ES2342483T3 - Procedimiento y aparato de colada con eliminacion del molde. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para la colada de metales que comprende las etapas de: proporcionar un molde (36, 120) que comprende un aglomerado y un aglutinante; suministrar un metal fundido (122) al molde; solidificar el metal fundido; descomponer al menos una porción del molde, incluyendo la disolución del aglutinante, en el que la etapa de descomponer al menos una porción del molde comienza antes de que se haya completado la etapa de solidificar el metal fundido.

Description

Procedimiento y aparato de colada con eliminación del molde.

Referencia cruzada a una solicitud relacionada

La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional estadounidense con nº de serie 60/394.713, presentada el 9 de julio de 2002.

Campo de la invención

La presente invención está relacionada con la colada de metales. Más en particular, la presente invención está relacionada con un procedimiento y un aparato para la colada de metales con eliminación del molde.

Antecedentes de la invención

En el procedimiento de colada tradicional, se vierte metal fundido en un molde y se solidifica, o se enfría, mediante una pérdida de calor hacia el molde. Cuando se ha perdido suficiente calor en el metal como para que se solidifique, el producto resultante, es decir, la pieza fundida, puede soportar su propio peso. Acto seguido, la pieza fundida es extraída del molde.

Los diferentes tipos de molde de la técnica anterior ofrecen ciertas ventajas. Por ejemplo, los moldes de arena verde están compuestos de un aglomerado, la arena, que se mantiene cohesionada con un aglutinante, como, por ejemplo, una mezcla de arcilla y agua. Estos moldes pueden fabricarse rápidamente; por ejemplo, en diez (10) segundos para los moldes simples en una instalación automatizada de fabricación de moldes. Además, la arena puede reciclarse fácilmente para su uso ulterior.

Otros moldes de arena usan a menudo aglutinantes químicos basados en resinas que poseen una precisión dimensional elevada y gran dureza. Tales moldes de arena aglutinados por resinas requieren algo más de tiempo de fabricación que los moldes de arena verde, porque debe darse una reacción de endurecimiento para que el aglutinante llegue a ser efectivo y permita la formación del molde. Como en los moldes aglutinados con arcilla, la arena puede, a menudo, ser reciclada, aunque con algún tratamiento para eliminar la resina.

Además de una fabricación relativamente rápida y económica, los moldes de arena también tienen una productividad elevada. Un molde de arena puede ser retirado una vez que se ha vertido el metal fundido para dejarlo enfriarse y solidificarse, permitiendo que se rellenen otros moldes.

Lo más habitual es que la arena que se usa como aglomerado en el moldeo con arena sea sílice. Sin embargo, se han usado otros minerales para evitar la indeseable transición del cuarzo alfa al cuarzo beta a aproximadamente 570 grados Celsius (ºC), que incluye el olivino, la cromita y el zircón. Estos minerales poseen ciertas desventajas, ya que el olivino es a menudo variable en su composición química, lo que da a problemas de control uniforme con los aglutinantes químicos. Típicamente, la cromita se tritura, lo que crea granos angulares que llevan a un acabado superficial deficiente en la pieza fundida y al rápido desgaste del utillaje. El zircón es pesado, lo que aumenta las exigencias al equipo que se usa para formar y manipular un molde, y causando un rápido desgaste del utillaje.

Además de las desventajas creadas por los aspectos excepcionales de la sílice y de minerales alternativos, los moldes de arena con arcilla y aglutinantes químicos no permiten típicamente el enfriamiento rápido del metal fundido, debido a su conductividad térmica relativamente reducida. El enfriamiento rápido del metal fundido es a menudo deseable, dado que se sabe en la técnica que con tal enfriamiento mejoran las propiedades mecánicas de la pieza fundida. Además, el enfriamiento rápido permite la retención de mayor número de los elementos de la aleación en disolución, introduciendo con ello la posibilidad de eliminar el subsiguiente termotratamiento de solubilización, lo que ahorra tiempo y gastos. La eliminación del termotratamiento de solubilización evita el enfriamiento rápido que sigue normalmente, eliminando los problemas de distorsión y de fatiga residual en la pieza moldeada que son causados por el enfriamiento rápido.

Como alternativa a los moldes de arena, se usan a veces moldes fabricados de metal o moldes semipermanentes o moldes con enfriaderos. Estos moldes metálicos son particularmente ventajosos, gracias a que su conductividad térmica relativamente elevada permite que el metal fundido de la colada se enfríe y se solidifique rápidamente, lo que origina a propiedades mecánicas ventajosas en la pieza fundida. Por ejemplo, un proceso particular de colada, denominado fundición por inyección a presión, utiliza moldes de metal y se sabe que tiene una velocidad de solidificación rápida. Tal velocidad de solidificación rápida queda indicada por la presencia de una separación fina de brazos dendríticos (SBD) en la pieza fundida. Tal como se sabe en la técnica, cuando mayor es la velocidad de solidificación, menor es la SBD. Sin embargo, la fundición por inyección a presión permite a menudo la formación de defectos en una pieza fundida debido a que ocurre una extrema turbulencia superficial en el metal fundido durante el llenado del molde.

Además, todos los moldes fabricados de metal poseen una desventaja económica significativa. Dado que la pieza fundida tiene que enfriarse antes de que pueda extraerse del molde, deben usarse múltiples moldes de metal para lograr una productividad elevada. La necesidad de múltiples moldes en una colada con moldes permanentes aumenta el coste del utillaje y, típicamente, tiene como resultado costes de utillaje que son al menos cinco veces superiores que los asociados con los moldes de arena.

En consecuencia, es deseable desarrollar un procedimiento de colada y aparatos relacionados que tengan la ventaja de la solidificación rápida de los moldes de metal, y que tengan a la vez costes más reducidos, una productividad elevada y la capacidad de recuperación asociada con los moldes de arena.

