UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería de Materiales EVALUACIÓN CUALITATIVA Y CUANTITATIVA DE LOS DEFECTOS MAS COMUNES EN LAS FUNDICIONES GRISES Y NODULARES Realizado por: Ronie Lapoint M. PROYECTO DE GRADO Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Opción Metalmecánica Sartenejas, Octubre de 2010 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería de Materiales EVALUACIÓN CUALITATIVA Y CUANTITATIVA DE LOS DEFECTOS MAS COMUNES EN LAS FUNDICIONES GRISES Y NODULARES Realizado por: Ronie Lapoint M. Bajo la tutoría de: Profesora Aimé Guerrero Ingeniero Carlos García INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Opción Metalmecánica Sartenejas, Octubre de 2010 EVALUACIÓN CUALITATIVA Y CUANTITATIVA DE LOS DEFECTOS MAS COMUNES EN LAS FUNDICIONES GRISES Y NODULARES Realizado por: Ronie Lapoint M. RESUMEN Con el objetivo de captar las causas principales que operan en la formación de fallas y defectos en la matriz metálica de las fundiciones de hierro gris y nodular, fue realizado un seguimiento cualitativo y estadístico de los procesos de vaciado en molde como fuentes de imperfección en los productos terminados de la línea de moldeo automático de la empresa FIMACA. Esta investigación relaciona la formación de los defectos encontrados, con las variables metalúrgicas y operacionales involucradas en la confección de piezas de fundición ferrosa, logrando focalizar los procesos que generan mayor incidencia de error en el producto vaciado. Se hizo énfasis en la causa de los defectos internos no detectables por inspección visual, ya que constituyen el motivo de eventuales devoluciones en la comercialización del producto. Para tal fin, fueron escogidas las muestras en el lote de rechazo (piezas con defecto) según las especificaciones técnicas para el control de calidad de la Asociación Americana de Fundición (AFS) y del Laboratorio de Aseguramiento de la Calidad (ASC) de la empresa FIMACA(1). Los defectos en las piezas fueron identificados empleando técnicas avanzadas de caracterización (MEB, EDS, MO), ensayos destructivos y no destructivos para registrar la calidad interna y superficial de las piezas de fundición gris y nodular. Analizadas las causas principales de los defectos, estos fueron clasificados según los parámetros de la Asociación Americana de Fundición (AFS). ÍNDICE GENERAL 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1 1.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 2 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................... 2 2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ................................................................................... 3 2.1 RESEÑA HISTÓRICA ............................................................................................................ 3 2.2 PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE LA PLANTA ........................................................................ 4 2.2.1 Diseño de productos. ................................................................................................. 4 2.2.2 Almacén de chatarra. ................................................................................................. 4 2.2.3 Área de Noyería......................................................................................................... 4 2.2.4 Área de moldeo automático. ....................................................................................... 4 2.2.5 Plataforma de fusión. .................................................................................................. 5 2.2.6 Área de colada. .......................................................................................................... 5 2.2.7 Adquisición de muestras para análisis de morfología, fases y nodularidad. ................ 7 2.2.8 Análisis químico del producto. ................................................................................... 7 2.2.9 Análisis de dureza en el producto................................................................................ 8 2.2.10 Representación del sistema de producción en la línea de moldeo automático. ........... 8 3. MARCO TEÓRICO ...........................................................................................................11 3.1 FUNDICIONES DE HIERRO. ..................................................................................................11 3.1.1 Tipos de fundiciones ferrosas.....................................................................................15 3.1.2 Efectos de los elementos contenidos. .........................................................................17 3.1.3 Principales constituyentes microscópicos en las fundiciones. ....................................21 3.1.4 Temperatura de colada y tiempo. ...............................................................................25 3.2 PROCESOS DE FABRICACIÓN DE LAS FUNDICIONES..............................................................25 3.3 MOLDEO DE LAS FUNDICIONES DE HIERRO EN ARENA VERDE. .............................................27 3.3.1 Cajas de moldeo. .......................................................................................................27 3.3.2 Macho o Noyo...........................................................................................................28 3.3.3 Moldes conformados con arena en verde...................................................................29 3.3.4 Vaciado. ....................................................................................................................34 3.4 DEFECTOS EN LAS FUNDICIONES DE HIERRO OBTENIDAS POR MOLDEO EN ARENA VERDE. .....35 3.4.1 Defectos presentes en los productos de fundición FIMACA.......................................36 3.4.2 Causas de origen metalúrgico en imperfecciones de fundición gris y nodular detectadas a simple vista. (Comité Internacional de Fundición Técnica y Asociación Norteamericana de Fundidores). ..................................................................................................................50 3.4.3 Causas de origen metalúrgico en imperfecciones de fundición gris y nodular no detectadas a simple vista (Comité Internacional de Fundición Técnica y Asociación Norteamericana de Fundidores). ........................................................................................57 3.4.4 Diseño de Cartas para el Control de Calidad en la identificación de fallos técnicos en la confección de fundiciones grises y nodulares..................................................................58 3.4.5 Carta para el Control de Calidad en fundiciones grises...............................................60 3.4.6 Carta para el Control de Calidad en fundiciones nodulares.........................................61 3.5 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ENSAYO NO DESTRUCTIVO POR ULTRASONIDO (END).63 4 DESARROLLO EXPERIMENTAL ...................................................................................66 4.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS PRODUCTOS SELECCIONADOS DE MUESTRA Y REPORTE DESCRIPTIVO DE EVENTUALES OPERACIONES NO OFICIALES EN LA PLANTA................................67 4.1.1 Productos seleccionados para la muestra....................................................................67 4.1.2. Registro descriptivo de irregularidades en las operaciones realizadas durante la fabricación de las piezas de fundición gris y fundición nodular...........................................71 4.2 Registro de los parámetros metalúrgicos, propiedades de las arenas de moldeo y conformado de moldes. ......................................................................................................71 4.3 TÉCNICAS DE ANÁLISIS (FIMACA/USB). ..........................................................................72 4.3.1 Análisis en el laboratorio de Aseguramiento de la Calidad (ASC) en FIMACA y registro fotográfico de los defectos encontrados. ................................................................73 4.3.2 Análisis de las muestras metálicas en la Sección de Microscopia Electrónica adjunto a Laboratorio E de la Universidad Simón Bolívar (MO, MEB y END)................................74 5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ......................................................................................76 