de U-F pertenecen a esta categora, puesto que experimentan reacciones de curado al ser calentadas y generalmente en presencia de un catalizador cido (18). La figura 3.3, muestra la estructura terica qumica de una resina U-F. Debe sealarse, que en la prctica otros tipos de enlaces y grupos funcionales son parte de la estructura (enlaces di-metil ter, grupos hidroximetlicos libres, grupos imino sin reaccionar, entre otros) (19).

15

CH2

CH2 CH2O

CH2N C N

CH2 O

N C N

O

CH2

O O

NCNCH2NCN

NCH2 N C NCH2

Figura 3.3: Estructura qumica de la resina de Urea-Formaldehido (19)

El catalizador, es una sustancia aadida para modificar la velocidad de la reaccin al cambiar su energa de activacin (20). El cido liberado durante el proceso es el responsable de inducir un rpido curado del noyo (1).

El proceso de mezclado tiene por finalidad distribuir de manera uniforme, la resina y el catalizador sobre la superficie de las partculas de arena (8). Una de las formas de llevarlo a cabo, es agregar primero el catalizador a la arena base y dejar mezclar. Posteriormente, se agrega la resina y se mezcla por un tiempo adicional que asegure el recubrimiento apropiado de las partculas. Una referencia para los tiempos de adicin de los componentes puede ser: arena y catalizador a los 2 minutos (para un mezclador de velocidad regular) y 30 s (mezclador de alta velocidad); la resina lquida 4 minutos (mezclador de velocidad regular) y 60 s (mezclador de alta velocidad) (16).

Otra manera, es hacer una premezcla de catalizador y resina y agregarla seguidamente a la arena base y mezclar el conjunto por un tiempo de 1 a 4 minutos. La premezcla debe hacerse en un contenedor abierto a la atmsfera, a una temperatura por debajo de 32,2 C y con un tiempo mximo de uso, previo a su destino a la arena base, de 10 minutos (12).

La reaccin de curado, o reaccin de entrecruzamiento, es el endurecimiento de la resina por accin de la temperatura. Esto se debe a la transformacin de un prepolmero lineal y lquido a una estructura molecular tridimensional formada por enlaces covalentes en todas las direcciones (16).

El entrecruzamiento se genera por el calor (5), siendo la temperatura un factor determinante en la velocidad de la reaccin; a mayor temperatura mayor velocidad de la reaccin (21). El curado de la resina se completa como resultado de la reaccin exotrmica del proceso, ver ecuacin 3.1,

16

puesto que el calor liberado es absorbido por el noyo luego de ser removido del molde, garantizando as el curado completo del mismo (1).

El proceso Hot Box es aplicable a todos los tipos de aleaciones, ferrosas y no ferrosas, con la salvedad de emplear formulaciones de resina y catalizador acordes a las particularidades del proceso (12). El espacio fsico requerido en el taller de fundicin se hace menor; puesto que se necesitan menos mquinas necesarias para la fabricacin del alma (3); por ejemplo, no se requieren de secadores para completar el curado del noyo (16).

La velocidad de produccin de los noyos es mayor, ya que se requiere fracciones de tiempo menores en comparacin a los mtodos convencionales. Los machos fabricados son de fcil transportacin y poseen mayor resistencia; hecho que reduce la posibilidad de fractura de los mismos durante su traslado y manipulacin. Las dimensiones obtenidas son de mayor exactitud y la etapa de remocin o destruccin del alma, luego de solidificada la pieza, es ms fcil debido al aumento de las propiedades de colapsabilidad que adquiere la mezcla (16).

Como adversidades, la temperatura de la arena base constituye un factor crtico. Una arena a bajas temperaturas puede retardar la reaccin resina-catalizador y un exceso de ella la acelerara. El tiempo de vida til de la mezcla es corto, lo que condiciona su uso de forma inmediata. Los gases de formaldehdo producidos durante el proceso de fabricacin pueden ser nocivos para las operarios, lo que implica contar con sistemas de ventilacin adecuados o espacios abiertos donde fabricar los noyos (16).