El documento CH622726 da a conocer un procedimiento para desmoldear un compuesto de moldeo aglutinado con silicatos de un molde relleno de colada en el que el molde relleno de colada está expuesto a la acción de una solución alcalina en agua para la disolución del aglutinante alcalino y el desprendimiento de granos del compuesto de moldeo. Aquí, se puede hacer que el molde relleno de colado descienda hasta la solución alcalina en agua, o esta puede verterse o pulverizarse sobre el mismo. Preferentemente, la solución acuosa tiene un pH de al menos 12. Con este fin, la solución acuosa puede volverse alcalina con un hidróxido de metal alcalino o con amonio. Dicho procedimiento facilita el desmoldeo del compuesto de moldeo aglutinado con silicatos.

Breve resumen de la invención

Según la presente invención, se proporciona un procedimiento para la colada de metales según la reivindicación 1.

Breve descripción de los dibujos

La invención puede adoptar forma física en ciertas partes y conjunto de partes o en ciertas etapas del procedimiento, una realización preferida de los cuales se describirá con detalle en la presente memoria y será ilustrada en los dibujos adjuntos, que forman parte de la misma y en los que:

La Fig. 1 es un diagrama de flujo de las etapas asociadas con una realización de la presente invención;

la Fig. 2 es una vista lateral esquemática de un diseño de otra realización de la presente invención;

la Fig. 3 es una vista lateral esquemática de un diseño de otra realización de la presente invención;

la Fig. 4 es una vista lateral de una muestra de ensayo tratada según un procedimiento de la técnica anterior;

la Fig. 5 es una representación gráfica de una curva de enfriamiento de la muestra de ensayo de la Fig. 4, que ilustra una curva de enfriamiento de la técnica anterior;

la Fig. 6 es una vista lateral de una muestra de ensayo tratada según una realización de la presente invención;

la Fig. 7 es una representación gráfica de una curva de enfriamiento de la muestra de ensayo de la Fig. 6, que ilustra una curva de enfriamiento de la presente invención; y

la Fig. 8 es una representación esquemática del diseño de de otra realización adicional de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

Con referencia ahora a los dibujos, en los que lo mostrado es con fines de ilustrar la realización preferida de la invención y no con fines de limitarla, la Fig. 1 ilustra las etapas del procedimiento de la invención. Debe hacerse notar que la invención es adecuada para la colada de cualquier metal, incluyendo las aleaciones no ferrosas basadas en magnesio, aluminio y cobre, así como de aleaciones ferrosas y aleaciones de alta temperatura como las basadas en níquel y aleaciones similares. En primer lugar, se forma un molde, etapa 10.

El molde está compuesto de un aglomerado 12 y de un aglutinante 14. El aglomerado 12 incluye un material que tiene una capacidad térmica mínima y/o una conductividad térmica mínima para reducir el calor que se extrae del metal fundido. Al reducir el calor que se extrae, el metal fundido no se solidifica de forma prematura, y así fluye de manera uniforme a todas las porciones de los moldes grandes y a las zonas delgadas. El aglomerado 12 también puede tener un bajo coeficiente de expansión térmica y ningún cambio de fase, permitiendo el uso del molde a altas temperaturas a la vez que se mantiene una precisión dimensional elevada.

El aglomerado 12 puede estar compuesto de partículas aproximadamente esféricas, que imparten un buen acabado superficial a la pieza fundida y minimizan el desgaste del utillaje. El tamaño de las partículas debería ser lo suficientemente fino como para permitir la creación de un buen acabado superficial en la pieza fundida, pero el tamaño puede aumentarse si el molde ha de ser permeable a los gases de ventilación.

Un material ejemplar que puede usarse para el aglomerado 12 es la arena de sílice. Tal como se ha descrito anteriormente, la arena de sílice puede poseer algunas desventajas, pero, ciertamente, tiene muchas características deseables como aglomerado 12, incluyendo una forma de partícula lisa, un tamaño pequeño de partícula, bajo coste y buenas propiedades térmicas hasta su temperatura de transición de cuarzo alfa/beta.

El aglomerado 12 se aglutina con un aglutinante 14 que es soluble. El aglutinante 14 puede ser un material inorgánico que capte poco hidrógeno o ninguno, evitando la exposición perjudicial del metal fundido al hidrógeno. En consecuencia, el aglutinante puede no contener ni agua ni hidrocarburos. Tal falta de agua o de hidrocarburos también permite que el molde se seque a temperaturas elevadas, o que se caliente hasta la temperatura de fundición del metal, muy por encima del punto de ebullición del agua. El aglutinante 14 también puede tener una separación reducida de gases cuando se moldea el metal fundido, reduciendo la necesidad de un molde o núcleos de molde que sean permeables. La evidencia de un molde permeable permite el uso de partículas de tamaño más fino para el aglomerado 12, lo que, como se ha descrito más arriba, es ventajoso.

Un aglutinante 14 ejemplar que posee las características descritas se basa en vidrio al fosfato, aglutinante que se conoce en la técnica. El vidrio al fosfato es un material amorfo soluble en agua que incluye óxido fosfórico, P_{2}O_{5}, como constituyente principal con otros compuestos, como alúmina y magnesia u óxido de sodio y óxido de calcio. Otros aglutinantes 14 ejemplares incluyen silicatos inorgánicos, como el silicato de sodio, sulfatos de magnesio y otras sales y los boratos. Aglutinantes 14 ejemplares adicionales incluyen los sistemas en los que se añade un aglutinante orgánico, como el uretano, a un aglutinante inorgánico conocido y el aglutinante orgánico está en el intervalo entre aproximadamente el 1 por ciento en peso (% p.) y aproximadamente el 51% p. del sistema aglutinante.

Una vez que se forma el molde, en la etapa 10, se pone en su lugar para que pueda llenarse de un metal fundido, en la etapa 16. Por ejemplo, el molde puede mantenerse sobre el suelo de una fundición, tal como se conoce en la técnica. El metal fundido se vierte en el molde en la etapa 18. El molde puede estar diseñado para permitir que el metal fundido fluya conforme a la gravedad, lo que se conoce en la técnica como vertido por gravedad.