5.1 IDENTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN DE LA DEFECTOLOGIA PRESENTE EN LOS PRODUCTOS FIMACA. ..............................................................................................................................76 5.1.1 Registro fotográfico y descripción de las piezas defectuosas. .....................................77 5.1.2 Registro de operaciones consideradas como irregulares, capaces de promover defectos en el producto final.............................................................................................................95 5.1.3 Clasificación de los defectos bajo estudio (AFS / FIMACA / Clasificación propuesta) ...........................................................................................................................................99 5.1.4 Evaluación por técnica de Ultrasonido de dos muestras de fundición gris y nodular.103 5.1.5 Registro cualitativo de posibles causas atribuibles a inadecuadas condiciones de la arena de moldeo. ..............................................................................................................108 5.2 SONDEO CUANTITATIVO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS CAUSAS QUE ORIGINAN LA FORMACIÓN DE LOS DEFECTOS EN ESTUDIO. ...........................................................................110 5.2.1 Registro y análisis de comportamiento en el tiempo de la incidencia de piezas con defecto en fundiciones grises y nodulares. ........................................................................111 5.2.2 Registro y análisis de variables metalúrgicas calculadas a partir de los datos de fusión y vaciado (Colada) en las líneas de moldeo automático. ...................................................116 5.2.3 Propiedades en las arenas de moldeo en función del tiempo reportadas durante la fusión y vaciado (Colada) en las líneas de moldeo automático durante los meses Agosto y Septiembre de 2010..........................................................................................................127 5.2.4 Análisis causa-efecto en la generación de los defectos en estudio y propuesta de puntos de control para el aseguramiento de la calidad en las áreas más críticas de la planta. ........134 6. CONCLUSIONES..............................................................................................................138 7. RECOMENDACIONES ....................................................................................................139 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................140 1 CAPÍTULO I 1. INTRODUCCIÓN El sector metalúrgico nacional está en la continua necesidad de optimizar sus procesos de producción para la reducción de costos y la certificación bajo estándares internacionales de calidad como medio para el alcance de nuevos mercados. En la producción industrial de piezas de fundición ferrosa vaciadas en arena verde, se hace inevitable obtener un porcentaje de productos con discontinuidades muchas veces indeseables para su aplicación y funcionamiento. Estas pueden originarse por múltiples causas en ocasiones correlacionadas durante las etapas que constituyen el proceso de fabricación, algunas de estas más propensas que las otras en la generación de fallas en el material; además, muchos de los defectos son de difícil detección al presentarse en zonas sub superficiales de la pieza. El proceso de control de calidad en los productos de fundición gris y nodular de la empresa FIMACA (Fundiciones Industriales Mecánicas y Artísticas Compañía Anónima), involucra inspección visual, análisis metalográfico, análisis de nodularidad, análisis químico, pruebas de dureza, pruebas hidrostáticas y de tracción; aún así, no logran ser detectadas algunos tipos de fallas y defectos, trayendo como consecuencia eventuales devoluciones en la línea de productos terminados, que al ser identificados tardíamente por el consumidor luego del colapso temprano de las piezas, podrían generar cuantiosas pérdidas a la empresa e incluso problemas de orden legal. Luego de la recopilación de una muestra suficiente de productos de fundición clasificados como piezas de rechazo según la empresa FIMACA, así como el registro correspondiente de las variables de proceso; el curso de la presente investigación se dispone a la identificación de los procesos que podrían estar originando el mayor número de discontinuidades en el material producido, tales como el vaciado y la solidificación del metal en el molde, confeccionado éste de arena en verde; pudiéndose proyectar hacia investigaciones más exhaustivas acerca de las propiedades fisicoquímicas de la arena de moldeo, y el control de los parámetros durante la solidificación del líquido metálico. 2 1.1 Objetivo General Identificar posibles fuentes de error en el control de las variables del proceso de fundición; ya sean de índole metalúrgico, originadas en el líquido metálico durante el enfriamiento; o generados durante el vertido y alimentación de los moldes por los materiales con que se confecciona este. . 1.2 Objetivos Específicos • Estudiar las variables que intervienen durante el vertido y alimentación de los moldes como fuentes de imperfección. • Analizar la influencia de la composición química del material sobre la generación de defectos. • Analizar la influencia de los parámetros en las arenas de moldeo sobre la formación de los defectos superficiales y sub superficiales encontrados. 3 CAPITULO II 2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA La investigación fue realizada en las instalaciones de la empresa de Fundición Industrial Mecánica y Artística Compañía Anónima (FIMACA) ubicada en la zona industrial San Vicente de la ciudad de Maracay, Estado Aragua. 2.1 Reseña Histórica La empresa de Fundición Industrial Mecánica y Artística (FIMACA) fue fundada el 4 de Febrero de 1964. En sus instalaciones es diseñada y producida una amplia gama de productos en hierro gris y dúctil (nodular) vaciados en arena verde; estos son destinados a varios sectores de la industria, a saber: el sector hídrico (clientes principales), sector gasifero, petrolero, telefónico, de transporte masivo, y de la construcción. La línea de producción predominante consiste en la fabricación de válvulas, bridas, válvulas de alivio, hidrantes contra incendio tipo poste, accesorios para acueductos y alcantarillado, caja para toma domiciliaria y repuestos automotrices e industriales en general. (1) 4 2.2 Procesos de producción de la planta 2.2.1 Diseño de productos. El plano del producto se realiza mediante sistema “CAD” (Computer Aided Design, Diseño Asistido por Computador), a partir del plano aprobado se fabrican los modelos necesarios para la confección de noyos y moldes para el vaciado. (1) 2.2.2 Almacén de chatarra. En este recinto se procesa y almacena la chatarra con el sistema de compactación y puente grúa respectivamente, para luego ser presentada en bloques cuadrangulares en la plataforma de fusión. 2.2.3 Área de Noyería. Mediante sistema automatizado “Cold Box” (sistema de resinas dosificado a presión, utilizado para aglomerar arenas en la fabricación de machos o noyos de fundición, bajo la acción de un catalizador amínico gaseado en un dispositivo de “caja fría”) se da inicio a la producción en serie de noyos con los cuales se obtiene la configuración interna del producto a fabricar. Estos son inspeccionados dimensionalmente, desbarbados, medidos y pintados antes de enviarlos a la línea de moldeo. 2.2.4 Área de moldeo automático. Son fabricados los moldes mediante el sistema PLC (Programador Lógico de Control) de moldeo automatizado por impacto neumático. Este sistema tiene capacidad para cincuenta (50) moldes por hora. La arena en verde es preparada por el mismo sistema PLC con capacidad para procesar y proveer hasta sesenta toneladas de arena por hora. La arena de moldeo es continuamente analizada por la Coordinación de Aseguramiento de la Calidad (ASC) con pruebas de compactibilidad, permeabilidad, determinación de la resistencia a la compresión en verde, ensayo de humedad, porcentaje de bentonita, y ensayo granulométrico de la arena. 