ES2253836T3 - Colada a presion de magnesio. - Google Patents

Abstract

Un sistema de flujo de metal para uso en colada a presión de aleación de magnesio en un estado semisólido o tixotrópico, usando una máquina de colada a presión que tiene un suministro de la aleación en un estado fundido y un molde o matriz que define una cavidad de matriz, en el que el sistema comprende unos medios de herramienta de matriz o de molde que definen al menos una piquera del sistema en la que se puede recibir aleación fundida de magnesio para inyección de aleación dentro de la cavidad de matriz, el sistema de flujo es de una forma que proporciona control de las velocidades de flujo de metal en él, por lo que sustancialmente todo el metal que fluye por toda la cavidad de matriz está en un estado semisólido, y dicha forma es resultado de que el sistema incluye al menos una región de expansión controlada en cuya región el flujo de metal se puede esparcir lateralmente, con respecto a su dirección de inyección, con una resultante reducción en su velocidad de flujo con relación a su velocidad en la piquera, por lo que el estado de la aleación se cambia de dicho estado fundido a dicho estado semisólido.

Description

Colada a presión de magnesio.

La invención se refiere a un sistema mejorado de flujo de metal, para uso en la producción de piezas coladas a presión hechas a partir de aleaciones de magnesio en un estado tixotrópico o fundido y adecuado para uso con máquinas existentes de diversas formas incluyendo máquinas de colada en matriz de cámara fría y caliente.

Se ha desarrollado un conocimiento en toda la industria internacional de colada a presión al respecto de que, debido a la menor capacidad calorífica de las aleaciones de magnesio comparadas con las aleaciones de aluminio y de cinc, es necesario usar grandes piqueras y lumbreras para impedir la congelación prematura del metal fundido de aleación de magnesio. En verdad, ésta se considera la mejor práctica por parte de la industria, aunque las interpretaciones varían considerablemente.

Dentro de la industria, hay muchos métodos diferentes de diseño que están pensados para proporcionar piezas coladas satisfactorias a partir de aleaciones de magnesio. Sin embargo, las piezas coladas a presión de aleación de magnesio producidas por estos métodos generalmente exhiben un mayor grado de defectos superficiales, cuando se comparan con piezas coladas a presión de aluminio o de cinc, aunque las piezas coladas pueden ser de calidad utilizable.

El documento EP-A-799901 se refiere a colar por inyección una aleación semisólida de magnesio en un molde que comprende una piquera que termina en una parte no expandida de lumbrera dentro de la cavidad de molde. El estado tixotrópico del metal que se va a colar se obtiene mezclando perlas o partículas de Mg con Mg líquido en una cámara de calentamiento.

Se ha descubierto que es posible producir piezas coladas a presión de alta calidad de aleaciones de magnesio con el uso de la presente invención. Las piezas coladas producidas de este modo pueden ser de una calidad comparable a la obtenible con piezas coladas de aleaciones de aluminio o de cinc. Lo que es más, se ha descubierto que la calidad de pieza colada se puede perfeccionar mediante el uso de sistemas de flujo de metal que tienen piqueras y lumbreras que son pequeñas con relación a la mejor práctica actual. Los sistemas de flujo de metal de la invención posibilitan una mejora sustancial en el rendimiento de colada; esto es, en la relación porcentual del peso de colada sobre pesos totales de tirada. De este modo, el peso de metal que necesita ser reciclado y reprocesado puede ser reducido sustancialmente, con una reducción resultante en costes de producción.

La presente invención posibilita un método para calcular sistemas de flujo de metal para la producción de piezas coladas de aleación de magnesio que exhiben una calidad mejorada y con significativamente menos metal en los sistemas de alimentación, con una consecuente reducción en coste comparado con prácticas anteriores.

La presente invención proporciona un sistema de flujo de metal para uso en la colada a presión de aleación de magnesio en un estado tixotrópico o semisólido, usando una máquina de colada a presión que tiene un suministro de la aleación en un estado fundido y un molde o matriz que define una cavidad de matriz, en el que el sistema incluye unos medios de herramienta de matriz o de molde que definen al menos una piquera del sistema en la que se puede recibir aleación fundida de magnesio para inyección de aleación dentro de la cavidad de matriz, el sistema de flujo es de una forma que proporciona control de las velocidades de flujo de metal en él, por lo que sustancialmente todo el metal que fluye por toda la cavidad de matriz está en un estado semisólido, y dicha forma es resultado de que el sistema incluye al menos una región de expansión controlada en cuya región el flujo de metal se puede esparcir lateralmente, con respecto a su dirección de inyección, con una resultante reducción en su velocidad de flujo con relación a su velocidad en la piquera, por lo que el estado de la aleación se cambia de dicho estado fundido a dicho estado
semisólido.

La invención también proporciona un proceso para producir una pieza colada de una aleación de magnesio, en el que la aleación de magnesio se cuela en un estado tixotrópico o semisólido, usando una máquina de colada a presión que tiene un suministro de la aleación en un estado fundido y un molde o matriz que define una cavidad de matriz, y usando un sistema de flujo de metal que incluye unos medios de herramienta de molde o de matriz que definen al menos una piquera del sistema en la que se puede recibir aleación fundida de magnesio desde la fuente y desde la que se inyecta aleación en la cavidad de matriz, y controlando velocidades de flujo de aleación en el sistema por lo que sustancialmente toda la aleación que fluye por toda la cavidad de matriz está en un estado semisólido y en el que el control incluye que se haga que fluya aleación desde la piquera a través de una región de expansión controlada por lo que el flujo de metal se esparce lateralmente en dicha región, con respecto a su dirección de inyección, con una reducción resultante en su velocidad de flujo con relación a su velocidad en la piquera, por lo que el estado de la aleación se cambia desde dicho estado fundido a dicho estado semisólido.

Los descubrimientos indican que, con la consecución de un estado semisólido, el llenado de la cavidad de matriz puede proseguir progresivamente por frentes semisólidos de metal que se alejan de una lumbrera u otro sitio de inyección. Esta forma de llenado con aleación de magnesio es una salida importante del altamente complejo llenado periférico de líquido, seguido de llenado trasero, encontrado con la colada en matriz de aleaciones de cinc o de aluminio y descritas primero por Frommer en 1932 (véase el texto de referencia "Die Casting" por H. H. Doehler, publicado en 1991 por McGraw-Hill Publishing, Inc.).

En la invención, el flujo de aleación de magnesio desde la piquera es mediante al menos una región de expansión controlada del sistema de flujo de metal en cuya región el flujo de metal se puede esparcir lateralmente, con respecto a su dirección de inyección, con una resultante reducción en su velocidad de flujo con relación a su velocidad en la piquera. En una disposición preferida, la región de expansión controlada del sistema de flujo comprende una lumbrera a través de la cual el metal fluye desde la piquera hasta la cavidad de matriz. En esa disposición preferida, la lumbrera y la piquera son tales que un área de sección transversal efectiva de flujo a través de la lumbrera supera un área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera, por lo que la aleación tiene una velocidad a través del área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera que supera su velocidad a través de la lumbrera. Esto es contrario a la práctica actual recomendada.

Como se apreciará, el esparcimiento lateral de flujo de metal en la región de expansión controlada, que tiene como resultado una reducción en velocidad de flujo en esa región con relación a la velocidad de flujo en la piquera, indica un aumento en el área de sección transversal de flujo de aleación en la región de expansión controlada con relación al área de sección transversal de flujo de aleación en la piquera. De este modo, en este contexto, se ha de entender que una "lumbrera" designa una abertura que difiere de una lumbrera como se usaba en disposiciones de colada a presión usadas previamente. Como se entenderá, una lumbrera en las disposiciones usadas previamente designa una abertura desde una piquera hasta una cavidad de matriz que es de menor área de sección transversal que el área de sección transversal de su piquera y que por lo tanto proporciona una constricción al flujo de aleación a través de ella, de tal manera que la velocidad de flujo de aleación a través de la lumbrera se aumenta con relación a su velocidad de flujo en su piquera. Por el contrario, una lumbrera del sistema de flujo de metal de la presente invención no proporciona una constricción con respecto al flujo de aleación a través de la piquera.