Tras el vertido del metal en el molde, en la etapa 18, el molde es sometido a la acción de un disolvente, como mediante pulverización, en la etapa 20. Como se ha mencionado, el aglutinante 14 es soluble. Así, el disolvente disuelve el aglutinante y, con ello, hace que el molde se descomponga 22. Al descomponerse 22 el molde, la pieza fundida queda expuesta al disolvente, lo que hace que se enfríe rápidamente y se solidifique 24. Así, la pieza fundida se separa del molde y se enfría simultáneamente de forma rápida, lo que resulta en una pieza fundida que se ha fabricado en un molde económico y ha solidificado rápidamente, por lo que tiene propiedades mecánicas ventajosas. Además, el suministro de un disolvente de una manera tal como la pulverización puede tener un intenso efecto de enfriamiento zonal en el metal fundido, fomentando que toda la pieza fundida solidifique progresivamente, facilitando con ello la alimentación y garantizando la solidez de la pieza fundida.

Un disolvente ejemplar es el agua. El agua es medioambientalmente aceptable y tiene elevada capacidad térmica y calor latente de evaporación, lo que le permite absorber una cantidad significativa de calor antes de evaporarse. Así, puede proporcionan un efecto óptimo de enfriamiento para permitir una solidificación rápida del metal moldeado.

Otros disolventes pueden incluir líquidos o gases que descomponen 22 el aglutinante y que enfrían 24 el metal moldeado. Por ejemplo, pueden usarse agentes apagadores conocidos con aglutinantes debidamente solubles. Además, puede arrastrarse arenilla en el fluido refrigerante (líquido o gas) y usarse para descomponer 22 el molde por abrasión, a la vez que el molde está siendo deshecho por el fluido. La arenilla puede cumplir también un segundo fin, concretamente, permitir que el metal moldeado sea granallado por la arenilla mientras se enfría 24, dando propiedades superficiales ventajosas adicionales.

A medida que el molde se descompone 22 cuando se lo pulveriza con el disolvente 20, pueden recuperar al menos algunos de los constituyentes del molde, etapa 26. El aglomerado puede entonces acumularse 28 para su secado y su reutilización. Además, el disolvente puede recogerse 30, filtrarse y se lo puede hacer recircular para un uso ulterior. En algunos sistemas, tal como se conoce en la técnica, también puede recuperarse el aglutinante mediante un sistema de recuperación.

Pasando ahora a la Fig. 2, se proporciona un esquema que ilustra los aparatos implicados en la etapa 20 (aludiendo nuevamente a la Fig. 1) de sometimiento del molde a un disolvente. Se ha usado un crisol o un cucharón 32 para verter metal fundido 33 en la cavidad 34 de un molde que está definida por un molde 36 de la composición descrita anteriormente de aglomerado y aglutinante. Un alimentador 38 es la última porción que se moldea. Una boquilla pulverizadora 40 dirige un chorro A de disolvente, como agua, al molde 36. El chorro A puede suministrarse en cualquier configuración adecuada, desde una corriente estrecha a un abanico amplio, y puede ser una corriente continua o una corriente pulsante, según dicte la aplicación particular.

El suministro del disolvente, es decir, la pulverización, puede empezar en la base del molde 36. Se hace descender el molde 36 para permitir que la boquilla 40 suministre el disolvente de manera progresiva a porciones intactas del molde 36 para que el molde 36 se descomponga por entero. De forma alternativa, el molde 36 puede permanecer estacionario y puede hacerse que la boquilla 40 se mueva para suministrar progresivamente un chorro A de disolvente al menos a parte del molde 36. Para permitir que el chorro A entre en contacto con toda la circunferencia del molde 36 para una rápida descomposición de este, puede hacerse girar al molde 36 o puede moverse la boquilla pulverizadora 40 en torno al molde 36.

El caudal y la presión de suministro del chorro A son de un valor que es lo suficientemente elevado como para descomponer el molde 36, y, no obstante, lo suficientemente reducido como para permitir que el disolvente se filtre por el molde 36 para que el disolvente filtrado llegue al metal moldeado 33 con antelación con respecto a la fuerza plena del chorro A. Por ejemplo, puede ser ventajoso un suministro de volumen elevado y presión reducida en un intervalo de aproximadamente 0,5 a 50 litros por segundo lps, a una presión que oscila entre 3 kPa y 7 MPa. De esta manera, el disolvente filtrado provoca la formación de una corteza relativamente sólida en el metal moldeado 33 antes de que el 33 entre en contracto con la fuerza del chorro A, evitándose con ello la distorsión del metal 33 o la explosión resultante de un contacto excesivamente directo del disolvente con el metal fundido 33. Tal como se sabe en la técnica, la adición de un tensioactivo al disolvente en el chorro A o a la formulación aglutinante puede potenciar la filtración del disolvente a través del molde 36. Además, al menos parte del calor que es absorbido por el molde 36 procedente del metal fundido 33 puede aumentar la temperatura del disolvente a medida que el disolvente se filtra por el molde 36, con lo que aumenta la energía del disolvente y se hace que deshaga el molde 36 más rápidamente.

Una consideración adicional para el caudal y la presión del suministro del chorro A es el contacto con el metal moldeado 33 una vez que se ha descompuesto el molde 36. El caudal y la presión del chorro A deben ser lo suficientemente reducidas para evitar daños a la pieza fundida 33, pero deben ser lo suficientemente elevadas como para superar la formación de una capa de vapor. Se forma una capa de vapor por la evaporación del disolvente que se ha filtrado por el molde 36 para entrar en contacto con el metal 33 para formar la corteza en la pieza fundida 33. La capa de vapor reduce la transferencia de calor alejándose del metal moldeado 33 y es perjudicial para el enfriamiento rápido que es necesario para obtener las propiedades y los efectos deseables que se describen más arriba. Así, es ventajoso calibrar el chorro A para superar la capa de vapor.