5 Elaborados los moldes, se procede a la colocación del noyo, cada molde conforma un vagón en los trenes de la línea de moldeo, y esta conformado por dos medias cajas o bastidores con dimensiones suficientes como para alojar en la matriz de arena compactada productos de hasta 300 Kg de peso. Los vagones de las líneas uno (1) y dos (2), se alternan entre recibir el líquido metálico e irse desmoldeando para entrar a ser cargados nuevamente con arena por la máquina de moldeo automático. 2.2.5 Plataforma de fusión. En esta sección se elabora el metal líquido, para lo cual se emplea un sistema de horno eléctrico de inducción ATP de 2000 KW de potencia que asiste los crisoles principales con capacidad para nueve (9) toneladas de carga cada uno (ver Figura 2.1). En esta sección los crisoles son cargados con la chatarra ya compactada traída desde el almacén. La carga de los crisoles principales es suministrada al crisol principal con el sistema de puente grúa. Luego de alcanzarse el punto de fusión, antes de verter el líquido en la cuchara de reacción, se efectúa una primera escorificación en el crisol principal, el contenido de metal fundido es vertido y preparado en la cuchara de reacción donde previamente a la carga líquida es adicionado el grafito y los aditivos correspondientes al tipo de metal requerido. 2.2.6 Área de colada. Una vez alcanzada la temperatura de colada (l340°-l420°C), se inicia el vaciado del metal líquido hacia la cuchara de reacción y la preparación de hierro a ser vaciado en los moldes según los requerimientos de carga. Si se requiere hierro nodular, es adicionado previamente en el fondo de esta cuchara el aditivo nodulizante (ferro-silicio-magnesio-cerio). Concluida la reacción, el contenido es trasvasado a la cuchara de colada y adicionando el aditivo inoculante (ferro-silicio) durante el vertido de líquido metálico (ver Figura 2.1). 6 a) b) c) Figura 2.1. Procesos de Inoculación y Escorificación final. De izquierda a derecha se observa a) Vaciado del crisol principal a la cuchara de reacción, b) Vaciado de la cuchara de reacción a la cuchara de colada, c) Añadido del inoculante y escorificación final. Para la producción de hierro gris, se omite la adición del nodulizante. Una última escorificación se efectúa antes de realizar el vertido en los moldes luego de alimentar la cuchara de colada desde la cuchara de reacción. Ambas cucharas o crisoles son manipulados mecánicamente por puentes grúa, asistidos por sistemas de control electrónico (las dos cucharas con capacidad para 600 Kilogramos de material cada una). Luego se procede al vaciado de moldes y posteriormente el desmoldeo de las piezas en bruto al ser introducidas hacia el interior de un tambor de rotación continua de amplias dimensiones dispuesto a la salida de la línea automática, este permite separar las piezas de la arena de moldeo y trasladarla simultáneamente fuera del sistema para ser depositadas luego en una cesta de recepción donde éstos son previamente seleccionados o descartados hacia la zona de productos de rechazo o “scrap". 7 a) b) Figura 2.2. Proceso de Colada. a) Operación de llenado en uno de los moldes de la línea dos. b) Tren de moldes ya vaciados en la línea uno y con rumbo a la línea tres para la extracción del molde y el enfriamiento de su contenido (ver Figura 2.3). 2.2.7 Adquisición de muestras para análisis de morfología, fases y nodularidad. La carga de la cuchara de vertido (600 kg) puede abastecer aproximadamente entre cuatro (4) y diez (10) moldes en la línea de moldeo de acuerdo a la geometría de la pieza requerida para su producción en serie. Antes de ser vaciada la cuchara de colada y al verter el último de los moldes que acepta su carga, el operario realiza un agujero en el molde de arena, el cual sirve de receptáculo para alojar algo de líquido metálico remanente obteniendo de este modo la muestra que será enfriada en agua a temperatura ambiente y destinada para el análisis metalográfico según ASTM E3-01 a realizarse en el laboratorio de Aseguramiento de la Calidad (ASC) con el objeto de registrar la morfología de los nódulos de grafito libre contenidos en el metal y diagnosticar así la calidad de la fundición. 2.2.8 Análisis químico del producto. El mismo operario de la colada, porta un pequeño molde de coquilla metálica en el módulo traslacional de colada, este molde contiene la cavidad donde se vierte líquido metálico para moldear la placa circular de 35 mm de diámetro por 5 mm de espesor, la cual es desbastada y rectificada para ser expuesta al espectrómetro de masas e identificar la composición del producto según la norma ASTM E30. 8 2.2.9 Análisis de dureza en el producto. Por cada fecha de colada es seleccionada una muestra del grupo de piezas de rechazo (scrap) por defectos. De esta pieza se realiza el corte y extracción de material a ser analizado en el durómetro, el corte debe efectuarse en la zona más delgada del producto (Norma ASTM A48-41). 2.2.10 Representación del sistema de producción en la línea de moldeo automático. La secuencia de producción en la planta comprende varias secciones, estas son: el área de fusión, las líneas de vaciado, el área de moldeo automático a presión, el área de extracción del molde, y los silos de reciclaje para la arena de moldeo. Estos pueden ser esquematizados en la siguiente representación: Banda transportadora de arena reciclada Chatarra de hierro Molino Hornos de inducción Tambor para Electrica (crisoles I y II) refrigeración Simpson Aplicación inoculante Producto Plataforma de fusión solidificado Cuchara reacción Cuchara de vaciado Línea 3 Silos de arena y molino Dispositivo de moldeo Foundry automático a presión Línea 1 Línea 2 Línea 4 Figura 2.3 Proceso de moldeo automático en arena verde. Representación esquemática. 9 2.2.11 Análisis descriptivo del esquema según los símbolos propuestos. • Líneas de moldeo automático. De izquierda a derecha líneas 1,2,3 y 4. Las líneas 1 y 2 constituyen los trenes de moldeo que reciben el vaciado metálico. La línea 3 descarga estos en el biombo 360°. Luego es extraído el producto solidificado. La línea 4 alimenta a las líneas 1 y 2 de nuevos moldes con arena de moldeo reciclada. En la línea 4 son colocados los noyos o machos de fundición cuyo rol consiste en moldear la configuración interna del producto (espacio interior de tuberías, válvulas, etc.). • Crisol principal, cuchara de reacción y cuchara de vaciado. La chatarra es fundida en el crisol por encima de los 1450° C realizándose una primera escorificación y luego es vaciada a la cuchara de reacción donde se llevarán a cabo los ajustes químicos para producir el material ferroso deseado. Una vez preparado, el líquido metálico es vertido a la cuchara de colada o vaciado, durante el vertido del líquido metálico es adicionado el inoculante. Posteriormente se realiza una segunda escorificación en la cuchara de vaciado. • Silos, molino Foundry y molino Simpson. La arena ya utilizada es almacenada en el molino Foundry, en éste son adicionadas la bentonita (arcilla) y el agua necesarias según las exigencias que indiquen las pruebas de propiedades en las arenas. En el molino Simpson la arena es tratada mecánicamente para homogeneizar su granulometría. Luego la arena es trasladada hacia el dispositivo de moldeo a presión, donde toma las condiciones geométricas de concavidad de acuerdo al molde o herramental. 10 • Extractor de molde y Tambor de refrigeración y desmoldeo. En estos dispositivos se extrae la pieza del molde al mismo tiempo que se realiza su enfriamiento parcial gracias al movimiento de un gran tambor que expulsa las piezas fuera de la línea de moldeo. • Chatarra de hierro. Materia prima utilizada (chatarra compactada en bloque) para la obtención del líquido de hierro metálico a ser manipulado químicamente en la cuchara de reacción. • Producto solidificado. Piezas extraídas del molde, refrigeradas en el tambor de desmoldeo y depositadas en una banda transportadora donde son previamente seleccionadas por inspección visual. Las piezas sanas son enviadas a la línea final donde son sometidas a los procesos de granallado, mecanizado y pintado, las piezas con defecto son destinadas al lote de rechazo (scrap) donde son analizadas por la sección de control de calidad (ASC) y luego enviadas como material de retorno junto a la chatarra destinada para fusión. 