ES2328526T3 - Machos con contenido de aerogel para la fundicion de metales ligeros y/o la fundicion fina. - Google Patents

Abstract

Macho mecánica y térmicamente estable para la fundición de metales livianos y/o para la fundición fina, caracterizado porque el macho contiene gránulos de aerogel hidrófilo, arena y ligante.

Description

Machos con contenido en aerogel para la fundición de metales ligeros y/o la fundición fina.

El objeto de la invención es un macho soluble en agua que pueda emplearse en el campo de la fundición de metales livianos y/o de la fundición fina.

Las piezas fundidas hechas de diversos metales o aleaciones metálicas se producen mediante diversos procedimientos de colada. En todos estos procedimientos se emplean por igual modelos "permanentes o duraderos" (de madera, cerámica, material sintético) o modelos perdidos de arena o poliestireno. Si dentro de una pieza fundida deben realizarse cavidades, se utiliza un macho perdido, fundamentalmente hecho de arena. Debido a la elevada carga térmica y mecánica reinante en el proceso de la fundería, dichos machos consisten por lo general en materiales de moldeo químicamente ligados entre si, como polvo cerámico ligado mediante materiales sintéticos o arenas ligadas mediante resinas sintéticas. En este caso los materiales de moldeo consisten en arenas que gracias a (agentes) ligantes están ligados en la forma deseada para el macho con la finalidad de destruir el ligante después de la producción de la pieza fundida y de así retirar el macho. La desventaja del procedimiento conocido para la preparación del macho es que por lo general el retiro del macho de la pieza fundida sólo puede realizarse de manera muy laboriosa, la distribución de las arenas en el macho no es homogénea o existe el riesgo de la formación de puntos de iniciación de fisuración, que entre otras consecuencias desfavorables pueden ser causa de rotura bajo solicitaciones térmicas y mecánicas. Los ligantes utilizados actualmente para las arenas de macho contribuyen a que los machos sean difíciles de retirar de las piezas de trabajo (por cuanto son térmicamente muy estables). En especial para el caso de la fundición de aluminio con elevadas temperaturas de colada se requiere que las temperaturas para la descomposición térmica del ligante sean bajas. Si los puentes de ligante no se destruyen en un grado suficiente tiene esto como consecuencia que los machos presentan una resistencia superior, también después del vaciado en el molde, y son difíciles de separar aún por vibración mecánica o chorros de agua de alta presión. Los chorros de agua de alta presión pueden dañar la pieza de trabajo, o en el caso de machos de formas geométricas complicadas con entrantes y/o recovecos, no siempre pueden conducir a una remoción completa del macho. Esta separación mecánica del macho es especialmente crítica en el caso de las fundiciones de metal liviano, ya que en este caso es fácil que se destruyan las estructuras afiligranadas deseadas de la fundición. Para los machos usuales ligados con resina sintética se aplican en parte sustancias (orgánicas) perjudiciales para el medio ambiente.

El material básico del molde consiste en una arena adecuada (arena de molde) que se mezcla con un ligante químico o un ligante para materiales de molde, el que seguidamente se endurece nuevamente, por ejemplo mediante un catalizador o endurecedor líquido o sólido o mediante una acción calórica adicional. Como arena se emplea predominantemente arena de cuarzo. Para aplicaciones especiales se recurre también a arena de cromita, de circonio y de olivina. También se emplean materiales básicos de molde basados en tierra refractaria (chamota), magnesita, silimanita y corindón.

Los ligantes para las arenas de moldeo pueden ser de naturaleza inorgánica u orgánica, subdividiéndose los ligantes inorgánicos en ligantes inorgánicos naturales y sintéticos. Los ligantes inorgánicos naturales abarcan arcillas como montmorillonita, glauconita, caolinita, illita o attapulgita. Los ligantes inorgánicos sintéticos abarcan entre otros silicato de potasa, cemento y yeso. Los ligantes orgánicos abarcan resinas sintéticas como resinas fenólicas, de urea, de furano, así como silicato de etilo. También se emplean aceites, hidratos de carbono ligantes, líquidos ligantes solubles en agua basados en lejías de sulfito, melazas, aguas residuales del procesamiento de dextrosa, alcanolaminas y alquitranes ligantes (K.E. Höner, "Giesereiwesen (Fundería)", Ullmanns Encyklopädie der techischen Chemie, S. 271-287, Bd. 12, 4. Auflage, Verlag Chemie Weinheim, 1976).