El control del chorro A puede ejercerse de al menos dos maneras. Pueden ajustarse el caudal y la presión de suministro para lograr todos los parámetros anteriores, o pueden usarse dos configuraciones separadas. Si se usando dos configuraciones separadas, puede establecerse una configuración para la descomposición del molde 36, y puede temporizarse una configuración separada y reducida para reemplazar la configuración de descomposición cuando el chorro A esté a punto de entrar en contacto con el metal moldeado 33. Por supuesto, la manera en la que se suministre el chorro A, es decir, una corriente estrecha, un abanico amplio, un flujo continuo, un impulso intermitente, etc., probablemente afectará en consecuencia a las configuraciones de caudal y presión del chorro A.

La solidificación de la pieza fundida 33 empezando por su base y progresando hasta su parte superior permite que el alimentador 38 permanezca en estado fundido durante la máxima duración de tiempo, para que pueda seguir alimentando la pieza fundida 33. Al alimentar la pieza fundida 33 durante un periodo de tiempo mayor, se minimizan los vacíos creados por la contracción del metal 33 con el enfriamiento. La solidificación desde la base de la pieza fundida 33 hasta la parte superior también permite que tengan lugar cambios de largura o longitudinales antes de que la solidificación sea completa, eliminando con ello todo aumento de tensión interna, que a menudo ocurre en el enfriamiento rápido.

Es importante hacer notar que una única boquilla 40 no está limitada a una dirección de la base a la parte superior para la pulverización, tal como se ha descrito en lo que antecede. Dependiendo de la aplicación, puede ser deseable pulverizar el chorro A desde la parte superior del molde 36 hasta su parte inferior, desde un punto medio a un extremo, o en algún patrón similar.

Con referencia a la Fig. 3, la aplicación del disolvente no está limitada a una única dirección o a una única boquilla. Por ejemplo, pueden estar presentes dos o más boquillas 42, 44, 46, 48 y 50, deshaciendo el molde 36 desde múltiples direcciones. Cada boquilla 42, 44, 46, 48 y 50 puede pulverizar sendos chorros B, C, D, E y F sobre el molde 36. De esta manera, si se desea en una aplicación particular, el molde 36 puede descomponerse de manera más rápida y uniforme. Puede estar presente un número cualquiera de boquillas, dado que un gran número de boquillas puede ser ventajoso para moldes 36 grandes o complejos, o pocas boquillas pueden proporcionar una cobertura óptima para otros moldes 36. Como en la Fig. 2, puede hacerse girar el molde 36 y se lo puede mover verticalmente para permitir una completa distribución de los chorros B, C, D, E y F, o las boquillas 42, 44, 46, 48 y 50 pueden ser movidas mientras el molde 36 y la pieza fundida 33 permanecen estacionarios.

Además, cuando se usan boquillas múltiples 42, 44, 46, 48 y 50, puede ser ventajoso temporizar la función de las boquillas 42, 44, 46, 48 y 50 para que se complementen entre sí. Por ejemplo, puede estar activada la boquilla inferior 50, haciendo con ello que el chorro F pulverice contra parte inferior del molde 36. Puede cerrarse la boquilla inferior 50 y pueden abrirse las boquillas laterales 44 y 48 para pulverizar los chorros C y E contra el molde 36, y así sucesivamente. Tal temporización coordinada de boquillas múltiples puede optimizar la descomposición del molde 36 y/o la dirección de enfriamiento del metal moldeado 33 para proporcionar las características deseadas de la pieza fundida 33.

Con referencia de nuevo a la Fig. 2, la boquilla 40 puede montarse en un alojamiento 80, lo que permite un movimiento relativo entre la boquilla y el molde 36. Además, puede asociarse de manera operativa un control 82 con la boquilla 40 para regular la pulverización del disolvente a través de la boquilla. Puede emplearse una bomba 84 para suministrar disolvente desde un depósito 86 a la boquilla a través de un conducto 88. El conducto 88 puede ser flexible y permitir el movimiento del alojamiento 80 en relación con el depósito 86. Con referencia ahora de nuevo a la Fig. 3, puede usarse un regulador 100 para accionar de manera selectiva las distintas boquillas 42-50 en una secuencia o un orden deseados.

Para ilustrar el diseño y el efecto de los procedimientos y los aparatos de la presente invención, se hace referencia a los siguientes ejemplos. Debe entenderse que la presente invención no está limitada a los ejemplos, y que pueden llevarse a cabo diversos cambios y modificaciones en la invención sin apartarse del espíritu y el alcance de la misma. Aunque los siguientes ejemplos se describen con referencia a aleaciones de aluminio, tal como se ha mencionado más arriba, la invención es adecuada para la colada de una amplia variedad de metales y aleaciones.

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Ejemplos

Ejemplo 1

Enfriamiento de la técnica anterior

La Fig. 4 es una vista lateral de una primera muestra 52 de colada. La primera muestra 52 fue de aluminio 6061 e incluía un alimentador 54 en el que el termopar se fijaba en el punto G. La primera muestra 52 se formó calentando el aluminio hasta una temperatura de aproximadamente 720ºC en un crisol calentado por electricidad. El aluminio se vertió en un molde alimentado por gravedad que se había precalentado a aproximadamente 177ºC y que estaba compuesto de un aglomerado de arena de sílice que tenía un tamaño medio de grano de aproximadamente 150 micrómetros (\mum) y un aglutinante basado en vidrio al fosfato.

La arena era arena Wedron 505 y el aglutinante se obtuvo en MA International, de Chicago, Illinois, que vende el aglutinante con el nombre comercial de Cordis Nº 4615. El aglutinante era aproximadamente el 1% del peso del molde. Se mezclaron aproximadamente 2,99 kilogramos kg de arena Wedron 505 con 29,9 gramos g de aglutinante Cordis Nº 4615. La mezcla se llevó a cabo con una mezcladora eléctrica manual y el molde se coció durante 30 minutos a aproximadamente 149ºC.