3.7 DEFECTOS EN PIEZAS VACIADAS

Cuando no existe un minucioso cuidado en las variables que inciden en el proceso de elaboracin de piezas fundidas surgen defectos. Su variedad es amplia y muchos aparecen en la pieza tanto a nivel externo como interno. Algunos ejemplos generales pueden ser: rebabas, grietas en caliente, inclusiones y poros (8). Las causas que los ocasionan y por ende sus soluciones, constituyen el reto constante de la ingeniera en garantizar piezas de buena calidad

Las porosidades por gases son defectos que aminoran la calidad y propiedades mecnicas de la pieza, ocasionando su rechazo durante la etapa de produccin o puesta de servicio. Existen diferentes tipos de porosidades que tienen como aspecto comn la evolucin de un gas con la consecuente formacin de un poro. Para el cobre y sus aleaciones, el gas disuelto de mayor inconveniente, tendencioso a la formacin de porosidades, es el hidrgeno (H2). No obstante, el

17

vapor de agua (H2O), monxido de carbono (CO) y dixido de azufre (SO2) constituyen otras posibles fuentes (1).

En el caso especfico de los latones son el hidrgeno (H2) y el vapor de agua (H2O) los principales gases a considerar (1). Conjuntamente a esto, y vlido tambin para las aleaciones de cobre hechas por fundicin en moldes de arena y mediante el empleo de noyos, deben tomarse en cuenta el uso de arenas muy finas, el contenido de humedad presente en la mezcla de arena o para machos y la baja permeabilidad como causas en la formacin de porosidades (8). As mismo, debe considerarse la existencia de porosidades debidas al inadecuado diseo de la pieza (13,22) y la influencia de parmetros relacionados al proceso de fusin y vaciado del metal; como la temperatura (12), el aire impulsado por el metal lquido durante la colada y las reacciones qumicas ocurridas con el metal lquido (8).

Existen varios mtodos para la remocin de gases del bao metlico entre los que pueden mencionarse el mtodo de xido-reduccin y el mtodo de flujo de gas inerte. El primero no es recomendable para aquellas aleaciones que contienen fuertes desoxidantes, como el caso de los latones dado el contenido de zinc presente. En estos casos se recomienda la remocin de gases por flujo de gas inerte (1). Conviene sealar, a diferencia de lo expuesto por algunos autores en lo relacionado al flaring o volatilizacin del zinc (2), que este hecho es beneficioso para remover los gases disueltos en el bao metlico. Esto debido, en primer lugar, a que el zinc es un fuerte desoxidante y en segundo lugar, posee una alta presin de vapor que contribuye a la remocin del hidrgeno fuera del bao (1). En vista de la importancia del hidrgeno en las aleaciones de cobre lquido, se presenta en la figura 3.4, la solubilidad de este elemento en base a la temperatura.

12

3

Figura 3.4: Solubilidad del hidrgeno en cobre lquido en funcin de la temperatura (PH2 = 1 atm). Las lneas 1, 2 y 3 corresponden, al comportamiento sugerido por tres autores diferentes de la

relacin entre solubilidad y temperatura en cobre lquido (1)

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3.8 PROCESO DE FUNDICIN EN LA EMPRESA

Fundicin Pacfico C.A, elabora su propia aleacin de trabajo que destinan a la elaboracin de piezas por vaciado en coquillas. Con este propsito, desarrollan un proceso de fabricacin de almas de arena y un proceso de fusin y vaciado. En este ltima parte, como fue visto en la seccin 3.2, el vaciado se hace por gravedad dentro de una coquilla o molde metlico. Estos moldes forman parte de una mquina de fabricacin, la cual por tratarse de un medio mecnico, presenta una serie de parmetros o controles que permiten su manejo de forma automtica. En vista de esto, conviene definir a continuacin unas variables que fueron sometidas a medicin de temperatura:

a.- Temperatura antes del vaciado, para la coquilla separada (Tas): es la temperatura de las superficies internas del molde (tanto macho como hembra) bajo las siguientes condiciones: despus del enfriamiento de los moldes, previo a la puesta del noyo y con las coquillas separadas. La escogencia de los puntos internos a evaluar depende de las caractersticas de la pieza.

b.- Temperatura antes del vaciado, para la coquilla en conjunto (Tac): es la temperatura medida antes de vaciar el metal lquido, luego de colocada el alma de arena y una vez que las coquillas se hayan cerrado; corresponde a la temperatura de las superficies exteriores del molde, tanto para la coquilla macho como hembra. La escogencia de los puntos externos a ser medidos depende de las caractersticas de la pieza.

c.- Temperatura despus del vaciado, para la coquilla separada (Tds): es la temperatura interna, para macho y hembra, medida despus del vaciado luego de retirada la pieza, con las coquillas separadas y previo a su etapa de enfriamiento. Nuevamente, en base a las caractersticas de la pieza, se consideran los puntos internos a medir

El enfriamiento que se hace mencin en Tas, es lo concerniente a la etapa enfriamiento de las coquillas luego de ser vaciado el metal lquido, solidificada la pieza y removida del molde. Este enfriamiento se realiza de manera continua cada vez que se haya producido una pieza; su accionamiento puede ser de forma manual (pedal de accin) o automtica en el panel de control de la mquina.