11 CAPITULO III 3. MARCO TEÓRICO Se ofrece a continuación el extracto teórico correspondiente al análisis planteado para las fundiciones y los defectos registrados en estas. Esta sección refiere los tipos de fundiciones de hierro comerciales, entre ellas las fundiciones analizadas en el presente estudio, la técnica de moldeo empleada para su fabricación y los tipos de imperfecciones de fabricación registradas como defectos. El último punto del marco teórico, refiere a los principios físicos en el funcionamiento del dispositivo empleado para la detección de discontinuidades en el material. 3.1 Fundiciones de hierro. Son aleaciones de hierro con altos porcentajes de carbono y silicio. Su contenido en carbono (entre 2 w/o y 4,5 w/o) es superior al contenido en carbono de los aceros (0,1 w/o a 1,5 w/o). En principio no pueden ser sometidas a procesos de conformado plástico, además presentan poca solubilidad de carbono en su matriz evidenciándose formación de grafito libre, el cual adopta distintas formas de agregación de acuerdo al tratamiento que se le de al material ferroso (hojuelas, nódulos, rosetas, etc). El grafito libre propicia la solidificación eutéctica según el diagrama estable Hierro-Carbono-Silicio entre 1130°C y 1250°C (Figura 3.1). (2) El contenido en carbono determina el tipo de evolución dendrítica durante el enfriamiento de la aleación, así como las propiedades mecánicas que ésta adopta con la evolución de las estructuras de crecimiento en la matriz solidificada. Es por ello que una de las clasificaciones para las fundiciones consiste en su designación por su tenacidad cuando ésta es sometida a tensión, la cual está directamente influenciada por el contenido en carbono que presente en su composición. 12 En la tabla 3.1 se registran los diferentes tipos de fundición según las normas ASM A48 y ASM A536. La figura 3.1 ofrecida a continuación, registra las distintas fases y composiciones de las fundiciones de hierro para el diagrama Fe-C, cabe destacar que las fundiciones nodulares presentan mayores contenidos en carbono que las fundiciones grises, aleaciones analizadas en la presente investigación. Figura 3.1 Diagrama General Hierro-Carbono. Se muestra entre líneas grises el intervalo de composición de las fundiciones de hierro más comunes y los diagramas de solubilidad estable y metaestable. (9-23) • Porcentaje de carbono equivalente (%CE). Las propiedades mecánicas dependen de la cantidad y forma del grafito en la matriz ferrosa. Cabe destacar que el diagrama Hierro-Carbono representado en la Figura 3.1 muestra la composición en las zonas de solidificación y las fases presentes para una composición ternaria hierro-carbono-silicio de 1,5% en Si (Silicio). También figura el porcentaje de carbono equivalente %CE (C w/o), el cual determina cuán cerca de la composición eutéctica está un determinado análisis químico de las aleaciones hierro-carbono-silicio. Para el carbono equivalente , la aleación es eutéctica con un valor de 4,3 w/o. 13 A continuación se muestra la expresión para el cálculo del carbono equivalente. (23) %CE = %C + % Si + % P 3 (1) La aparición del grafito en vez de carburo de hierro (Fe3C) en las aleaciones hierro carbono, se debe a la inestabilidad del carburo o cementita en determinadas circunstancias y condiciones que hacen imposible su existencia y favorecen, en cambio, la formación de grafito; tales como los elevados porcentajes de silicio, los enfriamientos relativamente lentos, formación mayoritaria de fase eutéctica y la presencia de puntos de nucleación en la fase líquida. En general el grafito se forma preferentemente a elevadas temperaturas, en algunos casos se forma directamente, en otros se forma al desdoblarse la cementita en grafito y hierro, según la siguiente reacción: Fe3C ↔ 3Fe + C (2) • Solidificación de las fundiciones de hierro y diagrama estable Fe-C a 2% Si. La mayoría de las fundiciones de hierro se encuentran en una composición de carbono equivalente por debajo del 4,3%, es decir, son de carácter hipoeutéctico. La secuencia de fases durante la solidificación se puede estudiar con la versión simplificada del diagrama ternario hierro-carbono-silicio tomadas en el 2% de Si (Figura 3.2), el cual está más cerca de la realidad para el presente estudio, en el que la composición de silicio esta cercano a este valor. En la figura 3.2, por encima del punto 1, la fundición está completamente en estado líquido; pero a medida que la temperatura disminuye y la línea de líquidus se cruza, la congelación primaria inicia con la formación de dendritas de austenita proeutéctica. Estas dendritas crecen a través del proceso de congelación primaria entre los puntos 1 y 2 de la figura. (11) 14 2 1 3 4 5 El tamaño de la dendrita se rige por el equivalente de carbono; así, bajos equivalentes producen dendritas relativamente grandes, ya que el intervalo de temperatura entre las líneas líquidus y eutéctica es mayor para estas aleaciones que para las fundiciones con equivalente de carbono más elevado. Un enfriamiento rápido promueve una morfología fina para las dendritas. El contenido de carbono del líquido aumenta hasta alcanzar la composición eutéctica del 4,3%. Una vez que es alcanzada esta composición, el líquido se transforma en dos sólidos. Esto se lleva a vcabo entre los puntos 2 y 3. El tipo de sólido formado depende de si la solidificación es después de la reacción eutéctica metaestable o estable. Se forma carburo de hierro (Cementita, Fe3C) y austenita (γ) durante la reacción metaestable y se forma grafito (C) más austenita (γ) durante la reacción estable. 15 Cuando la solidificación eutéctica es completa cualquier otra reacción se lleva a cabo en el estado sólido. Aunque no se muestra en la figura. 3, en el intervalo de temperatura entre las transformaciones eutéctica y eutectoide, marcada por los puntos 3 y 4, la austenita de alto carbono rechaza de carbono, que se difunde a las escamas de grafito. Esto permite a la austenita adquirir la composición necesaria para la transformación eutectoide, lo que, en condiciones de equilibrio, se lleva a cabo entre los puntos 4 y 5. Esta transformación consiste en la descomposición de la austenita en perlita o ferrita más perlita, dependiendo de factores tales como la velocidad de enfriamiento y el contenido de la aleación del hierro. 3.1.1 Tipos de fundiciones ferrosas. Según su fractura se reconocen dos tipos de fundiciones: la fundición gris, caracterizada por una fractura de coloración oscura dada por la presencia del grafito (C) en hojuelas en el material como resultado de la solidificación en el diagrama estable; y la fundición blanca, cuya fractura es cristalina ya que se produce a lo largo de las placas de carburo de hierro o cementita (Fe3C) como resultado de la solidificación metaestable, ver Tabla 3.1. Mediante el desarrollo de las técnicas metalográficas es posible caracterizar y clasificar los tipos de hierro según sus características microestructurales con el fin de diseñar procesos que permitan constituir un conjunto de propiedades mecánicas previstas en un mismo material de hierro. El conocimiento de la correlación entre el tipo de estructuras, las propiedades de la aleación de hierro y los factores que las afectan, permitió desarrollar nuevos materiales de fundición. A continuación se presenta una clasificación tabulada según el aspecto de la fractura y el esquema de la microestructura observada por microscopía óptica. (2) 16 Tabla 3.1. Clasificación de fundiciones de hierro. Designación comercial, su microestructura y tipo de fractura (ASM Vol.1). (2) Denominación Superficie de Matriz Fase Comercial fractura solidificada rica en carbono Representación de Constituyentes microestructura de la Matriz (100x) Fundiciones Gris de Hierro Gris Ferrita: E.L. Perlita: E.M. Resistencia Aplicaciones a Tensión frecuentes (psi) Clase 20/40 Ferrita 12000 a 40000 Bloques de Grafito o A48 motor, Laminar Perlita tambores de 28000 a 54000 (hojuelas) freno acueductos Gris brillante (plateado) Fundición Gris con grafito Cigueñales, Ferrita: E.L. Grafito Ferrita 65000 engranajes, Perlita: E.M. Esferoidal Perlita A536 válvulas, (nódulos) Austenita Perlítico cuerpo de 80000 bombas Ferrita Ferrítico Piezas para 40000 De Hierro Dúctil Fundición Ferrítico Ferrita: E.L. Grafito Vermicular Perlita: E.M. Compactado o (nódulos y Perlita compacto tractores y herramientas hojuelas dispersas Perlítico y con poca 65000 agrícolas definición) Tratamiento Carburo Fundición Blanco Térmico de hierro Blanca (enfriamiento rápido) Perlita Comportamiento Ruedas de (cementita) o frágil molino de alta (Fe3C) Martensita dureza (ausencia de grafito) Gris brillante Fundición Maleable Ferrita: E.L. (plateado) Perlita: E.M. Aplicaciones Grafito Ferrita Ferritico para Templado o 53000 temperaturas (rosetas) Perlita elevadas Perlítico 105000 (*) E.L.: Enfriamiento Lento. E.M.: Enfriamiento Moderado. 