La muestra 52 fue vertida en menos de 10 segundos desde la retirada del crisol del calor. El diámetro de la sección media de la primera muestra 52 era de aproximadamente 20 milímetros (mm), y la longitud de la muestra 52 era de aproximadamente 120 mm. Durante el vertido, el molde se mantuvo a una temperatura de 65ºC.

Tras el moldeo, se dejó que la primera muestra 52 enfriase hasta alcanzar la temperatura ambiente según la técnica anterior y se generó la curva de enfriamiento mostrada en la Fig. 5 por el termopar en el punto G (aludiendo nuevamente a la Fig. 4). La curva de enfriamiento G_{cc} incluye una temperatura H de vertido de aproximadamente 720ºC y una temperatura I de solidificación o enfriamiento de aproximadamente 650ºC. A la temperatura I de enfriamiento se alcanzó un plató J de detención térmica. Cuando acabó el plató J de detención térmica, la primera muestra 52 moldeada estaba lo suficientemente enfriada como para permitir que fuera extraída de su molde. El resto de la curva K representa el enfriamiento final de la muestra 52. El tiempo L de solidificación fue de poco más de tres minutos. Se muestra una curva de enfriamiento M_{cc} de la presente invención, que ha de ser descrita en el Ejemplo 2 posterior, únicamente como referencia.

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Ejemplo 2

Realización ejemplar de la presente invención

La Fig. 6 es una vista lateral de una segunda muestra 56 de colada. La segunda muestra 56 fue de aluminio 6061 e incluía un alimentador 58 en el que el termopar se fijaba en el punto M. la segunda muestra también incluía una sección media superior 60, una sección media inferior 62 y una parte inferior 64. Se colocaron termopares en los puntos N, O y P, en la sección media superior 60, en la sección media inferior 62 y en la parte inferior 64 de la segunda muestra 56, respectivamente.

La segunda muestra 56 se formó calentando el aluminio hasta una temperatura de aproximadamente 720ºC en un crisol calentado por electricidad. El aluminio se vertió en un molde alimentado por gravedad que se había precalentado a aproximadamente 177ºC y que estaba compuesto de un aglomerado de arena de sílice que tenía un tamaño medio de grano de aproximadamente 150 \mum y un aglutinante basado en vidrio al fosfato, como en el primer ejemplo. La muestra 56 fue vertida en menos de 10 segundos desde la retirada del crisol del calor. El tiempo de llenado del molde fue de aproximadamente 3 segundos. El diámetro de la sección media de la segunda muestra 56 era de aproximadamente 20 mm, y la longitud de la muestra 56 era de aproximadamente 120 mm. Durante el vertido, el molde se mantuvo a una temperatura de aproximadamente 65ºC.

Inmediatamente después de que se vertiera el metal fundido, es decir, en menos de 10 segundos después de que se llenara el molde, se dirigieron 0,5 litros por segundo de agua a la base del molde por medio de un único chorro horizontal en abanico. Se usó un gran volumen de agua a baja presión para deshacer el molde. Específicamente, se suministró agua a una presión de aproximadamente 7 MPa mediante, por ejemplo, un pulverizador de agua de 5 kilovatios (kW) o 3,73 kW. El agua era agua de la red general o de grifo a temperatura ambiente y se pulverizó con un patrón de pulverización en abanico plano lo bastante ancho como para abarcar la anchura del molde. Las dimensiones del chorro de agua en el punto en el que impactaba con el molde eran de 4 mm por 35 mm. El chorro se elevó progresivamente durante un periodo de aproximadamente 45 segundos hasta la parte superior del molde para que el molde se deshiciera con el lavado.

El agua u otro fluido pueden pulverizarse a presiones y caudales cambiantes. Un intervalo que se demostró que era satisfactorio para el moldeo del Ejemplo 2 oscila entre un mínimo de aproximadamente 4 litros a aproximadamente 300 kPa y aproximadamente 11 litros a aproximadamente 10 MPa.

También debería apreciarse que la pieza fundida puede ser enfriada adicionalmente después de que se deshaga el molde siguiendo pulverizando la pieza fundida con el fluido refrigerante. La humedad del medio ambiente no parece importar significativamente en la eliminación del molde. Sin embargo, mantener una humedad elevada o humedecer el molde previamente puede acelerar el procedimiento de eliminación.

La Fig. 7 muestra las curvas de enfriamiento generadas por los termopares situados en los puntos M, N, O y P en la segunda muestra 56 (aludiendo nuevamente a la Fig. 6). La curva de enfriamiento en el punto M en el alimentador 58 recibe la designación M_{cc}, mientras que la curva en el punto N en la sección media superior 60 recibe la designación N_{cc}, la curva en el punto O en la sección media inferior 62 recibe la designación O_{cc} y la curva en el punto P en la parte inferior 64 de la muestra 56 recibe la designación P_{cc}. Todas las curvas de enfriamiento M_{cc}, N_{cc}, O_{cc} y P_{cc} tenían una temperatura de vertido entre aproximadamente 650ºC e inmediatamente por encima de 700ºC. Como en el ejemplo anterior, la temperatura Q de vertido en el alimentador 58 está por encima de 700ºC. Los platós R de detención térmica para las curvas M_{cc}, N_{cc}, O_{cc} y P_{cc} de enfriamiento estaban a los 650ºC o ligeramente por debajo, como en el ejemplo anterior. Sin embargo, los platós R de detención térmica acababan relativamente de prisa, pasando el enfriamiento final S rápidamente a través de la temperatura T de la curva final de solidificación de 582ºC y a la temperatura ambiente en un lapso U sumamente breve, un tiempo de aproximadamente un minuto.

