cuantificación del efecto de la cantidad de cobre en las...

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”

CUANTIFICACIÓN DEL EFECTO DE LA CANTIDAD DE

COBRE EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS

ALEACIONES ALUMINIO-COBRE

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO MECÁNICO

POR:

JOSÉ DAVID ÁLVAREZ GUERRERO

RICARDO ALFREDO CASTELLANOS GUILLÉN

OCTUBRE 2011

ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR

ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.

SECRETARIA GENERAL

CELINA PÉREZ RIVERA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIÉRREZ

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO

CARLOS ERNESTO RIVAS CERNA

LECTOR

MANUEL AMADOR PINEDA CAMPOS

AGRADECIMIENTOS

Gracias a todos que hicieron posible el proceso hasta el final; también a quienes creyeron

en nosotros y nos tuvieron paciencia.

Gracias a la divinidad por proveernos las oportunidades, las personas que nos orientan,

por las dificultades que nos hacen crecer y tener una visión cada vez más clara.

José David Álvarez Guerrero

Ricardo Alfredo Castellanos Guillén

DEDICATORIA

A todos los que luchan toda la vida por aprender y superarse.

A los hombres de ciencia que nos han iluminado.

José David Álvarez Guerrero

Ricardo Alfredo Castellanos Guillén

i

RESUMEN EJECUTIVO

En el quehacer de la industria siempre ha estado ligado el uso de materiales que cumplan

ciertos requisitos de diseño. Uno de los materiales bastante utilizados es el aluminio, al

cual, para su uso casi siempre es necesario utilizarlo en aleaciones para modificarle las

propiedades mecánicas según la aplicación. Cómo cambian las propiedades en función

del proceso de fabricación y de la composición química, ha sido materia de estudio y hay

bibliografía que lo documenta. Sin la tecnología apropiada no hay manera de llegar a los

mismos resultados.

Para producir partes de máquina fabricadas con fundición de aluminio aleado en El

Salvador, no se cuenta con tal desarrollo tecnológico pues se necesita de una industria

fuerte que lo utilice y lo demande; por esta razón, a nivel de país se trabaja aún de forma

empírica y sin ningún control sobre lo producido, con el único objetivo de obtener piezas

que sólo cumplen restricciones geométricas. Por este motivo se eligió investigar las

propiedades del aluminio aleado que se pueden obtener usando tecnología al alcance de

la industria local. El elemento de aleación seleccionado es el cobre por la relevancia de

sus aplicaciones. La fuente de la materia prima es el aluminio reciclado a partir de latas de

bebidas; y el cobre, a partir de alambre de conductores eléctricos. Estas fuentes son

abundantes y su utilización contribuye al reciclaje.

Con estos materiales se funden varias muestras de aleaciones teóricas, llamadas así

pues se considera el aluminio de las latas como “puro” luego de retirar la escoria, así

también el cobre del alambre; y de esta manera se hace la proporción en peso sin

verificar la composición real al final del proceso.

Las aleaciones fundidas con que se trabajaron son 0.0%, 3.5%, 4.0% y 4.5% en peso de

cobre en aluminio. Con estas cantidades, aun siendo teóricas, posibilitan comparar las

variaciones en las propiedades mecánicas al añadirle cobre contra el hecho de no

añadirle y así conocer si estas proporciones podrían ofrecer resultados más favorables;

así también, si alguna de éstas sobresale respecto de las otras.

Las propiedades mecánicas que fueron determinadas para cada aleación son la

resistencia a la tensión, resistencia a la fluencia, porcentaje de elongación y dureza.

Al final de los ensayos se verificaron las correlaciones entre las propiedades mecánicas y

la cantidad de cobre. Los efectos más importantes que se detectaron son el aumento a

casi el doble de la resistencia a la fluencia y la dureza respecto a los valores reportados

para la fundición de aluminio “puro” (aluminio de latas sin cobre).

ÍNDICE

RESUMEN EJECUTIVO ...................................................................................................................... i

ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................................... v

ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................................... vii

SIGLAS .............................................................................................................................................. ix

UNIDADES DE MEDIDA ................................................................................................................... xi

PRÓLOGO ....................................................................................................................................... xiii

1.CAPÍTULO 1. TEORÍA BÁSICA ..................................................................................................... 1

1.1. Endurecimiento por solución sólida ......................................................................................... 1

1.1.1. Endurecimiento ........................................................................................................... 1

1.1.2. Solución sólida ............................................................................................................ 1

1.1.3. Endurecimiento por solución sólida ............................................................................ 1

1.1.4. Efectos del reforzamiento por solución sólida sobre las propiedades ........................ 2

2.CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DEL MOLDE ....................... 3

2.1. La caja ...................................................................................................................................... 4

2.2. El modelo ................................................................................................................................. 4

2.2.1. Proceso de fabricación del modelo ............................................................................. 5

2.3. La arena ................................................................................................................................... 8

2.4. Los moldes ............................................................................................................................. 11

3.CAPÍTULO 3. PROCESO DE FUNDICIÓN Y COLADO ............................................................... 21

3.1. Preparación del proceso de fundición .................................................................................... 21

3.2. Herramientas y Equipo ........................................................................................................... 22

3.3. Equipo de seguridad. ............................................................................................................. 24

3.3.1. Seguridad personal ................................................................................................... 24

3.3.2. Ambiente de trabajo .................................................................................................. 24

3.4. Procedimiento de fundición y colado ..................................................................................... 24

3.5 Extracción y mecanizado de las piezas .................................................................................. 29

4.CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS ............................................. 33

4.1. Ensayo a tensión .................................................................................................................... 33

4.2. Medición de la dureza ............................................................................................................ 35

5.CAPÍTULO 5. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LAS ALEACIONES ............................... 37

5.1. Gráficos de los datos obtenidos ............................................................................................. 37

5.1.1. Resistencia a la fluencia ............................................................................................ 37

5.1.2. Resistencia a la tensión ............................................................................................. 37

5.1.3. Porcentaje de elongación .......................................................................................... 38

5.1.4. Dureza Rockwell B (HRB) ......................................................................................... 38

5.2. Gráficos de las medias de los datos ...................................................................................... 39





5.3. Correlación entre las variables ............................................................................................... 41





6.CAPÍTULO 6. ANÁLISIS ............................................................................................................... 43

6.1. Análisis estadístico ................................................................................................................. 43





6.2. Comparación de las propiedades mecánicas con los valores mínimos de aleaciones

comerciales.................................................................................................................................... 44

7.CAPÍTULO 7. CAUSAS DE ERROR ............................................................................................. 47

8.CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 49

8.1. Conclusiones .......................................................................................................................... 49

8.2. Recomendaciones .................................................................................................................. 49

REFERENCIAS ................................................................................................................................. 51

ANEXOS

ANEXO A: PLANOS DE LAS PIEZAS QUE COMPONEN DEL MODELO

ANEXO B: MÉTODOS DE ANÁLISIS DE DATOS QUE SE UTILIZARON

v

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Efecto del tamaño del átomo del soluto (impureza) sobre la red de átomos del

metal base: (a) tamaño de la impureza menor; (b) tamaño de la impureza mayor que los

átomos del metal base. Ilustración tomada de [1] ............................................................... 2

Figura 2 Elementos para la creación de una mitad del molde ............................................ 3

Figura 3 Figura con las mitades del molde. ........................................................................ 3

Figura 4 Modelo modificado a partir de la norma ASTM B26. ............................................. 4

Figura 5 Plano de corte del modelo (arriba); piezas resultantes del corte (abajo) ............... 5

Figura 6 Partes que componen la parte superior del modelo. ............................................. 5

Figura 7 maquinado de la parte central de las probetas. .................................................... 6

Figura 8 Probetas para realizar el modelo. ......................................................................... 6

Figura 9 Corte por el plano medio de las probetas del modelo. .......................................... 7

Figura 10 Proceso de fabricación del modelo. .................................................................... 7

Figura 11 Horno Industrial para el secado de la arena ....................................................... 8

Figura 12 Tamizado de la arena ......................................................................................... 9

Figura 13 Mezcla de arena con bentonita al 10% en peso ................................................. 9

Figura 14 Mezcla de arena y bentonita con agua al 3% en peso. ..................................... 10

Figura 15 Almacenaje de arena preparada en cubetas .................................................... 10

Figura 16 Cubriendo con grafito el modelo. ...................................................................... 11

Figura 17 Semicaja y modelo parte inferior, listo para el llenado con arena. .................... 11

Figura 18 Semicaja y modelo parte superior listo para el llenado con arena .................... 12

Figura 19 llenado con arena de una semicaja .................................................................. 12

Figura 20 Compactación de la arena utilizando un pisón ................................................. 13

Figura 21 Quitando excedentes de arena sobre una semicaja utilizando una regla.......... 13

Figura 22 Tapando la semicaja llena de arena con una tabla ........................................... 14

Figura 23 Asegurando la tabla a la semicaja usando sargentos ....................................... 14

Figura 24 Removiendo los sargentos para la extracción del modelo ................................ 15

Figura 25 Golpeando el modelo para extraerlo de la semicaja. ........................................ 15

Figura 26 Retirando el modelo de la semicaja. ................................................................. 16

Figura 27 Reparando pequeñas imperfecciones de una semicaja del modelo. ................ 16

Figura 28 Usando una varilla, abrir orificios para evacuar gases en el molde................... 17

Figura 29 Respiraderos adicionales en el molde .............................................................. 17

Figura 30 Con una llama de oxicorte, secando la parte inferior del molde. ....................... 18

Figura 31 Secando con la llama de oxicorte secando la parte superior del molde. ........... 18

Figura 32 Semicajas alineadas......................................................................................... 18

Figura 33 Retirando el tornillo para abrir la semicaja superior. ......................................... 19

Figura 34 Retirando el tornillo para abrir la semicajas inferior .......................................... 19

Figura 35 Moldes listos para la colada ............................................................................. 20

Figura 36 Latas listas para ser cargadas al horno. ........................................................... 21

Figura 37 Ejemplo del tamaño requerido del alambre de cobre. ....................................... 22

Figura 38 Termómetro y termocupla ................................................................................ 23

Figura 39 Herramientas de fundición ................................................................................ 23

vi

Figura 40 Quemador Diesel del horno de fundición .......................................................... 24

Figura 41 Precalentando las latas. ................................................................................... 25

Figura 42 Cargando con latas el horno ............................................................................. 25

Figura 43 Removiendo la escoria del aluminio líquido ...................................................... 26

Figura 44 Verificando la carga en el horno ....................................................................... 26

Figura 45 Desgasificando el aluminio con nitrógeno. ........................................................ 27

Figura 46 Llevando el crisol de acero al horno para verter. .............................................. 27

Figura 47 Llenando con aluminio líquido el crisol. ............................................................ 28

Figura 48 Crisol de verter lleno. ........................................................................................ 28

Figura 49 Llenando los moldes con aluminio líquido. ....................................................... 29

Figura 50 Piezas fundidas a partir de 2 moldes de arena. ................................................ 29

Figura 51 Corte de la probeta en la pieza fundida ............................................................ 30

Figura 52 Detalle del corte en la unión probeta mazarota y conducto de llenado ............. 30

Figura 53 Probetas listas para ser limadas ....................................................................... 31

Figura 54 Probetas listas para el ensayo a tensión. ......................................................... 33

Figura 55 Marcando las probetas para que sirvan de referencia para determinar la

deformación. .................................................................................................................... 33

Figura 56 Colocando el espécimen de prueba en la máquina universal. .......................... 34

Figura 57 Deformímetro colocado en la parte central de la probeta. ................................. 34

Figura 58 Espécimen sometido a falla. ............................................................................. 35

Figura 59 Verificando la longitud final después del ensayo a tensión. .............................. 35

Figura 60 Muestras de las aleaciones utilizadas para determinar la dureza HRB ............. 36

Figura 61 Dureza HRF de la fundición proveniente de latas de bebidas. .......................... 36

Figura 62 Gráfico de dispersión de datos de resistencia a la fluencia calculado con el

método “offset” al 0.001 de deformación unitaria. ............................................................. 37

Figura 63 Gráfico de dispersión de datos de resistencia a la tensión. .............................. 37

Figura 64 Gráfico de dispersión de datos de porcentaje de elongación ............................ 38

Figura 65 Gráfico de dispersión de datos de dureza HRB. Son 10 puntos en cada

porcentaje de cobre muestreado. ..................................................................................... 38

Figura 66 Gráfico de los promedios de resistencia a la fluencia con barras de error al 95%

de confianza. .................................................................................................................... 39

Figura 67 Gráfico de los promedios de resistencia a la tensión con barras de error al 95%

de confianza. .................................................................................................................... 39

Figura 68 Gráfico de los promedios del porcentaje de elongación con barras de error al

95% de confianza ............................................................................................................. 40

Figura 69 Gráfico de los promedios de dureza HRB con barras de error al 95% de

confianza .......................................................................................................................... 40

Figura 70 Gráfico de correlación entre los datos de resistencia a la fluencia. ................... 41

Figura 71 Gráfico de correlación entre los datos de Resistencia a la tensión. .................. 41

Figura 72 Gráfico de correlación entre los datos de porcentaje de elongación. ................ 42

Figura 73 Gráfico de correlación entre los datos de dureza HRB. .................................... 42

Figura 74 Comparación de resistencia a la tensión con la aleación 295.0 T77 ................. 45

Figura 75 Comparación de resistencia a la fluencia con la aleación 208.0 F .................... 45

Figura 76 Comparación de valores típicos de dureza con los resultados obtenidos ......... 45

vii

ÌNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Cantidades de los elementos de aleación............................................................ 22

Tabla 2 Resultados de la prueba de hipótesis para la media de la Resistencia a la

Fluencia (MPa) ................................................................................................................. 43

Tabla 3 Resultados de la prueba de hipótesis para la media de la resistencia a la tensión

(MPa) ............................................................................................................................... 43

Tabla 4 Resultado de la prueba de hipótesis para la media del porcentaje de

elongación ........................................................................................................................ 44

Tabla 5 Resultados de la prueba de la hipótesis para la media de la Dureza

Rockwell B ....................................................................................................................... 44

ix

SIGLAS

ASTM: American Society of Testing of Materials.

UCA: Universidad Centroamericana José Simeón Cañas.

xi

UNIDADES DE MEDIDA

m: metro

kg: kilogramo

g: gramo

°C: grados Celcius

m3: metro cúbico

MPa: Mega Pascal (un millón de Pascales)

s: segundo

h: hora

min: minuto

HRB: Dureza Rockwell B (Hardness Rockwell B)

kW: kilo watt (mil Watt)

%Cu: porcentaje de cobre en aluminio (masa/masa)

GPH: galones por hora

xiii

PRÓLOGO

En el capítulo 1 se expone brevemente cómo un metal cambia sus propiedades

mecánicas al formar una solución sólida; en particular, el incremento en la resistencia a la

tensión y la dureza.

A continuación, el capítulo 2 describe los elementos necesarios y la técnica seguida para

la elaboración de los moldes de arena. Se documenta: la función de la caja, el modelo y

su construcción, la preparación de la arena y el cómo se hacen los moldes de fundición

utilizando los elementos antes mencionados.

El capítulo 3 trata acerca del proceso de fundición y colado. Se expone la preparación del

proceso de fundición, que consiste en la recolección de latas de aluminio, alambre de

cobre y sales fundentes; se describen las herramientas y equipos utilizados en la

fundición y colada, las normas de seguridad laboral mínimas en el área de fundición y,

finalmente, el procedimiento seguido hasta la obtención de los especímenes de ensayo a

tensión.

Luego, en el capítulo 4, se documenta el proceso seguido para la obtención de datos en el

ensayo a tensión, en detalle: la preparación de las probetas, el equipo utilizado y el

método seguido. Además, se explica cómo se obtuvieron las muestras para la prueba de

dureza a partir de las piezas fundidas y el proceso de obtención de datos para cada

aleación fundida examinada.

En el capítulo 5 se muestran gráficamente los datos recopilados y procesados de las

propiedades: resistencia a la tensión, resistencia a la fluencia, porcentaje de elongación y

dureza HRB.

En el capítulo 6 se analizan los datos obtenidos en el ensayo a tensión y de dureza por

medio de la inferencia estadística para dos medias. Además se hace una comparación de

los resultados con valores promedio para aleaciones parecidas.

En el capítulo 7 se enumeran y explican las posibles causas de error cometidos durante la

investigación.

Finalmente, en el capítulo 8, se procede a realizar las conclusiones basadas en el análisis

del capítulo 6. Luego se dan recomendaciones para mejorar el proceso de fundición en

siguientes investigaciones relacionadas.

1

1. CAPÍTULO 1. TEORÍA BÁSICA

1.1. Endurecimiento por solución sólida

1.1.1. Endurecimiento

En metalurgia, endurecimiento se refiere a técnicas para incrementar la dureza de un

material. Existen cinco técnicas principales para hacer esto:

a) Endurecimiento por tamaño de grano

b) Endurecimiento por deformación (trabajo en frío)

c) Endurecimiento por solución sólida

d) Endurecimiento por precipitación

e) Transformación de fases

Todos los mecanismos de endurecimiento, a excepción de las transformaciones de fase,

crean más obstáculos o defectos en la estructura cristalina, los cuales actúan limitando el

movimiento de las dislocaciones (defecto lineal en la red de la estructura cristalina).

1.1.2. Solución sólida

Una solución sólida es una aleación en la cual un elemento está disuelto en otro para

formar una estructura de fase única. El término fase describe cualquier masa homogénea

de material, tal como un metal en el que los granos tienen la misma estructura reticular.

En una solución sólida, el solvente o elemento base es metálico y el elemento disuelto

puede ser metálico o no metálico.

El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del solvente bien mediante

sustitución, reemplazando cada partícula del disolvente por una partícula del soluto; o

bien de forma intersticial, encajándose cada partícula de soluto dentro del espacio que

hay entre partículas del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las

propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y

porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

1.1.3. Endurecimiento por solución sólida

En los materiales metálicos, uno de los efectos importantes de la formación de soluciones

sólidas es el endurecimiento resultante. Los metales muy puros son casi siempre más

blandos y menos resistentes que las aleaciones formadas con el mismo metal base. Un

aumento en la concentración del soluto produce un aumento en la resistencia a la tracción

y también en la dureza.

Las aleaciones son más resistentes que los metales puros debido a que los átomos del

soluto (impurezas) producen una deformación de la red en los átomos vecinos del

solvente. Como resultado de las interacciones de los campos de deformación de la red de

las dislocaciones y de estos átomos es más difícil. Por ejemplo, una impureza cuyo

tamaño es menor que el átomo del cristal al cual substituye ejerce deformaciones de

tracción sobre la red del entorno (Figura 1 (a)); inversamente, un átomo sustitucional

mayor impone deformaciones de compresión en su vecindad (Figura 1 (b)).

2

Figura 1. Efecto del tamaño del átomo del soluto (impureza) sobre la red de átomos del metal base: (a) tamaño de la impureza menor; (b) tamaño de la impureza mayor que los átomos del metal

base. Ilustración tomada de [1]

1.1.4. Efectos del reforzamiento por solución sólida sobre las propiedades

Los efectos del reforzamiento por solución sólida sobre las propiedades de un material

metálico incluyen:

a) La resistencia a la fluencia, la resistencia a la tensión y dureza de la aleación son

mayores que la de los metales puros.

b) Casi siempre, la ductilidad de la aleación es menor que la del metal puro.

c) La conductividad eléctrica de la aleación es mucho menor que la del metal puro

aunque frecuentemente es más estable en función de la temperatura.

d) La resistencia a la termofluencia (pérdida de resistencia a temperaturas elevadas)

mejora con el reforzamiento por solución sólida.

3

2. CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN

DEL MOLDE

Para la creación de los moldes de arena, se necesitan tres elementos esenciales: la caja,

el modelo y la arena (Figura 2). Teniendo estos elementos se arma la caja junto con el

modelo y se procede a la creación de las mitades del molde compactando la arena sobre

las mitades correspondientes del modelo (Figura 3); al unir las mitades del molde de

arena se tiene el molde terminado listo para verter el metal fundido dentro de éste.

Figura 2 Elementos para la creación de una mitad del molde

Figura 3 Figura con las mitades del molde.

4

2.1. La caja

Sirve para darle soporte a la arena mientras se le compacta durante la elaboración del

molde. La caja, dado que se obtendrán las mitades del molde por separado, se divide en

dos partes a las cuales se les llama semicajas. El diseño de las semicajas (ver anexo A)

es tal que, una vez completado un molde pueden quitarse las semicajas dejando el bloque

en el lugar en que se va a colar, de modo que pueden tomarse las partes nuevamente

para elaborar otro molde y así colar varios moldes a la vez. Más detalles sobre las cajas y

diferentes diseños puede consultarse la referencia [2].

2.2. El modelo

El modelo es una réplica de la forma que se desea obtener del proceso de fundición, es

decir un “positivo” de la pieza que obtendrá del proceso de fundición a la cual se le añade

un sistema de conductos por el cual fluirá el aluminio fundido en proceso de llenado.

Las piezas que se requieren obtener con este modelo son probetas o especímenes para

ensayo a tensión según lo requiere la norma ASTM B577 [3].

El modelo utilizado es el propuesto por la norma ASTM B26 [4], el cual se le modificaron

algunas medidas debido a las restricciones que se tienen con el equipo de ensayo a

tensión del Laboratorio de Mecánica Estructural de la UCA; la forma del modelo se

muestra en la Figura 4.

Figura 4 Modelo modificado a partir de la norma ASTM B26.

Para poder usar el modelo debe dividírsele por el plano medio de las probetas (ver Figura

5) y pegar cada parte en tablas de madera. Sobre estas tablas serán puestas semicajas

de madera las cuales deben quedar alineadas para su posterior ensamble.

5

Figura 5 Plano de corte del modelo (arriba); piezas resultantes del corte (abajo)

2.2.1. Proceso de fabricación del modelo

Para logar el modelo terminado, debe elaborarse de una serie de piezas sencillas que

luego serán ensambladas con pegamento como se muestra en la Figura 6.

Figura 6 Partes que componen la parte superior del modelo.

6

Las piezas del modelo (ver planos en Anexo A) se elaboraron en madera a excepción de

la parte central de las probetas pues esta sección debe ser muy precisa en el acabado de

sus dimensiones así que el material que se utilizó fue el Delrin®, éste es un termoplástico

de acetal reforzado con fibras de teflón uniformemente dispersas [5].

Figura 7 maquinado de la parte central de las probetas.

Teniendo la parte central mencionada, se procedió a pegarlas a cilindros de madera con

la longitud necesaria para completar esta parte del modelo (véase Figura 8). Puesto que

el modelo debe ser dividido en el plano de las probetas, se necesitó fabricar 4 probetas,

las cuales fueron fresadas hasta llegar al plano medio tal como se muestra en la Figura 9.

Figura 8 Probetas para realizar el modelo.

7

Figura 9 Corte por el plano medio de las probetas del modelo.

Terminados los modelos de las probetas y los demás elementos de éste, el paso siguiente

es ubicar las partes en las tablas de manera que queden alineadas tomando la misma

referencia, para ello se utiliza pegamento y posteriormente se aplica masilla en las partes

que encajan los bloques, obteniéndose así una superficie lisa y uniforme del modelo,

véase Figura 10. Finalmente se aplican 3 capas de sellador para madera y 2 capas de

pintura.

Figura 10 Proceso de fabricación del modelo.

8

2.3. La arena

La arena utilizada para la elaboración de los moldes fue extraída de la playa “El Majahual”

ubicada en el departamento de La Libertad. Dicha arena es en su mayoría de origen

volcánico por ello presenta una coloración negra. La cantidad de la arena recogida fue de

6 cubetas, cada una con una capacidad de 5 galones. Esta cantidad de arena es la

suficiente para la elaboración de 4 moldes. El procedimiento para la preparación de la

arena de fundición se explica a continuación:

1. La arena debe lavarse utilizando agua con el fin de remover la sal. El proceso es el

siguiente: en una cubeta con una capacidad de un galón, se pone una tela Bricot®,

se llena de arena hasta la mitad, se llena la cubeta con agua, se toma la tela y se

saca de la cubeta para que la arena escurra, se realiza este procedimiento dos

veces para cada porción de arena.

2. Debe secarse utilizando un horno u otra fuente de calor apropiada, en el caso de

estudio se utilizó un horno industrial eléctrico de 4.8 kW de potencia (Figura 11).

Se secaron 15 galones (3 cubetas de 5 galones) de arena a la vez por un período

de 24 horas a una temperatura de 110 °C.

Figura 11 Horno Industrial para el secado de la arena

3. Luego la arena seca debe tamizarse para eliminar objetos extraños como piedras,

residuos vegetales, plásticos entre otros. La malla de acero utilizada posee 20

hilos por pulgada, este proceso se observa en la Figura 12.

9

Figura 12 Tamizado de la arena

4. Posteriormente mezclarse al 10% en peso con bentonita, para ello se utilizó una

mezcladora de concreto, véase (Figura 13). La cantidad de arena seca procesada

fue 10 galones (2 cubetas de 5 galones) cada vez, hasta obtener un color uniforme

de la arena.

Figura 13 Mezcla de arena con bentonita al 10% en peso

5. El siguiente paso, teniendo la arena siempre en la mezcladora de concreto, es

añadir agua al 3% en peso, y mantener en marcha la máquina hasta que no se

observen grumos, como se observa en la Figura 14.

10

Figura 14 Mezcla de arena y bentonita con agua al 3% en peso.

6. Finalmente almacenar la arena en los recipientes de 5 galones con bolsas

plásticas y debidamente tapados para evitar la pérdida de humedad, Figura 15.

Figura 15 Almacenaje de arena preparada en cubetas

11

2.4. Los moldes

Cada tabla del modelo debe cubrirse con grafito, esto se hace para evitar que el modelo

se adhiera a la arena, debe preparase una pintura con alcohol y grafito, se esparce de

manera de dejar una capa uniforme sobre el modelo, como se aprecia en Figura 16, luego

dejar que seque para que solo quede el grafito sobre la superficie.

Figura 16 Cubriendo con grafito el modelo.

El siguiente paso es colocar y alinear la semicaja que corresponde a cada tabla del

modelo y fijarla con sargentos (véanse Figura 17 y Figura 18).

Figura 17 Semicaja y modelo parte inferior, listo para el llenado con arena.

12

Figura 18 Semicaja y modelo parte superior listo para el llenado con arena

Teniendo la semicaja y el modelo armado, se procede al llenado con arena, para ello se

llena por completo la semicaja, véase Figura 19.

Figura 19 llenado con arena de una semicaja

Posteriormente se compacta usando como herramientas pisones, un pisón es una barra

de material pesado que se usa para golpear y dejar una superficie uniforme, si la arena

sede espacio, rellenar otra vez la semicaja y volver a compactar, como se observa en la

Figura 20.

13

Figura 20 Compactación de la arena utilizando un pisón

El siguiente paso es remover el excedente de arena sobre el borde de la semicaja, se

utiliza una regla de acero apoyada en los bordes de la semicaja y recorriendo toda la

superficie de la arena, tal como se observa en la Figura 21.

Figura 21 Quitando excedentes de arena sobre una semicaja utilizando una regla de acero

El siguiente paso se aprecia en la Figura 22 y Figura 23, en donde se cubre la semicaja

llena de arena con una tabla y se esta se asegura usando sargentos.

14

Figura 22 Tapando la semicaja llena de arena con una tabla

Figura 23 Asegurando la tabla a la semicaja usando sargentos

La tabla sujetada a la semicaja evita que el molde se desmorone mientras se le da vuelta

alrededor del eje longitudinal para remover el modelo, para ello se ubica sobre un asiento

de ladrillos para poder remover los sargentos sin que topen a la superficie de la mesa,

véase Figura 24.

15

Figura 24 Removiendo los sargentos para la extracción del modelo

Con los sargentos retirados de la semicaja, se procede a golpear levemente el modelo

para retirarlo de la semicaja del molde como se observa en la Figura 25 y en la Figura 26.

Figura 25 Golpeando el modelo para extraerlo de la semicaja.

16

Figura 26 Retirando el modelo de la semicaja.

Con el modelo retirado se inspecciona para reparar pequeñas imperfecciones (Figura 27)

con una pequeña espátula y arena suelta de la superficie del modelo.

Figura 27 Reparando pequeñas imperfecciones de una semicaja del modelo.

En la parte superior del molde de arena se realizan 4 agujeros equidistantes a lo largo

conducto central, otros en los hombros de las probetas y además en las mazarotas del

modelo (Figura 28 y Figura 29) esto facilita la salida los de gases que se liberan durante el

colado y solidificación del aluminio por lo que se les conoce como respiraderos.

17

Figura 28 Usando una varilla, abrir orificios para evacuar gases en el molde

Figura 29 Respiraderos adicionales en el molde

El siguiente paso es secar la superficie del molde que tendrá contacto directo con el

aluminio fundido, se usa la llama de la boquilla de oxicorte, remítase a Figura 30 y Figura

31. La técnica utilizada fue calentar uniformemente durante 6 minutos cada una de las dos

partes del molde.

18

Figura 30 Con una llama de oxicorte, secando la parte inferior del molde.

Figura 31 Secando con la llama de oxicorte secando la parte superior del molde.

Figura 32 Semicajas alineadas.

19

Teniendo las 2 partes de un modelo se procede a alinear las semicajas, Figura 32.

Luego, deben retirarse los marcos de madera de las semicajas, dejando así el molde

armado y listo para la fundición. Cada semicaja de madera posee en una esquina una

bisagra y en la esquina opuesta un pasa-candado que se asegura con un tornillo, para

retirar las semicajas de madera se debe retirar el tornillo y abrir la semicaja, se empieza

con la superior, Figura 33 y Figura 34.

Figura 33 Retirando el tornillo para abrir la semicaja superior.

Figura 34 Retirando el tornillo para abrir la semicajas inferior

Retirando ambas semicajas, se tiene listo un molde de arena para colar en éste el metal

fundido (Figura 35).

20

Figura 35 Moldes listos para la colada

21

3. CAPÍTULO 3. PROCESO DE FUNDICIÓN Y COLADO

3.1. Preparación del proceso de fundición

Por lo menos un día antes se debe colectar y preparar la cantidad suficiente de la materia

prima. En primer lugar, las latas de aluminio deben estar compactadas (Figura 36) y

almacenarse cerca del horno para facilitar el proceso de carga. La experiencia muestra

que la cantidad de aluminio que se recupera de las latas de bebidas es del 65.9%, por lo

que la cantidad que debe juntarse en latas es aproximadamente 1.52 veces la cantidad de

aluminio requerida para la aleación a preparar debido a la formación de escoria producto

de todas las impurezas que traen las latas

Figura 36 Latas listas para ser cargadas al horno.

En segundo lugar, el alambre de cobre debe cortarse en pedazos lo más pequeño

posible, esto facilita la dilución del cobre en el aluminio, véase Figura 37, de preferencia

almacenarlo en una bolsa plástica para evitar la oxidación en el lapso que está en

contacto con el aire. La cantidad depende de la aleación deseada, la cual se obtiene con

la Ecuación 3.1

(Ec. 3.1)

Donde m es la cantidad de cobre a agregar, M es la cantidad de aluminio y P el

porcentaje del cobre en la aleación.

Para el caso de este trabajo, las cantidades requeridas de estos materiales de detallan en

la Tabla 1. Se estableció como fija la cantidad de aluminio pues para poder determinar la

proporción de los metales de aleación se requiere medir la cantidad de aluminio resultante

después de retirar la escoria de las latas, y ya que implicaría doble gasto en energía fundir

primero las latas, retirar la escoria y cortar la masa necesaria luego de solidificar, se optó

22

por hacer esto una vez, volverla a fundir y meter una sonda para conocer a que nivel en el

aluminio líquido dentro del crisol le corresponde la masa de 5.443 kg, pues era

desconocida la densidad del aluminio de las latas en estado líquido. A partir de este

experimento y de una estimación del volumen correspondiente mediante una

aproximación de la ecuación del perfil del crisol se calcula una densidad de 2551 kg/m3.

Tabla 1 Cantidades de los elementos de aleación.

Figura 37 Ejemplo del tamaño requerido del alambre de cobre.

Además debe de prepararse las sales fundentes, la cual consiste en una mezcla al 50%

en peso de cloruro de potasio (KCl) y cloruro de sodio (NaCl). La cantidad a utilizar es de

4.41g de la mezcla de sales por cada 1 kg de aluminio de latas que se desea obtener y

debe dividirse en 2 porciones, se empaquetan en bolsas de plástico para poder

agregarlas al metal líquido sin que se quemen en el aire (el aire sale del horno a 710°C).

3.2. Herramientas y Equipo

Las herramientas utilizadas son un termocupla tipo “k” con una coraza de acero inoxidable

que permite sumergirla dentro del aluminio líquido evitando así que se queme el aislante

de la termocupla (Figura 38); una cuchara “escoriadora”, una barra para empujar las latas,

una espátula que se usa para detener la película que se forma a la hora de verter y limpiar

el interior del crisol, véase Figura 39, un porta crisol y crisol de colada, soportes del porta

Aleación (% Cu) masa Cu (kg) masa Al (kg) masa latas (kg)

0.0% 0.000 5.443 8.273

3.5% 0.197 5.443 8.273

4.0% 0.227 5.443 8.273

4.5% 0.256 5.443 8.273

TOTAL 0.681 21.772 33.093

23

crisol, quemador de propano para precalentar el crisol, cilindro de nitrógeno con

caudalímetro y boquilla; además una escalera.

Figura 38 Termómetro y termocupla

Figura 39 Herramientas de fundición

El crisol de colada está fabricado de acero y es recubierto en su periferia por una manta

aislante de fibras cerámicas.

El quemador del horno trabaja a una potencia de 3 galones por hora, el cual se observa

en la Figura 40.

24

Figura 40 Quemador Diesel del horno de fundición

3.3. Equipo de seguridad.

3.3.1. Seguridad personal

Gafas con protección UV y protector facial (careta).

Gabacha, delantal y mangas de cuero.

Guantes para alta temperaturas

Zapatos de seguridad

Ropa de trabajo de material no inflamable y evitar pulseras, anillos, collares y relojes de

muñeca.

3.3.2. Ambiente de trabajo

Debe tenerse extintor de incendio tipo BC, verificar que la presión del equipo este dentro

del rango de operación y que no hay nada que bloquee su acceso.

El área de trabajo debe estar limpia y ordenada para evitar accidentes.

3.4. Procedimiento de fundición y colado

1° Ubicar los equipos en la posición adecuada para tenerlos a la mano y no tropezar con

ellos.

2° Ponerse el equipo de protección.

3° Colocar la termocupla en el interior del crisol, conectar y encender el quemador,

colocar las latas encima del horno para que precalienten y se evapore cualquier

remanente de humedad, véase Figura 41

25

Figura 41 Precalentando las latas.

4° Pasados 30 minutos empezar a cargar las latas dentro del crisol, Figura 42, verificar

que en todo momento la temperatura no sobrepase los 780 °C, en ese caso apagar el

quemador y encender el horno cuando llegue a 720°C.

Figura 42 Cargando con latas el horno

5° Cuando se haya completado la mitad de la carga, agregar la primera porción de las

sales fundentes, mezclar bien y sacar la escoria que se forma en la superficie del metal

líquido, Figura 43, asegurarse de que la cuchara tenga agujeros y que no estén obstruidos

para que escurra el aluminio fundido y disminuya las pérdidas de materia prima.

26

Figura 43 Removiendo la escoria del aluminio líquido

6° seguir con la carga de latas y estar pendiente de verificar con la sonda el nivel de

llenado del crisol, Figura 44.

Figura 44 Verificando la carga en el horno

7° Al obtener la cantidad necesaria de aluminio líquido agregar la segunda porción de sal

fundente y retirar la escoria formada.

8° Agregar la bolsa con los trozos de alambre de cobre y mezclar por 5 minutos o hasta

que no se perciban pedazos de cobre en el fondo del crisol. Durante esta etapa debe

27

encenderse el quemador de propano para precalentar el crisol de colada, el inyector de

nitrógeno y la espátula.

9° Inyectar el nitrógeno a la aleación por un lapso de 15 segundos con un caudal de

6.309x10-6 m3/s (6 GPH), véase, esto hace que el hidrogeno salga del aluminio líquido.

Figura 45 Desgasificando el aluminio con nitrógeno.

10° Quitar el depósito de escoria y limpiar encima del horno, quitar termocupla, apagar y

quitar el quemador Diesel, quitar la escalera, apagar el quemador de propano y

prepararse para verter en el otro crisol, véase Figura 46.

Figura 46 Llevando el crisol de acero al horno para verter.

28

11° Verter en el crisol de colada, procurando que este se llene sin turbulencia de aluminio

líquido, En la Figura 47 se procede haciendo que el metal deslice suavemente en las

paredes del crisol.

Figura 47 Llenando con aluminio líquido el crisol.

Teniendo el crisol lleno (Figura 48), se desplaza lo más rápido posible este hacia los

moldes para ser llenados con aluminio (Figura 49).

Figura 48 Crisol de verter, lleno.

29

Figura 49 Llenando los moldes con aluminio líquido.

3.5 Extracción y mecanizado de las piezas

Las piezas obtenidas por el proceso de fundición deben ser preparadas para su uso final,

se debe quitar el excedente que forma parte de los conductos de llenado y luego según la

aplicación (en la Figura 50 se muestran 2 piezas fundidas). Se debe maquinar la

superficie de la pieza con el objeto que cumpla las especificaciones de tamaño y acabado

superficial requeridas.

Figura 50 Piezas fundidas a partir de 2 moldes de arena.

30

Es necesario cortar las probetas de la pieza fundida para usarlas en el ensayo a tensión,

esta operación se hace con una sierra manual o se puede usar otro dispositivo adecuado

para cortar aluminio, véase Figura 51 y Figura 52.

Figura 51 Corte de la probeta en la pieza fundida

Figura 52 Detalle del corte en la unión probeta mazarota y conducto de llenado

A cada espécimen a tensión se le debe limar la rebaba que queda a la mitad de la pieza

por la unión de las dos partes del molde y las protuberancias donde estaban los

respiraderos (ver Figura 53), para esto se utilizó una lima basta plana.

31

Figura 53 Probetas listas para ser limadas

33

4. CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

4.1. Ensayo a tensión

Habiendo rotulado cada probeta con su porcentaje de cobre, se procede a ejecutar el

ensayo a tensión; el orden de prueba de los especímenes es aleatorio para evitar el sesgo

de parte del investigador (véase Figura 54).

Figura 54 Probetas listas para el ensayo a tensión.

Deben marcarse dos puntos de referencia en la parte central de la probeta para verificar

después del ensayo la deformación.

Figura 55 Marcando las probetas para que sirvan de referencia para determinar la deformación.

34

Posteriormente se ubica la probeta en las mordazas de la maquina universal, Figura 56.

Figura 56 Colocando el espécimen de prueba en la máquina universal.

Con el espécimen de prueba sujeto en ambas mordazas de la máquina universal, se

procede a colocar el deformímetro en la parte central de las probetas, véase Figura 57.

Figura 57 Deformímetro colocado en la parte central de la probeta.

El siguiente paso es someter a carga axial al espécimen (ver Figura 58); se debe estar

pendiente de retirar el deformímetro cuando la computadora haya hecho la estimación del

esfuerzo a la fluencia acorde al método offset según la sección 7.5 de la norma ASTM

B557 [3], en la cual se sugiere el valor de 0.2%, sin embargo, en este caso se aplicó el

valor 0.1% pues las probetas resultaron frágiles y rompían antes de logar la deformación

necesaria para el uso del valor 0.2%. La carga debe continuar su incremento hasta llegar

a la ruptura y registrar la resistencia a la tensión.

35

-

Figura 58 Espécimen sometido a falla.

Luego debe retirarse la probeta de la maquina universal y verificar utilizando un vernier la

deformación, Figura 59.

Figura 59 Verificando la longitud final después del ensayo a tensión.

4.2. Medición de la dureza

La prueba de dureza se realizó en una sección de aproximadamente 6 cm del conducto

central de una pieza de cada aleación, cada muestra debe ser tratada para obtener una

superficie lisa y uniforme en la cara donde se realiza la indentación y en el lado contrario

una superficie uniforme para ser apoyada en el soporte del durómetro. Este procedimiento

se realizó usando una lija número 80 y 100.

36

La escala de dureza seleccionada en el durómetro fue la Rockwell B (HRB), que es la

adecuada para aleaciones de aluminio; dicha escala utiliza una carga de 100 kg y un

indentador de bola de 1.59 mm (1/16 in). Se procuró obtener 10 datos de dureza por

aleación, véase Figura 60.

Figura 60 Muestras de las aleaciones utilizadas para determinar la dureza HRB

La fundición proveniente únicamente de latas de bebidas (sin cobre), presentó una dureza

fuera del rango de medición de la escala HRB (valores negativos), por lo que se usó la

escala HRF que utiliza el mismo indentador pero una carga de 60 kg (Figura 61).

Posteriormente se convirtieron estos valores a escala HRB para poder ser comparados

con los demás datos.

Figura 61 Durómetro obteniendo dureza HRF de la fundición proveniente de latas de bebidas.

37

5. CAPÍTULO 5. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LAS

ALEACIONES

5.1. Gráficos de los datos obtenidos

Para proceder al análisis, en primer lugar se grafican los datos obtenidos en formato de

dispersión para cada una de las propiedades (de la Figura 62 a la Figura 65); en éstos se

observa la cantidad de muestras por porcentaje de cobre.

5.1.1. Resistencia a la fluencia

Figura 62 Gráfico de dispersión de datos de resistencia a la fluencia calculado con el método “offset” al 0.001 de deformación unitaria.

5.1.2. Resistencia a la tensión

Figura 63 Gráfico de dispersión de datos de resistencia a la tensión.

38

5.1.3. Porcentaje de elongación

Figura 64 Gráfico de dispersión de datos de porcentaje de elongación

5.1.4. Dureza Rockwell B (HRB)

Figura 65 Gráfico de dispersión de datos de dureza HRB. Son 10 puntos en cada porcentaje de cobre muestreado.

39

5.2. Gráficos de las medias de los datos

Desde la Figura 66 hasta la Figura 69 se representan de las medias con sus intervalos de

confianza calculados al 95% utilizando la distribución t.


Figura 66 Gráfico de los promedios de resistencia a la fluencia con barras de error al 95% de confianza.


Figura 67 Gráfico de los promedios de resistencia a la tensión con barras de error al 95% de confianza.

40


Figura 68 Gráfico de los promedios del porcentaje de elongación con barras de error al 95% de confianza


Figura 69 Gráfico de los promedios de dureza HRB con barras de error al 95% de confianza

41

5.3. Correlación entre las variables

Para las medias de las propiedades, se han calculado las ecuaciones de las curvas de

tendencia por método de los mínimos cuadrados (ver de la Figura 70 hasta la Figura 73).

Se probaron las tendencias lineal y cuadrática, luego se seleccionó en cada caso la que

resultó ser un mejor ajuste mediante el uso del parámetro R2; puede considerarse que es

un buen ajuste las curvas cuya R2 sea mayor que 0.8 (el valor máximo es 1) y que por

tanto hay una correlación definida entre las variables.


Figura 70 Gráfico de correlación entre los datos de resistencia a la fluencia.


Figura 71 Gráfico de correlación entre los datos de Resistencia a la tensión.

42


Figura 72 Gráfico de correlación entre los datos de porcentaje de elongación.


Figura 73 Gráfico de correlación entre los datos de dureza HRB.

43

6. CAPÍTULO 6. ANÁLISIS

6.1. Análisis estadístico

De la Tabla 2 a la Tabla 5 se resumen los resultados del análisis estadístico de los datos

obtenidos de los ensayos. Para cada fila (la i-ésima fila), a la cual le corresponde un

porcentaje cobre, se le calcula la media de la propiedad en cuestión ( ̅, columna 3),

seguido se muestra la desviación estándar y el número de muestras (columnas 4 y 5). En

las últimas tres columnas de cada tabla se muestran la probabilidades de que ocurran

cada una de las 3 hipótesis de comparación resultantes de la inferencia estadística para

dos medias: la fila que se lee ( ̅ ) comparada con la siguiente ( ̅̅ ̅̅ ̅ ), es decir, la

probabilidad de si la media ̅ es menor que la de la fila siguiente (columna 6); la

probabilidad de si la media ̅ es igual que la de la fila siguiente (columna 7); y la

probabilidad de si la media ̅ es mayor que la de la fila siguiente (columna 8).


Tabla 2 Resultados de la prueba de hipótesis para la media de la Resistencia a la Fluencia (MPa)

i %Cu ̅ s n ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 1 0.0% 70.15 7.5568 2 0.9845 0 0.0155

2 3.5% 129.36 23.8167 4 0.9438 0.1124 0.0562

3 4.0% 158.12 10.3498 3 0.6282 0.7436 0.3718

4 4.5% 160.31 6.5742 4 - - -

La resistencia a la fluencia es ascendente con respecto al porcentaje de cobre hasta el

4% cobre. La probabilidad de que la resistencia a la fluencia para el 3.5% cobre sea

mayor que para el 0% es del 98.5%; la probabilidad de que la resistencia a la fluencia

para el 4.0% cobre sea mayor que para el 3.5% es del 94.4% (ambos al 5% de nivel de

significancia).

Hay un 74.4% de probabilidad de que la resistencia a la fluencia entre el 4 y 4.5% sea la

misma y tan solo 62.8% de que la resistencia a la fluencia para el 4.5% cobre sea mayor

que para el 4% (al 5% de nivel de significancia); por tanto no hay necesidad de

incrementar la cantidad de cobre para lograr mayor resistencia a la fluencia o bien, el

incremento no sería significativo.


Tabla 3 Resultados de la prueba de hipótesis para la media de la resistencia a la tensión (MPa)

i %Cu ̅ s n ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 1 0.0% 150.65 13.163 2 0.8333 0.3334 0.1667

2 3.5% 165.65 16.535 4 0.5148 0.9704 0.4852

3 4.0% 166.16 20.530 4 0.7313 0.5373 0.2687

4 4.5% 173.58 9.659 4 - - -

El esfuerzo último muestra una tendencia a aumentar con respecto al porcentaje de

cobre: existe un 83% de probabilidad de aumentar entre los valores de 0% a 3.5% en

cobre; entre 3.5% y el 4%, hay un 97% de probabilidad de que el esfuerzo último no

44

cambie; comparando entre 4% y 4.5% cobre, se evidencia un 73.1% de probabilidad de

que el esfuerzo último tienda a aumentar nuevamente.


Tabla 4 Resultado de la prueba de hipótesis para la media del porcentaje de elongación

i %Cu ̅ s n ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 1 0.0% 0.0625 0.01768 2 0.0011 0 0.9989

2 3.5% 0.0025 0.005 4 0.8414 0.3172 0.1586

3 4.0% 0.00875 0.01031 4 0.44760 0.8952 0.5524

4 4.5% 0.0075 0.015 4 - - -

A partir de los datos experimentales, se tiene que el valor mínimo de porcentaje de

elongación se encontró en 3.5% en cobre: se evidencia una disminución considerable en

la elongación al pasar del 0% al 3.5% en cobre (99.9% de probabilidad); entre el 3.5% al

4% en cobre se verifica un aumento en la elongación (84.1% de probabilidad); finalmente

entre el 4% al 4.5% en cobre existe un 89.5% de probabilidad de que el porcentaje de

elongación se mantenga similar.


Tabla 5 Resultados de la prueba de la hipótesis para la media de la Dureza Rockwell B

i %Cu ̅ s n ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 1 0.0% -49.4 12.2 10 1 0 0

2 3.5% 15.0 7.7 10 0.9999 0 0.0001

3 4.0% 36.9 11.7 10 0.16428 0.3286 0.83572

4 4.5% 31.8 11.0 10 - - -

Hay un aumento considerable en la dureza desde el 0 al 4% cobre. La variabilidad en la

dureza entre el 4 y el 4.5% tiende nuevamente a ser muy pequeña: con el 5% de nivel de

significancia, la dureza para el 4.5% cobre es menor que la del 4% con una probabilidad

del 83.6% contra 32.9% de que fueran éstas iguales.

6.2. Comparación de las propiedades mecánicas con los valores

mínimos de aleaciones comerciales

También es de interés comparar en qué orden de magnitud están las propiedades

mecánicas medidas en relación a las propiedades reportadas por la bibliografía para la

fundición de aluminio aleado producido en molde de arena (Aluminum Alloy Sand

Casting). Se buscó en la referencia [6] aleaciones, con contenido de cobre en rango en

que se trabajó en esta investigación, que reporten los valores mínimos en las propiedades

mecánicas. Estos valores se combinan en un mismo gráfico para cada propiedad y se

representan con una línea roja que indica el valor y el rango del porcentaje cobre al que

pertenece (ver Figura 74, Figura 75, Figura 76).

45

Figura 74 Comparación de resistencia a la tensión con la aleación 295.0 T77

Figura 75 Comparación de resistencia a la fluencia con la aleación 208.0 F

El máximo que se podría esperar con el intervalo de confianza para el porcentaje de

elongación andaría por el 0.2%. La bibliografía señala un valor mínimo de 1%.

Figura 76 Comparación de valores típicos de dureza con los resultados obtenidos

0

50

100

150

200

250

300

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

MP

a

Porcentaje de cobre

0

50

100

150

200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

MP

a

Porcentaje de cobre

-80.0

-60.0

-40.0

-20.0

0.0

20.0

40.0

60.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Du

reza

HR

B

Porcentaje de Cobre

295 T4

213 F

47

7. CAPÍTULO 7. CAUSAS DE ERROR

1. La forma de medición de la temperatura del metal líquido no fue la apropiada pues

debe usarse una termocupla adaptada en la estructura del crisol; la inercia térmica del

dispositivo de medición no debe interferir y debe estar siempre en contacto con el

aluminio.

2. No se puede saber la temperatura a la que se está colando, desde que se vierte al

crisol del horno y se llena el molde, hay perdidas de energía al ambiente que no es

posible cuantificar, la temperatura disminuya desde el valor conocido en el interior del

crisol a uno inferior que no podemos precisar.

3. La precisión con que se estima la cantidad de aluminio dentro del crisol. No hay forma

de medir con suficiente precisión la cantidad de aluminio líquido dentro del crisol, pues se

parte del cálculo de un volumen teórico con la aproximación del perfil y el valor de la

densidad que se utilizó viene de un experimento que se hizo solo una vez (se desconoce

su variabilidad) para el cálculo de la masa.

4. Las condiciones en las que se realiza la comparación del nivel dentro del crisol son

incomodas para el investigador, temperatura elevada y ángulo de visión pequeño. Con la

aproximación del perfil del crisol se estima una variabilidad de 0.579 g/mm de la cantidad

de aluminio contenido con respecto al nivel marcado por el aluminio líquido.

5. Todas las latas se fabrican bajo un estándar por lo que es improbable que su

composición varíe. Lo que es un hecho es que el proceso de fundición puede introducir

impurezas o eliminar elementos de aleación al aluminio lo cual hace su composición

química incierta.

6. Dificultad en el control de temperatura del gasificado, con lo cual no es posible controlar

el nivel de hidrógeno presente en el aluminio líquido.

7. Las imperfecciones de fundición en el acabado superficial de las probetas pudieron

haber causado fractura prematura en el ensayo a tensión.

8. La falta de alineación entre las mitades del molde, esto conduce a tener una sección

transversal no circular como es de esperarse.

49

8. CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1. Conclusiones

Añadir cobre hasta el 4% es la mejor opción pues añadirle más cobre a la aleación no

supone un incremento significativo en las propiedades a costa del gasto extra en el cobre.

Se verifica la existencia de la correlación de las propiedades medidas con respecto al

porcentaje de cobre.

Se constata que el orden de magnitud de las propiedades registradas es cercano o

superior a los valores esperados según la bibliografía, excepto en el caso del porcentaje

de elongación, lo que indica que el proceso utilizado en esta investigación produce piezas

muy frágiles.

La resistencia a la tensión aumenta levemente (1.14 veces respecto al 0%).

Resistencia a la fluencia aumenta con el cobre 2.3 veces respecto al 0%.

El porcentaje de elongación disminuye (92%), lo que indica que el material queda

sumamente frágil.

Por la alta fragilidad, es necesario cambiar el método para medir la deformación, tal como

utilizar Strain-Gauges.

La dureza aumenta 1.9 veces respecto al 0%.

La aleación al cobre hasta el 4% es la mejor opción para continuar investigando.

8.2. Recomendaciones

Mejorar la forma en que se alinean entre ellas las semicajas de madera para el armado

del molde.

Controlar la temperatura de fusión y la temperatura de colada; deberían utilizarse dos

controladores: un controlador de la temperatura del horno y un pirómetro de inmersión

para control de la temperatura de llenado del molde.

Implementar un sistema automático de apagado y encendido del quemador del horno

gobernado por la temperatura interior del crisol, esto lograra mantener la temperatura del

aluminio fundido más o menos constante, de manera que la calidad del producto sea

controlable.

Utilizar filtros cerámicos para minimizar impurezas del metal líquido dada la dificultad de

garantizar la retención de la escoria en el momento del colado.

Utilizar una tolva para cargar las latas al horno, el diseño de esta tolva debe contemplar

que las latas logren precalentarse con los gases de escape, esto permitirá una

alimentación más fácil y continua, ahorra esfuerzo y energía, en resumen costos de

operación.

50

Pueden mejorarse las propiedades mecánicas de las aleaciones aluminio-cobre mediante

tratamientos térmicos, se sugiere hacer experimentos con la aleación al 4.0% cobre.

Verificar el nivel de porosidad de las piezas producidas y determinar si el desgasificado es

suficiente o si el procedimiento de colado debe de mejorarse para disminuir la fragilidad.

Realizar análisis macro y micrográficos para determinar las fases presentes, el nivel de

impurezas, defectos y tamaño de grano.

Realizar análisis químico antes y después de la fundición.

51

REFERENCIAS

[2] Ammen, C. W. The complete handbook of sand casting. s.l. : TAB Books, 1979.

ISBN 0-8306-9841-8.

[7] Anderson R., Sweneey D.,Williams T. Estadística para administración y

economía. México, D.F : CENGAGE Learning, 2008.

[8] Askeland, D y Phulé, P. Ciencia e ingeniería de los materiales. s.l. : Thomson

International, 2004.

[3] ASTM Standards B557, 1994. Standard Test Methods of Tension Testing

Wrought and Cast Aluminum- and Magnesium-Alloy Products. Easton, MD : ASTM

International, 1996.

[4] ASTM Standard B26, 1995. Standard Specification for Aluminum-Alloy Sand

Castings. Easton, MD : ASTM International, 1996.

[1] Callister, W Jr. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales.

Barcelona : Reverté, 2007.

[9] Groover, M. Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y

sistemas. México, D. F. : McGraw-Hill, 2007.

[6] Kaufman, J G and Rooy, E. Aluminum Alloy Castings: Properties, processes,

and applications. Materials Park : ASM International, 2004.

[5] Proyectos de Metal Mecánica, S.A. de C.V. Plásticos de Ingeniería.

Materiales Diversos. [En línea] Publicar S.A., 2011. [Citado el: 01 de Agosto de

2011.] http://www.metalmecanica.com.sv/plasticos.html.

ANEXO A

PLANOS DE LAS PIEZAS QUE CONFORMAN EL MODELO

B-1

ANEXO B

MÉTODOS DE ANÁLISIS DE DATOS QUE SE UTILIZARON

La distribución t

La distribución t es una función de probabilidad continua utilizada para poblaciones

normales. Se usa para calcular el margen de error (error estándar) de una serie de datos,

dar un intervalo de confianza para la media de una muestra de datos, realizar inferencia

estadística entre medias muéstrales, etc. Se escoge la distribución t, en vez de la

distribución Z, cuando se desconoce la desviación estándar de la población y se estima

ésta a partir de la desviación estándar de una muestra. La distribución t, es una familia de

distribuciones de probabilidad similares, cada distribución depende de un parámetro

llamado grados de libertad, los cuales depende de la cantidad de datos “n” de una

muestra. [7]

Intervalos de confianza para la media

Se utilizan un intervalo de confianza cuando se quiere representar una media de una

población, por medio de una estimación puntual proveniente de una muestra de datos. A

partir de la desviación estándar muestral y la cantidad de datos, primero se calcula un

margen de error, después, sumando y restando al estimador puntual el margen de error

se encuentran los valores extremos del intervalo de confianza. [7]

Inferencia estadística para comparar dos medias

Cuando se tiene sospecha que las medias dos poblaciones son iguales o que una es

mayor que otra, lo mejor es realizar una prueba de hipótesis para las medias. Lo primero

que se hace es plantear la hipótesis nula y la alternativa, luego encontrar el estadístico de

prueba y la probabilidad asociado a este, finalmente en base al valor de la probabilidad

aceptar una de las hipótesis. [7]

cuantificación del efecto de la cantidad de cobre en las...

Documents