ES2929174T3 - Procedimiento y molde de fundición para fabricar piezas de fundición de metal - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para producir piezas de trabajo de metal fundido (401), en el que el metal fundido se vierte en un molde (204), después de lo cual el molde (204) se retira al menos parcialmente de la pieza de trabajo de metal fundido después de que se haya fundido el metal fundido. comenzó a solidificarse y permanece quieto durante el proceso de enfriamiento y, por lo tanto, la fundición de metal se pone en contacto con un medio de enfriamiento fluido (500) que rodea el molde que está dispuesto de tal manera que extrae energía térmica de la fundición de metal más rápido que el molde (204). Como resultado, se puede lograr una alta velocidad de enfriamiento incluso cuando se utilizan moldes de fundición de precisión, lo que significa que se pueden lograr estructuras metálicas de alta calidad. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y molde de fundición para fabricar piezas de fundición de metal

La invención se enmarca en el campo de la ingeniería mecánica y concretamente en el campo de la técnica de fundición. Se puede emplear de manera especialmente ventajosa para la fabricación de piezas de fundición de metal.

En la técnica de fundición, se conocen desde hace muchos años diversas técnicas de fundición que tienen diferentes ventajas y desventajas, así como posibilidades de uso. A modo de ejemplo cabe mencionar aquí los procedimientos de fundición en arena y los procedimientos de fundición en coquilla, con los que se pueden fabricar piezas de fundición en grandes cantidades y de manera eficiente. Con estos procedimientos resulta difícil fabricar piezas muy complejas. Cuanto más complicadas se vuelvan los moldes, más núcleos se necesitan y más complicado se vuelve el procedimiento de fundición, incluido el desmoldeo. Por otro lado, con estos procedimientos, mediante un enfriamiento rápido de las piezas de fundición se pueden lograr buenas estructuras metálicas. Ejemplos de procedimientos de este tipo se describen en los documentos US 2009/250185 A1, US 2014/190653 A1 y WO 2004/007120 A1.

Por otro lado, cabe mencionar a modo de ejemplo los procesos de fundición de precisión y los procedimientos a la cera perdida que permiten conformaciones complejas de manera sencilla. Sin embargo, estos procedimientos de fundición a menudo implican que las piezas de fundición solo pueden enfriarse lentamente, de modo que la estructura metálica que se puede lograr no alcanza la calidad de los procedimientos de fundición mencionados anteriormente.

Ante los antecedentes del estado de la técnica, la presente invención tiene el objetivo de desarrollar un procedimiento que haga posible la fabricación de piezas de fundición de metal con una alta complejidad y al mismo tiempo lograr buenas propiedades estructurales.

El objetivo se consigue con las características de la invención mediante un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes indican implementaciones posibles de tal procedimiento. Además, la invención se refiere a un molde de fundición de acuerdo con la reivindicación 7 para su uso en el procedimiento y a un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9 para la fabricación de una pieza de fundición de metal.

Por lo tanto, la invención se refiere a un procedimiento para fabricar piezas de fundición de metal, en el que una masa fundida de metal se vierte en un molde de fundición hecho de cerámica cocida, después de lo cual, una vez que haya comenzado la solidificación de la masa fundida de metal y aún durante el proceso de enfriamiento, el molde de fundición se retira al menos parcialmente de la pieza de fundición de metal y, de esta manera, la pieza de fundición de metal se pone en contacto con un medio de refrigeración fluido que rodea el molde y que es adecuado para extraer energía térmica de la pieza de fundición de metal más rápidamente que el molde de fundición. En particular, el molde de fundición se retira al menos parcialmente después de que se haya formado una capa estable o autoportante de metal fundido solidificado. La separación del molde de fundición puede realizarse además en particular antes de que la masa fundida de metal se haya solidificado por completo.

La invención se basa en la idea de que primero se da su forma a la pieza de metal vertiendo la masa fundida de metal en un molde de fundición, pero, a continuación, se realizan a la mayor brevedad posible no solo el enfriamiento de la masa fundida de metal o de la pieza solidificada a través del molde de fundición, sino que el molde de fundición se retira al menos parcialmente, de modo que se produce un enfriamiento adicional e intenso de la pieza mediante un medio de refrigeración fluido, ya que por la retirada del molde de fundición o de una parte del molde de fundición, la pieza entra en contacto con el medio. Para este fin, el medio está seleccionado de tal manera que extrae energía térmica de la pieza de fundición de metal más rápidamente que el molde de fundición. Para este fin, el material del medio puede estar seleccionado y termorregulado adecuadamente, como se explicará con más detalle más adelante.

Para la separación a ser posible brusca de una parte del molde de fundición o de la totalidad del molde de fundición de una pieza de fundición de metal que ha comenzado a solidificarse pueden considerarse diversos mecanismos. Por ejemplo, el molde de fundición puede estar cargado por resorte y desbloquearse para que se abra por fuerza de resorte, o puede estar provisto de una carga explosiva para separarlo de la pieza lo más rápidamente posible.

Sin embargo, también son concebibles mecanismos más sencillos, mediante los cuales se rompe el molde de fundición, por ejemplo, introduciendo el molde de fundición en el medio de refrigeración, junto con la masa fundida de metal vertida, durante el enfriamiento de la masa fundida de metal. Para ello puede ajustarse una temperatura adecuada del medio de refrigeración, que en el momento en que el molde de fundición se introduce en el medio de refrigeración es de manera ventajosa significativamente más fría que la masa fundida de metal o que la pieza de fundición de metal. El material del molde de fundición se puede seleccionar y el grosor de pared se puede ajustar de tal forma que el molde de fundición se rompa por tensiones térmicas al ser introducido en el medio de refrigeración.

En este caso, por la separación por rotura de partes más pequeñas o más grandes del molde de fundición, el medio de refrigeración puede llegar directamente a la pieza de fundición de metal y seguidamente enfriarla más rápidamente de lo que lo habría hecho el molde de fundición si hubiera permanecido en contacto con la pieza.

Para favorecer la rotura por tensiones térmicas en el molde de fundición, puede estar previsto, por ejemplo, que el medio de refrigeración tenga una resistencia térmica específica menor y/o una capacidad calorífica específica mayor que el material del molde de fundición y/o que el medio de refrigeración en el momento del primer contacto con el molde de fundición esté al menos 400 grados más frío que la pieza de fundición de metal.

Además puede estar previsto que el molde de fundición sea calentado antes y/o durante el vertido de la masa fundida de metal. De esta manera, las ventajas de un molde de fundición calentado para lograr formas complejas de la pieza de fundición de metal pueden aprovecharse de manera óptima y combinarse con las ventajas de un enfriamiento rápido.

Además, puede estar previsto que como medio de refrigeración se use un fluido, en particular un líquido, particularmente agua. Básicamente, para el enfriamiento rápido de la pieza también puede entrar en consideración el uso de un gas frío o un líquido distinto al agua, como por ejemplo aceite o mercurio. En cuanto a la técnica de proceso, el uso de agua tiene ventajas por su disponibilidad, si manejo sencillo y su alta capacidad calorífica.

Como ya se explicó anteriormente, de manera ventajosa puede estar previsto que la temperatura del medio de refrigeración antes del contacto con el molde de fundición y el momento del primer contacto del molde de fundición con el medio de refrigeración se seleccionen de tal manera que el molde de fundición se rompa al menos parcialmente debido al enfriamiento brusco al entrar en contacto con el medio de refrigeración. Sin embargo, también en caso de usar un fluido puede estar previsto que el propio molde de fundición no se rompa por tensiones térmicas, sino que sea separado por otros efectos, como la fuerza de un resorte o un efecto explosivo. También en este caso resulta muy ventajoso el uso, por ejemplo, de agua como medio de refrigeración.

Además de un procedimiento del tipo explicado anteriormente, la invención también se refiere a un molde de fundición que puede estar fabricado en particular mediante el procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, para usar en un procedimiento de fundición de metal. El molde de fundición se compone de cerámica cocida. Además, el molde de fundición tiene uno o varios puntos de rotura controlada que están formados por cavidades y/o muescas. Mediante una preparación de este tipo del molde de fundición se vuelve más controlable la rotura del molde de fundición durante el proceso de solidificación de la pieza. Esto es válido para las diversas configuraciones del procedimiento para la rotura del

molde de fundición, pero de manera particular para la rotura por la introducción de tensiones térmicas.

Además, la invención se refiere a un molde de fundición que puede estar fabricado mediante el procedimiento descrito anteriormente y adicional o alternativamente a un procedimiento para la fabricación de un molde de fundición para usar en un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizándose el molde de fundición y/o el procedimiento por que se genera un modelo positivo y por que, después, el modelo positivo se cubre con una o varias capas de una barbotina cerámica líquida, siendo cubierto el modelo positivo, antes de la aplicación y/o alternando con la aplicación y el secado de capas de barbotina, respectivamente por puntos, con una sustancia hidrófoba. Mediante la aplicación selectiva de sustancias hidrófobas, la adherencia de la barbotina al modelo positivo se controla de tal manera que se forman debilitamientos del molde de fundición.

La invención se refiere además a un molde de fundición que puede estar fabricado mediante el procedimiento descrito anteriormente y adicional o alternativamente a un procedimiento para la fabricación de un molde de fundición para el uso de un procedimiento del tipo explicado anteriormente, en los cuales se produce un modelo positivo y, después, el modelo positivo se cubre con una o varias capas de una barbotina cerámica líquida, siendo provisto el cuerpo de barbotina secado o cocido de cavidades y/o muescas para producir puntos de rotura controlada, mediante un procedimiento con remoción, en particular con arranque de virutas.

Finalmente, la invención también se refiere a un dispositivo para la fabricación de una pieza de fundición de metal, con un dispositivo para fundir metal, un molde de fundición y un dispositivo para el enfriamiento brusco del molde de fundición y de la pieza de fundición de metal, en particular por medio de agua.

El dispositivo para la fabricación de la pieza de fundición de metal comprende el molde de fundición del tipo explicado anteriormente. Tal dispositivo prevé un molde de fundición adecuado que, como se ha descrito anteriormente, puede presentar por ejemplo puntos de rotura controlada. El dispositivo puede presentar además un dispositivo de calentamiento para el molde de fundición y un recipiente en el que se sujeta el molde de fundición y en el que se puede introducir a una velocidad suficiente agua, en particular agua refrigerada. Para ello, hay que prever un suministro de agua con capacidad suficiente.

En otro aspecto de la invención, el molde de fundición también puede estar dispuesto de tal forma que durante o poco después de la solidificación de la pieza de fundición de metal pueda ser movido y transportado a un depósito de agua, en el que el molde puede enfriarse rápidamente.

A continuación, se muestra y explica la invención con la ayuda de figuras. Muestran

las figuras 1 a 7 un proceso de fundición de precisión convencional en diferentes pasos de proceso, las figuras 8 a 11 un procedimiento para producir un molde de fundición en forma de coquilla mediante la conformación,

las figuras 12 a 14 esquemáticamente un procedimiento para producir un cuerpo de moldeo por medio de un procedimiento de impresión 3D,

las figuras 15 a 17 la producción de un molde de fundición con puntos de rotura controlada con la ayuda de un cuerpo modelo en un proceso de recubrimiento y

las figuras 18 a 20 el proceso para la separación de un molde de fundición y el enfriamiento de un cuerpo de fundición de metal.

En la figura 1 se muestra esquemáticamente un modelo de cera 100 para una pieza de fundición de metal que ha de ser fabricada. En la figura 2 se muestra el modelo de cera con un sistema de bebedero.

La figura 3 muestra la disposición de varios modelos de cera iguales en un grupo de fundición 101. Después de su fabricación, como se puede ver en la figura 4, el grupo de fundición se sumerge varias veces en un baño de barbotina 102 y entretanto se seca y durante ello, dado el caso, también se calienta.

La figura 5 muestra el proceso de cocción en el que, después de la aplicación de capas de barbotina suficientemente gruesas, los modelos de cera se cuecen y se funden por calentamiento, de modo que dejan en los cuerpos de barbotina espacios huecos 105 con la forma correspondiente. Al mismo tiempo, la masa de barbotina se puede cocer formando un molde de cerámica. En la zona inferior de la figura 5, con 104 está representado un modelo de cera restante que está a punto de fundirse. En la figura, por 103 está designado un dispositivo para calentar el grupo de fundición con las capas de barbotina.

Después de la cocción de los modelos de cera permanece una disposición de moldes de fundición compuestos de las capas de barbotina restantes y cocidas. Como se muestra en la figura 6, por medio de un sistema de bebedero, estos pueden ser alimentados de metal líquido 106 que ha sido calentado en un dispositivo 107 para fundir metal. La figura 7 muestra una pieza de fundición 108 que se suelta de los moldes cerámicos como pieza de metal acabada y de la que se pueden soltar las piezas de fundición de metal 401' individuales que presentan la forma del modelo de cera 100. Más adelante, con la ayuda de las figuras 15 a 17 está representado cómo se pueden introducir puntos de rotura controlada en los moldes en un procedimiento de este tipo para la fabricación de moldes de barbotina.

En las figuras 8 a 11 se muestra un procedimiento para la fabricación de moldes mediante deformación plástica. En la figura 8, por 200 está designado un material cerámico plásticamente deformable u otro tipo de material resistente al calor, que está representado entre dos herramientas de molde, una pieza inferior 201 y una pieza superior 202. Como se muestra en la figura 9, el material cerámico 200 plástico se prensa entre las piezas de la herramienta de moldeo 201, 202 y se le da la forma de destino que está representada en la figura 10 y está designada por 203. La pieza 203 representa la mitad de un molde de fundición. En la figura 11 está representado un molde de fundición completo que se compone de dos piezas 203. El molde de fundición está representado de forma simplificada en la figura 11 y está destinado a servir para la fabricación de un cuerpo paralelepípedo sencillo a modo de ejemplo. En las figuras 12 a 14 está representado un procedimiento de impresión 3D para moldes de fundición de cerámica, en el que dentro de un contenedor de construcción 302, sobre una plataforma de construcción 303 se disponen capas sucesivas 301 de una pieza de moldeo 300 cerámica que ha de ser moldeada. Después de la aplicación de cada capa 301 por medio de un recubridor 304, parte de la última capa puede ser provista selectivamente de un aglutinante 306 por medio de un cabezal de impresión 305. Las zonas de la capa provistas del aglutinante 306 pueden endurecerse y por tanto solidificarse mediante secado o cocción. Otras zonas de la capa 301 que no entran en contacto con un aglutinante 306 son evacuados posteriormente por sacudida u otros procedimientos y son separados de las zonas solidificadas. De esta manera, son posibles formas tridimensionales de casi cualquier tipo. Para introducir puntos de rotura controlada entra en consideración en particular la creación de muescas o debilitamientos de material en diversas zonas del molde de fundición.

Las figuras 15 a 17 muestran cómo en un procedimiento de recubrimiento por barbotina para la fabricación de un molde de fundición cerámico varía el grosor de la capa de barbotina aplicada y de esta manera se pueden crear zonas adelgazadas de la capa de barbotina en el molde de fundición. La figura 15 muestra que un modelo de cera 100' en forma de paralelepípedo está revestido con un material hidrófobo en las zonas 100'a, 100'b, 100'c. Esto tiene como consecuencia que cuando el cuerpo modelo 100' se sumerge en la barbotina acuosa, no se adhiere al cuerpo modelo 100' en las zonas 100'a, 100'b, 100'c. A las demás zonas de la superficie del cuerpo modelo 100' se adhiere la barbotina y se seca después de que el cuerpo modelo haya sido retirado del baño de barbotina. A continuación, el cuerpo modelo 100' se puede sumergir en el baño de barbotina una o varias veces repetidamente, de modo que las capas de barbotina se construyan con un grosor creciente. En la zona del cuerpo modelo que está recubierto con una sustancia hidrófoba, las capas de barbotina se adhieren significativamente peor, por lo que la capa de barbotina resultante es más delgada que en las zonas no recubiertas con una sustancia hidrófoba. El recubrimiento con una sustancia hidrófoba se puede repetir una o varias veces durante la repetición del proceso de inmersión en el baño de barbotina. Como resultado, la figura 17 muestra un cuerpo de barbotina que rodea el cuerpo modelo 100' y que en las zonas 100'a, 100'b, 100'c tiene puntos de pared delgada que actúan como puntos de rotura controlada del cuerpo de barbotina. Durante la fundición del cuerpo modelo 100', el cuerpo de barbotina se cuece formando un molde de fundición con puntos de rotura controlada.

En los modos de fabricación para un molde de fundición mostrados en las figuras 8 a 11, los puntos de rotura controlada ya pueden estar incorporados en las herramientas de moldeo 202, 201, por ejemplo, por que la conformación de las herramientas de moldeo prevé cavidades de material en los puntos de rotura controlada deseados. También en la fabricación de un molde de fundición por medio de un procedimiento de impresión 3D pueden preverse puntos de rotura controlada en los lugares deseados del molde de fundición mediante un diseño adecuado del molde de fundición.

Si de un modo u otro se ha fabricado un molde de fundición con puntos de rotura controlada, este puede usarse para el procedimiento de acuerdo con la invención para la fabricación de una pieza de fundición de metal. Para este fin, el molde 204 se llena primero con una masa fundida de metal a través de un sistema de bebedero no representado en detalle, de manera que resulta un cuerpo de fundición de metal 401. El molde 204 está provisto de puntos de rotura controlada, uno de los cuales está designado por el número de referencia 400. Por el número de referencia 600 está designada una zona, en la que está prevista una densidad particularmente alta de puntos de rotura controlada. De esta mantera, mediante la densidad prevista de puntos de rotura controlada se puede controlar qué zonas son las primeras en las que se rompen puntos de rotura controlada. Después de una solidificación inicial de la masa fundida de metal formando el cuerpo de fundición de metal 401, el molde 204 con el cuerpo de fundición de metal 401 situado en el se sumerge en un líquido 500, en particular agua. Dado que el agua presenta una temperatura significativamente inferior a la temperatura del molde 204 después del proceso de fundición, el molde 204 se agrieta por las tensiones térmicas en la zona de los puntos de rotura controlada. Como resultado, son separadas partes 502 del molde de fundición, y el cuerpo de fundición de metal 401 se expone directamente al contacto con el líquido 500 y, de esta manera, se enfría bruscamente. De esta manera, resulta una estructura optimizada, mejorada significativamente con respecto al producto de un proceso de enfriamiento lento dentro del molde 204.

En la figura 20 se muestra la zona 600 con una densidad aumentada de puntos de rotura controlada que hace que en esta zona el molde de fundición se rompa con la mayor probabilidad durante la introducción del molde 204 en agua. Por 501 está designado un dispositivo para la regulación de la temperatura del líquido, en particular del agua. En lugar del agua 500, también se pueden elegir otras sustancias fluidas libremente, tales como otros líquidos o incluso granulados o polvos, por ejemplo de metal. En casos especiales, por ejemplo, también se puede elegir un metal líquido como el mercurio, que puede ser muy adecuado para el enfriamiento de moldes calientes. Durante la inmersión en agua, en caso de diferencias de temperatura demasiado grandes, se pueden formar capas de vapor aislantes alrededor del molde 204 que ha de ser enfriado o alrededor del cuerpo de fundición de metal 401, que ralentizan el enfriamiento subsiguiente. Este efecto no es de esperar en el caso de usar mercurio o un granulado o polvo metálico.

Con la invención y el procedimiento de acuerdo con la invención, mediante un enfriamiento rápido, también en moldes de fundición de precisión se pueden lograr buenas estructuras metálicas en cuerpos de fundición de metal.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para fabricar piezas de fundición de metal (401, 401'), en el que se vierte una masa fundida de metal en un molde de fundición (204, 209) hecho de cerámica cocida, después de lo cual, una vez que haya comenzado la solidificación de la masa fundida de metal y aún durante el proceso de enfriamiento, el molde de fundición (204, 209) se retira al menos parcialmente de la pieza de fundición de metal y, de esta manera, la pieza de fundición de metal se pone en contacto con un medio de refrigeración fluido (500) que rodea el molde y que está concebido de tal forma que extrae energía térmica de la pieza de fundición de metal más rápidamente que el molde de fundición (204, 209).

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que se introduce el molde de fundición (204, 209) en el medio de refrigeración (500), junto con la masa fundida de metal vertida, durante el enfriamiento de la masa fundida de metal.

3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el medio de refrigeración (500) tiene una menor resistencia térmica específica y/o una mayor capacidad calorífica específica que el material del molde de fundición (204, 209).

4. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 o 3, caracterizado por que se calienta el molde de fundición (204, 209) antes y/o durante el vertido de la masa fundida de metal.

5. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3 o 4, caracterizado por que como medio de refrigeración (500) se utiliza un fluido, en particular un líquido, más particularmente agua.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la temperatura del medio de refrigeración (500) antes del contacto con el molde de fundición (204, 209) y el momento del primer contacto del molde de fundición (204, 209) con el medio de refrigeración se eligen de tal manera que el molde de fundición se rompe al menos parcialmente por enfriamiento brusco al entrar en contacto con el medio de refrigeración.

7. Molde de fundición (204, 209) para su uso en el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, estando compuesto el molde (204, 209) de una cerámica cocida, caracterizado por uno o varios puntos de rotura controlada (100'a, 100'b, 100'c, 400, 600), que están formados por cavidades y/o muescas.

8. Molde de fundición (204, 209) de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que se crea un modelo positivo (100, 100') y, después, se cubre el modelo positivo (100, 100') con una o varias capas de una barbotina cerámica líquida,

(i) cubriéndose el modelo positivo (100, 100'), antes de la aplicación y/o alternando con la aplicación y el secado de capas de barbotina, en cada caso por puntos, con una sustancia hidrófoba, o

(ii) dotándose el cuerpo de barbotina, secado o cocido, de cavidades y/o muescas para producir puntos de rotura controlada (100'a, 100'b, 100'c, 400, 600), mediante un procedimiento de eliminación de materia, en particular con arranque de virutas.

9. Dispositivo para la fabricación de una pieza de fundición de metal (401, 401'), que comprende:

un dispositivo (107) para fundir metal,

un molde de fundición (204, 209) de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, así como

un dispositivo para el enfriamiento brusco del molde de fundición (204, 209) y de la pieza de fundición de metal (401, 401'), en particular por medio de agua.