Es importante hacer notar que el tiempo de solidificación, es decir, el tiempo en el que terminaba cada plató R de detención térmica, variaba a lo largo de la muestra 56 según el orden de enfriamiento. El plató R de detención térmica para la curva de enfriamiento en el punto P, la primera zona en ser enfriada, acababa después de aproximadamente 30 segundos. El plató R de detención térmica para la curva de enfriamiento en el punto O, la segunda zona en ser enfriada, acababa después de aproximadamente 40 segundos. El plató R de detención térmica para la curva de enfriamiento en el punto N, la tercera zona en ser enfriada, acababa después de aproximadamente 45 segundos. Por último, el plató R de detención térmica para la curva de enfriamiento en el punto M, la última zona en ser enfriada, acababa en V, un tiempo de aproximadamente 53 segundos.

Tal como se muestra por medio de los ejemplos anteriores, el tiempo de solidificación L (aludiendo a la Fig. 5) es de aproximadamente tres minutos, aunque el tiempo V comparable de solidificación de la presente invención (aludiendo a la Fig. 7) está por debajo de un minuto. Además, el tiempo necesario para enfriar por completo la pieza fundida se reduce drásticamente, de más de una hora para la técnica anterior de la Fig. 5 a aproximadamente un minuto para la presente invención, tal como se muestra en la Fig. 7 en U. Se calcula que la velocidad de enfriamiento es del orden de 30 a 50ºC por segundo en la porción sólida de la colada.

Además, se midió la SBD de la primera muestra 52 y se encontró que era de aproximadamente 70 \mum, mientras que la SBD de la segunda muestra 56 era de aproximadamente 20 \mum. Tal como se ha hecho notar en lo que antecede, cuanto más rápida es la velocidad de solidificación, menor es la SBD. La segunda muestra 56 de la presente invención tiene una SBD que es significativamente menor que la de la muestra 52 de la técnica anterior y es igual o menor que la encontrada en los procedimientos de colada enfriada rápidamente de la técnica anterior, como la fundición por inyección a presión. Sin embargo, dado que el molde puede estar alimentado por gravedad, se evitan los problemas asociados con la turbulencia inducida en el metal fundido en la fundición por inyección a presión. Se encontró que el tamaño de grano de la colada de aluminio 6061 según la presente invención era de aproximadamente 45 \mum sin añadir ningún afinador de grano. Se considera que este es un tamaño de grano fino, permitiendo que la pieza fundida resista mejor la fatiga que las piezas fundidas de la técnica anterior.

Aunque en los ejemplos del presente documento se ha estudiado la aleación 6061 de aluminio forjado, el procedimiento de la presente invención puede también ser adecuado para otras aleaciones forjadas, particularmente las aleaciones de aluminio de la serie 7000, que normalmente tienen velocidades de enfriamiento muy prolongadas. Las velocidades muy rápidas de solidificación según la presente invención permitirían la colada de estas aleaciones con velocidades de enfriamiento prolongadas. Debido a las velocidades rápidas de enfriamiento, del orden de 30 a 50ºC por segundo, la presente invención puede reducir o eliminar los tiempos de termotratamiento de solubilización o del tratamiento de curación, proporcionando con ello ahorros en los costes. El procedimiento también puede ser útil en las aleaciones de aluminio de la serie forjada 2000, al igual que en aleaciones económicas de coladas de aluminio, como las series 319 y 333.

Ejemplo 3

Otra realización ejemplar de la presente invención

Con referencia ahora a la Fig. 8, otra realización adicional de la presente invención comprende un molde 120 que mantiene metal fundido 122. El molde puede mantenerse en un bastidor 130 que está fabricado, por ejemplo, de una pluralidad de barras para que el disolvente pueda penetrar en el bastidor y erosionar o disolver el material del molde 120, y para que las partículas erosionadas del molde puedan abandonar el bastidor. En esta realización, el molde 120 puede llenarse, como en las realizaciones de las Figuras 2 y 3, mediante un llenado por gravedad, como desde un crisol o un cucharón, o de cualquier otra manera convencional. En esta realización, el molde es desplazado hacia abajo hacia un primer conjunto de barras pulverizadoras, tal como se ilustra por medio de la flecha 134. Alternativamente, el conjunto de barras pulverizadoras puede ser trasladado hacia arriba, tal como se ilustra por medio de la flecha 136. Además, aunque no se muestra, el molde también puede ser girado y trasladado, si así se desea, mediante medios convencionales.

El mecanismo de pulverización según la presente invención comprende una primera barra pulverizadora 140 que puede tener montada en la misma una pluralidad de boquillas pulverizadoras 142 mantenidas en un alojamiento común 144. En la Fig. 8 se ilustran seis boquillas pulverizadoras 142. Por supuesto, podría usarse cualquier otro número adecuado de boquillas. Estas pueden estar separadas entre sí con separaciones intermedias cualesquiera entre 0,64 cm y 2,54 cm. Separada con respecto a la primera barra pulverizadora 140 hay una segunda barra pulverizadora 150 que puede comprender también una pluralidad de boquillas pulverizadoras 152 mantenidas en un segundo alojamiento común 154. El segundo alojamiento puede estar separado del primer alojamiento por cualquier distancia entre 0,64 cm y 15,2 cm por medio de elementos separadores 156 convencionales adecuados. Separada con respecto a la segunda barra pulverizadora 150 hay una tercera barra pulverizadora 160 que puede tener también una pluralidad de boquillas pulverizadoras 162 mantenidas en un alojamiento común 164. La separación entre boquillas de las boquillas de pulverización en las barras pulverizadoras segunda y tercera puede ser de aproximadamente las mismas distancias expuestas en relación con la primera barra pulverización, o de distancias diferentes. Además, la tercera barra pulverizadora puede estar separada de la segunda barra pulverizadora en aproximadamente la misma cantidad que están separadas entre sí las barras pulverizadoras primera y segunda, u otra distancia deseada.