Los procedimientos para la preparación de moldes y machos de colada ligados con arena están suficientemente documentados en la bibliografía técnica correspondiente (C. Henry, R. Showman, G. Wandtke, Giesserei-Praxis Nr. 12, 1999; P. Carey, M. Swartzlander, Sand Binder Systems, Part II - Resin/Sand Interactions, Foundry Management and Technology, 97, 1995; W. Tilch, E. Flemming Formstoffe und Formverfahren, dt. Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig/Stuttgart 1993; Giesserei Jahrbuch, Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf, Band 1, 2000; P. Carey, J. Archibald, Sand Binder Systems, Part X - The Phenolic Urethane Amine ColdBox system, Foundry Management and Technology, 98, 1995; G.S. Cole, R.M. Nowicki, Sand Cores and Their Removal From Aluminium Semipermanent Molded Castings, Trans. Amer. Foundry. Soc. 87, 1979; I. Bindernagel, Formstoffe und Formverfahren in der Giessereitechnik, VDG-Taschenbuch 12; Giesserei-Verlag, Düsseldorf 1983; D. Boenisch, J. Nitsche, W. Patterson, Eigenschaften hartzgebundener Formstoffe, Aluminium 46, (3), 1970).

En especial para la fundición fina de aluminio existe una necesidad de machos mecánica y térmicamente estables, que sean fáciles de remover de la pieza fundida. En este aspecto, el procedimiento de la fundición fina de aleaciones de aluminio conlleva problemas especiales que han de tenerse en cuenta en el desarrollo de un material para machos:

1.- los moldes cerámicos son por lo general de una sola pieza; raramente están hechos de varias partes;

2.- el modelo de cera se retira con autoclave de vapor de agua caliente;

3.- el encofrado cerámico de moldeo se quema (calcina) a una temperatura de 80 a 950ºC.

El documento EP 1 077 097 B1 describe el uso de aerogeles de material sintético/carbono muy poroso, de poros abiertos, obtenibles mediante polimerización de sol-gel, como material de machos en la fundición de moldeo.

El documento DE102 16 464 B4 describe materiales de macho para la fundición fina y de moldeo de metales y aleaciones de metales, un procedimiento para su preparación así como su utilización como macho en la fundición fina y de moldeo. En este caso, para las arenas se aplican en especial nuevos componentes ligantes.

El objetivo de la presente invención consiste en producir machos para la fundición fina y/o de moldeo, que

1.- sean térmicamente estables, es decir, que soporten temperaturas de hasta aproximadamente 900ºC;

2.- sean mecánicamente estables, decir, que no se alteren a las temperaturas de fundería usuales;

3.- sean químicamente inertes frente a los metales o aleaciones metálicas empleados como por ejemplo aluminio, magnesio y titanio;

4.- durante la totalidad del proceso de su producción empleen materiales compatibles con el medio ambiente; y

5.- gracias a sus propiedades puedan retirarse de la pieza fundida dejando la menor cantidad posible de materiales residuales.

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En una primera forma de realización se logra el objetivo de la presente mediante un macho mecánica y térmicamente estable para la fundición de metales livianos y/o la fundición fina, en la que el macho contiene gránulos de aerogel hidrófilo, arena y ligante. Conforme a la invención los aerogeles se emplean como sustituto parcial de la
arena.

La invención se basa en especial sobre una combinación de arenas de fundería clásicos y gránulos de aerogel hidrófilo. La mezcla inorgánica de arena y gránulos de aerogel se liga por ejemplo con diferentes tipos de silicatos de potasa. Después del secado se vierte agua caliente sobre el macho. Al cabo de un intervalo de tiempo de segundos a minutos se destruye por completo la unión originalmente firme. Los restos del macho pueden retirarse de la pieza fundida sin mayor esfuerzo mecánico. Sin embargo, cabe tener presente que un elevado contenido de silicato de potasa ligante conduce a un incremento exponencial de la duración de la desintegración.

Dentro de los alcances de la invención, los aerogeles abarcan sustancias coloidales que se ligan y secan. Presentan una baja densidad y una elevada porosidad abierta. Consisten en tan sólo aproximadamente uno a quince por ciento de un material sólido, mientras que el resto de su volumen está ocupado por el gas o también por el vacío, circundantes, es decir, presentan una elevada superficie (específica) (de hasta 1.000 m^{2}/g). Los aerogeles inorgánicos son usualmente de por si aerogeles hidrófilos, y se los considera como uno de los materiales más livianos y como uno de los mejores aisladores térmicos.

Conforme a la invención debería emplearse un aerogel hidrófilo en forma de gránulos como material básico adicional para moldes. Los gránulos de aerogel se obtienen en especial mediante la molienda de monolitos de aerogel. "Hidrófilo" significa "que tiene gran afinidad para el agua", es decir, los gránulos de aerogel empleados muestran una destacada interacción con solventes polares como el agua. Así, los gránulos de aerosol hidrófilos empleados tienen un ángulo de humectación con el agua, inferior a 10º.

Se prefiere especialmente que el granulado de aerogel hidrófilo abarque silicaaerogeles, ya que los metales líquidos no los humedecen ni atacan químicamente. Los silicaaerogeles son químicamente inertes frente a los metales fundidos. Su punto de sinterización es de aproximadamente 1.050ºC. Además, son incombustibles y carecen de toxicidad.

Hay diversos tipos de aerogeles, siendo usuales los basados en silicatos (silicaaerogeles). Los aerogeles basados en materiales sintéticos o carbono son significativos en aplicaciones especiales. También se conocen aerogeles basados en óxidos de metales. Conforme a la invención es también posible emplear estos granulados de aerogel cuando gracias a un tratamiento correspondiente la superficie es hidrófila en el sentido de la invención.

Es ventajoso que el granulado de aerogel presente una granulometría en el orden de dimensión de la arena, ya que ambos se emplean como material básico para moldes y por ser más sencilla la realización de un óptimo entremezclado de partículas de igual dimensión.

Como arenas pueden emplearse entre otras las arenas de cuarzo nuevas usuales en el comercio en Alemania de la siguiente procedencia y con la siguiente granulometría media expresada en mm:

\bullet

Dorsten 0,84 mm (Tipo D020), 0,56 mm (D030), 0,39 mm (D040), 0,13 mm (D0110);

\bullet

Frechen 0,32 mm (Tipo F31), 0,23 mm (F32), 0,22 mm (F33), 0,20 mm (F34), 0,18 mm (F35), 0,16 mm (F36);

\bullet

Gambach 0,37 mm (Tipo G30), 0,29 mm (G31), 0,23 mm (G32), 0,21 mm (G33), 0,19 mm (G34);

\bullet

Haltern 0,36 mm (Tipo H31), 0,32 mm (H32), 0,26 mm (H33), 0,21 mm (H34), y 0,19 mm (H35).

Como alternativa a las arenas de cuarzo empleadas, es también posible emplear arenas de corindón de granulometría similar (0,1 a 0,9 mm).

La proporción de arena puede ser de 83 a 95% en peso, la proporción de ligante y la proporción de granulado de aerogel se añaden de manera correspondiente hasta completar el 100% en peso. En especial, la proporción del ligante representa 2 a 10% en peso. La proporción de granulado de aerogel representa preferentemente 2 a 6% en peso.

Las arenas de cuarzo indicadas arriba son arenas nuevas (sin uso anterior); de hecho, en las funderías las mismas se añaden solamente en pequeñas cantidades a las "arenas viejas" (arenas recicladas). Las arenas viejas son arenas que se presentan durante el vaciado de las piezas fundidas de los moldes, y después de un correspondiente enfriamiento y reacondicionamiento se las conduce de regreso al sector donde se preparan los moldes. El reacondicionamiento ha de satisfacer dos objetivos: la limpieza de los granos de arena mediante la separación de los ligantes adheridos y la remoción de componentes pulverulentos.

Durante este proceso se desmenuzan mecánicamente los aglomerados todavía presentes y de esta manera se retiran parcialmente los ligantes que rodean los granos de cuarzo. Durante este proceso la superficie de los granos, originalmente más bien redondeada, experimenta una modificación. Su forma pasa a ser de redonda a fragmentada (angulosa). Esta forma del grano es importante para el proceso de la ligazón del material de molde; de esta manera se garantiza que sólo se emplea una proporción comparativamente pequeña de ligante.

En una forma de realización, como ligante se emplea silicato de potasa y/o producto preliminar aerogel para la ligazón del granulado de aerogel con la arena. La utilización de silicato soluble de potasa, acuoso y viscoso, tiene la ventaja que el mismo puede obtenerse como producto masivo y que es adecuado como ligante para materiales de molde. También es posible la utilización de productos preliminares para la preparación de aerogeles para producir un macho mediante el procedimiento conforme al documento DE 102 16 464 B4. En este caso deberían emplearse en especial productos preliminares de silicaaerogel, como TEOS (tetraetoxisilano) o mezclas de TEOS y formamida con solventes como agua y/o etanol como ligante, por cuanto los silicaaerogeles formados se destruyen fácilmente mediante fluidos muy humectantes.

En otra forma de realización, la mezcla contiene una proporción de arena de 83 a 95% en peso, empleándose en este caso 1 a 20% en peso de arena nueva y 80 a 99% en peso de arena "regenerada" (material de molde reciclado, es decir arena reutilizada limpia).

Conforme a la invención ha demostrado ser conveniente llevar a cabo los pasos siguientes:

1.- Mezclado del granulado de aerogel con arena y ligante;

2.- Introducción de la mezcla en un molde negativo para machos:

3.- Compactación de la mezcla introducida en el molde negativo;

4.- Secado de la mezcla compactada; y

5.- Extracción del macho a partir del molde negativo.

La compactación se lleva a cabo por ejemplo mediante moldeo del macho por inyección con aire comprimido, sacudidas o vibración, golpeteo y apisonado. Para el secado han demostrado ser especialmente adecuadas las temperaturas de 20ºC a 80ºC. La duración del secado es preferentemente de pocos segundos a minutos.

Los machos inorgánicos conformes a la invención pueden emplearse en la industria de la fundería, en especial en la fundición de metales livianos y/o para las fundiciones finas, en las que se requieren machos fácilmente extraíbles, en especial en el caso de estructuras de fundición afiligranadas.

Después del proceso de colada es posible remover el macho mediante un fluido que lo humecte. Esto es especialmente ventajoso por cuanto en este caso el macho se desintegra gracias al fluido que lo humedece, sin que queden residuos.

En este caso son especialmente adecuados los fluidos muy humectantes, como el agua. La expresión "humectabilidad" designa la capacidad de los líquidos de distribuirse (extenderse) sobre una superficie, o de mojarla; cuanto mejor sea la humectabilidad, tanto más pequeña es el ángulo de contacto que se presenta en la humectación. Las superficies cuyo ángulo de contacto es igual o inferior a 90º, se consideran también (incompletamente) humedecibles. Cuanto mayor sea la temperatura del fluido humectante, tanto mejor podrán retirarse los machos. Por ello se prefieren especialmente los fluidos con una temperatura de 30 a 100ºC. Aquí se aprovecha el hecho de que los silicaaerogeles se destruyen fácilmente mediante líquidos muy humectantes (por ejemplo, agua hirviente).

En otra forma de realización es posible destruir el macho mediante fluidos alcohólicos o mediante alcoholes de cadena corta con una longitud de cadena de hasta seis átomos de carbono. Con el objeto de evitar un peligro de incendio, deberían utilizarse mezclas alcohólicas no combustibles.

El objetivo conforme a la invención se logra por ejemplo mezclando arenas de cuarzo o arenas de corindón con granulado de aerogel hidrófilo (por ejemplo, de la Firma Airglass, Suecia) ligándose con silicato de potasa en diversas proporciones. Después del secado es posible emplear la muestra como macho para la fundición de metal liviano y/o para la fundición fina. Una vez enfriada la muestra, es posible retirar el macho mediante un fluido caliente (por ejemplo, agua hirviente). Después de un intervalo de tiempo de segundos o minutos, el macho se desintegra por completo. Los restos del macho pueden retirarse de la pieza fundida sin un trabajo mecánico adicional.

Los ejemplos de realización aquí presentados apuntan a una desintegración completa del macho en el caso del añadido de agua hirviente, a una estabilidad térmica (> 1.000ºC) y a una proporción la más pequeña posible de ligante.

Las resistencias a la flexión, de las arenas de moldeo obtenidas ligadas de gránulos de aerogel-arena de cuarzo-silicato de potasa, son de 1 a 3 MPa, para una densidad de aproximadamente 1,5 g/cm^{3}, es decir, la densidad la determina la arena de cuarzo, y para una superficie especifica en el intervalo de 4 a 6 m^{2}/g, en especial igual a 6 m^{2}/g.

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Ejemplos de realización

Ejemplo 1

Se prepara una mezcla de granulado de aerogel-arena de cuarzo con la siguiente composición:

\bullet

3,5% en peso de gránulos de aerosol hidrófilo granulometría con un valor medio aproximado de 220 \mum (Firma Airglass, Suecia);

\bullet

87,7% en peso de arena de cuarzo (Quarzwerke Frechen Alemania), granulometría 0,16 - 0,32 mm;

\bullet

8,8% en peso de Carsil^{TM} (silicato soluble de potasa ligante, de la Firma Foseco Alemania).

Se empezó por entremezclar los gránulos de aerogel y la arena de cuarzo. La mezcla completa se mezcló seguidamente con el silicato de potasa ligante. En cuanto se efectuó un entremezclado suficiente, se introdujo la mezcla en un negativo de macho y se la compactó por apisonado. El subsiguiente secado tuvo lugar en un gabinete de secado a una temperatura de 60 a 70ºC, durante aproximadamente un día. Después de completado el secado pudo colocarse el macho en el lugar reservado para la cavidad, y pudo efectuarse el vaciado en el molde. Después del enfriamiento de la pieza fundida se roció el macho con agua hirviente. Después de un intervalo de unos pocos segundos se desintegró la muestra por completo en agua. Los restos del macho pudieron retirarse de la pieza fundida sin esfuerzo mecánico adicional.

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Ejemplo 2

De manera análoga al Ejemplo 1 se empleó una mezcla con una proporción de arena modificada:

\bullet

3,5% en peso de gránulos de aerogel hidrófilo, granulometría con un valor medio aproximado de 0,22 mm (Firma Airglass, Suecia);

\bullet

4% en peso de arena de cuarzo (Quarzwerke Frechen, Alemania), granulometría 0,16 a 0,32 mm;

\bullet

83,7% en peso de material regenerado (arena reutilizada limpiada); y

\bullet

8,8% en peso de Carsil (silicato de potasa ligante, Firma Fonseco).

Se hicieron las mismas observaciones que en el Ejemplo 1.

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Ejemplo 3

Se preparó un macho como en el Ejemplo 1. Después del secado se calcinó el macho durante otra hora a 850ºC en el horno, a efectos de simular las condiciones de la fundición fina. A continuación se introdujo el macho en el espacio reservado para la cavidad, y se hizo el vaciado en el molde (Aleación de fundición A357 (AlSi7 Mg 0,6)). Después de enfriamiento de la pieza fundida se roció el macho con agua hirviente. A diferencia del Ejemplo 1, en este caso la desintegración del macho duró aproximadamente 10 minutos.

Claims (13)

1. Macho mecánica y térmicamente estable para la fundición de metales livianos y/o para la fundición fina, caracterizado porque el macho contiene gránulos de aerogel hidrófilo, arena y ligante.

2. Macho conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque los gránulos de aerogel abarcan silicaaerogel.

3. Macho conforme a la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los gránulos de aerogel presentan una granulometría en el orden de dimensión de la arena.

4. Macho conforme a una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el ligante abarca silicato de potasa y/o un producto preliminar aerogel.

5. Procedimiento para la producción de un macho conforme a una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se llevan a cabo los pasos siguientes:

1.-

Mezclado del granulado de aerogel con arena y ligante;

2.-

Introducción de la mezcla en un molde negativo para machos:

3.-

Compactación de la mezcla introducida en el molde negativo;

4.-

Secado de la mezcla compactada; y

5.-

Extracción del macho desde el molde negativo.

6. Uso de un macho conforme a una de las reivindicaciones 1 a 4, en la fundición de metales livianos por moldeo o en la fundición fina de metales livianos.

7. Uso conforme a la reivindicación 6, en el que se retira el macho del molde para la fundición mediante un fluido que lo humedece.

8. Uso conforme a la reivindicación 7, en el que se retira el macho con agua a una temperatura de al menos 95ºC.

9. Uso conforme a la reivindicación 7, en el que se retira el macho del molde para fundición mediante fluidos que contienen alcohol.