Como se detallará aquí más adelante, la región de expansión controlada en una forma de la invención puede tener un extremo de salida que se abre directamente a la cavidad de matriz en cuyo caso ese extremo de salida aquí se denomina lumbrera (entre otras cosas uno que tenga la diferencia indicada de una lumbrera de disposiciones usadas previamente). Sin embargo, como también se detallará aquí más adelante, la región de expansión controlada en una forma adicional de la invención puede, al menos en parte, estar definida por y dentro de la cavidad de matriz. En esa forma adicional, la lumbrera puede estar intermedia entre los extremos de la región de expansión controlada, o incluso en el extremo de entrada de esa región, de tal manera que la lumbrera no representa de nuevo una constricción con respecto al flujo de aleación a través de la piquera. En una variante de la primera forma, el extremo de salida de la región de expansión controlada se puede comunicar con la cavidad de matriz a través de una piquera secundaria, y la piquera secundaria se puede abrir a la cavidad de matriz a través de una lumbrera que no proporciona una constricción al flujo de aleación. En cada caso, la región de expansión controlada ha de causar un cambio en la aleación desde un estado fundido hasta un estado semisólido y, en la variante de la primera forma, ese cambio de estado no se invierte por la provisión de una lumbrera de constricción.

En esa disposición preferida de acuerdo con la primera forma de la invención, el área de sección transversal de flujo a través de la lumbrera preferiblemente supera el área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera hasta un punto que proporciona una relación de esas áreas en el intervalo desde aproximadamente 2:1 hasta 4:1.

El área efectiva de sección transversal de flujo a través de la piquera puede predominar a lo largo de toda la extensión longitudinal de la piquera. Sin embargo, el área efectiva puede predominar sólo sobre parte de esa extensión longitudinal. De este modo, en este último caso, puede haber un área mayor de sección transversal de flujo a través de la piquera aguas arriba desde la parte de su extensión longitudinal en la que predomina el área efectiva de sección transversal de flujo.

En una disposición alternativa de acuerdo con la primera forma de la invención, la región de expansión controlada se define al menos en parte por y dentro de la cavidad, mediante superficies que definen la cavidad adyacente al lugar en el que el metal entra en la cavidad. En esta disposición alternativa, puede haber una lumbrera en ese lugar, a través de la cual fluye metal desde la piquera hasta la cavidad. En ese caso, la lumbrera no necesita definir una región de expansión controlada debido a que tiene una sección trasversal efectiva mayor que la piquera, y la lumbrera puede simplemente comprender el extremo de salida de la piquera en la cavidad. Sin embargo, la lumbrera puede definir parte de una región de expansión controlada de la cual una parte adicional se define por y dentro de la cavidad de matriz.

La disposición alternativa, en la que el sistema de flujo de metal tiene una región de expansión controlada, definida al menos por y dentro de la cavidad de matriz, no es adecuada para todas las formas de cavidad de matriz. También, la consecución de tal región depende de la dirección del flujo a medida que el metal entra en la cavidad con relación a superficies adyacentes de la cavidad. En general, las superficies necesitan permitir la expansión mientras que la controlan, como para funcionar en la cavidad de manera similar a una lumbrera que proporciona una expansión controlada. Como tal, una región de expansión controlada definida por la cavidad puede ser considerada como una pseudo-lumbrera y, en general, una referencia en lo siguiente a una lumbrera se ha de entender como que cubre tanto una verdadera lumbrera como tal pseudo-lumbrera. Sin embargo, las superficies de cavidad de matriz que definen una pseudo-lumbrera, a través de la cual fluye metal al entrar en la cavidad, habitualmente no contendrán el flujo en todos los lados, aunque se prefiere una contención sustancial tal como en tres lados.

Una región de expansión controlada se puede conseguir mediante un aumento escalonado abrupto en sección transversal desde la sección transversal efectiva de la piquera. Sin embargo, se prefiere que la región de expansión controlada aumente progresivamente en sección transversal en la dirección del flujo de metal a través de ella. De este modo, cuando se define la región de expansión por una verdadera lumbrera, la lumbrera aumenta preferiblemente en sección transversal hasta una sección transversal máxima donde la lumbrera se comunica con la cavidad de matriz.

La invención es aplicable a la colada en matriz bien de cámara fría o bien de cámara caliente. En cada caso, la invención posibilita ahorros de coste muy sustanciales en la producción de piezas coladas de magnesio, como se ilustra aquí más adelante, ya que posibilita una mejora sustancial en el rendimiento de colada. Por consiguiente, el peso de metal de piquera/ bebedero que necesita ser reciclado y reprocesado se reduce sustancialmente, un hecho de particular relevancia en la colada de magnesio debido al cuidado necesitado en reprocesar.

El sistema de flujo de metal proporcionado por la invención, y usado en un proceso de colada de acuerdo con la invención, habitualmente está proporcionado sustancialmente por una herramienta o parte de molde o de matriz que define parte de la cavidad de matriz. Sin embargo, como con matrices y moldes convencionales de cavidad a presión, se puede definir con herramientas o partes de cooperación.

El sistema de la invención se puede adaptar para uso en colada a presión con una máquina dada. Al menos cuando éste es el caso en el sistema y el proceso de la invención, la velocidad del metal fundido a través de la piquera es preferiblemente de 150 m/s aproximadamente. Es posible la variación de esta velocidad, tal como dentro del intervalo de aproximadamente 140 a 165 m/s. Sin embargo, la velocidad no necesita predominar a través de toda la longitud de la piquera, aunque esto se prefiere al menos en algunas formas de la invención. En su lugar, es suficiente si la velocidad se alcanza en parte de la longitud de la piquera que tiene una sección transversal efectiva inferior a la que existe en otras partes de la longitud.

La velocidad del flujo de aleación a través de la región de expansión controlada puede ser aproximadamente de un 25 a un 50% inferior al flujo a través de la piquera. En muchos casos, se descubre que la velocidad del metal a través de la región de expansión es muy cercana a dos tercios de la de la piquera. De este modo, con una velocidad de piquera de 150 m/s aproximadamente, la velocidad de región de expansión es preferiblemente de 100 m/s aproximadamente.

En lo que antecede, no hay ninguna referencia a un área de sección transversal efectiva de flujo a través de la región de expansión y a través de la piquera, como contraposición al área de sección transversal física de la región de expansión y la piquera. Esta contraposición es importante, como se refleja por los experimentos iniciales de la primera serie de experimentos esbozados aquí más adelante. Esos experimentos iniciales se ejecutaron con lumbreras y piqueras grandes, de acuerdo con la mejor práctica de la técnica anterior para colar aleaciones de magnesio y similar a la práctica para colar aleaciones de cinc y de aluminio. La verdadera trayectoria de flujo en las piqueras en esos experimentos iniciales fue a través de una región cilíndrica mucho más pequeña en área de sección transversal que el área de sección transversal física diseñada de las piqueras. El área mucho más pequeña de la región de flujo comprendía un núcleo algo centralizado en el que el metal fundido fluía a través de las piqueras y que estaba dentro de un manguito de metal solidificado al menos parcialmente de grosor sustancial de pared. Para un área de sección transversal de piquera dada, el área de sección transversal de la región de flujo era más grande cuando la matriz estaba caliente.

La relevancia de la contraposición presentada, entre un área de sección transversal efectiva de flujo a través de una piquera y el área de sección transversal diseñada o verdadera, es menos pronunciada en una piquera del sistema de flujo de metal de la invención que en la mejor práctica de la técnica anterior. En verdad, en una situación de limitación de acuerdo con la invención, la contraposición se puede eliminar sustancialmente. Esto es, en la situación de limitación, la piquera puede tener un área de sección transversal diseñada relativamente pequeña que define sustancialmente el área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera. Para facilitar la consecución de esta situación, una parte aguas arriba de la longitud de la piquera de un sistema de cámara caliente puede estar definida por un miembro formado de un material cerámico adecuado que posibilita el mantenimiento del ciclo de temperatura que inhibe la solidificación de metal sobre superficies del miembro que definen la piquera. Alternativamente, tal parte aguas arriba de la longitud de la piquera de un sistema de cámara caliente, o para una cámara fría, puede estar definida por un miembro adaptado para la circulación de un fluido de intercambio de calor, o mediante el uso de un dispositivo eléctrico de calentamiento, para posibilitar el mantenimiento de tal ciclo de temperatura.

Las prácticas anteriores han necesitado sistemas grandes de piquera que, en general, tienen piqueras de sección transversal más grande que su lumbrera, esto es, lo inverso de lo que se posibilita mediante la invención con respecto a las secciones transversales de la piquera y la región de expansión controlada. Como consecuencia, han dado como resultado una cantidad relativamente grande de metal de piquera/bebedero para una pieza colada dada y, por consiguiente, altos costes para reciclar y reprocesar el metal de piquera/bebedero. Las prácticas anteriores generalmente han dado como resultado metal de piquera/bebedero en más del 50% del peso de la pieza colada y por encima del 100% en algunos casos. Esto es, la cantidad de metal de piquera/bebedero puede ser superior a la de la pieza colada.

Contrariamente a las prácticas de la técnica anterior, la presente invención posibilita que se reduzca sustancialmente la cantidad de metal de piquera/bebedero, tal como hasta menos del 30% del peso de pieza colada para máquinas de cámara fría. En muchos casos, particularmente con máquinas de cámara caliente, la invención posibilita que la cantidad de metal de piquera/bebedero esté bien por debajo de este nivel, por ejemplo tan bajo como aproximadamente 5% o incluso tan bajo como aproximadamente 2%. Esto, por supuesto, proporciona un beneficio práctico significativo, puesto que el coste de reprocesar metal reciclado se reduce correspondientemente.

La presente invención posibilita que la cantidad de metal de piquera/bebedero se reduzca sustancialmente como resultado directo de la reducción en la sección transversal diseñada de la piquera, siendo posible una reducción adicional mediante la reducción de la longitud de piquera. La sección transversal diseñada se puede reducir de manera que corresponda sustancialmente a la sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera. Sin embargo, la sección transversal efectiva de flujo necesita predominar sólo a lo largo de parte de la longitud de la piquera, tal como a lo largo de una parte pequeña de la longitud. También, la parte de la longitud de la piquera que se solidifica en una operación de colada puede ser acortada sustancialmente, para conseguir una reducción adicional en la cantidad de metal de piquera/bebedero.

La presente invención posibilita la consecución de beneficios importantes más allá del de reducir los costes de reprocesamiento. Estos incluyen una mejora significativa en los parámetros relacionados del acabado superficial y la porosidad de pieza colada. Con relación a piezas coladas en matriz de aleaciones de cinc o de aluminio, las piezas coladas de magnesio producidas mediante prácticas de la técnica anterior tienen habitualmente un acabado superficial inferior, atribuible frecuentemente a la porosidad en o cerca de la superficie de la pieza colada. Sin embargo, la presente invención posibilita que la porosidad de pieza colada se reduzca sustancialmente y también posibilita la consecución de un acabado superficial uniforme de buena calidad.

Un factor común en reducir la cantidad de metal de piquera/bebedero, reducir la porosidad y mejorar el acabado superficial se cree que es la consecución de las velocidades de flujo de metal fundido posibilitadas por la invención. Con tales velocidades, se cree que, aparte de una región de la cavidad de matriz adyacente a la región de expansión controlada, el flujo de metal en la cavidad de matriz es debido a que el metal fundido inicialmente está en un estado viscoso. De este modo el flujo en la matriz es como de un llenado de frente semisólido, permaneciendo relativamente constante durante el llenado de la cavidad el porcentaje de sólido en el metal que fluye. Esto es, el llenado de la cavidad parece proseguir por frentes semisólidos que se alejan de la región de expansión controlada, en contraste con el llenado periférico altamente complejo y el llenado trasero encontrado con la colada de aleaciones de cinc o de aluminio.

La invención como se detalla aquí está basada en una variedad de experimentos. Una primera serie de los experimentos tenía como objetivo proporcionar un mejor entendimiento del mecanismo de flujo y solidificación de aleaciones de magnesio. Específicamente, los experimentos buscaban establecer si las mejoras del acabado superficial y los niveles de porosidad se podrían conseguir cambiando y/o controlando los parámetros físicos para piezas coladas específicas.

Algunos de los experimentos iniciales de esa primera serie usaron la técnica de "tirada corta" para ganar el entendimiento de los patrones de flujo. Estos experimentos tuvieron como resultado la identificación de dos regímenes de flujo dentro de la cavidad que siempre producían un área de acabado pobre entre ellos. El patrón de flujo era distinto de cualquiera visto en coladas a presión de aluminio o de cinc. El examen de la microestructura mostró que:

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El flujo en la piquera fue a través de una región cilíndrica mucho más pequeña en sección transversal que la sección transversal diseñada física de piquera. Esto también se observó en secciones de la colada en las que el flujo era unidireccional.

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El porcentaje de sólido en las coladas de aleación de magnesio (como se demostró mediante dentritas con gran espaciamiento de brazo de dentrita) fue aproximadamente de 50%.

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La microestructura de las piezas coladas de aleación de magnesio cerca de la lumbrera fue diferente de la observada desde 50 mm hasta 300 mm desde la lumbrera.

Los resultados de estos experimentos iniciales parecen sugerir que el metal se había solidificado parcialmente en la piquera y entonces se comportaba como un semisólido dentro de la cavidad, con el comportamiento viscoso que conlleva. El primer metal que se desplazaba a lo largo de la piquera (el frente) parecía haber entrado en la cavidad en un estado líquido y por consiguiente esto podría explicar las diferentes microestructuras obtenidas y la posición sustancialmente común a lo ancho de la colada de la transición entre estas condiciones de flujo diferentes.

En experimentos posteriores de la primera serie, los cambios del estilo de las piqueras y de tipos de lumbrera dentro de la filosofía tradicional de tipos de lumbrera tuvieron como resultado piezas coladas marginalmente mejoradas, a la vez que se esperaban grandes cambios de acuerdo con esa filosofía. Sin embargo, el área y la posición de acabado superficial pobre permanecían sustancialmente sin cambios. Un cambio radical a una única piquera tangencial de estrechamiento produjo un resultado extremadamente bueno cuando se considera la calidad de la pieza colada, pero el producto con relación piquera/bebedero no era aceptable. El nivel general de entendimiento del comportamiento de flujo en esta etapa era extremadamente limitado. Sin embargo, lo que era evidente es que las aleaciones de magnesio se comportan significativamente de forma diferente a las aleaciones de aluminio y de cinc.

Una segunda serie de experimentos se llevó a cabo con un cierto número de máquinas de colada y matrices diferentes para intentar establecer si la diferencia de comportamiento era debida a la tixotropía. Los experimentos cubrieron diversos tamaños de pieza colada que oscilaban entre 15 gramos y 15 kilogramos y se llevaron a cabo en máquinas de cámara tanto fría como caliente. En uno de los experimentos con una colada muy larga (aproximadamente 2 metros) que comprendía una serie de cajas de extremos abiertos, la colada se alimentó a lo largo del borde largo en una máquina de cámara fría. Dos piqueras grandes desde el bebedero alimentaron piqueras largas semi-estrechadas. Se defendía que, si el metal estaba en un estado tixotrópico en la cavidad, entonces debería ser posible, debido al calentamiento viscoso, echar la colada desde un extremo. Para probar esto, una sección de una piquera previamente colada fue reemplazada en la matriz, bloqueando de este modo de forma efectiva la entrada de metal a esa mitad de la cavidad. Por lo tanto, cualquier metal en la cavidad, adyacente a la piquera bloqueada, debe haber entrado desde el lado desbloqueado, produciendo distancias de flujo de más de 1 metro. La trayectoria de flujo en la cavidad era extremadamente compleja y exhibía muchos cambios de dirección. Sin embargo, sin ningún cambio en los ajustes de mecanización, el sistema unilateral de alimentación producía una pieza colada, cuya calidad era superior en sus extremos a las producidas con piqueras completas. El cambio significativo observado era un aumento en la velocidad del metal.

Se ejecutaron experimentos adicionales de una tercera serie con una pieza colada de 280x25x1 mm hecha en una pequeña máquina de cámara caliente y alimentada con una piquera larga delgada y lumbreras extremadamente delgadas de 0,15 mm de profundidad. Estos experimentos mostraron que la lumbrera estaba mal bloqueada a lo largo de gran parte de su longitud teniendo como resultado piezas coladas de pobre calidad. La piquera, que era de 220 mm de largo en una dirección, se redujo hasta una longitud efectiva de 100 mm soldando un taco de 10 mm de largo en la piquera. La pieza colada resultante se llenó totalmente y el metal fluyó desde la cavidad en la porción desbloqueada de la piquera a través de la lumbrera de 0,15. Esto demostró que la aleación estaba en un estado de viscosidad extremadamente baja a lo largo del llenado de la cavidad. Piezas coladas similares en aleaciones de aluminio o de cinc no exhibirían esta característica. Se debe observar que la máquina ejercía una presión de sólo 14 MPa en el metal.

El examen de piezas coladas de magnesio producidas por el uso de la mejor práctica de lumbreras delgadas largas muestra invariablemente que las secciones grandes de la lumbrera de hecho no están funcionando.

