fundiciones

CUADERNO TECNOLGICO N9

Autor: Ingeniero Norberto Rizzo DownesAsesor

Con la colaboracin de:Prof. Ing. Daniel Martnez KrahmerINTI-Mecnica, Buenos Aires, Argentina

Septiembre de 2014

fUNDICIN nodular del alto rendimiento

PROYECTO MEJORA DE LAS ECONOMASREGIONALES Y DESARROLLO LOCAL

fUNDICIN nodular del altorendimiento

CUADERNO TECNOLGICO N9

Autor: Ingeniero Norberto Rizzo DownesAsesor

Con la colaboracin de:Prof. Ing. Daniel Martnez KrahmerINTI-Mecnica, Buenos Aires, Argentina

Septiembre de 2014

PROYECTO MEJORA DE LAS ECONOMASREGIONALES Y DESARROLLO LOCAL

Delegacin de la Comisin Europea en ArgentinaAyacucho 1537Ciudad de Buenos AiresTelfono (54-11) 4805-3759Fax (54-11) 4801-1594

Instituto Nacional de Tecnologa IndustrialGerencia de Cooperacin Econmica e InstitucionalAvenida General Paz 5445 - Edificio 2 oficina 212Telfono (54 11) 4724 6253 | 6490Fax (54 11) 4752 5919

www.ue-inti.gob.arContaCto

Informacin y Visibilidad: Lic. Gabriela [email protected]

INDICE

1. PRESENTACIN .............................................................................................................................. 4

2. RESMEN ........................................................................................................................................ 6

3. NuEvAS TECNOLOGAS PARA ELEvAR LA EfICIENCIA PRODuCTIvA EN PLANTAS DE fuNDICIN ...................................................................................................................................... 8

Introduccin ............................................................................................................................ 8

4. fuNDICIN DCTIL O hIERRO NODuLAR .................................................................................. 12La familia del hierro dctil ................................................................................................... 13Propiedades de los hierros dctiles ................................................................................... 16Efecto de la forma de grafito .............................................................................................. 18Efecto del conteo de ndulos ............................................................................................. 19Ventajas del hierro Dctil o Nodular .................................................................................. 19Aplicacin del hierro Dctil o Nodular ................................................................................ 20

5. EfICIENCIA EN LA PLANTA DE fuNDICIN ............................................................................... 21La Eficiencia .......................................................................................................................... 21El rendimiento del molde .................................................................................................... 22El rendimiento metlico del lquido ................................................................................... 22

6. LA vERDADERA IMPORTANCIA DE LA RELACIN RENDIMIENTO - REChAzO. ..................... 23El porcentaje de rechazo y la productividad...................................................................... 24

7. DIEz PASOS A TENER EN CuENTA PARA ALCANzAR EL ALTO RENDIMIENTO ...................... 26Paso 1) Utilizar filtros en todos los diseos ...................................................................... 26Paso 2) Utilizar materias primas estables ........................................................................ 27Paso 3) Usar canales trapezoidales para minimizar la turbulencia ............................... 27Paso 4) Optimizar los tiempos de colada. Colado secuencial ......................................... 31Paso 5) Contar con mdulos de los canales que minimicen las prdidas de temperaturas ....................................................................................................................... 33Paso 6) Utilizar mazarotas como compensadoras de contraccin/expansin ............ 33Paso 7) Ubicar las mazarotas en ptima posicin ........................................................... 33Paso 8) Utilizar una mazarota para ms de una pieza cuando sea posible .................. 34Paso 9) Utilizar una mazarota en la parte superior o de tope ........................................ 34Paso 10) Utilizar una mazarota caliente ........................................................................... 34

8. ALTO RENDIMIENTO EN LA PRCTICA ....................................................................................... 35

9. fACTORES CON CAPACIDAD DE MODIfICAR EL COMPORTAMIENTO DEL LquIDO AL SOLIDIfICAR ............................................................................................................................. 37

La calidad metalrgica del lquido ...................................................................................... 37La influencia del diseo de la pieza ................................................................................... 38El diseo del sistema de colada y alimentacin ............................................................... 39Relacin entre estos factores ............................................................................................. 39

10. CMO SOLIDIfICA EL hIERRO NODuLAR DENTRO DE LA CAvIDAD DEL MOLDE .................. 41El diseo de la pieza, y la calidad metalrgica del lquido ............................................... 43El diseo de la pieza, la calidad metalrgica del lquido y el sistema de colada y alimentacin ......................................................................................................................... 44

11. EJEMPLOS PRCTICOS DE APLICACIN DE uN SISTEMA DE ALTO RENDIMIENTO ............... 47Primer ejemplo ..................................................................................................................... 47Segundo ejemplo.................................................................................................................. 49Tercer ejemplo ...................................................................................................................... 51Cuarto ejemplo ..................................................................................................................... 52El alto rendimiento y los niveles de piezas rechazadas .................................................. 53

12. EJEMPLOS PRCTICOS DE APLICACIN DE uN SISTEMA DE ALTO RENDIMIENTO ............... 54Rechupe primario ................................................................................................................. 54Rechupe secundario ............................................................................................................ 55Contraccin ........................................................................................................................... 55Hinchamiento ....................................................................................................................... 56Sopladura por gas (blowhole) ............................................................................................. 57Exudacin eutctica ............................................................................................................. 58

13. AuMENTO DE RENTAbILIDAD GENERADA POR EL ALTO RENDIMIENTO ............................... 59Introduccin .......................................................................................................................... 59Caso 1 - Rendimiento clsico convencional ...................................................................... 59Caso 2 - Anlisis sobre posibilidades de ahorro elevando el Rendimiento, para igual nmero de figuras por molde ........................................................................... 61Caso 3 - Anlisis sobre posibilidades de ahorro en base a mayor cantidad de figuras por molde ............................................................................................................ 63

14. bIbLIOGRAfA ............................................................................................................................... 64

4 5fundicin nodular del alto rendimientoPROYEcTO meJora de laS eConomaSregionaleS y deSarrollo loCal

INTIUE

detectadas y los resultados del intercambio efectivo hecho en territorio, conjugando los basamentos tericos con la realidad local.

Dra. Graciela MusetDirectora Del Proyecto Mejora De las econoMas regionales y Desarrollo local

El contenido de este documento es responsabilidad exclusiva del autor y en ningn caso se debe considerar que refleja la opinin de la Unin Europea.

1. PRESENTACIN

La Unin Europea y el INTI firmaron un convenio de financiacin destinado a mejorar la competitividad de las miPyMEs del norte argentino acercando respuestas tecnolgicas apropiadas al nuevo entorno productivo industrial. Los responsables de la ejecucin del Proyecto Mejora de las Economas Regionales y Desarrollo Local son el Instituto Nacio-nal de Tecnologa Industrial (INTI), en representacin del gobierno nacional, y la Delegacin de la Unin Europea en Argentina.

Durante ms de medio siglo, el INTI ha construido capacidades profesionales e in-fraestructura tecnolgica de relevancia que lo posicionan hoy como actor importante para aportar innovacin tecnolgica aplicada a los procesos productivos de toda la economa y para el desarrollo de soluciones industriales que incrementen la productividad y la com-petitividad de la industria nacional.

Con la ejecucin de este proyecto se busca acercar la tecnologa y las capacidades tcnicas a las regiones de menor desarrollo relativo del pas, poniendo a disposicin de las miPyMEs y Pymes los medios para satisfacer las demandas de mejora de eficiencia y calidad de sus productos y/o servicios para dar un salto cualitativo en cada una de las provincias del NOA y NEA.

Por tanto, a travs de un diagnstico y evaluacin de necesidades tecnolgicas hecho en articulacin con los gobiernos provinciales, se dise un plan de accin sectorial que se implementar hasta el 2015, en cinco sectores industriales determinados como priorita-rios: industrializacin de alimentos, curtiembre, textil, y metalmecnica junto a la gestin medioambiental como eje transversal a los sectores industriales anteriores.

El proyecto Mejora de las Economas Regionales y Desarrollo Local surge como parte de las acciones de vinculacin internacional del INTI, en donde la cooperacin tcnica con organismos pblicos y privados del mundo -presentes en el campo tecnolgico- favorecen el intercambio de conocimientos como elemento fundamental para el desarrollo industrial local.

En esa direccin, uno de los componentes de este proyecto es la convocatoria de es-pecialistas en diversas temticas, para cumplir con misiones de trabajo en nuestro pas. El objetivo de cada misin es brindar capacitaciones especficas a tcnicos de las provincias norteas, de acuerdo a la especialidad de cada experto, a grupos de trabajo de Centros Regionales de Investigacin y Desarrollo as como a Unidades Operativas que conforman la red INTI, y brindar asistencia tcnica a las miPyMEs que acompaen el desarrollo de las actividades del proyecto. Adems, mantienen entrevistas con actores locales quienes constituyen un recurso esencial y estratgico para alcanzar los objetivos planteados.

La publicacin que se dispone a conocer ha sido concebida como resultado de una misin tcnica de uno de los expertos intervinientes en este proyecto. Cada experto al finalizar su trabajo en el pas, elabora un informe tcnico con recomendaciones para el fortalecimiento del sector para el cual fue convocado y que da lugar a la presente produc-cin, editada con el propsito de divulgar los conocimientos a partir de las necesidades


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c) Rechazo: se llama as al conjunto de piezas que no pueden ser entregadas para la venta por poseer defectos, o porque no cumplen con las normas que rigen su nivel de calidad.

d) %CE = porcentaje de carbono equivalente.e) Mdulo geomtrico: es la relacin existente entre el volumen y la superficie de

enfriamiento de una pieza, o de cualquiera de sus partes (cortes), consideradas en forma individual. Su valor afecta a la velocidad con que las mismas se enfran. Se mide en cm.

f) Mdulo trmico: en este caso, depende del elemento que enfra al mdulo geom-trico. Por ejemplo, si lo dotamos de un manguito exotrmico, tendr igual modulo geomtrico, pero por la accin del manguito su mdulo trmico resultar mucho mayor.

2. RESMEN

En este cuaderno tecnolgico tratamos de resumir todo lo concerniente a los aspectos relacionados con la Eficiencia operativa de una planta de fundicin de hierro nodular, por ser esta una de las aleaciones con mayor nivel de dificultad tcnico, al momento de producirla libre de defectos de solidificacin.

Para ello consideraremos los temas que a nuestro criterio, son los ms influyentes para alcanzar esta eficiencia operativa. Algunos de ellos, fueron tomados de la rutina cl-sica, mientras otros son producto de diferentes estudios metalrgicos de nuestra propia autora, o de informacin que nos brinda la bibliografa moderna.

Presentaremos esquemas prcticos desarrollados en planta, que fueron aplicados al proceso, principalmente en las piezas de muy alto volumen de produccin, donde se logra-ron niveles de rendimiento impensables aos atrs.

Tambin consideraremos aspectos que hemos desarrollado a travs de muchos aos de trabajo en plantas de hierro nodular automotriz, donde aplicamos con xito el alto ren-dimiento, en piezas fabricadas en grandes series. Mostraremos adems ejemplos de pie-zas producidas bajo este concepto en la prctica.

En el captulo final, expondremos la gran influencia que ejercen sobre la rentabilidad de una planta de fundicin, la forma de costear, el retorno, el rechazo, y por supuesto, el rendimiento.

Particularmente introduciremos un ejemplo costeado en forma convencional, fijando un precio de venta en forma directa sobre el costo, en ms un 33.3%, situacin que en apa-riencia, debiera resultar un muy buen negocio, cuando en realidad demostraremos que la rentabilidad puede resultar negativa.

Seguidamente realizaremos dicho clculo, valorizando tanto el porcentaje de retorno, como el de rechazo, y considerando diferentes niveles de rendimiento, resultantes de au-mentar la cantidad de figuras por molde, para una misma pieza.

Algunas aclaraciones y/o definiciones: a) Rendimiento: se entiende por rendimiento de un proceso de fundicin, a la relacin

existente entre el peso de una pieza fundida rebabada y lista para entregar, y el peso de todo el material suministrado para llenar el molde, ms los derrames, sal-picaduras y otras prdidas de metal lquido que pueden ocurrir durante el proceso de colada. Bajo el mismo concepto se engloba tambin la idea de disponer de una mayor cantidad de piezas, en un mismo molde.

b) Retorno: se denomina retorno a todo el material que vuelve al horno para ser re-fundido y que est conformado por todo aquello que no sea pieza buena dentro de las especificaciones tcnicas, como tambin el sistema de colada y de alimenta-cin, los derrames de metal, y las piezas rechazadas, ya sea por defectos o porque no cumplen con las normas que rigen su nivel de calidad.


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de agujeros practicados en el fondo de un recipiente cilndrico, con una reduccin cnica en su boca, y el cual posea un recubrimiento refractario al que llamaron convertidor. A travs de la oxidacin, este dispositivo le quitaba al material el exceso de carbono, transformn-dolo en acero. Se inici as el desarrollo metalrgico industrial en el siglo 19.

Con este tipo de acero se construyeron desde rieles y puentes ferroviarios, hasta el emblemtico Titanic, en el que la extrema fragilidad del material con que fue construido, gener la rotura del casco en su primer viaje. Asimismo se emple para la fabricacin de la torre Eiffel, que an se encuentra en pie, con todas sus piezas originales.

En lo referente a la obtencin de piezas por colado, las primeras fueron logradas con una estructura que actualmente podramos denominar fundicin atruchada, es decir, un tipo de hierro colado que responde a los diferentes diagramas Fe-C (tanto al conformado por Fe-Cementita, como por Fe-Grafito). En resumen, una mezcla de fundicin de hierro gris y blanca, de muy baja calidad.

Con el pasar del tiempo estos materiales fueron evolucionando a travs de las dife-rentes generaciones mediante el conocimiento adquirido resultante del mtodo de prue-ba y error, ms que por un propsito tcnico en desarrollar una mejora de la tecnologa metalrgica. Por aquellos aos surgira el primer diagrama de equilibrio Fe-C (ver figura siguiente).

Fig. 3-1: Diagrama Hierro-Grafito segn Heyn-Charpy (1911)

3. NuEvAS TECNOLOGAS PARA ELEvAR LA EfICIENCIA PRODuCTIvA EN PLANTAS DE fuNDICIN

introduccin

Las piezas de fundicin en general y principalmente las ferrosas en particular, son aquellas que surgen de la combinacin entre dos elementos muy abundantes en la na-turaleza como son el hierro y el carbono. Segn sea la proporcin en porcentaje existente entre estos elementos, se van conformando una serie de aleaciones cuyos detalles de desarrollo vale la pena conocer. Tambin es interesante mostrar la secuencia en que estas aleaciones fueron apareciendo en el mercado, ya que este simple detalle ha generado dife-rentes modalidades de trabajo heredadas de sus antecesoras, que con el tiempo los tc-nicos han transformado errneamente en leyes metalrgicas (aun cuando tcnicamente esto no es del todo cierto).

Si bien las primeras aleaciones de hierro llegaron desde el espacio en forma de me-teoritos que impactaron sobre la tierra, los cuales estaban conformados por aleaciones Fe-Co-Ni-C adems de otros elementos, trozos de ellos se fueron utilizando como materia prima para la elaboracin de diferentes elementos. Uno de estos fueron las espadas, que sustituyeron las clsicas de su poca, basadas en aleaciones de cobre.

Esta situacin se prolong hasta que comenz el desarrollo de las aleaciones de hierro elaboradas por el hombre mediante la aplicacin del mtodo de pudelado. Este sistema consista en la reduccin del mineral de hierro mediante la mezcla con carbn de madera, sistema que no alcanzaba el punto de fusin. En efecto, el proceso consista en poner en contacto al mineral de hierro con carbn a lo que podemos considerar como bajas tem-peraturas, ya que dentro de un horno muy elemental, el material solo alcanzaba el estado pastoso que, por efecto de la temperatura y del contacto directo entre el carbn y el xido de hierro, lograba una precaria reduccin de los xidos. Esta forma de reduccin generaba un nivel muy elevado de impurezas en su interior, que se extraan por repetidos forjados en forma manual en ciclos repetitivos de calentamiento y conformado, generndose as materiales de muy baja calidad.

Pero la verdadera metalurgia se logr cuando recin se pudo producir hierro lquido con la ayuda de unos primitivos hornos, que luego dieron origen a los altos hornos y a los cubilotes. En estos hornos se confeccionaban piezas de caractersticas metalrgicas, con un rango de calidad muy variable.

Con la mejora de los equipos de fusin primaria como mtodo de reduccin del mineral de hierro y la obtencin de metal lquido, renombrado como pigiron (que significa hierro sucio), el lquido as obtenido fue empleado posteriormente como base para la fabricacin de los primeros aceros. Comparando los diferentes mtodos de elaboracin de acero, el ms exitoso fue el Bessemer, que consista en hacer pasar una corriente de aire a travs


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Todo comienza con el uso del acero, una aleacin Fe-C que cuenta con el mayor ndice de contraccin durante su proceso de solidificacin (alrededor del 7%), situacin que en la prctica implica que se deben prever en los herramentales determinados elementos del sistema de colada necesarios para compensar tales variaciones de volumen durante la solidificacin (llamados mazarotas, montantes o simplemente alimentadores), y que funcionan como mecanismos suplidores de lquido, para evitar la formacin de defectos de solidificacin.

Con el tiempo, el acero fue suplantado por la fundicin maleable de menor temperatu-ra de fusin, lo que permita obtener piezas con espesores ms delgados y de menor peso, hecho que se traduce en una mejora de costo. Sin embargo, en su inicio, el cambio se im-plement utilizando los mismos herramentales de moldeo y sistemas de colada utilizados para el acero, situacin que se traduca en valores de rendimiento extremadamente bajos, aun aplicando la nueva aleacin.

Lo mismo ocurri cincuenta aos despus cuando las fundiciones maleables fueron sustituidas por las nodulares, y al igual que en cambios anteriores, estas aleaciones tam-bin podan ser fundidas utilizando los mismos diseos de piezas y sistemas de colada y alimentacin, que los empleados para las maleables. Si bien con el correr del tiempo, estos diseos fueron mejorando y siendo cada vez ms livianos, su rendimiento no superaba el 40%.

Luego de varios aos de producir con hierro nodular y mediante pequeas mejoras en las tcnicas de procesamiento, el rendimiento fue aumentando hasta alcanzar los niveles actuales que son del orden del 48% al 52% en la mayora de las grandes plantas automo-trices. Es de destacar que, a finales de la dcada de los aos 70 surgieron propuestas para lograr en el nuevo hierro nodular un rendimiento mucho mayor, aplicando solamente un particular diseo al sistema de colada al cual se lo denomin Sistema de Alto Rendimiento.

En los aos 90 y ante una crisis de calidad en la principal planta de fundicin de hierro nodular de un grupo empresario por el que fui contratado con el objeto de elevar la calidad de sus productos, se present la oportunidad de estudiar la forma de incursionar y elevar el rendimiento de la planta. Una de las limitantes en mi tarea era la reducida disponibilidad de lquido (metal fundido), ya que en esos momentos se utilizaba ms del doble del reque-rido (contndose con un rendimiento en el orden del 50%). Esto desemboc en la bsqueda y la implementacin de sistemas de colada y alimentacin que elevaran tal rendimiento metlico, para hacer ms eficiente la planta, y consecuentemente, mejorar su rentabilidad, siendo este punto en cuestin el que desarrollaremos en este trabajo.

Seguidamente se inici un importante cambio, cuando se pudieron obtener fundicio-nes totalmente grises (Fe-Grafito) y totalmente blancas (Fe-Cementita). En estas ltimas, donde el carbono se encuentra en forma combinada formando Cementita, constituyente extremadamente duro y frgil, si bien resultaban relativamente fciles de obtener con los elementos con que se contaba en la poca, su mecanizado era muy difcil, tanto que solo se las utilizaba en piezas resistentes al desgaste.

Avances posteriores permitieron que, si este tipo de piezas eran sometidas a un pro-longado tratamiento trmico de recocido, se lograra ferrita por la eliminacin de toda la Cementita presente por medio de la oxidacin del carbono que la constitua, o bien grafito y ferrita, mediante el desdoblamiento de la Cementita. Es decir, contrariamente a lo que suceda con la cementita, tanto la ferrita, como el grafito son fciles de mecanizar y pre-sentan una alta maleabilidad, propiedad que dio el nombre a este tipo de aleaciones: las fundiciones maleables.

Sobre los diferentes tipos de recocido podemos decir que en la prctica surgieron dos tratamientos que generaron otras tantas versiones distintas de este tipo de fundicin, y que tomaron su nombre del lugar donde fueron originadas: 1) la europea de corazn blanco, y 2) la americana de corazn negro. Esta ltima aleacin fue usada en la industria automotriz hasta finales de la dcada del 70 del siglo pasado.

Terminando los aos 40, primero en Inglaterra y casi simultneamente en los EE.UU, surgieron dos mtodos registrados bajo diferentes patentes: las aleaciones que fueron denominadas como hierro nodular y hierro dctil, ambas solo diferenciadas por la forma de obtencin de los ndulos de grafito. Mientras el primero utilizaba el elemento cerio para lograr la estructura a la que se denomin nodular, el segundo empleaba el elemento magnesio para formar los ndulos durante el proceso de solidificacin. Estos agregados, le aportaban a la aleacin una muy alta ductilidad sin la necesidad de un tratamiento de maleabilizacin, es decir que, esta propiedad se obtiene directamente de colada, lo cual permite mejorar la calidad y bajar los costos productivos.

Es as como todas estas diferentes aleaciones fueron apareciendo por la necesidad imperiosa de obtener mejores propiedades y menores costos de produccin. Sin embargo, todo este proceso sucedi con cambios significativos en la forma que asuma el lquido al solidificar, pero sin modificar las formas de las piezas, las que se producan mediante el uso de los mismos herramentales de moldeo y sistemas de colada.

Es de nuestro inters comentar la secuencia con que fueron introducidas las diferen-tes aleaciones al comienzo de la industrializacin en el siglo IXX, principios del XX, con el inicio de la industria automotriz, donde las piezas de cierta responsabilidad coladas en acero, material que por su elevado costo fue primero reemplazado por las fundiciones maleables, en alguna de sus dos variantes, y que por idnticas circunstancias recin en los aos 60, fueron lentamente reemplazadas por las actuales fundiciones nodulares.

El paso de los aos y la aparicin de las nuevas aleaciones, gener que el cambio entre la aleacin utilizada y la nueva, se llevara a cabo sobre piezas con idntico diseo, mante-niendo incluso el sistema de alimentacin. Esto se debi al argumento comercial, que la nueva aleacin sustituyente poda ser colada con los mismos herramentales productivos, que se utilizaban para la aleacin que estaba siendo desplazada.


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Fig. 4-1: Estructura microgrfica tpica de un hierro nodular ferrtico

Fig. 4-2: Estructura microgrfica tpica de un hierro nodular ferrtico-perltico.

la familia del hierro dctil

El hierro dctil es un material que conforma una familia de hierros fundidos que exhi-ben una amplia gama de propiedades. En todas ellas el grafito se distribuye en forma de ndulos, y la diferencia entre una y otra, radica en el tipo de micro-estructura que presenta su matriz.

Estos ndulos por su forma casi esfrica no favorecen la propagacin de grietas como si ocurre en el hierro gris, dndole al nodular una gran ductilidad y capacidad de alarga-miento. Segn sea la matriz, ser la dureza del hierro dctil. Este hecho por s solo, de-termina la gran importancia de la matriz, en el control de las propiedades mecnicas. Los tipos de matrices pueden ser:

4. fuNDICIN DCTIL O hIERRO NODuLAR

El hierro dctil, tambin conocido como hierro nodular, fundicin con grafito esferoidal o simplemente fundicin nodular, fue desarrollado por primera vez, por H. Morrogh en la British Cast Iron Research Association de Inglaterra, en Julio de 1946, utilizando el elemen-to cerium como agente nodulizante, para la formacin directa de los ndulos de grafito en el lquido. Sin embargo, y debido a sus altos costos y muy serios problemas de control, este proceso nunca fue utilizado como prctica industrial.

Durante la segunda guerra mundial, debido a la escasez del elemento cromo, la Inter-national Nickel Company, intent sustituirlo por el magnesio como elemento estabilizador de los carburos en los Ni-Hard, pero debido a la gran violencia de su reaccin al intentar incorporarlo al lquido, este proceso tampoco prosper.

Con el objetivo de poder aadirlo, despus de haber efectuado varios desarrollos, se pudo determinar que estas violentas reacciones desaparecan por completo si el magne-sio era introducido disuelto en nquel, permitiendo as ser incorporado al lquido sin el me-nor inconveniente, y generando un mtodo seguro para la produccin directa de ndulos de grafito. A esta nueva tecnologa se la denomin como Ductile Iron, siendo introducida al mercado en Marzo del 1947 y atribuyndole a K. Millies ser el co-inventor del hierro dctil o nodular.

Este material pertenece a la familia de las fundiciones grafticas que poseen mayor ductilidad, propiedad que le confiere excelente resistencia a los golpes, con muy buena aptitud para soportar la deformaciones.

Se trata de una aleacin con la mayor capacidad de alargamiento obtenida directa-mente por fusin en su grado o calidad nodular ferrtica. Se puede doblar, torcer y defor-marse sin fracturarse, lo que la hace ideal para ser utilizada en la elaboracin de partes de vehculos expuestas a impactos.

Su resistencia, tenacidad y ductilidad, se pueden asemejar a las de muchos grados o calidades de aceros fundidos, y hasta pueden incluso superarlas, conformando as un grupo de propiedades muy superiores a las de los hierros grises estndares.

La diferencia entre el hierro dctil o nodular y el hierro gris radica fundamentalmente en la forma que se presenta el grafito en la estructura. Mientras el primero lo tiene confor-mando ndulos con un elevado nivel de esfericidad, en el gris se encuentra constituido por hojuelas o escamas, con un patrn de distribucin que puede ir desde el azar (cuando se trata de buena calidad), hasta una orientacin dendrtica o alineada (cuando se obtienen estructuras de propiedades mecnicas calificadas de baja calidad).

El hierro nodular tambin se diferencia bsicamente del gris por el hecho de que su composicin qumica debe contener un bajo porcentaje del elemento azufre, y debe recibir la incorporacin de magnesio cuando se encuentra en estado lquido. El magnesio modi-fica sensiblemente la forma que asume el grafito al precipitarse durante su solidificacin. A diferencia del hierro gris (donde forma escamas), en el hierro nodular el grafito forma esferoides, principal razn en la diferenciacin de sus propiedades mecnicas.


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6. nodular austentica: Se trata de un hierro dctil aleado para producir una matriz totalmente austentica, que ofrece una buena resistencia a la oxidacin y a la co-rrosin, y buena resistencia y estabilidad dimensional a temperaturas elevadas.

7. adi: Es la denominacin por sus siglas en ingls, las que in extenso significan Austempered Ductile Iron, es decir, fundicin de hierro nodular austemperada. Este material, si bien tiene como base un hierro nodular de muy buena calidad, es el miembro ms reciente incorporado a la familia de los hierros nodulares. Con sus cinco diferentes tipos (ver tabla siguiente), cubre un rango muy amplio de propiedades mecnicas y niveles de resistencia con porcentajes de alargamiento impensables aos atrs.

Tabla 4-1: Las cinco clases de fundiciones nodulares ADI

Grado Grado aStm a897resistencia a la traccin

(psi)lmite

elstico (psi)alargamiento

(%)dureza Brinell

1 130-90-09 130.000 90.000 9 269 3412 150-110-07 150.000 110.000 7 301 3753 175-125-04 175.000 125.000 4 341 4444 200-155-02 200.000 155.000 2 388 4775 230-185-01 230.000 185.000 1 402 - 512

EL ADI se obtiene partiendo de un hierro nodular que se somete a un proceso de tra-tamiento denominado Austempering, el cual consiste en austenizarlo a una temperatura por encima de los 820 C, para generar luego un enfriamiento interrumpido a una tempe-ratura por encima de aquella temperatura de inicio de la formacin de martensita, y final-mente hacerlo permanecer a esa temperatura constante, durante un tiempo prolongado.

Bajo esa circunstancia, la matriz formada por austenita meta-estable se desdobla en una nueva estructura denominada ausferrita, conformada por dos constituyentes: auste-nita saturada en carbono (que la hace estable en el tiempo) y ferrita.

Con estas aleaciones se logran propiedades mecnicas que pueden llegar a duplicar aquellas de las fundiciones perlticas, y con un muy buen alargamiento, combinacin que permite lograr un material con resistencia al desgaste y a la fatiga superiores.

8. cadi: Es la denominacin por sus siglas en ingls, las que in extenso significan Carbide Austempered Ductile Iron, es decir, fundicin de hierro nodular austempe-rada similar al ADI pero con carburos en su estructura. Este material tiene como base a un hierro nodular de muy buena calidad. Su matriz es similar a la de las ADI, pero en su estructura se observa la presencia de carburos muy duros y resistentes al desgaste, junto a la ausferrita, que se obtiene a travs del mismo tratamiento trmico que el descripto para las ADI.

1. nodular ferrtica: Est conformada por esferoides de grafito en una matriz de fe-rrita de muy alta ductilidad y resistencia al impacto y con una resistencia a la trac-cin equivalente a la del acero bajo en carbono. El hierro dctil ferrtico se puede producir as-cast, o sea directamente de colada. Si no se lo logra as, es posible me-jorarlo por tratamiento trmico de recocido para asegurar su mxima ductilidad y tenacidad a baja temperatura (ver Fig. 4-1).

2. nodular ferrtica-perltica: Es el grado ms comn dentro de los hierros dctiles y est conformado por esferoides de grafito en una matriz de ferrita + perlita en proporciones variables, que van desde bajos porcentajes de perlita hasta bajos porcentajes de ferrita. Presenta muy buenas caractersticas para el mecanizado y cubre una amplia gama de propiedades mecnicas que dependern de la relacin en que se encuentren ambos constituyentes (ver Fig. 4-2).

3. nodular perltica: Est formada por esferoides de grafito en una matriz de es-tructura totalmente perltica. Estas estructuras poseen alta resistencia mecnica, buena resistencia al desgaste, ductilidad y resistencia moderada al impacto, con una maquinabilidad superior a la de los aceros, y con propiedades fsicas compa-rables.

Si bien las anteriores son los tipos de matrices ms comunes que obtienen sus pro-piedades mecnicas directamente de la fusin, el hierro dctil tambin puede ser tratado trmicamente para alcanzar los siguientes grados de mayor exigencia mecnica, y ser uti-lizables en una amplia variedad de aplicaciones adicionales:

4. nodular martenstica: El tamao de la pieza define el nivel de elementos aleantes requeridos en su composicin qumica, debido a la necesidad de promover la for-macin de una estructura de temple denominada martenstica en la pieza. La for-macin de dicha estructura se obtiene mediante el tratamiento trmico de temple y revenido, el cual consiste en un calentamiento previo, hasta lograr la formacin de austenita. Sometida a un rpido enfriamiento, que depender del tamao de la pieza, se formar martensita alfa, una estructura inestable, muy dura y frgil, que con un revenido posterior a una temperatura determinada, se transformar en martensita beta, donde la dureza obtenida depender de la temperatura de revenido. Esto permite el desarrollo de una muy alta resistencia mecnica y al desgaste, pero con niveles ms bajos de ductilidad y tenacidad.

5. nodular baintica: Al igual que la anterior, mediante la incorporacin de diferentes elementos aleantes, se obtiene este material por tratamiento del tipo isotrmico, logrndose muy buenas propiedades de tenacidad y resistencia al desgaste. Sin embargo, este tipo de material est siendo reemplazado en la actualidad por las fundiciones ADI y CADI que describiremos ms adelante.


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f. elongacin: Se define como el aumento permanente de la longitud de una probeta de traccin, expresada como un porcentaje de una longitud especificada, y que se mide cuando la barra se prueba a la rotura. Los hierros dctiles ferrticos pueden exhibir alargamientos de ms del 25%. En tanto que, los hierros dctiles austem-perados exhiben la mejor combinacin de resistencia y alargamiento.

g. dureza: La dureza del hierro dctil generalmente se mide mejor usando el mtodo Brinell, que consiste en determinar pticamente el dimetro de la impronta que deja una bola de acero endurecido o de carburo de tungsteno de 10 mm de di-metro, sobre una superficie plana de la pieza. Este tipo de dureza, se incluye en muchas especificaciones relativas al hierro dctil. Por su grado de representativi-dad, es utilizada como ensayo rpido en el control de la produccin, ya que guarda relacin directa con las propiedades mecnicas. Las pruebas de micro-dureza, por el contrario, son tomadas sobre la propia estructura, previa preparacin en calidad metalogrfica y usando penetradores de diamante, con el objeto de medir sobre constituyentes individuales de la matriz de hierro dctil.

h. resistencia al impacto. Todos los hierros dctiles tienen buena resistencia al im-pacto. Depende del grado de ferritizacin que posee su micro-estructura. El hierro dctil, que es totalmente ferrtico, alcanza valores altos. Su punto de transicin dctil/frgil disminuir al reducir el porcentaje de silicio.

i. densidad: El valor generalmente aceptado para la densidad del hierro dctil a tem-peratura ambiente es de 7.1 g/cm3. La densidad se ve afectada principalmente por el porcentaje de carbn graftico presente en su estructura. Las densidades varan entre 6.8 g/cm3 para las estructuras altamente ferrticas y 7.4 g/cm3 para las perlticas.

j. expansin trmica: El coeficiente de expansin trmica lineal del hierro dctil de-pende principalmente de la microestructura, si bien est influenciado en menor medida por la temperatura y la estructura del grafito. En los hierros dctiles no aleados, la composicin tiene slo una ligera influencia sobre la expansin trmica, pero los hierros dctiles austenticos pueden exhibir un comportamiento signifi-cativamente diferente.

k. resistencia mecnica a temperatura: La capacidad de un hierro dctil a altas tem-peraturas es ms o menos comparable con las del acero fundido. Solo a modo de ejemplo, a 430 C, el hierro dctil tiene una resistencia a la rotura por tensin en el rango de 210 a 240 MPa.

l. conductividad trmica: La conductividad trmica de los hierros grises y dctiles est influenciada fuertemente por la morfologa del grafito. La conductividad es ms alta en el hierro gris debido a la naturaleza semi-continua de las escamas de grafito. Debido a esta influencia del grafito en escamas, la fraccin de volumen de grafito juega un papel importante en el hierro gris, pero no en el dctil. Adems de la forma del grafito, la microestructura, la composicin y la temperatura, tam-bin influyen en la conductividad trmica. Los hierros dctiles ferrticos tienen una conductividad trmica ms alta que los grados perlticos y, los grados templados, alcanzan valores similares a la de los hierros ferrticos y perlticos.

ProPiedadeS de loS hierroS dctileS

Las propiedades de traccin del hierro dctil convencional, sobre todo el lmite elstico, la resistencia a la traccin y el alargamiento, han sido tradicionalmente los valores ms ampliamente citados y aplicados del comportamiento mecnico, para estos materiales. La mayor parte de las especificaciones mundiales para el hierro dctil, describen las propie-dades de sus diferentes grados, principalmente para estos tres parmetros.

Los valores de dureza, debido a la facilidad con que se la obtiene, por lo general se ofre-cen como informacin mandatoria. Como dato adicional se refieren valores de resistencia al impacto para ciertos tipos ferrticos de alta ductilidad. Existen otras propiedades tales como el mdulo de elasticidad y el lmite proporcional del hierro dctil, cuya consideracin es vital a la hora del diseo.

a. mdulo de elasticidad: El hierro dctil exhibe una relacin tensin-deformacin elstica proporcional o similar a la de acero, pero limitada por la aparicin gradual de la deformacin plstica. El mdulo de elasticidad para el hierro dctil, vara des-de 62 GPa hasta 170 GPa. El mdulo dinmico elstico (DEM), que es el lmite de alta frecuencia del mdulo de elasticidad, medido por la prueba de frecuencia de resonancia, exhibe un rango de 162 GPa a 186 GPa.

b. relacin de Poisson: Es la relacin entre la deformacin elstica lateral y la defor-macin elstica longitudinal, producida durante un ensayo de traccin. En el hierro dctil hay poca variacin. Un valor comnmente aceptado es el de 0.275.

c. lmite proporcional: El lmite proporcional es la tensin mxima bajo la cual un material presenta un comportamiento elstico. En los hierros dctiles, que po-seen una transicin gradual desde la zona elstica hasta la de comportamiento plstico, el lmite proporcional se define como la tensin necesaria para producir una desviacin del comportamiento elstico de 0.005%. Se mide por el mtodo de compensacin utilizado para medir la resistencia a la fluencia, aunque tambin puede estimarse a partir de ella. La relacin entre el lmite proporcional y el lmite de elasticidad al 0.2% tpicamente es de 0.71 para las fundiciones ferrticas, dismi-nuyendo a 0.56 para las perlticas y los grados martensticos templados.

d. lmite elstico: El lmite de elasticidad, es aquella tensin a la que un material co-mienza a exhibir deformacin plstica significativa. Para el hierro dctil se utiliza el mtodo de compensacin, en el que la resistencia a la fluencia se mide a una desviacin especificada a partir de la relacin lineal entre la tensin y la deforma-cin. Esta desviacin, por lo general 0.2%, est incluida en la definicin del lmite elstico o lmite de elasticidad en las especificaciones internacionales. Los lmites elsticos del hierro dctil suelen oscilar entre 275 MPa para los grados ferrticos, a ms de 620 MPa para los grados martensticos.

e. resistencia a la traccin: La resistencia a la traccin es la carga mxima en ten-sin, que un material puede soportar antes de la fractura. Para los hierros dctiles convencionales oscilan entre 414 MPa para los grados ferrticos, y ms de 1380 MPa para los martensticos.


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muy importante como lo es el comportamiento del lquido durante su solidificacin. La presencia de pocos ndulos grandes significa que el lquido solidific muy contractiva-mente mientras que, la de muchos ndulos pequeos denominados eutcticos (que no superan un dimetro de 45 micrones) determina que la solidificacin se llev a cabo con un aumento de volumen, es decir, que fue expansiva.

Este concepto es muy importante, por cuanto la obtencin de lquidos que solidifi-can en forma expansiva, permiten mediante este mecanismo de expansin compensar el efecto de contraccin que presentan las aleaciones de hierro al solidificar, fenmeno que nos permite poder elevar el rendimiento, dada la posibilidad de achicar significativamente las mazarotas y los canales de colada.

efecto del conteo de nduloS

El recuento de ndulos, expresado como el nmero de ndulos de grafito/mm2, tam-bin influye sobre las propiedades mecnicas del hierro dctil, aunque no tan fuerte y directamente como la forma del grafito. Generalmente, un recuento elevado indica una buena calidad metalrgica, pero hay un rango ptimo de recuento de ndulos para cada mdulo de pieza, ya que una cantidad excesiva podra generar una expansin desmesu-rada, situacin que llevara a la pieza a hincharse. Sera entonces el caso de otro defecto de solidificacin, ahora por expansin. El recuento de ndulos en exceso, puede provocar una disminucin de las propiedades mecnicas de la aleacin. El recuento de ndulos per se, no afecta fuertemente las propiedades de traccin, pero tiene ciertos efectos sobre la microestructura, que pueden influir de manera significativa sobre las propiedades como el alargamiento. En tal sentido, en el hierro fundido dctil, el recuento de ndulos influye sobre el contenido de perlita. Su aumento, lo disminuye, generando una reduccin de la resistencia a la traccin y un aumento de la elongacin.

Como el incremento en el recuento de ndulos minimiza el posible contenido de car-buro asociado con el fenmeno de temple (o chill) inverso o invertido, que consiste en la formacin de carburos en zonas centrales de las piezas, las cuales son de ms lento enfriamiento, cuando en realidad su formacin siempre est asociada a velocidades de enfriamiento ms elevadas, una mayor cantidad de ndulos, harn ms estables las pro-piedades mecnicas en toda la pieza (nos referimos a la resistencia a la traccin, la ducti-lidad y su maquinabilidad).

VentajaS del hierro dctil o nodular

Los beneficios del hierro dctil son los siguientes:Cuando se compara una pieza de acero fundido con una de hierro dctil, su principal

ventaja reside en su significativo menor costo de fabricacin, debido bsicamente a que el hierro dctil tiene una temperatura de fusin ms baja que la del acero. Esto permite un

m. resistividad elctrica: El hierro dctil con grafito esfrico tienen una menor resis-tividad elctrica, que el hierro gris con grafito en escamas. Los elementos princi-pales que afectan la resistividad aumentndola, son el silicio y el nquel.

n. Propiedades magnticas: Las propiedades magnticas de los hierros dctiles es-tn determinadas principalmente por su microestructura.

La forma esfrica de las partculas de grafito les da mayor induccin y mayor per-meabilidad, en comparacin con los hierros grises de matriz similar. Los hierros dctiles ferrticos son magnticamente ms suaves que los grados perlticos, y tienen una mayor permeabilidad y menor prdida por histresis. Para alcanzar una mxima permeabilidad y una mnima prdida por histresis, se utilizan los hierros nodulares ferrticos, pero de bajo contenido de fsforo.

o. calor especfico: Es la cantidad de energa requerida para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de un cuerpo. Por lo general, el calor espec-fico aumenta con la temperatura, alcanzando su mximo cuando se produce una transformacin de fase. Para el hierro dctil no aleado, el calor especfico vara con la temperatura.

p. resistencia al desgaste: Los datos de servicio indican que la resistencia al desgas-te del hierro dctil es equivalente a algunas de las mejores calidades de fundicin gris. Esto ha sido demostrado por el comportamiento en servicio de algunos com-ponentes, como pueden ser: camisas de cilindros, cigeales, rodillos, troqueles y engranajes.

q. resistencia a la corrosin: La resistencia a la corrosin del hierro dctil es igual o superior a la de la fundicin de acero, por lo que, con relacin a esta propiedad, puede usarse uno u otro indistintamente. En algunas aplicaciones, el hierro dctil demuestra una ventaja til sobre el acero fundido en el caso de las salmueras alcalinas. El hierro dctil tambin se utiliza ampliamente para la manipulacin del cido sulfrico concentrado, de soluciones custicas, del condensado de vapor y de una amplia variedad de lquidos orgnicos.

efecto de la forma de Grafito

Dentro de la familia del hierro dctil, la nodularidad juega un papel importante en la determinacin de las propiedades. La nodularidad y la morfologa de las partculas no esfricas, ejercen una fuerte influencia sobre el rendimiento y la resistencia a la traccin del hierro dctil. La nodularidad se reduce si la cantidad de magnesio residual (Mg) es muy baja (los ndulos se convierten en vermculos alargados), y si el nivel de azufre es elevado (los ndulos se convierten en escamas del tipo hojuela).

Pequeas adiciones de plomo (Pb) reducen la nodularidad, y generan la presencia de grafito pseudo-laminar en forma intergranular, o tambin de pequeas lminas, efecto que se traduce en una drstica reduccin de las propiedades mecnicas de traccin.

El efecto de la cantidad de ndulos en los hierros dctiles revela una caracterstica


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5. EfICIENCIA EN LA PLANTA DE fuNDICIN

la eficiencia

La eficiencia operativa de una planta de fundicin es un parmetro muy importante a tener en cuenta principalmente en aquellas dedicadas a la industria automotriz, donde los grandes volmenes a producir ejercen fuertes limitaciones sobre los mrgenes de ren-tabilidad, situacin por la cual se torna importante prestar atencin a la relacin entre lo producido y la capacidad de planta real instalada. Dicha capacidad depende de los equipos y del tipo de diseo utilizado en los herramentales productivos, ya que el rendimiento del diseo estar estrechamente relacionado con la rentabilidad de la operacin.

Pero quizs este concepto que podramos considerar obvio en cualquier actividad pro-ductiva, no lo sea en una planta de fundicin, ya que aun utilizando el total de la capacidad disponible (en cuanto al tonelaje de metal lquido y la cantidad de moldes que la planta por diseo puede alcanzar), la rentabilidad puede no ser buena.

En el diseo de toda planta de fundicin es necesario considerar aspectos importan-tes que ayuden a definir el tamao y la capacidad de los equipos en sus diferentes reas operativas. En efecto, en base a la cantidad y a la variedad de tamaos del universo de las piezas a producir, se podr determinar el tipo y tamao del equipo de moldeo, mientras que en base a la cantidad y a los pesos de las piezas, se podrn definir los requerimientos de metal lquido a disponer, con el fin decidir el tamao y la potencia de los hornos que conformaran el rea de fusin.

Pero al realizar este anlisis considerando solo los parmetros tradicionales, podra-mos llegar a sobredimensionar los equipos de produccin, como consecuencia de lo cual aumentara la magnitud de la inversin, insumiendo entonces un mayor nivel de amorti-zacin. Esto podra obligar a elevar los costos, restringiendo los niveles de rentabilidad de la compaa, en el caso que no se elevaran los precios para compensarlos.

Esta situacin es la habitual, cuando se emplean los niveles de rendimiento tradicio-nales. Sin embargo, hoy en da, estos pueden ser superados significativamente utilizando las metodologas denominadas de alto rendimiento, que permiten producir las mismas piezas en hierro nodular, pero con herramentales diseados con una mayor cantidad de piezas por molde, y utilizando a la vez una relacin de menor cantidad de metal lquido por pieza.

El hecho de no tener en cuenta estas influyentes variables que afectan directamente la eficiencia productiva de la planta, es una limitacin que posee la prctica convencional, al no considerar la importancia del rendimiento. Este se aplica tanto al moldeo (elevando la cantidad de cavidades dispuestas en el molde), como al colado (llenando el molde con la menor cantidad de metal posible, mediante un sistema de colada y alimentacin, diseado bajo el concepto del alto rendimiento).

mejor acabado de la superficie y espesores mucho ms delgados, asociados a formas ms complejas, que permiten incorporar mayores cambios de seccin.

El hierro nodular muestra buena ductilidad con niveles de elongacin que superan el 18% en los grados ferrticos, lo cual facilita el mecanizado.

Una importante caracterstica es que las piezas de fundicin en hierro dctil pesan el 10% menos que las de acero fundido en razn de su menor densidad, propiedad que auna-da a una mayor habilidad de alcanzar formas ms delgadas y complejas por su colabilidad en relacin al acero, las hace ideal para utilizar en partes automotrices, principalmente de suspensin.

aPlicacin del hierro dctil o nodular

La industria del automvil ha expresado su confianza en el hierro dctil a travs de la amplia utilizacin de este material en los componentes relacionados con la seguridad, tales como rtulas de direccin, pinzas de freno, y cajas diferenciales

Una de las aplicaciones ms crticas del hierro dctil se da en contenedores para el al-macenamiento y transporte de los desechos nucleares. Este tipo de aplicacin muestra la capacidad de la fundicin dctil para cumplir e incluso superar las pruebas de calificacin ms crticas para medir el rendimiento de los materiales.

Existe una gran gama de piezas fabricadas en hierro dctil. El peso de las posibles pie-zas de fundicin en este material puede ser de menos de 25 g a ms de 200 t. El tamao de la seccin puede ir de tan solo 2 mm a ms de 500 mm de espesor.

La distribucin del grafito nodular en la matriz de hierro dctil, a causa de su total dis-continuidad, evita la formacin de capilaridad que a menudo se encuentra en la fundicin gris. Esa capilaridad puede generar fugas que se tornan crticas en las piezas contenedo-ras de fluidos bajo presiones elevadas. Esta situacin, sumada al hecho de que se moldea fcilmente, hace que el hierro dctil sea ideal para servicios de alta presin, como son los cuerpos de compresores de mltiples etapas para fluidos gaseosos.


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6. LA vERDADERA IMPORTANCIA DE LA RELACIN RENDIMIENTO - REChAzO

En la cotidianeidad de la operacin productiva de una planta de fundicin de hierro no-dular, es habitual que el responsable de los resultados operativos, preste mucha atencin a los niveles de rechazo que el proceso genera, y mucho ms an, cuando estos porcenta-jes superan los niveles considerados en la estructura de costo de cada pieza.

El nivel de rechazo depende de una multiplicidad de factores que van, desde el propio estado operativo de los equipos productivos, pasando por la calidad del control que se tiene sobre el proceso, la disciplina operativa, la estabilidad de las materias primas dispo-nibles, hasta el ms fundamental de todos, como es el diseo de cada pieza en particular, incluyendo su sistema de colada y alimentacin.

Este conjunto de situaciones hace que cada fundicin se mueva de acuerdo a un mo-delo de comportamiento que la caracteriza. De ah el conocido dicho popular cada planta es diferente, situacin que si bien es absolutamente cierta, para nada debiera limitar a que se puedan tomar acciones para ser mejorada cada da.

Para ello, hay que aceptar el incursionar en nuevos procedimientos, y no refugiarse en un proceso ineficiente que, por ser bien conocido, puede condenarnos a repetir una y otra vez esta nica forma de hacer las cosas, confundiendo el concepto de poseer mucha experiencia, con el de haber repetido una prctica pobre, durante muchos aos.

Muchas veces se asocia el concepto de bajo rechazo con el xito operativo ya que, al contar con un porcentaje de rechazos pequeo, nos aseguraramos la posibilidad de ven-der una gran cantidad de piezas. Sin embargo, estas apreciaciones apresuradas, se efec-tan sin haber analizado con precisin, cual es el verdadero costo asociado, para mantener un nivel de rechazo extremadamente bajo.

La fundicin es, por encima de todo un negocio, que no puede ser calificado como bue-no por el solo hecho de considerar su nivel de rechazo. Por el contrario, esta calificacin debera basarse en un parmetro ms trascendente, como puede ser el de relacionar que porcentaje de metal, de la totalidad que funde la planta se vende y cobra.

Este concepto debe necesariamente involucrar, no solo al porcentaje de rechazo (al cual se lo controla en todas las plantas en forma continua, y generalmente se lo fija en valores subjetivos muy bajos), sino tambin al rendimiento. En efecto, ambas variables se encuentran muy relacionadas con la rentabilidad de toda la operacin, e incluso el rendi-miento posee un efecto mayor sobre la verdadera rentabilidad de la planta, que el propio rechazo.

Ms adelante veremos incluso que (apartado 13 ejemplo 1), el pretender reducir en forma exagerada el porcentaje de rechazo, en lugar de hacer la operacin ms rentable, podra producir un efecto contrario, ocasionando inclusive perdidas encubiertas en algu-nas piezas.

el rendimiento del molde

El rendimiento de moldeo se traduce en una mayor cantidad de cavidades colocadas en cada molde aprovechando todo el espacio disponible en la placa, lo cual genera la apli-cacin de un eficiente sistema de colada y alimentacin de alto rendimiento, que se vale, entre otros detalles, de canales de distribucin ms delgados y mazarotas ms pequeas.

el rendimiento metlico del lquido

Del total del metal colado en el molde, solo una parte se transforma en piezas vendi-bles y facturables, relacin que surge entre el metal que conforman las piezas y el total de metal colado. Esta variable indudablemente involucra al diseo del sistema de colada y alimentacin, cuyo tamao y peso depender del nivel con que se maneje la metalur-gia aplicada al lquido utilizado en la produccin de la pieza en cuestin. Esta situacin requiere que el diseador del herramental conozca con precisin el comportamiento que asumir el lquido al solidificar. Dado que en la prctica esto generalmente no es as, el di-seador, ante la duda que tal sistema pueda generar un alto porcentaje de piezas con de-fectos de solidificacin, suele dejar en el herramental de produccin (modelo), un excesivo espacio libre entre figuras para poder ubicar (si fuera necesario), grandes mazarotas que permitan proveer ms lquido a cada una de las cavidades, y compensar as las posibles variaciones volumtricas que se presentarn durante la solidificacin.


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Fig. 6-2: Herramental sobre

Fig. 6-3 Herramental Bajero

Al observar las grandes diferencias en productividad que arroja el diagrama para un mismo herramental, con un sistema de colada y alimentacin convencional y otro modifi-cado, vemos que, incluso duplicando el nivel de rechazo, situacin que en la prctica nunca ocurri, la productividad para la misma pieza se elev de 45.6% a 69.35%, es decir un 52% ms, con la misma capacidad instalada y sin realizar inversiones adicionales.

el Porcentaje de rechazo y la ProductiVidad

En la Fig. 6-1 podemos observar el porcentaje de rechazo (variable normalmente con-siderada por los fundidores como la causante de la prdida de rentabilidad de la opera-cin), relacionado con el rendimiento (variable que -a nuestro criterio- es la causa ms importante que afecta la rentabilidad, por su capacidad de modificar el nivel de productivi-dad de la planta). Tambin observamos como ambas afectan la productividad de la planta.

Fig.6-1: Grfico de rechazo (%) vs rendimiento (%)

En las Figs. 6-2 y 6-3 se muestran el sobre y el bajero de un herramental diseado y construido en Japn en la dcada del 90. El primero consista en cuatro figuras y un siste-ma de colada y alimentacin con un rendimiento metlico del 48% (Fig.6-1), el cual deba producirse con un nivel de rechazo mximo


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PaSo 2) utilizar materiaS PrimaS eStaBleS:

Las materias primas son un factor muy importante en el logro de un diseo de alto rendimiento, ya que son las responsables de aportar estabilidad de comportamiento du-rante la solidificacin, al lquido con que se est colando. Esta condicin debe permane-cer en el tiempo para que se logren las mismas variaciones volumtricas que se generan durante la solidificacin, lo que en otras palabras se podra definir como sostener una calidad metalrgica en el tiempo. Otros autores lo expresan como no innovar.

Es una creencia generalizada que esta estabilidad depende del nivel de pureza qu-mica de las materias primas, principalmente de los re-carburantes, cuando en realidad, la pureza y la estabilidad en el comportamiento que asume el lquido durante la solidifi-cacin, son dos aspectos totalmente independientes uno del otro. Por lo tanto, y primor-dialmente, es preferible contar con una materia prima muy estable antes que con una muy pura, ya que esta ltima pudiera ser an inestable y modificar el comportamiento del lquido durante la solidificacin.

PaSo 3) uSar canaleS traPezoidaleS Para minimizar la turBulencia:

Un factor muy importante a tener en cuenta en el diseo del alto rendimiento es la seccin de los canales de distribucin del lquido en el interior del molde. Estos canales debern ser lo ms livianos y con la menor superficie proyectada como base sobre la placa, con el objeto de utilizar el menor espacio posible en ella, permitiendo as ms lugar libre para la colocacin de una mayor cantidad de cavidades por molde.

Otra variable importante a considerar es la turbulencia, que generalmente es ignorada o subestimada por los fundidores de hierro nodular. Se debe tener en cuenta que, altos valores de turbulencia en el flujo de metal dentro del canal disuelven aire durante la cola-da, generando as defectos como ser una baja nodularidad, por la oxidacin del magnesio (considerada una falta metalrgica grave).

Para ello, es indispensable minimizar los niveles de turbulencia dentro del canal, lo cual depender del diseo del propio canal. Si hablamos de hierro nodular, esto adquiere mucha importancia en la calidad de la pieza obtenida.

7. DIEz PASOS A TENER EN CuENTA PARA ALCANzAR EL ALTO RENDIMIENTO

Para disear un sistema de colada y alimentacin con alto rendimiento es necesario tener en cuenta diez pasos importantes, a saber:

PaSo 1) utilizar filtroS en todoS loS diSeoS:

Todo sistema de colada y alimentacin es el responsable de proveer lquido a la ca-vidad del molde. Dicho lquido deber estar libre de escoria que pudiera daar la pieza colada. Anteriormente, esta accin se lograba generando una baja velocidad en los canales de distribucin del metal lquido dentro del molde, para que la escoria flotase por efecto de la diferencia de densidad. Esto implicaba el uso de canales gruesos, que ocupaban mucho lugar dentro del propio modelo.

Para elevar el rendimiento en los diseos de los herramentales, se reemplaza ese tipo de canales por otros ms livianos y que permiten una mayor velocidad de colada, dejando la responsabilidad de separar la escoria contenida en el lquido al filtro cermico que ocupa menos lugar que un canal grueso. Este filtro solo permite pasar el metal lquido y retiene cualquier partcula slida contenida en l.

En la Fig. 7-1 se puede observar la ubicacin del dispositivo en el herramental para ubicar un filtro cermico en el molde, el cual est indicado mediante un crculo.

Fig. 7-1: Zona del molde destinada al filtro cermico


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clsico trapecio extendido tringulorea (mm2) 942 544 450Permetro (mm) 123 123 123Mdulo (cm) 0.77 0.44 0.37Reynolds (Re) 20353 20395 20378Peso (g/25.4mm) 170 98 71

Nota: esta tabla es para un Re en el canal de distribucin aproximadamente CONSTANTE

Fig. 7-3: Tres secciones diferentes de canales de distribucin

Comentarios sobre el Nmero de Reynolds Re o NR:

Este concepto es aplicable a todo sistema de canales de distribucin donde el metal en la seccin fluida llena completamente el canal. El metal fundido puede fluir ya sea de una manera quieta, aerodinmica, laminar o con varios grados de turbulencia. En el flujo laminar las partculas siguen un recorrido bien definido, sin turbulencia. En el flujo turbu-lento, el recorrido de las partculas lquidas se realizar cruzndose unas con otras en un modelo intrincado de lneas entrelazadas con remolinos (corrientes circulares). El grado de turbulencia puede variar ampliamente, desde uno muy ligero, hasta otro claramente violento, dependiendo de las condiciones del flujo.

La caracterizacin del flujo de lquidos, incluido el metal fundido, dentro de un canal es llevada a cabo mediante un nmero adimensional llamado Nmero de Reynolds (Re o NR). Este nmero se obtiene a partir de la siguiente formula:

Re = Vd/Donde:

V = velocidad del lquido (cm/s) d = dimetro del canal (cm)

= viscosidad cinemtica del lquido (cm2/s)

clsico trapecio extendido tringulorea (mm2) 450 450 450Permetro (mm) 84.9 110.6 122.7Mdulo total (cm) 0.53 0.41 0.37Mdulo 1/3 punta 0.423 0.284 0.142Mdulo 1/3 base 0.425 0.443 0.477Reynolds (Re) 29451 22613 20378Peso (g/25.4mm) 81 81 81

Nota: esta tabla es para un peso del canal de distribucin CONSTANTE.

Fig. 7-2: Tres secciones diferentes de canales de distribucin

En la Fig. 7-2 comparamos tres secciones distintas de canales de distribucin de me-tal en el molde, para igual peso por unidad de longitud (25.4 mm), y donde el nivel de tur-bulencia medido en Reynolds es calculado para un caudal igual a 2.5 kg/seg.

De la tabla de la Fig.7-2 se desprende que el de diseo triangular es el que posee menor nivel de turbulencia (Re=20378.1) en comparacin con los otros dos. Sin embargo, debemos tener en cuenta que este perfil es el menos recomendado por el bajo valor del mdulo geomtrico del tercio superior o de la punta, dado que produce un rpido enfria-miento del lquido durante la colada, resultando poco prctico, a pesar de ser aquel de menor nivel de turbulencia.

Es por esta razn, que el canal que realmente es utilizado es el trapezoidal extendido, el cual, si bien con un ligero incremento en el nivel de turbulencia, es el de menor seccin proyectada en la base, con un mdulo en el tercio superior que duplica el valor del triangu-lar, hecho que lo hace de uso prctico.

En la Fig.7-3 se representan los mismos perfiles de canal pero con un dimensio-namiento de los canales tendiente a lograr un mismo nivel de turbulencia en los tres (Re=20000), lo que permite observar cmo se comporta el peso por unidad de longitud (25.4 mm). Comparando el clsico y el trapezoidal extendido, resulta ms liviano este l-timo.


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Puesto que el nmero Re es empleado para predecir el grado de turbulencia en una corriente fluida, se usa para disear sistemas de colada efectivos y eficientes. Los siste-mas de colada son diseados para minimizar la turbulencia, por lo cual siempre se desea un Re tan bajo como sea posible.

PaSo 4) oPtimizar loS tiemPoS de colada. colado Secuencial:

El lquido nodular debe ser colado rpidamente, no solo para evitar uniones fras en la pieza, como ocurrira con cualquier aleacin, sino tambin para que dicho lquido de carac-tersticas hipereutcticas, no comience a formar ndulos primarios en el lquido durante la colada, ya que esto incentivara un comportamiento, mucho ms contractivo, y como consecuencia directa de ello, se transformara en generador de rechupes primarios.

Cuando se trabaja con mquinas moldeadoras utilizando moldes de gran tamao, surge la necesidad de colocar la mayor cantidad de cavidades por molde, si el objetivo es lograr un diseo de alto rendimiento.

El hecho de colar muchas cavidades rpidamente en cualquier molde, requiere contar con canales gruesos y muy pesados, para poder proveer rpidamente de mucho lquido. Sin embargo, esto se contradice con el logro de un alto rendimiento.

Para conjugar ambas opciones, como lo son el alto rendimiento y una rpida colada, recurrimos a la nica forma de lograrlo: un alto rendimiento con muy bajos tiempos de colada puede darse eficientemente a travs de un sistema de colada secuencial, principal-mente disponiendo los moldes en forma vertical (tal como se observa en la secuencia de las Fig. 7-5, 7-6, 7-7).

Fig. 7-5: Colada secuencial vertical, nivel 1

En el caso de los canales con secciones transversales no circulares, d se toma como igual a 4 veces el radio hidrulico o sea:

El trabajo en la prctica experimental ha mostrado que, para un Re de 2000 menor, el flujo invariablemente es suave o laminar. Cuando el Re es mayor que 2000 pero menor que 20000, el flujo es turbulento. Finalmente, si excede los 20000, la turbulencia es severa. Estas variaciones en el flujo son ilustradas en la Fig. 7-4.

Flujo laminar

Flujo turbulento

Flujo severamente turbulento

NR < 2.000

2.000


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nodular, nunca debera superar los 50 C. Al aplicar el sistema secuencial, la diferencia de temperatura en una misma pieza, segn la misma simulacin, resultara de solo 15 C aproximadamente.

Esta pequea diferencia de temperatura, al poder llenar una misma cavidad con tiem-pos y turbulencia bajos, hace a este sistema de colado trmica y metalrgicamente muy estable.

PaSo 5) contar con mduloS de loS canaleS que minimicen laS PrdidaS de temPeraturaS:

Durante el diseo de un sistema de alto rendimiento, la longitud de los canales debe ser lo ms corta posible, y su mdulo geomtrico debe guardar un equilibrio entre el ms bajo (para que no pese demasiado), y otro que, aunque bajo tambin, no lo sea tanto que enfre demasiado al lquido durante la colada.

El factor dinmico que est presente durante el proceso de llenado del molde, deter-minado por la velocidad del flujo del lquido, le aporta al mdulo geomtrico (que empieza a enfriarse cuando el flujo de colada finaliza), ciertos valores que deben ser evaluados mediante simuladores, en caso de pretender encontrar el valor optimo, y teniendo como variable a cumplimentar la correspondiente a la turbulencia.

PaSo 6) utilizar mazarotaS como comPenSadoraS de contraccin/exPanSin:

Las mazarotas utilizadas como proveedoras de lquido deben ser orientadas a com-pensar las variaciones de presin que ocurren durante el proceso de solidificacin.

Si lo que se busca es alcanzar alto rendimiento, es preferible el uso de manguitos exotrmicos de bajo volumen pero con elevado mdulo trmico, los cuales ocupan menor espacio en la placa, a la vez que propician aumentar la posibilidad de incorporar un mayor nmero de cavidades.

PaSo 7) uBicar laS mazarotaS en Ptima PoSicin:

La ubicacin de la mazarota surge del anlisis de la distribucin de mdulos que pre-sente cada pieza, considerando el concepto de unidades de alimentacin, donde la solidifi-cacin del mdulo significativo menor (uno de los primeros en solidificar), puede aislar a otras zonas de la pieza, que debern ser asistidas por mazarotas, o en su defecto, autoa-limentadas por la expansin del propio lquido.

Fig. 7-6: Idem nivel 2

Fig. 7-7: Idem nivel 3

En las Fig. 7-5 se observa cmo es posible empleando un sistema de colada muy livia-no y secuencial colar un nivel completo en solo 3.5 s. En la Fig. 7-6 un segundo nivel en 4.1 segundos, y en la Fig. 7-7 se puede colar el tercer nivel en 4.6 segundos.

De haberse aplicado un sistema convencional de colado simultneo, este mismo sis-tema hubiese completado el llenado de todas la cavidades en 12.2 segundos, generando as, segn el simulador, una diferencia de temperatura entre el primer y ltimo lquido en entrar a una misma cavidad superior a los 100 C, rango que, en materia de hierro


INTIUE

PaSo 8) utilizar una mazarota Para mS de una Pieza cuando Sea PoSiBle:

Mientras el diseo de la placa de moldeo lo permita, un aspecto que nos lleva a me-jorar el rendimiento es el hecho de compartir una mazarota con dos o ms piezas, de ser posible.

PaSo 9) utilizar una mazarota en la Parte SuPerior o de toPe:

En sistemas de moldeo vertical esto es relativamente sencillo pero, en un sistema de moldeo horizontal, la situacin se torna muy complicada. En caso de aplicar el concepto de las unidades de alimentacin, es muy probable que sea necesario recurrir a los manguitos exotrmicos de tope, colocados en el modelo antes que las piezas sean moldeadas, para que queden insertados en la arena del propio molde.

PaSo 10) utilizar una mazarota caliente:

Las mazarotas calientes, que reciben su nombre por ser llenadas con el lquido calien-te tomado directamente del sistema de colada, en la prctica se comportan en forma ms eficiente, ya que elevan el valor del mdulo trmico, para un mismo mdulo geomtrico.

En caso de no ser posible ubicar tal mazarota como caliente, o sea que esta no pueda ser conectada directamente al sistema de alimentacin, habr que dotar a la pieza de un manguito exotrmico, que permita elevar el modulo trmico, para igual modulo geom-trico.

8. ALTO RENDIMIENTO EN LA PRCTICA

En el final de la dcada de los aos setenta y comienzos de los ochenta surgieron investigadores dedicados al hierro nodular que proponan mtodos dirigidos a elevar el rendimiento metlico de los diseos mediante la aplicacin de un particular mtodo de clculo de los sistemas de colada y alimentacin.

En esta propuesta se pona como condicin para alcanzar un resultado exitoso que el lquido con que se debera colar tendra que ser de una alta calidad metalrgica, situacin que en la prctica no tuvo la aceptacin esperada debido a lo inestable que se tornaba este mtodo en cuanto a la reiterada presencia de defectos en las piezas.

En los aos ochenta (en una pequea planta de fundicin), y luego en los aos noventa (en una gran planta de fundicin nodular automotriz), retomamos esta muy buena idea, con el objetivo de desarrollarla en forma experimental. Pretendamos evaluar la verdadera posibilidad de implementarla en piezas con rentabilidad comprometida, mediante la op-timizacin de la cantidad de lquido, para elevar as el rendimiento, y hacer ms rentable la planta.

Al comenzar con las primeras corridas de prueba, nosotros y el resto de los metalur-gistas que intentaron implementar este mtodo obtuvimos piezas donde algunas resul-taban con muy buenos resultados y otras con defectos de solidificacin, los que surgan espontneamente, sin que se hubiera realizado cambio alguno, tanto en el proceso como en las materias primas.

Con el fin de averiguar el posible origen de tal prdida de estabilidad que la aplicacin de este mtodo generaba, se comenz a realizar una serie de estudios con la ayuda de tesistas de grado en ingeniera en metalurgia.

En el inicio del estudio se analiz bajo que circunstancias, el nuevo sistema de cola-da y alimentacin propuestos, presentaba esas espontneas etapas de inestabilidad que particularmente se mostraban sin cambios en las variables normalmente utilizadas como control al proceso en la rutina productiva. Nos estamos refiriendo a la composicin qumi-ca, al valor del % de CE, a la temperatura, al tiempo de colada y al nivel de inoculacin, entre otras variables clsicas utilizadas como control.

Del anlisis de las coladas estudiadas se pudo determinar que la aparicin de los defectos espontneos en las piezas no respondan a un particular comportamiento del sistema de colada (el cual permaneca por su propia conformacin invariable), y que su formacin se circunscriba a determinadas coladas (las que particularmente respondan perfectamente a los parmetros requeridos por el proceso en todas sus variables).

De lo mencionado anteriormente se desprende que, en un proceso llevado a cabo bajo condiciones de produccin totalmente normales y en el que se utilice un sistema de colada de alto rendimiento, es posible lograr piezas sanas siempre y cuando el comportamiento dado por la forma que asuma el lquido a solidificar (conocido como calidad metalrgica), se complemente con los requerimientos generados por el propio diseo de la pieza que se est colando. Se conforma as un grupo de factores con real capacidad de influencia, sobre los resultados finales obtenidos en las piezas.


INTIUE

Por lo tanto, para poder acceder a un sistema de alto rendimiento (donde su compor-tamiento sea tan estable que permita poder ser utilizado como mtodo de produccin), libre de los tpicos defectos atribuidos a la solidificacin (tales como rechupes primarios y secundarios, depresiones superficiales, zonas porosas, etc.), es necesario conocer en de-talle e individualmente, cada uno de los siguientes factores, presentes en la cavidad del molde:

La calidad metalrgica del lquido La influencia del diseo de la pieza sobre el comportamiento del lquido durante la

solidificacin. La influencia del diseo del sistema de colada y alimentacin sobre el comporta-

miento del lquido durante la solidificacin.

9. fACTORES CON CAPACIDAD DE MODIfICAR EL COMPORTAMIENTO DEL LquIDO AL SOLIDIfICAR

La solidificacin del lquido nodular es un proceso mucho ms complejo de lo que generalmente el fundidor considera, por el hecho de estar conformado por una serie de factores que se interrelacionan entre s. Estos se afectan mutuamente y, si sus compor-tamientos se complementan, se logra el equilibrio necesario para producir piezas libres de defectos de solidificacin. Por el contrario, si no se complementan, el equilibrio solo se restablecer con la formacin de algn efecto compensatorio.

Una pieza sin defectos necesariamente es el producto de un lquido que, al solidificar, ocup un volumen igual a la cavidad del molde, y muy similar al requerido por el diseo de la propia pieza. En efecto, la falta de lquido (producto de la presencia de una mayor con-traccin a lo esperado), generar rechupes por falta de material para completar el volumen de la pieza, o bien propiciar la formacin de una burbuja de gas (blowhole), debido a la existencia de una presin negativa, resultante de un espacio libre dentro de la cavidad del molde. Dicha depresin, creada por contraccin del lquido durante la solidificacin, es la que forma la burbuja.

En cambio, un lquido cuyo comportamiento al solidificar sea expansivo, generar den-tro de la cavidad del molde una elevacin de la presin. Al tratarse de un molde de arena, este se deformar bajo la fuerza que tal presin genera, aumentando el volumen de la cavidad. Como el agrandamiento ocurrir durante el proceso de la solidificacin eutcti-ca, donde el lquido comienza a ser pastoso, al sistema de colada y alimentacin le ser imposible proveer el lquido necesario, para compensar el aumento proveniente de esa expansin de solidificacin.

En ambas situaciones, la solidificacin ocurri fuera del equilibrio requerido, para que la pieza solidifique libre de defectos.

la calidad metalrGica del lquido

Si bien los precursores del mtodo para lograr el alto rendimiento fijaban como condi-cin para obtener buenos resultados la necesidad de contar con un lquido de alta calidad metalrgica, la dificultad radica en el hecho de que no existe ningn mtodo que permita poder medir esta variable. Por lo tanto, solo cabe estimarla, pero esta tarea para un fundi-dor, es muy difcil de implementar en la prctica como variable de control.

De acuerdo con nuestra experiencia, la calidad metalrgica de un lquido nodular radica en el tipo de comportamiento que asume el lquido durante su solidificacin. A diferencia del comportamiento presentado por los aceros o cualquiera de los metales comnmente utilizados en la industria al solidificar, el nodular puede poseer un comportamiento desde contractivo (como la generalidad de las aleaciones), hasta expansivo (una particular forma de solidificar que solo presenta el hierro nodular y unos pocos metales y aleaciones du-rante su solidificacin).


INTIUE

Mediante un mtodo que desarrollamos con la finalidad de poder determinar cul era el verdadero comportamiento que asume el lquido nodular que usbamos para colar (m-todo que explicaremos en detalle en el apartado 10), pudimos determinar que el hierro nodular, al solidificar dentro de la cavidad del molde, puede asumir un comportamiento variable.

Esta caracterstica es propia de cada lquido y, de acuerdo al tipo y magnitud de la variacin volumtrica que presente, se lo calificar de acuerdo a un rango que va desde la alta calidad metalrgica (cuando su comportamiento posea una tendencia a ser ex-pansivo) hasta una pobre o baja calidad metalrgica (cuando ese mismo comportamiento tienda a ser de contractivo a muy contractivo).

Cul es la mirada de los fundidores?: esta dualidad de comportamientos muy dismi-les entre s, se pone en evidencia en la prctica a travs del nivel de piezas con defectos alcanzado durante las diferentes coladas. Si ese nivel supera el porcentaje presupuestado, la calidad metalrgica del lquido se considerar baja para esa pieza, mientras que para aquellas coladas que no lo superen, se la considerar alta (notar la diferencia de concepto, en relacin a lo expresado en el prrafo anterior).

Esta comparacin no es vlida para coladas llevadas a cabo sobre piezas diferentes, ya que la prctica ha demostrado que un mismo lquido puede comportarse como de alta calidad metalrgica en un tipo de diseo de piezas, as como de baja calidad en otros tipos de piezas, cuando en las piezas haya presencia de defectos atribuibles a la solidificacin siendo que el lquido es el mismo.

Esto pone en evidencia que la calidad metalrgica de un lquido nodular no puede ser calificada por el mtodo basado en los resultados obtenidos sobre las piezas, ya que como hemos visto, esto podra dar un resultado muy diferente segn sea el diseo de cada una de ellas.

Es por eso que, al momento de definir una calidad metalrgica del lquido, debemos tener en cuenta cual puede ser el resultado que un lquido determinado pueda generar sobre un tipo de diseo de las piezas, como as tambin la influencia que sobre ese mismo comportamiento ejerza el sistema de colada y alimentacin que lo asista.

la influencia del diSeo de la Pieza

Todo fundidor, en algn momento, se habr encontrado en su rutina con la situacin que determinadas piezas se tornan ms propensas a formar defectos de solidificacin que otras, aun al ser coladas con el mismo lquido. Esta situacin ocurre incluso en piezas muy similares en diseo, con diferencias de forma que muchas veces pueden pasar des-apercibidas.

Este escenario es producto de la incidencia que ejerce el diseo de cada pieza sobre el comportamiento que asume el lquido al solidificar, influenciado por el valor de los mdu-los y los volmenes que conforman la pieza. Por lo tanto, el solo hecho de que los diseos de las piezas sean diferentes, generar en el lquido un comportamiento tambin distinto.

Por todo lo dicho, la calidad metalrgica es solo uno de los elementos que intervienen en la conformacin del verdadero comportamiento final que asumir ese lquido. El siste-ma de colada y de alimentacin tambin ser parte crucial del comportamiento final que adquirir el lquido al solidificar, situacin que, en la prctica, se ver reflejada, en el nivel de la calidad metalrgica alcanzada.

el diSeo del SiStema de colada y alimentacin

Modificar el sistema de alimentacin y colada es una prctica extensamente aplicada en la rutina productiva, cuando se observa la presencia reiterada de un determinado tipo de defecto. Esto, si bien permite hacer mucho ms estable el comportamiento del lquido, es una modificacin del proceso, que no siempre elimina definitivamente su aparicin. En efecto, con el tiempo, ese mismo sistema de colada y alimentacin muy probablemente volver a presentar este u otro defecto de solidificacin similar, aun cuando se cuele la misma pieza con el mismo lquido.

Esta situacin pone en evidencia que el sistema de colada y alimentacin, al igual que el diseo de la pieza, tienen la capacidad de afectar el comportamiento final asumido por el lquido al solidificar. Sin embargo, en razn de sus caractersticas fsicas, y al estar con-formados por elementos rgidos, ambos sern de comportamiento repetitivo y constante en el tiempo.

Por lo tanto, el hecho de que una pieza de determinado diseo haya salido bien con un determinado sistema de colada y alimentacin y luego, con el correr del tiempo, haya presentado problemas, no significa que estos dos elementos hayan sido el origen de la generacin de algn defecto tpico de solidificacin.

En consecuencia, tal formacin de un defecto tiene su origen en un cambio del com-portamiento del lquido al solidificar. En otras palabras, se produjo una variacin en su calidad metalrgica, debido a la modificacin de alguna variable asociada con el compor-tamiento del lquido, y que en consecuencia, alter su calidad y el resultado final.

Debido a lo complejo que resulta poder colar hierro nodular para moldear piezas libres de defectos, necesariamente debemos considerar en forma conjunta los tres factores pro-puestos. Estos factores, al interactuar entre s, generan un tipo de comportamiento par-ticular para cada combinacin. De los tres, solo el comportamiento asumido por el lquido, podr funcionar como una variable.

relacin entre eStoS factoreS

En la Fig. 9-1, en primer trmino, observamos el comportamiento con relacin a las variaciones volumtricas que presentan las diferentes calidades metalrgicas represen-tadas por las lneas de tendencia baja (inferior), alta (superior) o promedio (central).


INTIUE

Otro aspecto importante es observar la magnitud en las variaciones volumtricas (re-presentadas en el eje Y) que experimenta el lquido, en funcin del valor del mdulo que lo enfra (representado en el eje X), y sus respectivas ecuaciones, que definen las distintas curvas segn sea la calidad metalrgica del lquido.

0.3 0.8 0.90.70.60.5

MDULO GEOMTRICO - % DE VARIACIN VOLUMTRICA

y=-1.377In(x) - 1.4136

Mdulo Geomtrico (cm)

% Va

riaci

n Vo

lum

tric

a

1

0.5

0

-0.5

-1

-1.5

-2

-2.5

-3

-3.5

-4

y=-0.678In(x) - 0.2662

y=-3.265In(x) - 4.0008

0.4

Logartmica (Calidad Metalrgica Promedio)Logartmica (Baja Calidad Metalrgica)Logartmica (Alta Calidad Metalrgica)

Fig. 9-1

10. CMO SOLIDIfICA EL hIERRO NODuLAR DENTRO DE LA CAvIDAD DEL MOLDE

Resumiremos ahora en un ejemplo lo hasta aqu desarrollado. As podremos apreciar, como influyen cada uno de los factores mencionados, como modificadores del comporta-miento final asumido por el lquido, en una pieza de cierta complejidad de hierro nodular. Para ello trabajaremos con una pieza automotriz, a la que descompondremos en los dife-rentes mdulos que la conforman, as como en los volmenes asociados a cada mdulo.

Fig. 10-1: Carcasa diferencial constituida por 8 secciones

En la Fig. 10-1 hemos tomado una carcasa diferencial estndar. La misma fue seg-mentada en ocho mdulos. Cada uno corresponde a la relacin entre el volumen y la su-perficie de enfriamiento de cada corte virtual, en que hemos fraccionado la pieza a estu-diar y representado en 3D en la Fig. 10-1.

El seccionamiento ha sido efectuado de manera tal que, cada uno de los cortes re-presenta una determinada parte de la pieza mediante un mdulo y un volumen asociado (habr un par de valores para cada corte).

Con los valores obtenidos, se elabora la tabla siguiente, donde se presentan los vo-lmenes, las superficies de enfriamiento, los mdulos (relacin volumen y superficie de enfriamiento), y la fraccin volumtrica (volumen de cada corte referida al volumen total de la pieza).


INTIUE

Seccin Volumen Superficie de enfriamiento mdulofraccin

volumtrica1 164983 294070 0,56 0,042 209984 414180 0,51 0,053 599476 1084580 0,55 0,134 681967 1678970 0,41 0,155 464461 653260 0,71 0,106 345257 549660 0,63 0,087 1028319 1209930 0,85 0,238 1029157 1211510 0,85 0,23

Total 4523604 7096160 0,64 1,00 Fig. 10-2: Tabla de mdulos y fracciones volumtricas de la carcasa en estudio

Con el valor de cada volumen y mdulo, elaboramos una distribucin de cuerpos, que representan cada uno de los diferentes cortes virtuales que realizamos sobre el diseo original de la pieza. Al agruparlos segn su distribucin original, podemos evaluar en for-ma rpida cul de todos ellos ser el primero en solidificar (0,41) y el ltimo en hacerlo (0,85 + 0,85). Los individualizaremos de la siguiente manera: el mdulo significativo menor corresponder al menor valor de mdulo, asociado al mayor volumen identificado (corte 4 en el ejemplo), y el mdulo signif

fundiciones

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