17 3.1.2 Efectos de los elementos contenidos. • Carbono (C). (7) El carbono puede estar presente bajo la forma elemental como grafito y en forma de carbono combinado o carburo de hierro (cementita, Fe3C). La generación de grafito en las aleaciones hierro-carbono, es debida a la inestabilidad del carburo de hierro (cementita) en determinadas condiciones que hacen imposible su existencia favoreciendo la formación del grafito libre según la siguiente relación: Fe3C → 3Fe + C (3) En la práctica rara vez se transforma todo el carbono en grafito. Las fundiciones grises, (en el proceso de enfriamiento que sigue a la solidificación), suelen presentar en primera instancia grafito en la zona de temperaturas elevadas y superiores a 900o, luego suele formarse la cementita a baja temperatura, en una etapa de transformación próxima a la zona para la formación de perlita en el diagrama metaestable (ver figura 3.1). Los análisis químicos rutinarios reportan el porcentaje de carbono total; y tanto la forma como la distribución de las partículas que contienen carbono, influyen notablemente sobre las propiedades físicas, químicas y mecánicas de las fundiciones. Cuando la grafitización es completa, el porcentaje de carbono total es igual al porcentaje de carbono grafítico. Se define el grado de grafitización mediante la relación: %CTotal = %C Libre + %C Combinado (4) El grafito se forma preferencialmente a temperaturas elevadas, y en las fundiciones hipereutécticas se da más fácilmente la formación de grafito cuando parte de la aleación está todavía fundida, que cuando toda ella se encuentra en estado sólido. 18 En las aleaciones hipereutécticas, el carbono suele presentarse más fácilmente en forma de grafito proeutéctico que en forma de grafito eutéctico. El carbono tiene gran influencia al igual que el silicio (Si); en efecto, pequeñas variaciones de carbono (C), hacen que en determinadas circunstancias la fundición pueda pasar de gris a blanca (ver Tabla 3.2). • Silicio (Si).(7) El silicio aumenta la fluidez del líquido y afecta el proceso de solidificación promoviendo la grafitización; sin embargo, cuando el contenido es menor al 1 w/o no es suficiente para ello. Por cada 1% de silicio, la composición eutéctica se desplaza hacia la izquierda del diagrama aproximadamente 0,3% de carbono, lo cual abate la temperatura a la cual la aleación empieza a solidificar. El silicio se presenta normalmente en las fundiciones en forma de siliciuro de hierro disuelto en la ferrita o hierro alfa, no pudiendo observarse directamente su presencia por medio del examen microscópico. Cuando se encuentra presente en pequeñas cantidades, variables de 0,1% a 0,6%, no ejerce influencia importante. En cambio, cuando el silicio se halla presente en porcentajes variables entre 0,6% a 3,5%, ejerce indirectamente una acción muy destacada y contribuye a la formación de grafito, que modifica completamente el carácter y las propiedades de las aleaciones hierro-carbono. La figura 3.3 muestra la relación entre el contenido de Si y C en las fundiciones de hierro. Figura 3.3 Diagrama de Maurer. Incidencia del contenido de Si en la formación de distintos los tipos de fundición de hierro. (9) 19 • Manganeso (Mn).(7) El manganeso es un estabilizador de carburos. Los efectos del manganeso están íntimamente asociados al azufre presente y al solvente hierro. El hierro forma sulfuro de hierro (FeS) que tiende a segregarse en la intercara líquido-sólido durante la solidificación, y precipita en las últimas etapas del proceso. El manganeso puede modificar la microestructura del grafito, porque incide sobre su proceso de crecimiento. Cuando hay presencia de manganeso, este promueve la resistencia a la grafitización; por lo tanto, el contenido de manganeso necesario para reaccionar con azufre, sirve para retener micro estructuras perlíticas, generando así las matrices perlíticas en las fundiciones de hierro. • Azufre (S).(7) El azufre contenido en las fundiciones grises comerciales oscila entre 0,06 y 0,12%. Sus efectos sobre el carbono son contrarios a los del silicio, por lo tanto genera la tendencia del material a constituirse como fundición de hierro blanca, dura y frágil. Cuando el azufre es menor a 0,25 w/o actúa como fuerte agente modificante en las fundiciones grises; si es menor a 0,001 w/o ayudará a la grafitización conduciendo –en el estado sólido- a promover la transformación de las dendritas de austenita primaria a ferrita. Si el contenido de azufre es alto, habrá tendencia a retener una microestructura totalmente perlítica en la fundición gris. Tenores de azufre mayores a 0,24 w/o contribuyen a valores de dureza indeseables. • Fósforo (P).(7) El fósforo forma el eutéctico hierro-fosfuro de hierro denominado Esteadita característica de las fundiciones blancas, posee temperatura de fusión entre 955 y 982oC. Sus principales características son de relativa fragilidad y baja tenacidad; también aumenta la fluidez y amplía el intervalo de solidificación del eutéctico, lo cual incrementa la grafitización eutéctica cuando el contenido de silicio es alto y el fósforo es bajo. Es útil para mejorar el llenado de piezas de espesores delgados. 20 El fósforo es segregado en las áreas que solidifican de último, por lo tanto, en la microestructura de las fundiciones, la esteadita tiende a formar una red continua que delinea las dendritas de austenita proeutéctica. Esto hace que la microestructura de las fundiciones cuando es vista a bajos aumentos, revele patrón celular. • Magnesio (Mg).(7) La adición de magnesio o de otros elementos alcalinos a la fundición líquida alteran el mecanismo de solidificación de la fundición, provocando la separación de grafito en forma nodular o esferoidal; además del nodulizante, es necesario añadir un elemento inoculante a la fundición que asegure la formación de grafito libre. Su acción combinada con la del inoculante produce la esferoidización del grafito. Normalmente el magnesio se añade en forma de aleaciones cuaternarias en las que está combinado con el hierro, el cerio y el silicio; o las aleaciones donde están presentes el cobre, el hierro y el silicio. En la Tabla 3.2, el carbono, el silicio (Si), fósforo (P), azufre (S) y manganeso (Mn) conforman los elementos típicos de las fundiciones ante el análisis químico rutinario, siendo el magnesio el aditivo nodulizante en las fundiciones nodulares o dúctiles. Tabla 3.2.Composiciones Químicas típicas de las Fundiciones de Hierro. (4) Microestructura Gris Blanca Nodular Carbono 2,5 - 4,0 1,8 - 3,6 3,0 - 4,0 Silicio 1,0 - 3,0 0,5 - 1,9 1,8 - 2,0 Manganeso 0,4 - 1,0 0,25 - 0,8 0,15 - 0,70 Azufre 0,05 - 0,25 0,06 - 0,2 0,03 máximo Fósforo 0,05 - 1,0 0,06 - 0,18 0,1 máximo Magnesio --------------------- --------------------- 0,01 - 0,10 (w/o) Elementos 21 3.1.3 Principales constituyentes microscópicos en las fundiciones. Las fundiciones de hierro presentan distintos estados de agregación en su matriz de acuerdo a la composición de la aleación y a la velocidad de enfriamiento durante su transformación. Estos son los dos fenómenos que determinan la distribución de las fases en la matriz luego de la transformación eutéctica. El grafito, la ferrita, perlita, cementita, ledeburita y steadita conforman el grupo de constituyentes más importantes presentes en las fundiciones de hierro. A continuación se explicará con detalle la ingerencia del carbono libre (grafito) en la matriz de las fundiciones de hierro, los demás constituyentes serán detallados en la tabla explicativa adjunta (Tabla 3.3). (4) • Grafito (Carbono libre). (4) Constituye la forma elemental del carbono. Es blando untuoso, de color gris oscuro, con peso específico aproximadamente un tercio del que tiene el hierro puro. Se presenta en estado libre en algunas clases de fundiciones ejerciendo gran influencia en sus propiedades mecánicas y características, las cuales dependen fundamentalmente de la forma del grafito, tamaño y forma en que se encuentre distribuido. El porcentaje elevado de silicio (1,3 y 3,0% Si) y el enfriamiento relativamente lento favorecen su formación. En algunos casos el grafito se genera directamente, y en otros se forma al desdoblarse la cementita en grafito y hierro. Se presenta en forma de hojuelas para las fundiciones grises, y nódulos para las fundiciones nodulares, sin embargo presenta variaciones de distribución (algunas consideradas como defectuosas) en la matriz de hierro de acuerdo a las condiciones de diseño del material de fundición (ver Tabla 3.1). Esta estructura causa la coloración gris en las superficies de fractura de las fundiciones grises. 