Experimentos adicionales de una cuarta serie se llevaron a cabo en un intervalo de tamaños de piezas coladas, pero todas exhibieron que la calidad mejora cuando las lumbreras y las piqueras se reducen en tamaño y aumenta la velocidad del metal. El examen de secciones transversales de piquera, que oscilaban entre 1x1 mm y 50x50 mm, a partir de un cierto número de piezas coladas producidas en máquinas de cámara tanto fría como caliente, reveló en cada caso una región circular central. Esta característica no pareció estar influenciada por el perfil de sección transversal original. La presunción para esta condición es que define la región donde ocurre el flujo de metal durante el llenado de cavidad y se asume que es la sección transversal de flujo efectiva. Debido a que esta región es más pequeña en el área de sección transversal que el canal de piquera como se corta originalmente en la matriz, el flujo de metal consigue una velocidad significativamente mayor. Los cálculos, usando caudales medidos de metal, tienen como resultado valores para velocidades de piquera que se agrupan alrededor de 150 m/s, con velocidades de lumbrera que son aproximadamente 2/3 de la velocidad de piquera. Se pueden encontrar regiones similares en coladas donde hay un flujo unidireccional.

Una quinta serie de experimentos implicaba producir una pieza colada gruesa larga a través de secciones de lumbrera progresivamente más pequeñas. La longitud de lumbrera original se redujo de 120 mm a 8 mm y las piezas coladas permanecieron con una calidad aceptable. El microexamen de las piezas coladas mostraba que el llenado era coherente con un llenado de frente semisólido, y los porcentajes de sólido durante el llenado que permanecían constantes a lo largo de la parte. La porosidad era mínima.

Con el fin de que la invención se pueda entender más fácilmente la referencia se dirige ahora a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista en corte que muestra parte de un sistema de colada en matriz para la producción de picaportes de puerta de aleación de magnesio, de acuerdo con la presente invención;

la figura 2 es una vista del sistema tomada desde el lado derecho de la figura 1;

la figura 3 corresponde a la figura 1, pero ilustra una disposición de técnica anterior;

la figura 4 es una representación esquemática de un picaporte colado de puerta con metal de piquera/bebedero unido (no de acuerdo con la invención);

la figura 5 es una representación esquemática de un sistema experimental de flujo de metal (no de acuerdo con la invención);

las figuras 6 y 7 ilustran disposiciones adicionales adecuadas para uso bien de acuerdo con la presente invención o no;

la figura 8A ilustra esquemáticamente el llenado de una cavidad de matriz durante la colada de aleación de aluminio o de cinc, como se entiende tradicionalmente;

la figura 8B ilustra esquemáticamente el llenado de una cavidad de matriz durante la colada de aleación de magnesio en uso de la presente invención;

las figuras 9A a 9C ilustran la configuración de sección transversal de piqueras típicas, mostrando esquemáticamente para cada una la sección transversal de su canal efectivo de flujo;

la figura 10 es una vista en planta de una colada en plato a partir de una aleación de magnesio de acuerdo con la invención;

la figura 11 es una vista en corte del plato de la figura 10 y una herramienta de matriz, tomada a lo largo de la línea XI-XI de la figura 10;

las figuras 12 a 14 ilustran respectivos sistemas experimentales de flujo de metal fuera de la invención;

la figura 15 es una vista en corte de una matriz de colada en matriz adecuada para una máquina de cámara caliente, para uso en la presente invención;
y

la figura 16 es similar a la figura 15, pero ilustra una pieza colada mayor modificada que se puede hacer con la matriz de la figura 15, usando una máquina de cámara fría.

En el sistema 10 de las figuras 1 y 2, se muestra una matriz 12 que define un número de cavidades 14 dispuestas radialmente (de las cuales sólo se muestra una) en cada una de las cuales se puede colar un respectivo picaporte de puerta, parecido a la forma mostrada en la figura 4. La matriz 12 tiene una parte fija 16 y una parte movible 17 y está mostrada en su condición cerrada, pero sus partes 16, 17 se pueden separar por la línea intermediaria P. Un taco 20 incorporado en la parte 17 de matriz tiene un pasador 18 de expulsión montado allí de forma deslizable; siendo extensibles el pasador 18 y al menos un pasador adicional (no mostrado), para expulsar una pieza colada al final de cada ciclo de funcionamiento.

En oposición al taco 20, la parte 16 de matriz incluye un casquillo 22, cuyo vano 22a está forrado con un manguito 24. Aunque el casquillo 22, como el taco 20, está hecho de un acero adecuado tal como se usa para las partes 16, 17 de la matriz 12, el manguito 24 está hecho preferiblemente de un material de conductividad térmica relativamente baja, tal como zirconia parcialmente estabilizada u otro material cerámico adecuado.

Los extremos adyacentes del taco 20 y el casquillo 22 tienen forma troncocónica complementaria. Sus extremos son tales que, con la matriz 12 cerrada, el taco 20 y el casquillo 22 consiguen un sellado entre superficies de extremo opuestas en contacto. Sin embargo, la superficie de extremo del taco 20 define una respectiva hendidura 21 para cada cavidad 14 de matriz, con la hendidura 21 cooperando con el extremo del casquillo 22 para definir una piquera 26 para esa cavidad 14. La piquera 26 comunica con la cavidad 14 mediante una lumbrera 28.

Concéntricamente dentro del vano 22a del casquillo 22, el manguito 24 define un vano 24a de sección transversal sustancialmente más pequeña. También, el extremo exterior del casquillo 22 define un agrandamiento abocinado hacia fuera del ánima 22a, para posibilitar su aplicación con una boquilla 30. Como se apreciará, la boquilla 30 forma una extensión de una disposición de cuello de ganso/émbolo (no mostrada), de un sistema de colada en matriz de cámara caliente, mediante la cual el magnesio fundido puede ser inyectado a través del vano 24a a la cavidad 14, mediante la piquera 26 y la lumbrera 28.

Al término de un ciclo de colada con la disposición de las figuras 1 y 2, el magnesio inyectado se solidifica de regreso al extremo interior del vano 24a del manguito 24. De este modo, con el alivio de la presión de colada durante el ciclo, se extrae metal fundido, a través de la boquilla 30, desde el vano 24a.

Con la disposición de las figuras 1 y 2, la longitud de cada piquera 26 puede ser mínima. También, cada piquera puede tener una sección transversal diseñada tan pequeña como la sección transversal del flujo efectivo de metal a través de cada piquera 26. Una porción interior de extremo de cada piquera 26 está definida por las partes 16, 17 de la matriz 12. A lo largo de la longitud de esa porción, la piquera 26 reduce progresivamente su profundidad, pero aumenta su anchura, de tal manera que la lumbrera 28 tiene una forma alargada estrecha que tiene una sección transversal más grande que la parte de la longitud de la piquera 20 definida entre el taco 20 y el

\hbox{casquillo 22.}

En uso, con la disposición de las figuras 1 y 2, la extracción de energía calorífica para la solidificación de metal de piquera/bebedero es mediante conducción a las partes 16, 17 de la matriz 12, mediante el taco 20 y el casquillo 22. La longitud relativamente corta y la sección transversal pequeña de las piqueras 26 son tales que la circulación de refrigerante para conseguir la solidificación puede no ser necesaria. Sin embargo, a pesar de la longitud relativamente corta de la piquera 26 y, por consiguiente, la proximidad del manguito 24 a la cavidad 14, la solidificación de metal en el vano 24a se puede impedir mediante el efecto de aislamiento de la cerámica de la que está hecho el manguito 24. La disposición global de las figuras 1 y 2 es tal que, en la colada de picaportes de aleación de magnesio que tienen un peso de aproximadamente 30 g, la longitud y la sección transversal de cada piquera 26 son tales que la cantidad de metal de piquera/bebedero (para dos picaportes colados simultáneamente) se puede reducir a aproximadamente 3 g.

La figura 3 corresponde generalmente a la figura 1, pero muestra un detalle de una disposición de acuerdo con la práctica de la técnica anterior. En la figura 3, los componentes que corresponden a los de las figuras 1 y 2 tienen el mismo número de referencia más 100.

En la disposición de la figura 3, el taco 120 tiene un pasador troncocónico 120a de bebedero que, con las partes 116, 117 de la matriz cerradas, se proyecta dentro del vano estrechado 122a del casquillo 122. El taco 120 tiene hendiduras formadas en él que, con el casquillo 122, definen las piqueras 126. El taco 120 también tiene un conducto 40 formado en ella para la circulación de refrigerante, tal como agua, mientras que el casquillo tiene una hendidura periférica 42 formada alrededor de él, con la hendidura 42 cubierta por un manguito 44 para definir un conducto adicional 46 para la circulación de refrigerante.

Como se apreciará, se usa una boquilla (no mostrada), similar a la boquilla 30 de la figura 1, para posibilitar que se inyecte aleación fundida de magnesio a través del vano 122a, a lo largo de las piqueras 126, y para posibilitar el flujo de aleación dentro de la cavidad 114 de matriz mediante la lumbrera 128. Al término del llenado, el refrigerante se hace circular a través de los conductos 40, 46 para solidificar el metal de piquera/bebedero plenamente hasta la sección transversal mínima del vano 124a, entre la porción estrechada que recibe el pasador 120a y el extremo exterior abocinado para recibir la boquilla de un sistema de colada en matriz.

Con la disposición de la técnica anterior de la figura 3, las piqueras 126 no sólo son más largas sino también de sección transversal mayor. Como se indica, esto es para evitar un riesgo percibido de congelación prematura de una aleación de magnesio de baja capacidad calorífica. En el caso de esa disposición en la colada de picaportes de puerta de forma y peso iguales a los de los picaportes a los que se hace referencia con respecto a las figuras 1 y 2, el peso de metal de piquera/bebedero es aproximadamente 30 g. Esto es, con la disposición de la figura 3 se encuentra diez veces la cantidad de metal que necesita ser reciclado con la disposición de las figuras 1 y 2.

La figura 4 muestra esquemáticamente una pieza colada 60 de picaporte de puerta de aleación de magnesio cuando se libera de su cavidad de matriz y que todavía tiene unida a ella su metal 62 de piquera/be-
bedero. El metal 62 de piquera/bebedero es común a dos piezas coladas 60, pero sólo una de estas últimas se muestra, mientras que toda la extensión del metal de piquera para la otra pieza colada no se muestra.

La piquera del sistema de flujo de metal, como se forma originalmente, tenía una sección transversal diseñada que tiene un área de 50 mm^{2} y que corresponde en perfil externo a la forma mostrada en la figura 9C y descrita aquí más adelante. Como es evidente por la figura 9C, la sección transversal diseñada de la piquera es la de un trapecio regular, con tal sección transversal existiendo a lo largo de la longitud de la piquera.

Un sexto experimento fue dirigido a ilustrar el efecto de flujo viscoso en la distancia que la aleación de magnesio recorrería durante la colada. Para esto se creó un sistema S de flujo de metal como se muestra en la figura 5, que consistía en un canal C que proporcionaba una trayectoria de flujo de metal que terminaba en una impresión estándar B de barra en tracción. El canal C tenía una sección transversal nominal de 4x4 mm y una longitud de 1.230 mm.

Se llevaron a cabo pruebas de colada con el sistema S de la figura 5, en una máquina de colada en matriz de cámara fría de 250 toneladas. Las pruebas se ejecutaron bajo condiciones de funcionamiento normales para la máquina, mientras que la temperatura de matriz era sólo de aproximadamente 120ºC. Como se apreciará por la figura 5, la trayectoria del canal C es de naturaleza tortuosa, creando alta resistencia al flujo. A pesar de esto, se consiguió el flujo a lo largo de toda la longitud de 1.230 mm del canal C, posibilitando que comenzase el llenado de la impresión B de barra. La longitud de flujo de 1.230 mm se considera que no es un límite. Sin embargo, está contrastada con una máxima longitud de flujo observada de aproximadamente 700 mm diseñada de acuerdo con la práctica convencional y que tiene como resultado una sección transversal de piquera mucho más grande que 4x4 mm.

Siete series de experimentos se llevaron a cabo, con piezas coladas 60 de picaporte de puerta de la figura 4, para determinar el tamaño mínimo de las piqueras y de las lumbreras capaces de producir piezas coladas vendibles. La configuración experimental consistía en:

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Máquina Frech de Cámara Caliente de 80 toneladas con un horno de fundición conectado al horno de mantenimiento mediante una tubería de sifón. Esto significaba una temperatura consistente de metal.

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Sistema DieMac de monitorización de tirada que dio al empujador desplazamiento, velocidad y presión.

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Dos termopares en la mitad fija de la matriz, tanto a 7 mm de la superficie de impresión como a 10 mm y 80 mm desde la lumbrera en la cavidad de pieza colada.

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Registrador de gráficos para representar visualmente las temperaturas con el tiempo.

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Termopares de contacto para la medición superficial de temperatura.

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Sensores de temperatura digitales de infrarrojos.

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Sala de herramientas totalmente equipada, para alteraciones de la matriz y preparación de accesorios de inserción.

Los siguientes experimentos de la séptima serie se llevaron a cabo todos con una velocidad de lumbrera de aproximadamente 100 m/s:

1) La alimentación en el extremo de la pieza colada 60 con una lumbrera de 2x1 mm dio piezas coladas resultantes que fueron de calidad razonable pero no vendible. La sección del bebedero y de la piquera fueron del mismo peso aproximado que la pieza colada (50% de rendimiento).

2) La alimentación en el extremo de la pieza colada con una lumbrera de 7x2 mm dio piezas coladas que fueron de alta calidad y vendibles. Se observó soldeo en un área y esto fue superado por la adición de una fuente de enfriamiento en el área, que tuvo el efecto de reducir la temperatura de matriz. El seccionado de la piquera reveló un patrón cilíndrico de flujo (descrito aquí con referencia a la figura 9C) que representó una velocidad real de piquera del orden de 150 m/s. Si entonces el diámetro efectivo de la piquera se redujo a aproximadamente 3 mm (siendo éste el diámetro observado de la sección cilíndrica), la inserción de un orificio físico de 3 mm de diámetro no debería tener efecto en la calidad de la pieza colada. Por consiguiente, una parte de una piquera fue tomada para proporcionar un segmento 64, y un agujero 64a de 3 mm de diámetro se perforó a través de ella como para producir un canal de flujo de 3 mm de diámetro. El segmento 64 fue insertado en la piquera, adyacente a la lumbrera, de modo que su agujero 64a formó una parte de la longitud de la piquera a lo largo de la cual tenía una sección transversal reducida en la cual el flujo efectivo de metal tenía un área de sección transversal de no más de aproximadamente 7,1 mm^{2}. También dentro de este experimento se produjeron un número de tiradas cortas reduciendo la cantidad de metal en la cavidad. Las tiradas cortas de metal insuficiente parecían comprender una sección de cáscara que se podía deber a la incidencia del metal. Esto, debido a la alta velocidad de lumbrera de 100 m/s, podría ser resultado de un flujo bien líquido o bien semisólido.

3) Se usó una piquera normal, pero con un segmento 64, que tenía un agujero 64a de 3 mm de diámetro, insertado en la piquera que alimentaba una lumbrera de 7x2 mm. La pieza colada fue de calidad relativamente alta con baja porosidad como se determinó a partir del seccionado. Algunas de las marcas superficiales en el área más lejos de la lumbrera sugirieron que el flujo podría haber sido perturbado en una medida relativamente pequeña. Esto se llevó a cabo para seis tiradas con producción normal entre cada una para mantener la temperatura de matriz. Se creyó que la salida y la entrada abruptas al agujero de 3 mm de diámetro podrían haber contribuido a los defectos. La presión requerida para empujar el metal a través de la piquera y la lumbrera fue aproximadamente un 20% más alta que la producción normal.

4) En un experimento adicional, una pieza más larga de piquera, de longitud A y con un canal de 3x3 mm cortado en un lado, fue insertada en una lumbrera de 7x2 mm. La pieza de piquera tenía una sección transversal como se muestra en el 66, con el canal representado en el 66a. Las secciones de entrada y de salida de la pieza de piquera estaban en relieve como para producir menos resistencia al flujo. La calidad de la pieza colada fue extremadamente buena y de calidad vendible. La presión requerida para accionar el metal a través de la piquera y en la cavidad se aumentó aproximadamente un 30% por encima de lo normal. Una piquera de una pieza colada producida usando el accesorio de inserción de piquera fue seccionada y parecía que el metal había fluido a través de la sección con una solidificación mínima a lo largo de las paredes de su canal. La velocidad a través de la piquera fue calculada a 150 m/s y en la lumbrera de 100 m/s.

5) En otro experimento, un bebedero y una piquera completos, de longitud B y con un canal de 3x3 mm, se usaron para alimentar una lumbrera de 7x2 mm, con una longitud total de flujo de 120 mm a través de la sección de 3x3 mm. Debido al volumen reducido de metal en el área de bebedero se retiró el enfriamiento de agua al puesto de bebedero. La pieza colada fue de calidad excepcional. Se consideró que la calidad de esta pieza colada era superior a cualquier otra hecha previamente. Los defectos superficiales observados en el experimento 3 de esta serie no estuvieron presentes en este caso. La presión requerida para llenar la cavidad era un 30% más alta de lo normal. El sistema de alimentación era un 6% del peso de la pieza colada (94% de rendimiento).

Parece que el metal fundido que entra en la piquera se solidifica rápidamente en las superficies de piquera de modo que se forma un canal. Si el metal en esta región central es semisólido, entonces ocurrirá un aumento rápido de la viscosidad para porcentajes de sólido mayores de aproximadamente 50%. Si la velocidad se mantiene alta, entonces ocurre un calentamiento viscoso, que contrarresta la pérdida adicional de calor en las paredes de matriz. De este modo, el metal podría fluir en distancias largas. En cada una de las piqueras observadas a lo largo de este trabajo, sin cambios en el ajuste de máquina, la piquera equivalente restante dio una velocidad de metal del orden de 150 m/s. Insertando una sección de piquera en la matriz, la velocidad en la piquera se estableció a 150 m/s desde el comienzo. La pieza colada debería haber tenido al menos una calidad equivalente a la producida bajo condiciones "normales". La calidad mejorada observada puede haber sido debida al alcance rápido de una condición de equilibrio de velocidad de piquera de 150 m/s y de velocidad de lumbrera de 100 m/s. Esta reducción de la velocidad antes de alcanzar la cavidad se puede usar de modo que la velocidad se reduzca desde la piquera, a través de la lumbrera y en la cavidad.

El mejor diseño de piquera previamente era uno que había aumentado continuamente la velocidad a lo largo de la trayectoria de flujo de modo que no se podría producir ninguna retención de aire en el frente de metal de fragmentación. La velocidad de piquera no era más del 50% de la velocidad de lumbrera en la mayoría de la piquera. Sin embargo, el trabajo detallado aquí muestra que se puede emplear una velocidad alta de piquera con una mejora correspondiente en la calidad de la pieza colada.

La respectiva disposición adicional de cada una de las figuras 6 y 7 generalmente se entenderá a partir de una consideración de las figuras 1 y 2, y componentes correspondientes a los de las figuras 1 y 2 tienen los mismos números de referencia más 200 en el caso de la figura 6 y 300 en el caso de la figura 7.

La disposición de la figura 6 difiere de la de las figuras 1 y 2 en que el vano 224a del manguito cerámico 224 varía en diámetro para facilitar la separación clara de metal fundido extraído del metal solidificado de piquera/bebedero. De este modo, sobre una mayor parte de su longitud desde su extremo exterior, el vano 224a tiene un diámetro grande en el que el volumen correspondientemente grande de metal fundido se puede mantener líquido. Entonces el vano 224 se reduce escalonadamente hasta un diámetro mínimo, para una longitud corta, y entonces a través de su extremo interior aumenta hasta un diámetro intermedio. Cuando la extracción de energía calorífica para la solidificación de metal de piquera/bebedero es tal como para causar alguna solidificación en el vano 224a, la disposición de la figura 6 limita de forma efectiva el grado de ésta. Esto es, la solidificación no puede proseguir más allá de la corta sección de diámetro mínimo, al menos en el corto tiempo disponible en un ciclo de colada, debido al contenido de energía calorífica en el volumen de metal en la porción grande exterior de extremo del vano 224a.

La disposición de la figura 7 consigue un beneficio similar al de la figura 6, con la separación entre metal todavía fundido y solidificado que ocurre en el diámetro mínimo del vano 324a del manguito cerámico 324. Sin embargo, se prefiere debido a la forma global simplificada. Como se muestra, el taco 320, el casquillo 322 y el manguito 324 tienen caras de extremo paralelas que, con una matriz 312 cerrada, apoyan en la línea intermediaria P. Comparado con la figura 3, puede haber un ahorro considerable de metal refundido de hasta aproximadamente 95%.

Cada una de las figuras 8A y 8B ilustra esquemáticamente el patrón de llenado de cavidad de matriz, con aleación de aluminio o de cinc en el caso de la figura 8a y con aleación de magnesio y uso de la presente invención en el caso de la figura 8B. Los sistemas mostrados representan una respectiva matriz 70a y 70b que tiene partes 72a, 74a y 72b, 74b que definen una cavidad de molde y que son separables por un plano intermediario P. Una aleación fundida se puede inyectar en la respectiva cavidad, en cada caso, a través de un sistema de flujo de metal que incluye una piquera 78a, 78b, y una lumbrera 80a, 80b de entrada.

En el caso de la figura 8A, la piquera 78a tiene un área grande de sección transversal con relación al volumen de la cavidad 76a, y una aleación fundida es inyectada desde la piquera 78a a través de una lumbrera 80a de sección transversal más pequeña. El flujo de aleación, representado por el área sombreada, está de acuerdo con el patrón tradicional de llenado reconocido para la colada de aleaciones de aluminio y de cinc. Esto es, una corriente 82 de aleación es inyectada a través de la cavidad 76a hasta una región de la cavidad alejada de la lumbrera 80a, con un llenado trasero entonces de la cavidad con un flujo periférico 84 de aleación. A pesar de este llenado periférico complejo y llenado trasero, se pueden producir piezas coladas de calidad con aleaciones de aluminio y de cinc. Sin embargo, como se indicó anteriormente, tal llenado complejo produce piezas de colada de una calidad menos que óptima de aleaciones de magnesio.

En el caso de la figura 8B, la piquera 78b es de área de sección transversal pequeña con relación al volumen de la cavidad. Una aleación fundida de magnesio es inyectada desde la piquera 78b a través de una lumbrera 80b de sección transversal mayor. La sección transversal de la lumbrera 80b, además de ser mayor que la de la piquera 78b, también puede ser mayor que la de la lumbrera 80a de la figura 8A para un volumen dado de cavidad de matriz. El flujo de aleación de magnesio, de nuevo representado por el área sombreada, está en un estado semisólido o altamente viscoso. En ese estado, el flujo forma un cuerpo 86 de aleación que aumenta en volumen lejos de la lumbrera 80b, para generar un frente semisólido 88 que se aleja de la lumbrera 80b hasta regiones alejadas de la cavidad.

En los experimentos de acuerdo con la invención detallados aquí, se implicó una variedad de tamaños y formas de pieza colada. Como se indicó, los experimentos fueron con máquinas de cámara tanto fría como caliente. En cada caso, el llenado de cavidad de matriz parecía haber proseguido sustancialmente como se describió con referencia a la figura 8B. Sin embargo, una cantidad pequeña inicial de la aleación de magnesio, en al menos algunas de las piezas coladas, parecía haber entrado en la cavidad en un estado más líquido que un estado semisólido. Esa cantidad inicial, cuando se indicó, era evidente desde una sección de cáscara adyacente a la lumbrera de una microestructura algo diferente (pero por lo demás de buena calidad) al resto de la pieza colada.

El flujo descrito con referencia a la figura 8B se consigue cuando un régimen de flujo de aleación es de aproximadamente 140 a 165 m/s, preferiblemente de aproximadamente 150 m/s, en la piquera y un 25 a 50% menos, tal como alrededor de dos tercios del régimen de flujo de piquera, a través de la lumbrera. Como se indicó, esto se consigue en una región de núcleo cilíndrico a través de la piquera, tal como se ilustra en las figuras 9A a 9C. Cada una de estas figuras muestra la sección transversal de respectivas piqueras 90a, 90b y 90c. La solidificación de aleación en la piquera al completar una operación de colada, y el corte de la piquera para proporcionar tal sección transversal, muestra tal respectiva región 92a, 92b, 92c de núcleo cilíndrico. Estas regiones representan para cada piquera un canal de flujo efectivo al cual se ha constreñido el flujo de aleación sustancialmente a lo largo del llenado de cavidad de matriz en una operación de colada. Este constreñimiento se materializa después de un corto período de flujo inicial, durante el cual se acumula aleación 94a, 4b y 94c al menos parcialmente solidificada, como se representa mediante sombreado, en superficies que definen el perfil de sección transversal de la piquera.

La forma cilíndrica de las regiones 92a, 92b y 92c de flujo se encuentra que es de sección transversal circular bien definida, independientemente del perfil de la piquera en la que se produce. Las figuras 9A a 9C muestran perfiles típicos de piquera en los que se han conseguido regiones 92a, 92b y 92c de sección transversal circular. Es evidente a partir de estos perfiles que el área de sección transversal del perfil diseñado de la piquera se puede reducir sin impacto significativo en el área de sección transversal de las regiones 92a, 92b y 92c pero con la reducción de la cantidad de metal resultante de piquera/bebedero. Esa cantidad se puede reducir adicionalmente de forma beneficiosa, como se detalla aquí, mediante la reducción de la longitud diseñada de la piquera. Los siguientes detalles ilustran la medida en la que se pueden conseguir tales reducciones.

Fueron producidas en una máquina de cámara fría piezas coladas de aleación de magnesio de 1,6 kg de peso, en forma de estructura abierta de bastidor de 450 mm de altura y 400 mm de anchura, con un grosor de pared que variaba de 2 a 20 mm y que tenía secciones muy profundas. Usando una forma tradicional de piquera/plancha la cantidad de metal de piquera/bebedero fue de 1,1 kg de tal manera que la pieza colada representó un rendimiento del 60% en términos de porcentaje de metal consumido en la operación de colada. Esto es, aproximadamente el 40% del metal consumido necesitó ser reciclado. Con una piquera/plancha de acuerdo con la invención, la cantidad de metal de piquera/bebedero fue de 0,36 kg, dando un rendimiento del 82% y una reducción de aproximadamente el 67% en la cantidad de aleación que necesitó ser reciclada.

Fueron producidas en una máquina de cámara caliente mediante dos coladas de impresión piezas coladas de picaportes de puerta de la forma mostrada en la figura 4. Cada picaporte tenía un peso de 28 g, dando un peso de producto de 56 g por ciclo de colada. Cuando se produjo con un sistema tradicional de flujo de metal, cada ciclo produjo 30 g de piquera/bebedero, proporcionando un rendimiento del 65%. Con un sistema de flujo de metal de acuerdo con la presente invención, tal como se ilustra en la figura 7, la cantidad de metal de piquera/bebedero se redujo a 1,5 g, dando un rendimiento del 97% y, con relación a la disposición tradicional, una reducción del 95% en aleación reciclada.

Una octava serie de experimentos se llevó a cabo para determinar si era posible dirigir flujo de metal en una cavidad de matriz como en la práctica normal y determinar el efecto de un cierto número de sistemas alternativos de flujo de metal. En esta serie, se usó una cavidad de matriz con forma de "jabonera". La forma de la cavidad es evidente a partir de la vista en planta de un plato colado D, como se muestra en la figura 10, y la vista en corte a través del plato D y una herramienta T de macho, mostrada en la figura 11, tomada en la línea XI-XI de la figura 10. El plato D tiene una longitud de aproximadamente 140 mm, una anchura de aproximadamente 100 mm, una profundidad de aproximadamente 26 mm y un grosor de pared de aproximadamente 2 mm. Tiene una brida periférica horizontal, con paredes laterales inclinadas aproximadamente a 45º con respecto a la brida y una base plana.

Un procedimiento convencional para producir el plato D sería usar un sistema de flujo de metal que incluyese una piquera principal que alimentase piqueras tangenciales estrechadas, extendiéndose las piqueras tangenciales en direcciones opuestas a lo largo de un borde lateral común de la cavidad de matriz y alimentando la cavidad a lo largo de sus longitudes a través de una lumbrera delgada larga. En una primera prueba, una versión modificada de la mejor práctica actual se ilustra mediante el sistema 410 de flujo mostrado en la figura 12. Como se muestra, el sistema 410 tiene una piquera principal 412 que alimenta dos piqueras tangenciales 414 que se extienden de manera opuesta, que están dispuestas a lo largo de un borde lateral, representado en el 416, de una cavidad de matriz para producir el plato D de la figura 10. Cada piquera 410 alimenta dos lumbreras 418 con forma de ventilador o de cuña que están dirigidas a través de la cavidad. Cada lumbrera 418 varía en sección transversal desde aproximadamente 6x1 mm en su piquera hasta aproximadamente 10x0,5 mm en el borde 416 de la cavidad. Si fuese lo típico de la mejor práctica actual, cada piquera 414 tendría una sección transversal normal que se estrecharía en la dirección del flujo de metal a lo largo de ella desde aproximadamente 10x10 mm hasta aproximadamente 8x10 mm. Con tales piqueras 414 y lumbreras 418, sería extremadamente difícil la producción de un plato D de calidad utilizable. Sin embargo, como se indicó anteriormente, el sistema 410 está modificado.

La modificación es reducir la sección transversal nominal de las piqueras 414 a 3x3 mm. Esta modificación está parcialmente de acuerdo con la presente invención, en términos de sección transversal de piquera. Sin embargo, no está de acuerdo con la invención puesto que la sección transversal de piquera supera la de cada lumbrera 418. El sistema 410 de la figura 12, a pesar de la modificación, no produjo piezas coladas satisfactorias.

En una segunda disposición de la octava serie, se usó un sistema 420 como en la figura 13. El sistema 420 de la figura 13 se diferencia del sistema 410 de la figura 12 en que sólo se proporcionó una única lumbrera 428 de cincel de entrada. Como se muestra, la lumbrera 428 se dispuso aproximadamente a 45º con respecto a su piquera 424, adyacentemente al extremo final de la piquera 424 y el borde 426 de cavidad, pero dirigida hacia el borde adyacente de extremo de la cavidad. La lumbrera 428 tenía una sección transversal nominal de 1,5x4 mm, de tal manera que también era inferior a la sección transversal nominal de 3x3 mm de su piquera 428 (y de la otra piquera ciega 424).

Si la lumbrera 424 del sistema 410 fuese a proporcionar flujo direccional de aleación de magnesio, como en la práctica normal, el sistema 410 demostraría ser bastante insatisfactorio. Esto es, el flujo de metal desde la lumbrera 428 proseguiría a lo largo del extremo adyacente hasta el lado lejano de la cavidad, a lo largo del lado lejano hasta el otro extremo, a lo largo del otro extremo hasta el lado cercano que tiene el borde 426, y a lo largo del lado cercano hacia la lumbrera 428. Sin embargo, se conseguiría un llenado pobre de la región central de la cavidad de matriz, dando como resultado una pieza colada insatisfactoria. Sin embargo, el sistema 420 se encontró que producía mejores piezas coladas de plato D que el sistema 410 de la figura 12, aunque la pieza colada no era de calidad utilizable.

En una tercera disposición de la octava serie, se usó un sistema 420a como en la figura 14. El sistema 420a se diferencia del sistema 420 de la figura 13 sólo en que la lumbrera 428a de cincel está a 90º con respecto a su piquera 424a y por lo tanto paralela al borde adyacente de extremo de la cavidad. Como en el sistema 420, la lumbrera 428a tenía una sección transversal nominal de 1,5x4 mm, de tal manera que era inferior a la sección transversal nominal de 3x3 mm de su piquera 428a (y de la otra piquera ciega 428a). El sistema 420a de la figura 14 proporcionó unas piezas coladas superiores claramente de calidad utilizable.

La evidencia de los patrones de flujo obtenidos en cada una de las ocho series de experimentos es que el flujo de aleación de magnesio en la cavidad no es direccionable. Esto es, el patrón de llenado de cavidad de matriz es muy diferente al descrito con referencia a la figura 8A pero, cuando es posible, el flujo es como se describe con referencia a la figura 8B. En el caso de la prueba ilustrada en la figura 12, no se pudo conseguir un flujo satisfactorio, debido a la ausencia de una región adecuada de expansión controlada. En el caso de la prueba ilustrada en la figura 13, e incluso más claramente de este modo con la ilustrada en la figura 14, tal región estaba presente. Sin embargo, en cada caso, la región estaba definida en la cavidad de matriz, en lugar de mediante la lumbrera 428 de la figura 13 o la lumbrera 428a de la figura 14, con la región limitada por tres lados mediante las superficies superior e inferior de la cavidad de matriz y la superficie adyacente de borde de extremo de la cavidad. También, en el caso de la figura 13, la efectividad de la región de expansión en la cavidad de matriz parece haber sido reducida en su efectividad, reduciendo la calidad de pieza colada, como consecuencia de la turbulencia generada porque el flujo se dirige en el extremo adyacente de la cavidad.

En los sistemas de la figura 13 y la figura 14, ni la lumbrera 428 ni la lumbrera 428a son de hecho una lumbrera como se requiere por la presente invención, porque no proporcionan una región de expansión controlada. En verdad, con relación a la piquera 424 o a la piquera 424a respectivamente, constriñen el flujo y tal región como se obtiene está más allá de cada una de las lumbreras 428 y 428a. En términos de la presente invención, es por lo tanto más apropiado considerar las lumbreras 428 y 428a como una porción de extremo final de la piquera 424 y la piquera 424a respectivamente, alimentando directamente una región de expansión controlada y no estando presente efectivamente ninguna lumbrera.

Volviendo a la figura 11, en ella está ilustrada la base para un noveno experimento que, como el octavo experimento, estaba dirigido a producir platos D colados a partir de aleación de magnesio. La figura 11 ilustra un sistema 430 de flujo de metal de acuerdo con la invención. En el sistema 430 se muestra una parte final de la trayectoria de flujo de aleación de magnesio, incluyendo ésta una piquera 434 de sección transversal circular que tiene un diámetro de 3 mm, que se comunica con la cavidad de matriz, a través de la herramienta T, mediante una porción 438 de lumbrera. Desde la piquera 434, la lumbrera 438 aumenta su diámetro en la dirección de flujo y tiene un diámetro de 5 mm en su extremo de salida en la cavidad de matriz.