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CAPTULO IV

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Esta parte del proyecto estuvo dividida en 2 etapas. En la primera, se establecieron las condiciones para evaluar en forma terica el proceso de elaboracin de piezas. En la segunda, se evaluaron las propiedades de las mezclas de arena para noyos y su relacin con la generacin de defectos en las piezas vaciadas.

4.1 DESCRIPCIN DE LAS PIEZAS

El proyecto contempl el estudio de tres piezas de grifera para baos fabricadas por Fundicin Pacfico C.A., conocidas comercialmente como: boca baera ARC (pieza 1), grifo lavamanos Swing (pieza 2) y ducha regadera Elite y Suprema (pieza 3). Las piezas 1 y 3, forman parte de la lnea de productos ducha-baera mientras que la pieza 2 es parte de la lnea de lavamanos, ver figura 4.1. La seleccin de estas piezas para el estudio responde a defectos distribuidos en forma aleatoria en toda su geometra, siendo la ducha regadera Elite y Suprema el producto ms afectado. Conviene sealar que la parte estudiada en la pieza ducha regadera Elite y Suprema, fue el cuerpo de la misma y el trmino elite y suprema hace mencin al accesorio agregado en la zona terminal del grifo.

Pieza 1

a)

Pieza 2

Pieza 3

c) b)

Figura 4.1: Piezas de grifera para bao consideradas en el proyecto de investigacin a) Pieza 1: Boca Baera ARC. b) Pieza 2: Grifo lavamanos Swing. C) Pieza 3: Ducha Regadera Suprema

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Las piezas son fabricadas a partir de una aleacin Cu-Zn-Pb mediante un proceso de fusin y vaciado en moldes metlicos, que conjuntamente requiere de la elaboracin de noyos de arena para el moldeo de las secciones huecas. Adicionalmente, una serie de procesos de mecanizado prepara las piezas para el tratamiento qumico que les brinda el acabado superficial que las convierte en grifera de lujo. La empresa elabora su propia aleacin de trabajo y dentro de un sistema de nomenclatura que clasifique la composicin qumica del metal, la aleacin empleada en el vaciado en coquillas es similar a la UNS C85700.

4.2 PROCESO DE FUSIN Y VACIADO

Se hizo un seguimiento al proceso de fusin y vaciado con el fin de establecer todos los parmetros vinculados al mismo, y determinar a partir de aqu las etapas del proceso en la que es factible realizar mejoras para disminuir la aparicin de defectos presentes en las piezas estudiadas.

A continuacin se presenta la metodologa empleada por Fundicin Pacfico en la manufactura de sus productos:

a.- Recepcin de chatarra metlica: consiste en la recepcin de la chatarra metlica, la cual se compone esencialmente de latn y aleaciones de cobre que cumplan con los requerimientos tcnicos de la empresa. De esta manera, tubos de cobre, lmparas, grifera y vlvulas fuera de servicio, entre otros, son parte de los productos usados como chatarra. Adicionalmente, esta etapa comprende la clasificacin del material, de acuerdo a: su color, uso, textura, sonido de impacto, y otros criterios basados en la amplia experiencia del personal encargado. Una vez clasificada la chatarra, es destinada al horno de fusin.

b.- Proceso de carga y fusin: en esta etapa del proceso se carga y funde, en un horno de induccin elctrico basculante, la chatarra metlica previamente seleccionada junto con lingotes de cobre, zinc, plomo y material de retorno. Este ltimo, se compone de todo el material metlico de removido producto de los diversos procesos de mecanizado desarrollados en la empresa, as como aquellas piezas fabricadas que fueron descartadas por controles de calidad a lo largo de la manufactura de los productos.

El horno de fusin tiene instalado una termocupla de base metlica que permite la medicin en forma continua de la temperatura del bao metlico. La modalidad de carga del horno est establecida por la empresa: se funde continuamente todo lo relacionado a la chatarra, material de retorno y lingotes de cobre. Trozos de aluminio y lingotes de zinc y plomo, son agregados con el propsito de alcanzar la composicin deseada en la aleacin. De esta manera, se preparan dos

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aleaciones, una destinada al horno de afino y utilizada para la colada de piezas en moldes metlicos, y la otra empleada en el horno de colada continua de barras, ambas aleaciones presentan una composicin qumica similar a la UNS C85700. La diferencia entre una y otra es el contenido de aluminio, el cual puede ser ajustado en este horno. La aleacin lquida es desescoriada antes de su vaciado.

c.- Anlisis de composicin qumica en horno de fusin: esta etapa consiste en corroborar la composicin qumica del metal lquido con los valores mximos y mnimos de las especificaciones internas de la empresa para las dos aleaciones producidas. Dependiendo del resultado y de la prioridad de produccin, se determina si el traspaso se realiza hacia el horno de afino o al horno de colada continua de barras.