Hay una primera tubería 170 de suministro que suministra fluido a la primera barra pulverizadora 140, que es alimentada por una primera fuente 172. El fluido puede ser, por ejemplo, agua caliente a aproximadamente 65,6ºC con un caudal de aproximadamente 30,3 a 37,9 litros por minuto. Por supuesto, debería reconocerse que también pueden emplearse otros tipos de fluido con otros caudales y otras temperaturas. En la realización ilustrada, la segunda barra pulverizadora pulveriza agua a temperatura ambiente con un caudal cualquiera en el intervalo de 75,8 a 113,6 litros por minuto, alimentado por una segunda tubería 174 de suministro procedente de un segundo suministro 176 de fluido. La tercera barra pulverizadora pulveriza agua a temperatura ambiente con un caudal cualquiera en el intervalo de 37,9 a 56,8 litros por minuto, alimentado por una tercera tubería 180 de suministro procedente de una tercera fuente 182 de suministro de fluido. Aunque se indica que el fluido para las tres barras pulverizadoras es agua, es evidente que, si así se desea, pueden emplearse tipos diferentes de fluidos para las diversas barras pulverizadoras. Además, los fluidos pueden pulverizarse también a temperaturas diferentes.

Para obtener los distintos caudales de pulverización, es decir, cualesquiera entre los 30 y los 113,6 litros por minuto, que son pulverizados por las diversas barras pulverizadoras, o bien puede disminuirse o aumentarse la cantidad de boquillas de pulverización según sea necesario, o bien el volumen del flujo a través de las propias boquillas pulverizadoras puede ajustarse de forma adecuada, como se sabe bien en la técnica. De forma alternativa, pueden ser debidamente calibradas bombas convencionales (no mostradas) que se comuniquen con los diversos conductos de suministro de fluido para lograr los caudales deseados de flujo. Los caudales de pulverización se cambiarían para diversos espesores de colada, diversos aglutinantes usados y dependerían del rendimiento de la colada y de la composición de la aleación que se solidifica.

La velocidad de alimentación del molde a medida que desciende verticalmente hacia el primer conjunto de barras pulverizadores puede ser del orden de 0,025 a 2,54 centímetros por segundo, según se desee para el grosor de la colada, al igual que para el tipo particular de metal que se funde y la composición específica del molde.

Con referencia continuada a la Fig. 8, también pueden emplearse barras pulverizadoras adicionales, situadas por debajo del primer conjunto de barras pulverizadoras. Se ilustra una cuarta barra pulverizadora 190 que comprende una pluralidad de boquillas pulverizadoras 192 montadas en un alojamiento común 194. Puede haber una quinta barra pulverizadora 200 separada de la cuarta barra pulverizadora que esté asimismo dotada de una o más boquillas pulverizadoras 202 mantenidas en un alojamiento común 204. Aunque en el dibujo se ilustra el mismo número de boquillas pulverizadoras (6), es evidente que puede emplearse cualquier número adecuado deseado de boquillas pulverizadoras para cualquiera de las diversas barras pulverizadoras 140, 150, 160, 290 y 200 expuestas en el presente documento. Estas boquillas pulverizadoras son alimentadas por un cuarto conducto 210 de suministro conectado con una cuarta fuente 212. La fuente puede ser agua a temperatura ambiente.

Las boquillas pulverizadoras para la totalidad de las diversas barras pulverizadoras mencionadas con anterioridad en el presente documento pueden tener una capacidad de aproximadamente 1,9 litros por minuto y tener un patrón de pulverización en abanico que difunda el fluido que se pulveriza en un patrón de aproximadamente 30º.

El metal que se vertió en la muestra de ensayo del aparato ilustrado en la Fig. 8 era aluminio A356. La tercera muestra se formó, dos veces, calentando el aluminio hasta una temperatura de aproximadamente 732ºC. Se formó una vez en un crisol caldeado con gas y otra vez en un crisol calentado eléctricamente. La primera vez, el aluminio se vertió en un molde a temperatura ambiente que estaba compuesto de arena de sílice aglomerada que tenía un tamaño medio de grano de aproximadamente 150 micrómetros usando un aglutinante de fosfato. La segunda vez, el aluminio se vertió en arena de sílice con el mismo tamaño medio de grano usando un aglutinante de sulfato de magnesio. Durante el vertido, cada molde se mantuvo a temperatura ambiente. Inmediatamente después de que se vertiera el metal fundido, menos de 10 segundos después de que se llenara el molde, comenzó el procedimiento de pulverización con el disolvente, que, como se ha mencionado, era agua.

Al someter a un disolvente un molde que tiene un aglutinante soluble, el molde se disuelve, causando simultáneamente que la pieza fundida se solidifique y se enfríe. De esta manera, se consigue rápidamente una pieza fundida sustancialmente enfriada que se ha separado de su molde. La presente invención permite que el molde defina únicamente la forma del producto fundido y que limite la extracción de calor o que sustancialmente no extraiga calor alguno de la colada. La extracción de calor se lleva a cabo mediante el procedimiento controlado de enfriamiento de la colada con un disolvente de manera direccional para promover las propiedades máximas y la atenuación de tensiones en la pieza fundida. Al llevar a cabo la extracción de calor en una etapa separada, el llenado del molde, ya sea mediante vertido por gravedad, vertido con inclinación o el llenado contra la gravedad, fomenta el flujo del metal fundido, a la vez que minimiza la solidificación prematura, permitiendo que se obtengan piezas fundidas de geometría compleja o con secciones delgadas.

No es preciso que la aplicación de un disolvente se realice por medio de una boquilla. Por ejemplo, el disolvente podría ser dirigido al molde por medio de un impulsor, sobre una cascada u otros medios. Además, es concebible que pudiera desarrollarse una combinación de aglutinante y disolvente de tal eficacia que el molde pudiera ser eliminado sin el movimiento rápido del disolvente, por ejemplo mediante la inmersión del molde en un baño del disolvente. Así, aunque un medio de aplicación del disolvente es mediante una boquilla, también son concebibles otros medios.

Además, la presión de la boquilla, el volumen de la solución pulverizada, la dirección de la trayectoria de la disolución en relación con el molde (por ejemplo: 1. moviéndose la boquilla y siendo estacionario el molde; 2. moviéndose el molde y siendo estacionaria la boquilla; o 3. moviéndose tanto el molde como la boquilla, ya sea simultáneamente o con intervalos temporales diferenciados), así como otros parámetros, pueden depender ya sea del tamaño o del tipo de pieza producido, o de ambos. Por ejemplo, se requerirán configuraciones diferentes cuando se fabriquen ruedas para vehículos y cuando se produzcan componentes menores para la suspensión de los vehículos.

Como en los ejemplos anteriores, las coladas de metal incluyen típicamente alimentadores que permiten que se suministre metal fundido a las coladas a medida que enfrían y se contraen, reduciendo con ello cualquier vacío causado por la contracción. Una vez que la pieza fundida ha enfriado, el alimentador debe ser cortado. Con la presente invención, puede diseñarse al menos un chorro de disolvente que suministre disolvente con un caudal, un volumen y un área suficientes para cortar el alimentador, eliminando con ello una etapa adicional de procedimiento de la técnica anterior.

Además, el procedimiento, los moldes y los equipos implicados son de bajo coste y respetuosos con el medio ambiente. Pueden producirse piezas fundidas con un buen acabado superficial y propiedades mecánicas deseables de forma rápida y económica, a la vez que los constituyentes del molde pueden recuperarse para un uso ulterior.

Aunque en las Figuras 2 y 3 se ilustra un sistema alimentado por gravedad que emplea un crisol o un cucharón 32, debería apreciarse que también podría emplearse un sistema de alimentación asistido por presión para suministrar metal fundido al molde. En la técnica se conocen varios sistemas convencionales de alimentación asistida por presión.

En los párrafos anteriores se hizo mención de la descomposición del molde. Debería apreciarse que no es preciso que se descomponga o retire todo el molde en el procedimiento conforme a la presente invención. Todo lo que se requiere es la eliminación de al menos una porción del molde, en la que la etapa de eliminación del molde comienza antes de que se haya completado la etapa de solidificación del metal fundido. La poción eliminada del molde puede ser un lateral del molde o, por ejemplo, una sección inferior del molde por todas las caras del mismo. Por ejemplo, pueden eliminarse o descomponerse las cuatro caras de un molde rectangular.

En la memoria anterior, se hizo mención de un caudal de suministro de disolvente que oscilaba entre aproximadamente 0,5 y aproximadamente 50,0 litros por segundo. Debería apreciarse que el caudal de suministro del disolvente puede ser constante o puede ser variable, según se desee. Por ejemplo, para ciertos metales y ciertos moldes, puede ser ventajoso variar el caudal de suministro del disolvente, mientras que para otros tipos de metales o de moldes sería beneficioso un caudal constante de suministro. De manera similar, se afirmó en la memoria que la presión de suministro del disolvente puede oscilar entre aproximadamente 3 kPa y aproximadamente 7 MPa. Debería apreciarse que la presión del suministro del disolvente puede variarse o puede permanecer constante. Es evidente para una persona con un dominio normal de la técnica que pueden emplearse bombas convencionales que puedan ser calibradas de manera adecuada para lograr los caudales y las presiones deseados de suministro de fluido, ya sean variables o constantes.

Se ha descrito la invención con referencia a realizaciones preferidas. Obviamente, a otras personas, tras la lectura y la comprensión de la precedente descripción detallada, se les ocurrirán modificaciones y alteraciones. Se prevé que se interprete que la invención incluye todas las modificaciones y alteraciones de ese tipo en la medida en la que estén en el ámbito de las reivindicaciones adjuntas y de las equivalentes de las mismas.

Claims (14)

1. Un procedimiento para la colada de metales que comprende las etapas de:

proporcionar un molde (36, 120) que comprende un aglomerado y un aglutinante;

suministrar un metal fundido (122) al molde;

solidificar el metal fundido;

descomponer al menos una porción del molde, incluyendo la disolución del aglutinante,

en el que la etapa de descomponer al menos una porción del molde comienza antes de que se haya completado la etapa de solidificar el metal fundido.

2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que las etapas de descomponer al menos una porción del molde y de solidificar el metal fundido se llevan a cabo de manera aproximadamente simultánea.

3. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 en el que la etapa de descomponer al menos una porción del molde incluye la etapa de pulverizar el molde con un disolvente.

4. El procedimiento de la reivindicación 3 en el que la etapa de pulverizar el molde con un disolvente incluye la etapa de ajustar un caudal de pulverización del disolvente.

5. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4 en el que la etapa de pulverizar el molde con un disolvente incluye la etapa de ajustar un patrón de pulverización del disolvente.

6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 3-5 en el que la etapa de pulverizar el molde con un disolvente incluye la etapa de dirigir al menos dos corrientes de disolvente sobre el molde.

7. El procedimiento de la reivindicación 6 en el que se dirige sobre el molde una primera corriente de disolvente en un momento diferente del de una segunda corriente de disolvente.

8. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7 en el que se dirige sobre el molde una primera corriente de disolvente en un emplazamiento diferente del de una segunda corriente de disolvente.

9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 3-8 en el que el disolvente se suministra a un caudal entre aproximadamente 0,05 y aproximadamente 50,0 litros por segundo.

10. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 3-9 en el que el disolvente se suministra a una presión entre aproximadamente 3 kPa y aproximadamente 7 MPa.

11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 3-10 en el que el disolvente incluye al menos uno de un material líquido, gaseoso y arenoso.

12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 3-11 y que además comprende la etapa adicional de recuperar al menos uno del aglutinante, el aglomerado y el disolvente.

13. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-12 en el que la etapa de suministrar metal fundido al molde se realiza con un suministro (32) del metal fundido por gravedad.

14. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-13 que incluye la etapa de seguir suministrando metal fundido al molde durante la etapa de eliminar al menos una porción del molde.