Como con el octavo experimento, el plato D hecho con la disposición de la figura 11 fue colado en una máquina de cámara fría. El sistema 430 es una salida radical de las técnicas de colada a presión de la técnica anterior para metales y no se usaría con la mejor práctica actual. A pesar de esto, el sistema 430 produjo platos D de alta calidad de aleación de magnesio en ciclos sucesivos de prueba de colada, indicando su sustancial potencial para colada repetitiva a alta velocidad a escala comercial.

Como con el noveno experimento, un décimo experimento fue dirigido a la producción de una pieza colada de aleación de magnesio mediante alimentación directa a través de una lumbrera de pasador. En este caso, como se muestra en la figura 15, una pieza colada grande 440 con amplias áreas planas 440a y un área 440b con una difícil forma de caja con nervaduras transversales 440c y un realce 440d fue producida en una máquina Frech de cámara caliente de 80 toneladas. El área proyectada de la pieza colada 440 era de 390 cm^{2} que es más grande que la recomendada por Frech para esta máquina.

La pieza colada 440 de la figura 15 fue diseñada para ensayar el efecto de la distancia de flujo y las características de flujo en una forma compleja. La herramienta 442 usada para definir la cavidad de matriz para la pieza colada 440 fue una matriz de tres placas que posibilitó la colada directa mediante una única lumbrera 448 de pasador. Sin embargo, la herramienta 442 también posibilitó la pieza colada 440, o una pieza colada 450 con una forma más grande como se muestra en la figura 16, usando tres lumbreras 448, 448a y 448b de pasador, en una máquina Toshiba de cámara fría de 250 toneladas.

Fueron producidas piezas coladas satisfactorias como en la figura 15. Sin embargo, la direccionalidad no era controlable dentro de las expectativas normales de la colada a presión. El verdadero flujo indicó un cierto número de patrones de llenado de frente continuo discreto, de acuerdo con experimentos previos y similares a los encontrados en el moldeo de plástico. Hubo longitudes extendidas de flujo, lo cual concordaba muy bien con las observaciones del experimento seis. El flujo a través de la forma compleja del realce 440d también mostró parecido al moldeo de plástico, en contraste directo con el de la colada en matriz a presión.

En el décimo experimento no hubo formación de rebaba de la matriz, a pesar de la forma grande y compleja de la pieza colada hecha. Ésta y otras observaciones apuntan al hecho de que la aleación de magnesio que se estaba colando no se comportó como un líquido clásico. Una conclusión adicional del décimo experimento es que era evidente que la presión en la cavidad de matriz era considerablemente inferior a la predicha para la aleación de magnesio en su estado fundido, es decir, líquido. Incluso a plena presión de inyección de la máquina, la pieza colada, con área proyectada de 390 cm^{2}, no formó rebaba a pesar de que la fuerza nominal de estallido (suponiendo un líquido) es más grande que la fuerza establecida de inmovilización de esta máquina Frech.

El décimo experimento, en particular, destaca un beneficio práctico adicional que se puede obtener con la presente invención. La ausencia de formación de rebaba indica que la fuerza nominal de estallido, es decir, la que es esperada para un líquido, es mucho más alta que la verdadera fuerza que predomina con la colada de aleación de magnesio de acuerdo con la presente invención. Como consecuencia, se pueden producir en una máquina dada piezas coladas más grandes de lo esperado.

La distancia de flujo y la calidad de la pieza colada que se pueden obtener con la invención parecen ser relativamente independientes de la temperatura de matriz. Sin embargo, puede haber regiones de la matriz en la colada de cámara caliente en las que se debe tener cuidado tanto al calentar como al enfriar. Tanto en la alimentación directa de los experimentos noveno y décimo como en la piquera alimentada por el borde del octavo experimento, el metal fundido se debe solidificar en una posición que posibilite que esa parte se retire de la matriz pero que también permita que el metal fundido fluya de regreso al cuello de ganso. Como con la colada normal en matriz a alta presión, el uso de un medio de enfriamiento y un medio de calentamiento se debe aplicar a la entrada a la matriz para conseguir el resultado. El método usado dependerá de la fabricación y el tamaño de la máquina así como de la complejidad y el tamaño de la matriz.

Claims (19)

1. Un sistema de flujo de metal para uso en colada a presión de aleación de magnesio en un estado semisólido o tixotrópico, usando una máquina de colada a presión que tiene un suministro de la aleación en un estado fundido y un molde o matriz que define una cavidad de matriz, en el que el sistema comprende unos medios de herramienta de matriz o de molde que definen al menos una piquera del sistema en la que se puede recibir aleación fundida de magnesio para inyección de aleación dentro de la cavidad de matriz, el sistema de flujo es de una forma que proporciona control de las velocidades de flujo de metal en él, por lo que sustancialmente todo el metal que fluye por toda la cavidad de matriz está en un estado semisólido, y dicha forma es resultado de que el sistema incluye al menos una región de expansión controlada en cuya región el flujo de metal se puede esparcir lateralmente, con respecto a su dirección de inyección, con una resultante reducción en su velocidad de flujo con relación a su velocidad en la piquera, por lo que el estado de la aleación se cambia de dicho estado fundido a dicho estado semisólido.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la región de expansión controlada define una lumbrera a través de la cual el metal puede fluir directamente dentro de la cavidad de matriz.

3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la lumbrera y la piquera son tales que un área de sección transversal efectiva de flujo a través de la lumbrera supera un área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera, por lo que la aleación tiene una velocidad a través del área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera que supera su velocidad a través de la lumbrera.

4. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el área de sección transversal de flujo a través de la lumbrera supera el área de sección transversal efectiva de flujo a través de la piquera, y la proporción de esas áreas está en el intervalo de aproximadamente 2:1 a 4:1.

5. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la región de expansión controlada está definida al menos en parte por y dentro de la cavidad de matriz, por superficies que definen la cavidad adyacentes a un lugar en el que la aleación entra en la cavidad.

6. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 5, en el que hay una lumbrera en el lugar, proporcionando la lumbrera un extremo de salida de la piquera sin definir parte de la región de expansión controlada.

7. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 5, en el que hay una lumbrera en el lugar, definiendo la lumbrera parte de la región de expansión controlada.

8. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la provisión de la región de expansión controlada se consigue mediante un aumento escalonado de la sección transversal desde la sección transversal efectiva de la piquera.

9. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la región de expansión controlada aumenta progresivamente su sección transversal en la dirección del flujo de aleación a través de ella.

10. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el sistema está adaptado para uso en colada a presión con una máquina dada con la que es accionable para conseguir una velocidad de aleación a través de la piquera dentro del intervalo de 140 m/s a 165 m/s.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la velocidad es aproximadamente 150 m/s.

12. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el sistema es accionable para conseguir una velocidad de flujo de aleación a través de la región de expansión controlada que es de un 25% a un 50% inferior a la velocidad de flujo a través de la piquera.

13. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la velocidad a través de la región de expansión controlada es aproximadamente dos tercios de la velocidad a través de la piquera.

14. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la piquera tiene un área de sección transversal diseñada que define sustancialmente el área de sección transversal efectiva de flujo a través de ella.

15. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que dicho sistema es accionable para conseguir el llenado de la cavidad de matriz moviendo frentes semisólidos de aleación.

16. Un proceso para producir una pieza colada de una aleación de magnesio, en el que la aleación de magnesio es colada en un estado semisólido o tixotrópico, usando una máquina de colada a presión que tiene un suministro de la aleación en un estado fundido y un molde o matriz que define una cavidad de matriz, y en el que el proceso comprende el uso de un sistema de flujo de metal como se define en cualquier reivindicación precedente.

17. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende el uso de un sistema de flujo de metal como se define en la reivindicación 8, por el que hay una reducción escalonada de la velocidad de flujo de metal en la región de expansión controlada.

18. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende el uso de un sistema de flujo de metal como se define en la reivindicación 9, por el que hay una reducción progresiva de la velocidad de flujo de metal en la región de expansión controlada.

19. Una máquina de colada a presión para colar aleación de magnesio, en la que la máquina tiene medios de suministro para mantener la aleación en un estado fundido, un molde o matriz que define una cavidad de matriz, y un sistema de flujo de metal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 a través del cual puede fluir aleación desde los medios de suministro para llenar la cavidad de matriz.