22 Cuando se generan nódulos de grafito en la matriz, presenta mayor resistencia que las fundiciones grises. En general, la presencia de grafito en cantidades importantes, disminuye la dureza, la resistencia y el módulo de elasticidad en comparación con los valores que corresponderían a las mismas microestructuras sin grafito; este constituyente, además, reduce casi a cero la ductilidad, tenacidad y la plasticidad en el material. Las hojuelas de grafito concentran esfuerzos, reduciendo las contracciones durante la solidificación; causando baja resistencia y ductilidad, y mejorando las condiciones de maquinado luego de la solidificación (ver Tabla 3.3). La presencia de grafito presenta varias propiedades atractivas: genera alta resistencia a la compresión, adecuada resistencia al desgaste por fricción y fatiga térmica (en cierto modo el grafito actúa como un lubricante), gran estabilidad química, buena conductividad térmica y amortiguamiento contra la vibración; sin embargo su presencia presenta desventajas mecánicas a tracción, estas consisten en que cada laminilla de grafito puede producir el inicio de fisura cuando se concentran esfuerzos en determinados puntos, por ende, los avances en manufactura han logrado modificar el tamaño o la disposición de estas laminillas, obteniéndose morfologías esféricas (nódulos) de grafito en la matriz ferrosa. En la Figura 3.2 se observa las distribuciones más comunes del grafito libre dentro de la matriz ferrosa de las fundiciones de hierro. (9) Figura 3.4 Clasificación de las distintas distribuciones del grafito. ASTM A247. (2) 23 Con el diseño de las fundiciones nodulares, es minimizada la incidencia de las líneas de propagación para las posibles fallas, ya que las dislocaciones generadas en la deformación de la red cristalina pueden bordear el grafito esferoidal antes de generar una falla. • Microconstituyentes típicos en las fundiciones de hierro. Tabla 3.3. Microconstituyentes notables en las fundiciones de hierro. (17) Constituyentes Aspecto de la Composición Propiedades Dureza Sistema Fundiciones micro- Escala cristalino de hierro en estructura Rockell-C (esquema) las que se Aumento encuentran 100x HRC Carbono libre. refractario HEXAGONAL alótropo Grafito 100% C Esquema de roseta carbono. Mejora la resistencia al Fundiciones desgaste mecánico y a la grises, Aumenta la capacidad de ser maleables y mecanizado. Reduce las vermiculares contracciones durante la (compactas) resistencia, representada en tres (9) 1,5 a 2 corrosión. solidificación, de grafito dimensiones. del nodulares, dureza, módulo de elasticidad, tenacidad y plasticidad. Hierro alfa casi puro, de En todas CUBICO 0,021% C máx Ferrita (α α) Pequeños baja dureza y de fácil mecanizado. Puede porcentajes de: obtenerse por colada o %Si, %P como resultado de un excepto en 0 RC las fundiciones (120 HB) CENTRADO blancas tratamiento térmico. Compuesto intersticial de alta dureza y gran Cementita 6,67% C fragilidad. Baja resistencia (Fe3C) y tensil (5000 psi) y alta 68 Fundiciones blancas 24 93,3% de Fe. Contiene seis De composición química partes de hierro y constante. Perlita α) (Fe3C+α ORTORROMBICO resistencia compresiva. Algunas Mezcla fundiciones una de carburo, mecánica entre ferrita y correspondientes cementita. Resistencia a ORTORRÓMBICO 20 Y blancas y todas las de CÚBICO a: 13,5% Fe3C y tensión 113800 psi y CENTRADO matriz 86% Fe, a 0,9% alargamiento de 15% en perlítica C y 99,1% Fe. (grises, dos pulgadas. nodulares, compactas) Contiene 10% de Compuesto duro y frágil. Steadita fósforo y CUBICO tiene En las fundiciones blancas CENTRADO peso específico la steadita está constituida similar al hierro. En algunas de fundiciones Fundiciones del por un eutéctico ternario ferrita, fosfuro de se hierro y cementita. En las añade 0,5% a 1% fundiciones grises blancas, maleables y 36 las fundiciones grises. de fósforo para zonas de steadita suelen conseguir que se ser un poco más elevada forme steadita y en dureza que las demás mejorar la aptitud zonas. al rozamiento. Fundiciones Ledeburita 52% γ Se forma a 1145° C. ------------ blancas, maleables. 4,3% C. Se presenta en el La Ledeburita no existe a No Se presenta rango de temperatura ambiente en medible como defecto composición entre las fundiciones ordinarias. 2,14% a 6,67% C. en las fundiciones grises. 25 3.1.4 Temperatura de colada y tiempo. La temperatura de colada debe permitir la colocación del metal en el molde a un nivel superior a la línea líquidus, evitando así la formación de nódulos durante esta etapa. El flujo del metal ideal puede estar entre los 7 y 12 Kg/s, valores inferiores conllevan a pérdidas de temperatura por bajas velocidades de llenado; mayores velocidades de flujo traen como consecuencia regímenes turbulentos en los canales de alimentación, los cuales deben estar diseñados cumpliendo la condición de mantener la velocidad de flujo en el rango adecuado. Los valores recomendados por la AFS (9) para la temperatura de vaciado o colada son: FUNDICIÓN Tv (°C) Gris 1380 - 1420 Nodular 1390 - 1420 Vermicular 1410 - 1420 3.2 Procesos de fabricación de las fundiciones. • Inoculación.(5) Proceso de dosificación de aditivos sobre el baño metálico (durante el vertido de la cuchara de reacción hacia la cuchara de colada en la Figura 2.1.b) que favorece la nucleación heterogénea del grafito. El punto de fusión del grafito se ubica por encima de los 4000° C, por lo cual actúa como agente de nucleación heterogénea en el líquido metálico. El añadido de inoculante no afecta la composición del baño metálico, pero puede modificar la microestructura de las fundiciones. La eficiencia del inoculante depende del tiempo de permanencia en el líquido metálico, y es mayor cuando se añade al metal líquido que cuando se añade a la carga del horno. 26 Los inoculantes modifican el número de celdas eutécticas independientemente de la composición de la aleación, de la velocidad de enfriamiento y de la temperatura de sobrecalentamiento. También reducen el grado de subenfriamiento durante la solidificación, evitando la presencia de carburos en la estructura y disminuyendo la formación de ledeburita; por otro lado, modifican la forma y tamaño del grafito y las temperaturas del eutéctico estable. Los principales inoculantes son: calcio, aluminio, estroncio, bario, titanio. • Nodulización.(5) Proceso de fabricación de fundiciones nodulares en el cual la presencia de agregados que alteran el mecanismo de solidificación de la fundición, provocan la separación del grafito en forma nodular. La adición del nodulizante, así como otros aditivos como el grafito mineral y demás ferroaleaciones, se dispone en el fondo de la cuchara de reacción antes de alojar al baño desde el crisol principal. Al igual que los inoculantes, estos no alteran la composición química de la aleación como conjunto. Los materiales especiales que se añaden al líquido contienen elementos como magnesio o cerio en cantidades que oscilan entre 0,02w/o y 0,04 w/o. Luego de la solidificación y al igual que las hojuelas de grafito en los hierros grises, estos nódulos interrumpen la continuidad de la matriz, pero dicha interrupción es menos severa; esta condición mejora la resistencia y la tenacidad, ya que durante la migración de dislocaciones durante la deformación plástica, estas bordean los nódulos antes de generar una falla de red que provoque la fisuración del material. De allí que reciban el nombre de fundiciones dúctiles. • Escorificación.(5) Recolección y extracción de compuestos indeseables en el baño (óxidos metálicos y sulfuros de metal) que disminuyen la calidad del líquido metálico por medio de un proceso de floculación, y evacuación mecánica de estos. Para ello, antes del vertido de moldes es añadido un aditivo de sales de calcio (CaCO3) al baño líquido (en la cuchara de colada después del proceso de inoculación); posteriormente el operador remueve la superficie del líquido metálico para conseguir la aglomeración de la escoria sobrenadante para luego retirarla con la ayuda de una cazuela de mango alargado (ver Figura 2.1.c). 