Los anlisis son practicados bajo dos situaciones. La primera, previamente al proceso de traspaso al horno de afino o al horno de colada continua y la segunda, como medida de control de calidad con un mnimo de 4 mediciones diarias.

La metodologa seguida se inicia con la preparacin de una muestra cilndrica y culmina con su evaluacin en un espectmetro de chispas. Para este fin, se retira manualmente, del centro del horno y con una cuchara de vaciado, una pequea muestra de material lquido y es vertida en un molde cilndrico. Una vez solidificada la muestra, se prepara su superficie por medio de un refrentado en un torno para finalmente destinarla al espectmetro.

Cuando la composicin qumica es la requerida se prosigue con el proceso de traspaso. En el caso contrario, se realizan los ajustes pertinentes, que consisten en agregar al horno los aleantes necesarios (zinc y plomo en lingotes y trozos aluminio) y agitarlos durante 5 minutos para su homogenizacin.

d.- Traspaso de material fundido: una vez comprobada la composicin qumica, se realiza el

traspaso del metal lquido para los siguientes casos:

- Caso a: desde el horno de fusin hasta el horno de induccin elctrica o afino cuando la

aleacin es UNS C85700 (de mayor contenido de aluminio) . Esto se realiza de forma manual

y empleando un crisol.

- Caso b: desde el horno de fusin hasta el horno de colada continua de barras cuando la

aleacin es similar a una UNS C85700 (de menor contenido de aluminio). Este se lleva a cabo

en forma automtica en un crisol.

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En ambos casos, el proceso se realiza lo ms rpido posible para evitar un enfriamiento

excesivo de la aleacin. Conviene sealar que el caso b no fue considerado en el proyecto, sin

embargo, su conocimiento es necesario para la descripcin del proceso de fundicin de la empresa.

e.- Proceso de vaciado en coquillas: en esta etapa se agregan aluminio y zinc puros con el fin de hacer el ajuste final de la composicin. El horno empleado en este proceso es de induccin elctrica (afino) y posee una entrada para el material metlico y una salida para retirar, de forma manual y mediante cucharas de vaciado, el metal lquido a ser vaciado en las coquillas, ver figura 4.2. Adicionalmente, cuenta con termocuplas para la medicin de la temperatura en un panel de control.

S E

a)

1

Figura 4.2: Vista esquemtica del horno utilizado en el vaciado de coquillas metlicas (vista superior) E representa la entrada del horno y S la salida

El proceso de vaciado en los moldes metlicos se lleva a cabo de forma continua, no se ve interrumpido por la carga del horno. De manera regular, y cuando los operadores lo consideran necesario, se hace el desescoriado del bao metlico para continuar con la produccin de piezas.

f.- Anlisis de composicin qumica en horno de afino: en esta parte del proceso se evala, nuevamente, la composicin qumica del material fundido. La metodologa seguida es la misma que la expuesta en la seccin c. n caso que la composicin corresponda a la exigida se prosigue al vaciado en coquillas. En cas contrario, se realizan los ajustes pertinentes, los cuales consisten en adicionar al horno trozos dehomogenizacin. Los anlisicalidad; generalmente dos me

4.2.1 Variables Evaluadas

Para el proceso genepudieran ser de importanciaaparicin de defectos en las p

Eo

aluminio o cobre en lingotes y agitarlos durante 5 minutos para su s se elaboran de forma regular a lo largo del da como control de diciones en la maana y dos en la tarde.

ral de fusin y vaciado se consideraron las siguientes variables que en la posterior etapa de discusin y propuesta de soluciones a la iezas vaciadas:

23

a.- Temperatura de operacin del horno (To): es la temperatura a la cual se funde el material de carga en el horno de fusin. Dicha variable fue medida directamente del panel de control. Se hizo un mnimo de dos registros de temperatura, cada una de ella con tres mediciones.

b.- Temperatura de vaciado (Tv): es la temperatura a la cual se hace el vaciado en los moldes metlicos. Este parmetro fue medido haciendo un seguimiento a la temperatura registrada en el panel de control del horno de afino durante la produccin de las piezas estudio. Se hizo un mnimo de tres registros de temperatura, cada una de ella con cinco mediciones.

En relacin al vaciado de la aleacin lquida en las coquillas, para las tres piezas estudio, se consider la medicin de los siguientes parmetros: temperatura antes del vaciado para la coquilla separada (Tas), Temperatura antes del vaciado, para la coquilla en conjunto (Tac), Temperatura despus del vaciado, para la coquilla separada (Tds), Temperatura despus del vaciado, para la coquilla conjunto (Tdc), Tiempo de vaciado (tv) y Tiempo de permanencia (tp). Todos las temperaturas referidas fueron medidas empleando un termmetro infrarrojo marca Raytek modelo ST 60 con rango de apreciacin 0 600 C. Para los tiempos se utiliz un cronmetro. La figura 4.3, muestra los puntos considerados para la medicin de la temperatura en las coquillas metlicas.

Tas Tds

I II

Canales

Forma interna del molde para el asiento del alma de arena

Caso a)

Tac *

*

**

*

* *

*

*

*

* Canal de entrada del metal lquido

I II

Caso b)

Figura 4.3: Esquema ilustrativo para la medicin de temperaturas del molde metlico. Caso a) Coquillas abiertas. Tas,Tds , son puntos de la superficie interna, tanto para la coquilla macho como la hembra, que pueden estar medidos en la forma de la pieza o en el sistema de entrada. Caso b) Coquillas

acopladas. Tac*, denota los posibles lugares considerados para la medicin de la temperatura, puede apreciarse que son puntos de la superficie exterior de la coquilla. I.- Coquilla hembra, II.- Coquilla Macho

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4.3 FABRICACIN DE ALMAS DE ARENA Y EVALUACIN DE SUS PROPIEDADES

En esta etapa se realiz un seguimiento al proceso de elaboracin de noyos de arena desarrollado actualmente en la empresa. Esto permiti establecer los parmetros necesarios para la posterior evaluacin de algunas propiedades de las arenas base y de la mezcla de arena para almas. Posteriormente, la observacin realizada se compar con los estndares de la empresa para verificar el cumplimiento de la metodologa contenida en las normativas.

4.3.1 Arenas Base

Para la identificacin de las arenas base usadas en la realizacin de los ensayos, se recopil la informacin necesaria que permitiera describir sus aspectos ms relevantes. La figura 4.4, muestra el aspecto fsico de las tres arenas base consideradas en este estudio. A continuacin se presentan sus caractersticas ms importantes:

- Arena base 1: arena slice 40-100 usada por Fundicin Pacfico C.A para la elaboracin de almas. Su anlisis granulomtrico no est determinado bajo norma AFS. Se emple en las tres piezas estudiadas as como en otras fabricadas por la empresa. El perodo de uso de esta arena abarc el primer trimestre de la pasanta.

- Arena base 2: arena slice 40-100 usada por Fundicin Pacfico C.A. para la elaboracin de almas. Al igual que la anterior, su distribucin granulomtrica no esta determinada bajo norma AFS. Se emple durante la fase final del proyecto de investigacin, en sustitucin de la arena base 1. De las tres piezas de estudio slo la grifera ducha regadera Elite y Suprema, fue fabricada con esta arena junto con otra serie de piezas desarrolladas por la empresa.

- Arena base 3: arena slice 20-50 proveniente de una empresa proveedora de insumos y materiales para la industria de la fundicin, suministrada en calidad de muestra. Con certificado de anlisis granulomtrico. Se destin para la evaluacin de algunas propiedades y determinar su factibilidad de uso en la preparacin de mezclas de arena para noyos.

CBA

Figura 4.4: Apariencia fsica de las arenas base empleadas. A) arena base 1, B) arena base 2, C) arena base 3

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4.3.2 Ensayos Practicados a la Arena Base

Con la finalidad de evaluar algunas de las propiedades fsicas de las arenas base, se realizaron los siguientes ensayos:

A.- Finura de las arenas

La finura de arenas bajo normas AFS contempla la determinacin de los ensayos: cantidad de arcilla AFS y anlisis granulomtrico (14). El grado de finura se calcula, posteriormente, usando la informacin obtenida del anlisis granulomtrico y los respectivos factores de clculo. Para la realizacin de estos ensayos se utilizaron la arena base 1 y arena base 2. La arena base 3, no fue sometida a evaluacin, ya que su distribucin granulomtrica es un factor previamente conocido y establecido por la empresa proveedora.

A.1- Contenido de arcilla AFS

Para la realizacin de este ensayo se sigui lo sugerido en el procedimiento norma AFS para determinar el contenido de arcilla (14). Se usaron un total de seis muestras, tres pertenecientes a la arena base 1 y tres pertenecientes a la arena base 2. Cada una de las muestras era de 50,0 g. y para medir dicha cantidad se emple una balanza digital marca OHAUS modelo SP2001 de precisin + 0,1 g. Todas las muestras fueron secadas en una estufa marca Harry W.Dietert CO tipo NSE-11, previo al ensayo de decantacin, a una temperatura de 126 C y durante una hora.

Para el proceso de decantacin de la arena, se usaron 25,0 ml de una solucin de pirofosfato de sodio al 5 % y 475,0 ml de agua destilada. La agitacin se realiz con un agitador mecnico, marca Harry W. Dietert CO tipo NSE-11. El procedimiento fue repetido varias veces hasta que el agua estuvo clara. El tiempo de agitacin y de asentamiento fueron, 5 y 10 minutos, respectivamente. Luego de culminado el sifoneo de la solucin, se emple nuevamente la estufa para hacer el secado final de la arena a una temperatura de 126 C, durante un tiempo de 24 horas. Finalmente, el contenido de arcilla se determin por la diferencia en peso entre la muestra seca y la muestra original de 50,0 g (14), por medio de la siguiente expresin:

( )pesodeprdidaarcilla = 2% (Ec. 4.1) A.2- Anlisis granulomtrico

La realizacin de este ensayo fue basado en lo expuesto en el Procedimiento Norma para el Anlisis Granulomtrico de la AFS (14). Se utilizaron las arenas base 1 y 2 provenientes del ensayo de decantacin. De igual manera, se emple la serie de tamices Tyler (series 6-12-20-30-40-50-70-

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100-140-200-270 y fondo) y un dispositivo agitador norma marca C.E. Tyler modelo Ro-Tap Testing Sieve Shaker (14). El tiempo de tamizado fue de 15 minutos y el peso de material retenido para cada tamiz fue medido empleando una balanza digital marca OHAUS, modelo SP2001 con precisin + 0,1 g.

Con la finalidad de considerar la aplicacin del ensayo de anlisis granulomtrico, fuera de norma AFS, se repiti el ensayo para las arena base 1 y 2 sin determinar el contenido de arcilla presente. Se emple una masa de 50,0 g. de cada arena y la metodologa seguida corresponde a lo estipulado en la norma referida. El nmero de finura AFS se determin, mediante la expresin sealada en la ecuacin 4.2, donde Xi corresponde al porcentaje de arena silcea retenida en el tamiz i y m es el factor multiplicador para cada malla, todo la metodologa seguida se encuentra en el apndice A.

=

i

ii

XmX

AFSFinuradeNmero (Ec. 4.2)

B.- Forma de grano

El inters en establecer la morfologa de las partculas de las arenas slice condujo a la comparacin de fotografas tomadas a cada una de las arenas con patrones de referencia existentes en la AFS, ver anexo A. Para ello, se utiliz un microscopio estereoscpico marca Nikon modelo SMZ645, con un lente adaptable Nikon G-AL 2x, el cual estaba conectado a un transformador marca Nikon modelo XN, y adaptado a una cmara digital estndar. La importancia en escoger muestras aleatorias que permitan generalizar la morfologa existente para cada arena, fue un aspecto considerado. Para las 3 arenas base, se escogieron al azar 3 muestras, de aproximadamente 2 g. cada una, pertenecientes a 3 puntos diferentes del lote disponible.

4.3.3 Mezcla de Arena para Noyos

Para reproducir a nivel de laboratorio la mezcla de arena de noyos elaborada por la empresa Fundicin Pacfico C.A., se realiz un seguimiento al proceso de dosificacin y mezclado de resina y arena, que tiene por finalidad revestir la arena base con resina y catalizador, y al proceso de fabricacin del noyo, en el que la mezcla de arena, previamente elaborada, se destina al medio de fabricacin en el cual se le da forma y resistencia al noyo.

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A.- Identificacin de componentes

Para esta parte, la observacin realizada al proceso de dosificacin y mezclado de resina y arena, permiti establecer los componentes necesarios en la preparacin de la mezcla. A continuacin se presentan los materiales con los cuales se prepara una mezcla de arena para la fabricacin de noyos.

- Arena base: las arenas base silcea usadas fueron referidas previamente en la seccin 4.3.1.

- Resina: resina sinttica termoendurecible de urea formaldehdo U-F.

- Catalizador: compuesto qumico de sales de amonio recomendado para ser empleado de manera conjunta con la resina mencionada.

Las caractersticas y propiedades ms importantes de estos componentes pueden apreciarse en el anexo B.

B.- Mtodo de mezclado

La finalidad aqu es determinar la influencia del mtodo de mezclado en las propiedades de los noyos. Los mtodos propuestos se desarrollaron considerando los siguientes aspectos: orden de adicin de los componentes, cantidad de material empleado, tiempo de adicin de los componentes y tiempo total de mezclado. La escogencia de estos parmetros responde al seguimiento realizado al proceso de dosificacin y mezclado de arena y resina de la empresa. Debido a que el equipo usado a nivel de laboratorio era ms pequeo que el de la empresa, fue necesario establecer una relacin de proporcin entre las revoluciones/minuto dadas por ambos equipos. Los clculos respectivos se presentan en el apndice B. A continuacin, los tres mtodos de mezclado practicados:

Mtodo A: es el mtodo de mezclado desarrollado actualmente por la empresa Fundicin Pacfico C.A. Con este propsito, se hizo un seguimiento minucioso al proceso de mezclado para la preparacin de la mezcla de arena de machos, y al proceso de elaboracin del noyo de arena una vez introducida la mezcla de arena para machos en su mquina de fabricacin. A continuacin los aspectos considerados:

- Orden de adicin: se sigui la forma de mezclado desarrollada por la empresa estableciendo el orden de adicin de los componentes.

- Cantidad de elementos: se midi el peso de cada uno de los componentes destinados a la preparacin de la mezcla. Se emple para ello una balanza digital marca Mettler, modelo Spider con precisin + 0,1 g.

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- Tiempo de adicin: con un cronmetro se midieron los tiempos en los cuales iban siendo agregados los componentes de la mezcla.

- Tiempo total de mezclado: nuevamente con el cronmetro se midi el tiempo total para la preparacin de la mezcla.

Adicionalmente, se consider la observacin del proceso de fabricacin del noyo de arena con la finalidad de establecer parmetros que pudieran ser de influencia en la realizacin de los ensayos a la mezcla de arena para machos. Dichos parmetros fueron:

- Temperatura de elaboracin del alma: para el alma de una pieza de grifera pico regadera Elite y Suprema, dicho parmetro fue medido directamente del panel de control de la mquina. Para las otras dos piezas de estudio se hicieron mediciones directas sobre la caja de noyo, empleando un termmetro infrarrojo marca Raytek modelo ST 60 con rango de apreciacin 0 600 C.

- Tiempo de coccin del alma: este parmetro fue medido directamente del panel de control de la mquina para las tres piezas de estudio.

Mtodo B: es el mtodo de mezclado que sugiere la norma interna de la empresa y cuya aplicacin no se encuentra en uso. Aunque dicha norma contempla, un cambio en el orden de adicin de los componentes as como sus cantidades en comparacin al mtodo A, se consider emplear nicamente las cantidades sealadas en la norma y mantener fijo el orden de adicin del mtodo A.

Mtodo C: es el mtodo propuesto para optimizar los valores de ndice de permeabilidad obtenidos entre el mtodo A y el mtodo B. Consiste en mantener el orden de adicin de los componentes propuesto en la norma interna y las cantidades a emplear, derivan de aquel mtodo de mezclado ensayado que obtuvo un mayor ndice de permeabilidad promedio.

Las arenas base 1 y 2 se utilizaron para cada uno de los 3 mtodos de mezclado enunciados. La arena base 3, se destin nicamente en la preparacin del mtodo A. Esto ante la posibilidad de tomar en cuenta el uso de esta arena, en las condiciones actuales de la empresa, como una opcin viable en la preparacin de mezclas de arena para noyos.

La tabla 4.1, muestra el orden y cantidad de los componentes usados para cada mtodo de mezclado. De igual manera, en la tabla 4.2, se aprecian los tiempos de adicin de los componentes. La metodologa seguida para la determinacin de estos factores se presenta en el apndice B.

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Tabla 4.1: Mtodos de mezclado practicados para evaluacin de propiedades

Mtodo de Orden de adicin Cantidades usadas de componentes (g) mezclado 1ero 2do 3ro Arena base Catalizador Resina

A Arena base* catalizador resina 1200 + 0,1 6 + 0,1 30 + 0,1 B Arena base* catalizador resina 1200 + 0,1 3 + 0,1 30 + 0,1 C Arena base* resina catalizador 1200 + 0,1 3 + 0,1 30 + 0,1

* Arena base 1 y 2

Tabla 4.2: Tiempo de adicin de los componentes de la mezcla

Mtodo de Tiempo de adicin de componentes (s) mezclado Arena Catalizador Resina

Tiempo total de mezclado (s)

A 0 32 201 643 B 0 32 201 643 C 0 201 32 643

C.- Preparacin de la mezcla de arena para noyos

Las diferentes mezclas se prepararon en un mezclador automtico marca Schemmann A.G Vogel & Hagen-Kabel modelo 16169512. Para medir la cantidad necesaria de cada componente se emple una balanza digital marca OHAUS, modelo SP2001 y precisin + 0,1 g. El tiempo para la adicin de los componentes fue medido con un cronmetro.

Se agreg la arena base y el resto de los componentes segn las cantidades, orden y tiempos definido en las tablas 4.1 y 4.2. Una vez terminada la mezcla, sta fue guardada en un cilindro contenedor de aluminio y destinada a la elaboracin del ensayo pertinente.

Para distinguir cada una de las mezclas de arena estudiadas, se estableci la nomenclatura sealada en la tabla 4.3. Se design como base, la nomenclatura mtodo XY, donde X representa la arena base usada y toma valores: 1,2 y 3; y Y denota el mtodo de mezclado: A, B y C.

Tabla 4.3: Nomenclatura de los mtodos de mezclado empleados

Nomenclatura Significado Mtodo 1A Mtodo de mezclado A con arena base 1 Mtodo 2A Mtodo de mezclado A con arena base 2 Mtodo 1B Mtodo de mezclado B con arena base 1 Mtodo 2B Mtodo de mezclado B con arena base 1 Mtodo 1C Mtodo de mezclado C con arena base 1 Mtodo 2C Mtodo de mezclado C con arena base 2 Mtodo 3A Mtodo de mezclado A con arena base 3

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4.3.4 Ensayos Practicados a la Mezcla de Arena para Noyos

A.- Permeabilidad

Bajo las diferentes condiciones estipuladas por la AFS para determinar la permeabilidad, se consider la permeabilidad de macho curado por el mtodo de horneado a una temperatura mayor a 110C (14). La escogencia de esta modalidad, as como la temperatura de trabajo igual a 375C, responden a la necesidad de aproximar los ensayos a las condiciones industriales de la empresa.

La probeta norma AFS se elabor empleando un apisonador marca Dietert Detroit y un recipiente tubular de dimensiones estandarizadas: dimetro interior de 50,8 mm + 0,025 mm y altura de 120,45 mm + 0,178 mm (14). Para cada mezcla se pes, utilizando una balanza de precisin marca OHAUS, modelo 22038 y apreciacin + 0,1g., una cantidad de material tal que garantizaba, mediante tres golpes de apisonamiento, la formacin de la probeta norma dentro del rango de tolerancia del apisonador. La cantidad final de golpes considerados para la elaboracin de la probeta fueron 10. Esta medida se mantuvo fija para todos los mtodos de mezclado.

Para realizar el curado de la resina, el conjunto probeta tubo fue colocado por 5 minutos en un horno tipo estufa a las condiciones escogidas. Posteriormente, dicho conjunto fue puesto por 10 minutos en un desecador de vidrio, que estaba conectado a una bomba de vaco marca GAST MFG.Corp modelo 0211-V45M-G8CX. Transcurrido este lapso, en un Permemetro de Lectura Directa marca Dietert Detroit, se midi el tiempo, en segundos, que tardaban en pasar a travs de la probeta 2000 cc de aire. Por ltimo, el ndice de permeabilidad (P), se calcul con la siguiente expresin:

t

P 2,3007= [s

ml ] (Ec. 4.3)

B.- Contenido de humedad superficial en almas de arena

Para la realizacin de este ensayo se sigui el procedimiento sugerido tanto en la seccin de Ensayos Diversos de la AFS: Ensayo de la Absorcin de Humedad por Mezclas de Arena para Machos Fuera de norma- como el Mtodo Norma para Determinar la Humedad en mezclas de arena (14). El propsito de este ensayo es determinar, bajo los procedimientos propuestos en ambas normativas, la cantidad de humedad superficial existente, en noyos fabricados bajo condiciones industriales que fueron expuestos al ambiente de la empresa. La arena base con la cual la empresa elabor los noyos destinados a este ensayo, fue la arena base 2.

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La primera etapa del ensayo consisti en exponer al ambiente de la empresa la cantidad de noyos necesarios, pertenecientes a d