ES2853579T3 - Procedimiento para producir piezas de fundición para aplicaciones eléctricas - Google Patents

Abstract

Procedimiento para producir piezas fundidas para aplicaciones eléctricas, en el que se utilizan aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación que se funden y se introducen en un molde de fundición a presión (4) en el que la aleación fundida (1) se enfría a una velocidad de enfriamiento de aproximadamente > 5 x 102 K/s, estando las piezas fundidas (9, 10) destinadas a rotores o estatores, en el que, para formar un cristal mixto sobresaturado en la aleación de aluminio, la velocidad de enfriamiento no es inferior a unos 103 K/s, en el que la masa fundida de aleación (1) es desplaza por medio de un pistón (3) primero en una primera fase a una cámara de llenado (2) a una velocidad de pistón de unos 0,5 m/s y, posteriormente, en una segunda fase, la masa fundida de aleación (1) es desplazada desde la cámara de llenado (2) al molde de fundición a presión a una velocidad de pistón entre unos 1 m/s y unos 3 m/s.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para producir piezas de fundición para aplicaciones eléctricas

La invención se refiere a un procedimiento para producir piezas de fundición para aplicaciones eléctricas de acuerdo con la realización 1.

Es conocida la producción de piezas fundidas a presión para aplicaciones eléctricas, por ejemplo, para conductores eléctricos, interruptores de alta tensión, rotores o estatores en motores eléctricos y similares. Para ello se utilizan, entre otras cosas, aleaciones de aluminio que pueden templarse. Estas aleaciones de aluminio son, por ejemplo, Al-Cu, Al-Mn-Si, Al-Zn-Mg, Al-Si-Cu o Al-Si-Mg. Las aleaciones endurecibles poseen una conductividad eléctrica que por lo general es superior a unos 28 MS/m. Con el fin de aumentar las propiedades mecánicas de las distintas aleaciones de aluminio, es habitual prever en la microestructura de estas aleaciones las llamadas zonas de Guinier-Preston. Se trata de precipitados coherentes que aumentan la resistencia de las aleaciones de aluminio. Con referencia a la Fig. 1, se describe un proceso conocido para obtener tales aleaciones de aluminio endurecibles con alta resistencia a la tracción. Para ello son necesarios complejos pasos de procedimiento. En primer lugar, la aleación de aluminio se somete a un tratamiento de recocido por disolución. Durante el tratamiento de recocido por disolución, la aleación es calentada lentamente. Según la Fig. 1, que muestra un diagrama temperatura-tiempo para una aleación A356, esta fase de calentamiento tiene lugar durante un período de 100 minutos. La aleación de aluminio se calienta hasta aproximadamente el 80 % de su punto de fusión, en el ejemplo de realización a 530°C. En el caso de las aleaciones de aluminio, esta temperatura de calentamiento se sitúa entre 470°C y 540°C. La pieza debe mantenerse a esta temperatura hasta que se forme una cantidad suficiente de cristales mixtos. En el ejemplo de la realización, este período es de 140 min. Posteriormente, en un segundo proceso, este cristal mixto es enfriado para que los cristales mixtos se conserven incluso a bajas temperaturas, por lo general a temperatura ambiente. A continuación, se lleva a cabo una etapa de envejecimiento en la que la aleación de aluminio se calienta a 210°C durante unos 50 minutos y se mantiene allí durante otros 70 minutos. Durante este paso del proceso, se forman las zonas de Guinier-Preston, lo que da lugar a una alta resistencia de la aleación de aluminio.

Este procedimiento en tres pasos del proceso es complejo y requiere mucho tiempo.

Se conoce además (documento WO 2014/051916 A2) la producción de piezas de fundición utilizando aleaciones de aluminio endurecibles que se funden y se colocan en un molde de fundición a presión. Comprende un material que tiene una conductividad térmica tal que la aleación fundida es enfriada en el molde de fundición a presión a una velocidad de enfriamiento en el rango de 0,1 K/s a 1000 K/s. De manera particularmente preferida, las velocidades de enfriamiento ventajosas son □ 10 K/s.

En otro proceso conocido (documento EP 2465 624 A1), se utilizan aleaciones de cobre que tienen un punto de fusión superior a unos 1035°C. El material fundido no debe sobrecalentarse más de un 15 % a un 20 % de su punto de fusión. Por último, se conoce (documento WO 2008/020763 A1) la producción de aleaciones de magnesio, como las que contienen aluminio, zinc y manganeso, mediante fundición a presión.

La invención radica en la tarea de conformar el procedimiento de tal manera que las piezas fundidas puedan ser producidas a un costo adecuado con un bajo dispendio de tiempo.