27 3.3 Moldeo de las fundiciones de hierro en arena verde. El moldeo en arena verde es un proceso de fabricación por vaciado y solidificación del metal .consiste en la fabricación de piezas fundiendo el metal o aleación y vertiéndolo en moldes preparados con un aglomerado comprimido y homogéneo de arenas compuesto de sílice (SiO2), arcilla (bentonita sódica y/o cacica), materia orgánica y agua. El término "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene arena húmeda al momento del vaciado. El proceso inicia con el diseño de la pieza que se desea fabricar, luego es construido un modelo a escala real elaborado en madera o yeso (ver Figura 3.3.b). A partir del modelo se construye el molde de arena, confinada en contenedores para vaciado (cajas de moldeo). (5) 3.3.1 Cajas de moldeo. Las cajas de moldeo son constituidas por marcos (o bastidores) destinados a contener la arena del molde, en esta es impreso el espacio donde se aloja el líquido metálico para su conformación geométrica y solidificación, de allí la necesidad técnica de emplear dos o más secciones, para lograr la configuración interna del molde y sus respectivos canales de alimentación (ver Figura 3.4.a). En general, estos bastidores constan de una parte superior (sobre) y otra inferior o de fondo (bajero), provistas de clavijas para acoplarlas entre sí y de pines para fijar su posición durante el vaciado (ver Figura 3.4.b). Una vez confeccionados los dos marcos contenedores de arena, estos se acoplan constituyendo el molde ya preparado para la colada o vaciado. 28 a) b) Figura 3.5 Disposición geométrica en las cajas de moldeo. a) Representación esquemática del modelo para fundición y su respectivo molde compuesto de dos secciones que constituyen el molde (sobre y bajero) en ellos se indica el canal de alimentación. b) Bastidores o marcos de moldeo 3.3.2 Macho o Noyo Cabe destacar que muchos de los productos de fundición (tuberías, válvulas, manchones para junta universal, artilleras, etc) presentan configuraciones internas que deben ser diseñadas para conformarse correctamente durante el vaciado. Para ello es fabricado el macho de fundición o noyo; el cual esta hecho de resinas termoestables y arena sílice compactada (ver Figura 3.4.b), esta pieza sólida presenta las dimensiones correspondientes a la cavidad interna del producto a ser moldeado. El noyo es instalado durante la confección del molde quedando atrapado en los espacios que posteriormente se llenan con el líquido metálico (ver Figura 3.4). 29 a) c) b) Figura 3.5 Machos y canales de alimentación en el molde de una artillera para rueda de transporte pesado. a) Artillera para rueda de camión. b) Conjunto de noyos para la configuración interna de la artillera. c) Sección superior del molde. Se aprecian los canales de alimentación y el orificio del bastón de entrada al molde. Cortesía FIMACA 3.3.3 Moldes conformados con arena en verde. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia mecánica en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas, unas de ellas es que la humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza (ver Propiedades del las arenas de moldeo). • Arena de moldeo en verde. La arena “verde” recibe esta acepción para denotar que no ha sido endurecida por horneado, y para diferenciar otros procesos de moldeo donde la arena es aglutinada por resinas termoestables y curada en un horno. La arena verde está constituida por arena sílice (SiO2) entre un 80-90%, arcilla (bentonita sódica o bentonita cálcica) entre un 4 y 9%, carbón de moldeo y un porcentaje de agua e impurezas que oscila entre un 2 y 6%. a) b) c) 30 • Componentes principales de las arenas de moldeo. (6,8) Arena sílice (SiO2): Constituyente básico de las arenas de moldeo. Su punto de fusión es de 1704° C. Se clasifican según su morfología en redondeados, angulares y subangulares; esto según el coeficiente de angularidad determinado por la relación entre la superficie real del grano de arena y la superficie que tendría ese mismo grano siendo perfectamente esférico. Bentonita: Su función es enlazar las arenas en presencia de agua. Está constituida básicamente por 90-95% de montmorillonita, 3-5% de cuarzo, y de 3-5% de feldespato. Se emplean usualmente dos tipos de bentonitas; las bentonita sódica (su ión intercambiable es el Na+), la cual presenta buena resistencia en frío y en caliente, y la bentonita cálcica (su ión intercambiable es el Ca+), presenta muy buenas propiedades en frío y malas propiedades en caliente. Carbón de moldeo: Su función principal es mantener un medio reductor, así como dar fluidez a la arena de moldeo durante el malaxado y conformación del molde. Agua: El hecho de que la molécula del agua sea un dipolo, le permite su autoalineación ordenada. En su estado líquido el ordenamiento del dipolo se refuerza con la presencia de fuerzas electroquímicas similares a las que se originan en la interfase líquido-sólido. Una película de agua sobre la superficie de un sólido (grano de arena), puede concebirse como una serie de moléculas dipolares superpuestas, a medida que la distancia desde la superficie aumenta, la orientación, el grado de alineación y la rigidez disminuyen; pero las primeras capas (cuatro como máximo) se comportan como un cuerpo rígido fuertemente adherido a la superficie. Esta condición de rigidez permite buena compactación en el conformado del molde y a su vez un comportamiento mecánico óptimo de las arenas de moldeo cuando alojan el líquido metálico durante la solidificación. 31 • Propiedades de las arenas de moldeo. (9) El principal motivo por el que se utilizan arenas minerales en la fabricación de los moldes de fundición es el carácter refractario de estos materiales. Es necesario emplear un material que resista las altas temperaturas de colada del metal líquido sin que ello suponga modificaciones físico-químicas tanto en los moldes como en las piezas finalmente obtenidas tras la solidificación. Por otra parte, la utilización de moldes de arena permite minimizar el tiempo destinado a las operaciones de separación entre las piezas ya sólidas y los moldes. Las arenas no constituyen una materia contínua sino un empaquetamiento de granos con diferentes formas y tamaños, por lo que su morfología física adquiere una relevancia especial en el desempeño del molde, por ellos es necesario tener en cuenta las características morfológicas de las unidades estructurales que la componen (granos). Adicionalmente, el grado de compactación o empaquetamiento alcanzado también debe ser considerado a la hora de fabricar moldes aptos para la colada del metal líquido. En este caso, son tres los factores morfológicos que afectan al tipo de grano presente en las arenas de fundición: la forma, el tamaño y la distribución. La Figura 3.6 muestra una clasificación de los granos atendiendo tanto a su redondez como a la esfericidad requeridas desde un punto de vista insdustrial. Figura 3.6 Clasificación de los granos de arena En base a su morfología externa se clasifican por el grado de esfericidad y el perfil redondeado o angular que presente su superficie. 32 La arena como tal no tiene suficiente resistencia para conservar su forma, por ello es mezclada con el aglutinante (arcilla) activado con agua para darle resistencia al conjunto, esta composición recibe el nombre de arena en verde, manteniendo aglutinada las arenas silíceas (sistema arenaagua-arcilla). Las mezclas de arena en verde empleadas para el proceso de colada están constituidas por los siguientes materiales: - Arena lavada, generalmente constituidas por granos de sílice (± 80%). - Material aglutinante, una arcilla con el fin de unir los granos de sílice (± 9-10%). - Agua, como activador de la arcilla (± 3-4%). - Materiales carbonosos u orgánicos (4-6%) para lograr la liberación del calor. En el caso de la fabricación de machos o noyos, las mezclas de arena están constituídas por la arena base (99-98%) aglomerada con resinas furánicas (1-2%) ver figura 3.5.b). Los materiales se deben mezclar de manera homogénea obteniéndose un producto apto para el moldeo y la posterior fabricación de piezas. Las mezclas de arena inciden directamente en la calidad de las piezas, tanto como el material que constituye el líquido metálico para la colada. En cualquier caso se trata de materiales necesariamente reutilizables en el circuito de fabricación, por lo que el conocimiento y el control de las características de las mezclas de arena, antes y después de la fabricación de las piezas, es un aspecto fundamental a la hora de optimizar los procesos de fundición. La Figura 3.7 muestra las diferentes etapas por las que pasan las mezclas de arena dentro de un proceso de fabricación de moldes para colada. 33 Figura 3.7 Ciclo general de la arena en un proceso de fundición en la planta FIMACA.(9) La conjunción de los materiales que constituyen la arena verde conduce a la confección de un material de moldeo cohesionado capaz de soportar los choques térmicos sin colapsar (refractariedad), con cierta resistencia mecánica para soportar su contenido conservando la reproducción del modelo (resistencia a la compresión en verde), suficiente porosidad que permita el libre escape de los gases (permeabilidad) y de la suficiente humedad para evacuar los gases provenientes de la solidificación cuando el metal líquido se introduce en la cavidad del molde. Los poros no deben exceder en tamaño ya que fomentarían la penetración del metal líquido dentro de las porosidades de la arena (defecto superficial “penetraciones”), pero tampoco pueden estar tan reducidos como para impedir el evacuación de los gases en evolución ya que podrían quedar atrapados en el interior de la pieza o en la superficie de esta (atrapamiento de gases y defectos superficiales) durante su solidificación. 34 El comportamiento del molde de arena también esta determinado por su contenido en arcilla, la forma y tamaño de las arenas (granulometría), la cantidad de agua (humedad), el tipo y cantidad de impurezas, la calidad de mezclado de los componentes de las arenas (malaxado), la intensidad de apisonado (presión en la conformación del molde) y la temperatura de la arena de moldeo. 3.3.4 Vaciado. Al concluir la solidificación del material metálico, éste ha retenido la forma deseada. Luego es destruido el molde, quedando el objeto sólido conformado. En la Figura 3.8 puede ser apreciado el vertido de líquido metálico en el orificio de alimentación de un molde confeccionado en arena verde. (4) Figura 3.8. Vertido en el molde. Correspondiente a la línea dos, área de moldeo automático de la planta FIMACA. Son indicados los orificios de entrada de los moldes (flechas). Durante el vaciado sólo se evidencia la cavidad de entrada al canal de alimentación por el cual el operario realiza el vertido del líquido metálico sobre el molde. Cabe destacar la importancia de la baja tensión superficial del metal en estado líquido para la reproducción fiel del molde, limitándose éste al conformado geométrico de la pieza y el transporte de gases durante la solidificación (ver Figura 3.9). 35 Figura 3.9 Tensión superficial del metal. Se aprecia metal de hierro derramado en torno al canal de alimentación en uno de los moldes FIMACA. 3.4 Defectos en las fundiciones de hierro obtenidas por moldeo en arena verde. Los defectos obtenidos en la manufactura del metal que dan lugar a rotura en servicio o merma estética, pueden originarse en el transcurso de los procesos que constituyen la obtención de los productos metálicos, a saber: durante la preparación del líquido metálico, en el vaciado y alimentación de los moldes, durante la solidificación y enfriamiento del metal en estos, o incluso en la extracción del molde y refrigeración de los productos metálicos En la amplia variedad de los defectos generados por vaciado y solidificación, las fundiciones comerciales grises y nodulares presentan discontinuidades típicas atribuibles a la composición química del baño, la condición de solidificar a temperaturas relativamente bajas, generando grafito libre en la matriz metálica; pudiendo comprometer la calidad de la aleación de no realizarse tal manufactura de manera eficaz. Esta recopilación tomará como objeto de estudio, el grupo de imperfecciones registradas por detección visual y enlistadas por la Oficina de Aseguramiento de la Calidad (ASC) de la empresa FIMACA (defectos presentes en fundiciones grises y nodulares); y como referencia técnica el análisis acerca de los orígenes metalúrgicos de las discontinuidades, ofrecido por el Comité Internacional de la Asociaciones Norteamericana de Fundidores (American Foundry Society)(18) . 36 Además, se extiende hacia el estudio de imperfecciones registradas como Fuera de Especificación, muchas de ellas no detectables a simple vista y que también forman parte de la realidad en la línea de producción en estudio. La Asociación Norteamericana para pruebas en Materiales ASTM (American Society for Testing and Materials) a través de la Asociación Norteamericana de Fundidores, propone un registro explicativo y esquemático acerca de las variables que inciden en la generación de los defectos, adicionalmente se presenta el análisis de las posibles causas que los originan y adicionalmente un sistema de clasificación presentado en tablas. Las figuras esquemáticas, así como la propuesta de una nueva clasificación de los defectos, las posibles causas que los producen y algunas sugerencias técnicas recopiladas por las normas internacionales, son los aportes que ofrece esta sección. 3.4.1 Defectos presentes en los productos de fundición FIMACA. El registro de discontinuidades e imperfecciones se rige a nivel global por estándares internacionales aportados por entidades técnicas encargadas de emitir y actualizar lineamientos de uso internacional en el campo metalmecánico y de materiales (Normas ISO, ASTM Interacional, AFS, etc.). Dichos lineamientos son certificados por las organizaciones internacionales reguladoras competentes (Bureau Veritas Internacional, Covenin de Venezuela, etc.), esto provee un registro confiable a la industria metalmecánica para la comercialización de sus productos. La empresa de Fundición Industrial Mecánica y Artística FIMACA ha operado desde sus inicios (1950) según las normas internacionales (American Section of the International Association for Testing Materials ASTM, American Foundry Society AFS y la ASM Internacional), garantizando la provisión de sus productos en la confiabilidad de los estándares de calidad. El registro para el control de calidad de esta empresa contempla un grupo de veintiún (21) tipos de discontinuidad catalogadas como defectos según la Norma ASM 603-023 y la Norma ASM 603-011 (ver Tabla 3.3). 37 Tabla 3.4 Defectos principales en FIMACA. Catalogados por la Oficina de Aseguramiento de la Calidad (ASC). (1) Defecto # Esquema Defecto # Rechupe 01 Escoria 11 Tierra caída (Erosión en Molde) 02 Noyo mal rebabado (Noyo Protuberante) 12 Metal frío (Junta Fría) 03 Noyo mal reparado (Noyo remendado) 13 Maltrato (Ruptura) 04 Noyo Roto (Noyo Colapsado) 14 Filtración 05 Llenado incompleto 15 Tierra Metalizada (Arena Vitrificada 06 Muestra de grafito amorfo (Clavo Malo) 16 Flotación de Noyo (Noyo desplazado 07 Sopladuras 17 Poros (Porosidades) 08 Fuga 18 Molde Roto (Molde colapsado) 09 Mal perforado 19 Desplazamiento 10 Fuera de especificación 20 Esquema • Rechupe. (14) Se evidencia como un hundimiento de la configuración superficial original de la pieza (rechupe primario), pudiéndose presentar como cavidades en el interior de la pieza (rechupe secundario). Los rechupes de tipo primario evidencian superficies redondeadas que convergen hacia un punto central en la profundidad de la pieza, lo mismo que superficies irregulares con aspecto cavernoso y evidente formación dendrítica, lo cual es común para ambos tipos de rechupe. 38 Medidas correctivas: - Mantener la temperatura de colada en el rango de 1380° C – 1440°C. - Controlar los parámetros de la arena según los parámetros AFS y ASTM (9,20). - Localizar sistemas de mazarotas en las zonas de cambios bruscos de sección. • Erosión en molde (Tierra Caída). (14) Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la pieza. El defecto se origina durante un cierre inadecuado de cajas, por el diseño de herramentales inadecuados, o por bajos niveles de compactación en la arena de moldeo. Medidas correctivas: - Mantener una tolerancia de 0,2 a 0,3 mm en las portadas para machos. - Mantener los parámetros de la arena de moldeo según la norma AFS. (9,20) - