ES2330965T3 - Coquilla de enfriamiento para la colada de materiales de fundicion de aleacion ligera y empleo de una tal coquilla asi como un material de fundicion de hierro. - Google Patents
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Abstract
Coquilla de enfriamiento para la colada de piezas fundidas de aleación ligera, fabricada de un material de hierro fundido aleado con Ni y/o Mn, cuyo contenido de Ni y/o Mn está calculado de tal modo que el coeficiente de dilatación térmica de la coquilla de enfriamiento (2) queda adaptado al coeficiente de dilatación térmica del material fundido de aleación ligera que se trata de colar en cada caso.
Description
Coquilla de enfriamiento para la colada de
materiales de fundición de aleación ligera y empleo de una tal
coquilla así como de un material de fundición de hierro.
La presente invención se refiere a una coquilla
de enfriamiento para la colada de materiales de fundición de
aleación ligera. La invención también se refiere al empleo de una
tal coquilla y la utilización de un material de fundición de hierro
de por sí conocido.
Es conocido el hecho de emplear coquillas de
enfriamiento en moldes de fundición, en particular moldes de
fundición de arena, para enfriar, en la zona de contacto entre el
material de fundición y la coquilla de enfriamiento de modo más
intenso y de forma selectiva de lo que permite un molde de arena, un
material de fundición colado en un molde de fundición, en
particular un material de fundición de aleación ligera, tal como un
material de aluminio o de magnesio (Stephan Hasse, Ernst Brunhuber:
"Giesserei Lexikon", pág. 735, 18. Edición 2001). De este modo
se logra una solidificación orientada del material de fundición
partiendo de las zonas del material de fundición que están en
contacto con la coquilla de enfriamiento. Además, gracias al
enfriamiento acelerado conseguido por el empleo de las coquillas de
enfriamiento se puede conseguir una estructura de la pieza fundida
solidificada, mejorada en cuanto a sus propiedades mecánicas, en
particular una estructura más compacta en la zona que ha sido
enfriada por la coquilla de enfriamiento.
Las coquillas de enfriamiento se colocan por lo
tanto generalmente en aquellas partes del molde de fundición que
reproducen zonas de la pieza fundida que se trata de producir en las
que se plantean requisitos especialmente rigurosos en cuanto a las
propiedades de su estructura. Esto es especialmente aplicable para
la fabricación mediante técnicas de fundición de bloques de motor o
culatas de motores de combustión de una aleación ligera.
Un ejemplo típico del campo de los moldes de
fundición en los que se emplean coquillas de enfriamiento para
mejorar localmente la estructura son las cámaras de los cilindros de
los motores de combustión. Las superficies de deslizamiento de las
cámaras de los cilindros están sujetas durante el funcionamiento a
unas cargas grandes por lo que se plantean unos requisitos
rigurosos especialmente a sus propiedades de desgaste, su tenacidad
o su resistencia.
Las coquillas de enfriamiento usuales se
fabrican en un material de hierro fundido. Se pueden producir
económicamente y de forma sencilla con técnicas de fundición. Ahora
bien, en la práctica las coquillas de enfriamiento de hierro
fundido son problemáticas, especialmente al colar materiales de
fundición de aleación ligera tales como masas fundidas de aluminio
o de magnesio, debido al menor coeficiente de dilatación térmica del
hierro fundido en comparación con el material de fundición de
aleación ligera. Al efectuar la colada, la coquilla de enfriamiento
que se llega a poner en contacto con la masa fundida de aleación
ligera se calienta y se dilata conforme a su coeficiente de
dilatación térmica. Cuando durante el subsiguiente proceso de
solidificación desciende la temperatura, la coquilla vuelve a
contraerse para volver a su volumen inicial.
Si la masa fundida y la coquilla presentan
coeficientes de dilatación térmica diferentes, pueden llegar a
producirse tensiones o incluso movimientos relativos en las zonas de
contacto entre las coquillas de enfriamiento y el material de
fundición solidificado, con lo cual se producen defectos en la pieza
fundida terminada. En particular pueden llegar a producirse
porosidades y otros defectos superficiales comparables. Esta clase
de defectos son especialmente problemáticos allí donde surgen
durante el funcionamiento de la pieza fundida respectiva se
producen unas cargas especialmente elevadas.
A esto hay que añadir que las tensiones
existentes entre la coquilla de enfriamiento y la pieza fundida
pueden llegar a ser tan intensas que la coquilla de enfriamiento
solamente se pueda separar de la pieza fundida solidificada con un
esfuerzo relativamente grande, lo cual resulta negativo para la
fabricación automatizada de piezas de fundición de aleación
ligera.
Se ha intentado resolver el problema resultante
del empleo de machos de fundición gris, utilizando en su lugar
coquillas de latón. Así se conoce por el documento DE 195 33 529 A1
formar las oquedades de cilindro de motores de combustión interna
mediante una coquilla de latón colocada en el molde de fundición de
arena previsto para la colada de masa fundida de aluminio. La
composición del latón de estas coquillas conocidas está ajustada
preferentemente de tal modo que presenten unos coeficientes de
dilatación térmica mínimos de 20 x 10^{-6} K^{-1}, que están
adaptados al de una masa fundida de aluminio. Al haberse adaptado el
coeficiente de dilatación térmica de las coquillas al del aluminio
que se ha de colar se tiene la garantía de que la coquilla y el
material fundido colado se dilatan o contraen esencialmente en la
misma medida. De este modo se pueden reducir al mínimo las
tensiones entre la pieza fundida y la coquilla de enfriamiento.
El inconveniente de las coquillas de latón
conocidas es su alto precio y su comportamiento desfavorable en
cuanto al desgaste. Su manejo también es costoso ya que las
coquillas de latón por ejemplo no se pueden sujetar por medio de
imanes. Esto hace especialmente difícil poder disponer de moldes de
fundición equipados con coquillas de latón para una producción
automatizada. Para evitar adherencias de material fundido sobre la
coquilla y conseguir una calidad superficial óptima es además
necesario por lo general en la práctica dotar a la superficie de la
coquilla de una capa lubricante de plombagina. También esta
operación complica el proceso de producción, que entraña unos
gastos adicionales inevitables.
Partiendo del estado de la técnica antes
expuesto, el objetivo de la invención era facilitar una coquilla de
enfriamiento de fabricación económica que tuviera unas propiedades
de utilización optimizadas y al mismo tiempo permitiera obtener
unos resultados de fundición optimizados.
Además de esto, se trataba de describir una
posibilidad de utilización preferente para una coquilla de
enfriamiento de este tipo.
Por último, el problema que se trataba de
resolver con la invención también consistía en describir una nueva
posibilidad de utilización para un material de fundición de hierro
de por sí conocido.
Con respecto a la coquilla de enfriamiento para
la colada de materiales de fundición de aleación ligera se ha
resuelto este objetivo por el hecho de que está fabricada de un
material de hierro fundido aleado con Ni y/o Mn, cuyo contenido de
Ni y/o Mn está dimensionado de tal modo que el coeficiente de
dilatación térmica de la coquilla de enfriamiento está adaptado al
coeficiente de dilatación térmica del material de fundición de
aleación ligera que se trata de colar en cada caso.
Una coquilla de enfriamiento realizada conforme
a la invención se puede emplear preferentemente como componente de
un molde de fundición de arena para colar un bloque de cilindros de
un material de fundición de aleación ligera.
La invención aprovecha la posibilidad de alear
el hierro fundido de tal modo que su coeficiente de dilatación
térmica se corresponda con el coeficiente de dilatación térmica de
la masa fundida de aleación ligera que se vaya a colar en cada
caso. Un hierro fundido correspondientemente aleado ya es de por sí
conocido. En la memoria de patente alemana DE 27 19 456 A1 ya se ha
descrito un material de hierro fundido que presenta un coeficiente
de dilatación térmica entre 16,0 x 10^{-6} y 21,0 x 10^{-6}
K^{-1} para temperaturas que estén entre 20ºC y 100ºC. Esto se
corresponde por ejemplo con el coeficiente de dilatación térmica de
las aleaciones fundidas de aluminio típicas en el correspondiente
intervalo de temperaturas. Ahora bien hasta la fecha esta clase de
materiales de hierro fundido solamente se han empleado para
componentes que vayan empotrados en la fundición de los elementos
de aleación ligera o que estén calados por contracción con éstos o
encajados a presión en ellos. Un campo de aplicación típico para la
aleación conocida por el documento DE 27 19 456 A1 se encuentra en
la fabricación de ranuras anulares que se emplean como elementos de
junta en pistones de metal ligero para motores de combustión.
Para poder adaptar el coeficiente de dilatación
térmica del material fundido de hierro y el material fundido de
aleación ligera con suficiente exactitud para los fines de la
invención se limita preferentemente la desviación del coeficiente
de dilatación térmica del material de fundición de hierro empleado
en cada caso para la coquilla de enfriamiento del respectivo
material fundido de aleación ligera a una gama máxima de \pm 0,4 x
10^{-6}/K.
Sorprendentemente se ha visto que de acuerdo con
el modelo de material conocido aleado con manganeso y/o níquel se
pueden ajustar los materiales de hierro fundido en cuanto a su
coeficiente de dilatación térmica de tal modo que las coquillas
fabricadas con ellos presentan un comportamiento óptimo en cuanto a
los resultados de fundición deseados en un molde de fundición, en
particular en un molde de fundición de arena. Esto no era
previsible ya que de acuerdo con el estado de la técnica siempre
estaban en primera línea las propiedades mecánicas y de estructura
del material de hierro fundido conocido, con respecto a la
funcionalidad deseada en cada caso. Frente a esto se basa la
invención en el reconocimiento de que unas aleaciones de hierro
fundido con esta composición son especialmente adecuadas para ser
empleadas como material para la fabricación de coquillas de
enfriamiento, debido a su comportamiento de dilatación térmica que
va más allá de las propiedades mecánicas y de la estructura.
El empleo de un material de hierro fundido
aleado conforme a la invención con Mn, Ni, respectivamente cada uno
por sí solo o mediante una combinación adecuada de estos elementos,
destinado a la fabricación de coquillas de enfriamiento puede
reducir al mínimo las tensiones que se producen en otros casos en
las coquillas al colar las masas fundidas de aleación ligera en la
zona de contacto entre la coquilla de enfriamiento y el material
fundido solidificado. Al adaptarse el coeficiente de dilatación
térmica de la coquilla de enfriamiento al del material fundido de
aleación ligera, se reducen al mínimo las tensiones que surgen en el
curso de la solidificación del material fundido entre la coquilla y
el material fundido. Con las coquillas de enfriamiento se consiguen
con seguridad al mismo tiempo los efectos ventajosos de por sí
conocidos por el estado de la técnica en cuanto a la estructura
solidificada de grano orientado. Al mismo tiempo las coquillas
conformes a la invención se pueden fabricar de modo conocido
económicamente y poseen una resistencia al desgaste muy superior a
las conocidas coquillas de
latón.
latón.
Debido a sus propiedades magnéticas se pueden
manejar con facilidad para un tratamiento automatizado, de modo que
presenta una utilidad claramente mejorada en comparación con las
conocidas del campo de la fundición de aleación ligera. Para la
práctica resulta especialmente importante que las calidades
superficiales de la pieza fundida obtenidas con la utilización de
las coquillas de fundición conformes a la invención son tan buenas
que ya no es necesaria la costosa aplicación de una capa lubricante
de plombagina en la coquilla antes del proceso de colada, que se
requiere según el estado de la técnica.
De acuerdo con la invención es perfectamente
posible añadir al material de hierro fundido únicamente níquel o
únicamente manganeso, o también ambos elementos citados como
componentes de la aleación. Lo importante es que el coeficiente de
dilatación térmica de la coquilla de enfriamiento esté adaptado al
coeficiente de dilatación térmica del material de fundición.
Las coquillas de enfriamiento conformes a la
invención son especialmente adecuadas para ser empleadas al colar
aleaciones de aluminio, ya que el coeficiente de dilatación térmica
del material de la coquilla se puede adaptar especialmente bien al
de las aleaciones de aluminio. Las coquillas de enfriamiento sin
embargo también se pueden emplear para la colada de otras
aleaciones de materiales ligeros tales como por ejemplo aleaciones
de magnesio.
Las coquillas de enfriamiento son especialmente
adecuadas para ser empleadas en moldes de fundición de arena para
la colada de un bloque de cilindros de un material de fundición de
aleación ligera.
En este caso las coquillas de enfriamiento
realizadas conforme a la invención pueden servir especialmente para
reproducir los huecos de los cilindros de un bloque de cilindros
fundido para motores de combustión. Esto es válido con
independencia de que las oquedades sirvan ellas mismas como
superficie de deslizamiento en los cilindros o si están previstas
camisas de cilindro postizas.
Si las paredes huecas interiores forman ellas
mismas la superficie de deslizamiento del cilindro entonces las
paredes huecas interiores se pueden recubrir de forma conocida con
un material, por ejemplo níquel o silicio después de solidificada
la pieza fundida y para incrementar su resistencia al desgaste. Pero
también existe la posibilidad de emplear como material fundido una
aleación de por sí conocida hipereutéctica que segregue silicio, en
cuyo caso las coquillas de enfriamiento conformes a la invención
garantizan con seguridad que se producirá la deseada segregación de
Si en la zona de las superficies de deslizamiento del cilindro,
gracias a la solidificación acelerada provocada de forma controlada
mediante las coquillas de enfriamiento. Obviamente existe en este
caso la posibilidad de efectuar después de la solidificación de la
pieza fundida un mecanizado de las superficies de deslizamiento
para dejar al descubierto el silicio segregado, en una forma también
de por sí conocida.
De acuerdo con una realización preferida, el
material de hierro fundido puede presentar una proporción de níquel
del 0,1 al 13,0% en peso. Con una proporción tal de níquel se puede
realizar de forma especialmente sencilla la adaptación del
coeficiente de dilatación térmica. Unos contenidos más altos de Ni
provocan una mayor dilatación del hierro fundido durante el
calentamiento, mientras que para contenidos menores de Ni, que si
existen pueden combinarse también con pequeñas cantidades de Mn, se
ajustan unos coeficientes de dilatación térmica menores. Se
obtienen unos coeficiente de dilatación térmica de las coquillas de
enfriamiento conformes a la invención especialmente bien adaptadas
al comportamiento de dilatación térmica de las masas fundidas a
base de aluminio, si el contenido de Ni es superior al 6,00% en
peso, en particular si es como mínimo del 6,5% en peso. La gama de
contenido de níquel se puede limitar hacia arriba, donde se producen
con especial seguridad los efectos aprovechados por la invención,
por el hecho de que el límite superior de esta gama se fija en un
máximo del 8,00% en peso, preferentemente menos del 8,00% en
peso.
De forma alternativa o adicional, para efectuar
la adaptación del coeficiente de dilatación térmica, el material de
hierro fundido puede presentar también una proporción de manganeso
que esté situada en una gama de 0,1 a 19,0% en peso. Unos
contenidos superiores de Mn dan lugar a un desplazamiento del
coeficiente de dilatación térmica hacia valores superiores,
mientras que unos contenidos bajos de Mn, si van acompañados al
mismo tiempo de unos contenidos bajos o inexistentes de Ni,
provocan una dilatación menor del hierro fundido durante el
calentamiento. Los contenidos de Mn están preferentemente en un
campo de 4 a 12% en peso para asegurar una adaptación óptima al
comportamiento de dilatación de las masas fundidas de Al.
Para conseguir también unos resultados óptimos
en cuanto a la resistencia al desgaste del material de hierro
fundido, el material de hierro fundido puede contener de modo de por
sí conocido además del hierro y de las impurezas inevitables, los
siguientes elementos (expresados en % en peso):
- C:
- 1,5 - 4,0%
- Si:
- 0,5 - 4,0%
- C_{u}:
- 0,3 - 7,0%
- Cr:
- < 2,0%
- Al:
- 0,3 - 8,0%
- Ti:
- 0,01 - 0,5%
Por lo tanto la solución del objetivo antes
citado en cuanto al empleo de un material de hierro fundido de por
sí conocido por el documento DE 27 19 456 A1 consiste en que este
material contenga además de hierro y las impurezas inevitables (en
% en peso), C: 1,5 - 4,0%, Si: 0,5 - 4,0%, Cu: 0,3 - 7,0%, Cr: <
2,0%, Al: 0,3 - 8,0%, Ti: 0,01 - 0,5% así como por lo menos un
elemento del grupo Ni, Mn, con la condición de que el contenido de
Ni sea 0,1 - 13,0% y el contenido de Mn 0,1 - 19,0%, empleándose
para la fabricación de una coquilla de enfriamiento para la colada
de materiales fundidos de aleación ligera.
La invención se describe a continuación con
mayor detalle sirviéndose de un ejemplo de realización representado
en un dibujo. La Figura única muestra un bloque de cilindros fundido
1 que tiene insertada una coquilla de enfriamiento 2, en una vista
en sección transversal.
En la Figura 1 está representado, en una sección
a través una de las cámaras de cilindro, un bloque de cilindros 1
fundido, terminado de solidificar, de un motor de combustión de
varios cilindros fundido de modo de por sí conocido en un molde de
fundición de arena no representado. Después de la solidificación y
enfriamiento se ha retirado el molde de fundición de arena del
bloque de cilindros 1, destruyéndolo.
El bloque de cilindros 1 ha sido colado con una
aleación convencional AlSi17Cu4Mg (Si: 16,0 - 18,0; Cu:
4,0 - 5,0; Fe: \leq 0,7; Mg: 0,4 - 0,7; Mn: \leq 0,2; Ti: \leq 0,2; Zn: \leq 0,2; suma restante: \leq 0,2; resto Al, datos en % en peso). Este material fundido tiene un coeficiente de dilatación térmica de 19,4 x 10^{-6}/K.
4,0 - 5,0; Fe: \leq 0,7; Mg: 0,4 - 0,7; Mn: \leq 0,2; Ti: \leq 0,2; Zn: \leq 0,2; suma restante: \leq 0,2; resto Al, datos en % en peso). Este material fundido tiene un coeficiente de dilatación térmica de 19,4 x 10^{-6}/K.
Las coquillas de enfriamiento 2 han sido
fabricadas de una aleación de hierro fundido
GGL-NiCr 20-2 comercial, conocida
bajo la denominación "Ni Resist". Mediante la elección de los
contenidos de Mn y Ni las coquillas de enfriamiento presentan un
coeficiente de dilatación térmica que en la gama de temperaturas de
20ºC a 200ºC es de 18,7 x 10^{-6}/K. Este coeficiente de
dilatación térmica es tan similar al coeficiente de dilatación
térmica de 19,4 x 10^{-6}K de la aleación AlSi17Cu4Mg, de la que
está fundido el bloque motor, que durante el calentamiento y
enfriamiento las coquillas de enfriamiento se comportan
esencialmente igual que el material fundido de Al. En consecuencia
se producen en todo caso unas tensiones mínimas en la zona de
contacto entre la pieza fundida y la respectiva coquilla de
enfriamiento, obteniéndose un resultado de fundición óptimo.
Claims (7)
1. Coquilla de enfriamiento para la colada de
piezas fundidas de aleación ligera, fabricada de un material de
hierro fundido aleado con Ni y/o Mn, cuyo contenido de Ni y/o Mn
está calculado de tal modo que el coeficiente de dilatación térmica
de la coquilla de enfriamiento (2) queda adaptado al coeficiente de
dilatación térmica del material fundido de aleación ligera que se
trata de colar en cada caso.
2. Coquilla de enfriamiento según la
reivindicación 1, caracterizada porque el material de hierro
fundido presenta un contenido de Ni de 0,1% en peso al 13,0% en
peso, en particular superior al 6% en peso e inferior al 8% en
peso.
3. Coquilla de enfriamiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el material de
hierro fundido presenta un contenido de Mn de 0,1 a 19,0% en
peso.
4. Coquilla de enfriamiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el material
de hierro fundido contiene además de Ni y/o Mn así como Fe y las
impurezas inevitables, los siguientes componentes de aleación
(expresados en % de peso):
- C:
- 1,5 - 4,0%
- Si:
- 0,5 - 4,0%
- C_{u}:
- 0,3 - 7,0%
- Cr:
- < 2,0%
- Al:
- 0,3 - 8,0%
- Ti:
- 0,01 - 0,5%
5. Utilización de una coquilla de enfriamiento
(2) realizada conforme a una de las reivindicaciones anteriores
como componente de un molde de fundición de arena para la colada de
un bloque de cilindros (1) de un material de fundición de aleación
ligera.
6. Utilización de un material de hierro fundido
que contiene (expresados en % en peso)
- C:
- 1,5 - 4,0%
- Si:
- 0,5 - 4,0%
- C_{u}:
- 0,3 - 7,0%
- Cr:
- < 2,0%
- Al:
- 0,3 - 8,0%
- Ti:
- 0,01 - 0,5%
así como mínimo un elemento del grupo Ni, Mn,
con la condición de que el contenido de Ni sea de 0,1 – 13,0%
y el contenido de
Mn sea de 0,1 - 19,0%,
así como que contenga como resto hierro y las
impurezas inevitables,
para la fabricación de una coquilla de
enfriamiento (2) para la colada de materiales de fundición de
aleación ligera.
7. Utilización según la reivindicación 5 ó 6,
caracterizada porque el material de fundición de aleación
ligera es un material aleado a base de aluminio.
Applications Claiming Priority (2)
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