Esta tarea se resuelve en el procedimiento de acuerdo con la invención con las características de la reivindicación 1. En el procedimiento de acuerdo con la invención, la fundición se produce en un molde de fundición a presión cuyo material tiene una conductividad térmica tan alta que la aleación fundida es enfriada durante el proceso de fundición a presión a una velocidad de enfriamiento de aproximadamente □ 5x102 K/s. La velocidad de enfriamiento no es inferior a unos □ 103 K/s. Debido a esta elevada tasa de enfriamiento, se forma un cristal mixto sobresaturado que no requiere ningún tratamiento térmico adicional. De este modo, se forma una aleación de aluminio endurecible de alta resistencia que es eminentemente adecuada para la producción de piezas fundidas para aplicaciones eléctricas. Para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo la invención, no se requiere un alto nivel de esfuerzo de ingeniería de procesos. Además, el procedimiento de acuerdo con la invención requiere menos tiempo que los procesos conocidos descritos.

En una primera fase, la aleación fundida es desplazada mediante un pistón con una baja velocidad de pistón a una cámara de llenado en la que primero se introduce la aleación fundida y luego se suministra a la cavidad correspondiente del molde de fundición a presión. La velocidad del pistón se encuentra en un intervalo inferior a unos 0,5 m/s. Debido a la baja velocidad de desplazamiento, puede expulsarse bien el aire contenido en la aleación fundida. Además, se asegura de esta manera que la aleación fundida se mueva solo ligeramente y, por consiguiente, no forme ninguna o muy pocas ondas, de modo que se evite el riesgo de atrapamiento de aire.

En una segunda fase, la aleación fundida es presionada fuera de la cámara de llenado en el molde de fundición a presión dispuesto posteriormente a una velocidad de pistón en un rango entre aproximadamente 1 m/s y aproximadamente 3 m/s. Debido a ello, se llena por completo la cavidad correspondiente en el molde de fundición a presión con la aleación fundida.

En una realización ventajosa, la aleación fundida en el molde de fundición a presión sigue estando sometida a una presión de mantenimiento elevada para compensar el déficit de la menor densidad de la aleación fundida en comparación con el estado sólido de la aleación, y de este modo evitar los agujeros de soplado en la fundición.

El objeto de la solicitud resulta no sólo del objeto de las reivindicaciones individuales, sino también de todos los detalles y características divulgados en los dibujos y la descripción. Incluso si no son el objeto de las reivindicaciones, se afirma que son esenciales para la invención en la medida en que son nuevos, individualmente o en combinación, en comparación con el estado de la técnica.

Otras características de la invención resultan de las reivindicaciones adicionales, la descripción y los dibujos.

La invención se explica con más detalle con referencia a un ejemplo de realización representado en los dibujos. Las figuras muestran:

Fig. 1 en un diagrama temperatura-tiempo de un tratamiento térmico del estado de la técnica de una aleación de aluminio, Fig. 2 a Fig. 4 en representación esquemática de un proceso de fundición a presión según el procedimiento de acuerdo con la invención.

Por medio del procedimiento descrito a continuación, es posible producir una aleación de aluminio endurecible en la que no se requiere al menos la etapa de recocido en disolución, preferiblemente tampoco es necesario el enfriamiento. Así, la aleación puede producirse de forma sencilla, económica y en poco tiempo. El procedimiento se caracteriza por un control sencillo del proceso.

El procedimiento es adecuado para aleaciones de aluminio endurecibles que contienen al menos dos componentes además del aluminio. Por ejemplo, el procedimiento es adecuado para las aleaciones Al-Mn-Si, Al-Zn-Mg, Al-Si-Cu o Al-Si-Mg. Una aleación de aluminio particularmente ventajosa es la 6101, que tiene una alta conductividad eléctrica superior a unos 28 MS/m.

El procedimiento se explica en mayor detalle por medio de las Figs. 2 a 4. La aleación fundida 1 se encuentra en una cámara de llenado 2, en la que la aleación fundida es desplazada mediante un pistón 3 hacia un molde de fundición a presión 4. Tiene una placa de molde de inyección 5 y una placa de molde de expulsión 6, entre las que se encuentra una placa de cilindro 7. La placa de cilindro 7 recibe una pieza de trabajo 8, que en la realización es un paquete de laminillas utilizado para fabricar, por ejemplo, rotores o estatores de motores eléctricos. En ambos lados frontales de la pieza de trabajo 8 se adhieren por fundición anillos de cortocircuito 9, 10. Para ello, el molde de fundición a presión 4 está provisto de las correspondientes cavidades 11, 12, que están previstas en la placa del molde de inyección 5 y en la placa del molde de expulsión 6. Los anillos de cortocircuito 9, 10 conectan las varillas conductoras (no mostradas) en el paquete de laminillas 8 de una manera conocida.

La aleación fundida 1 se transfiere primero a la cámara de llenado 2. En la primera fase según la Fig. 2, el pistón 3 comienza a empujar lentamente la aleación fundida hacia un canal de vertido 13. La velocidad del pistón 3 en esta primera fase es ventajosamente inferior a unos 0,5 m/s. Debido a la baja velocidad de empuje, el aire contenido en la masa fundida puede escapar fácilmente. Además, la formación de ondas en la masa fundida que se produce al moverla es baja, por lo que tampoco se produce un movimiento de rebase en la masa fundida por medio del cual quedaría aire atrapado. Para permitir la salida del aire, la cámara de llenado 2 está provista de aberturas de salida de aire adecuadas en el área superior. La aleación líquida 1 ingresa en la cámara de llenado 2 a través de al menos una abertura de llenado 14. En la posición inicial, según la Fig. 2, el pistón 3 se encuentra todavía delante de la abertura de llenado 14. Se desplaza a baja velocidad en dirección al molde de fundición a presión 4 hasta situarse detrás de la abertura de llenado 14 (Fig. 3). En la segunda fase (Fig. 3), la aleación líquida 1 es forzada en el molde de fundición a presión 4 por el pistón 3 a alta velocidad. La aleación líquida 1 llena completamente las cavidades 11, 12 así como el canal de colada 13 (Fig. 4). La velocidad del émbolo 3 en la segunda fase depende del producto o de la geometría. En función de la geometría, se puede calcular el tiempo de llenado máximo u óptimo, que incluye el caudal correspondiente. Se puede conseguir el mismo caudal con un diámetro pequeño y una velocidad alta o con un diámetro grande y una velocidad baja. En los rotores comunes, la velocidad por lo general oscila entre 1 m/s y 3 m/s aproximadamente.

El pistón 3 además aplica una alta presión de retención a la aleación líquida 1. De este modo, se tiene en cuenta que la aleación líquida 1 tiene una densidad menor que en estado sólido. La elevada presión de mantenimiento compensa esta diferencia, por lo que se evitan las cavidades de contracción en los anillos de cortocircuito 9, 10. El nivel de presión depende del producto/ geometría y oscila entre unos 80 y 600 bares.

Una vez que la aleación 1 se ha enfriado y solidificado, se abre el molde de fundición a presión 4 para poder retirar la pieza 8 con los anillos de cortocircuito 9, 10 en la parte delantera. El bebedero formado por el material en el canal de fundición 13 se retira del anillo de cortocircuito 9 de una manera conocida.

El material del molde de fundición a presión 4 se selecciona de manera que se pueda lograr con él una tasa de enfriamiento muy alta, que no sea inferior a unos 5x102 K/s, preferiblemente no inferior a unos 103 K/s. Este material que permite una alta tasa de enfriamiento es, por ejemplo, el acero, que permite un rápido enfriamiento de la aleación fundida. Cualquier material que tenga una conductividad térmica lo suficientemente alta como para lograr la alta tasa de enfriamiento es adecuado. El proceso de enfriamiento se consigue mediante el molde 4 durante el proceso de fundición, de manera que se puede prescindir del proceso de recocido en disolución. Por lo tanto, el proceso de fundición a presión requiere poco tiempo.

Con el procedimiento descrito, se puede producir una estructura de solución sólida sobresaturada en la pieza de fundición a presión 9, 10, por lo que el molde de fundición a presión 4 es llenado de forma óptima durante el proceso de fundición a presión. Para el procedimiento descrito, se pueden utilizar todas las aleaciones de aluminio que sean endurecibles. Las piezas de fundición a presión 9, 10 no necesitan ser tratadas térmicamente, dado que, como resultado del enfriamiento extremadamente rápido por el molde de fundición a presión 4 durante el proceso de fundición a presión, las piezas de fundición a presión obtienen una estructura de cristales mixtos sobresaturada que ya no requiere tratamiento térmico.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para producir piezas fundidas para aplicaciones eléctricas, en el que se utilizan aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación que se funden y se introducen en un molde de fundición a presión (4) en el que la aleación fundida (1) se enfría a una velocidad de enfriamiento de aproximadamente > 5 x 102 K/s, estando las piezas fundidas (9, 10) destinadas a rotores o estatores, en el que, para formar un cristal mixto sobresaturado en la aleación de aluminio, la velocidad de enfriamiento no es inferior a unos 103 K/s, en el que la masa fundida de aleación (1) es desplaza por medio de un pistón (3) primero en una primera fase a una cámara de llenado (2) a una velocidad de pistón □ de unos 0,5 m/s y, posteriormente, en una segunda fase, la masa fundida de aleación (1) es desplazada desde la cámara de llenado (2) al molde de fundición a presión a una velocidad de pistón entre unos 1 m/s y unos 3 m/s.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1,

caracterizado porque la aleación fundida (1) después del llenado completo del molde de fundición a presión (4) se somete a sobrepresión.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2,

caracterizado porque el nivel de la presión oscila aproximadamente entre 80 y 600 bar.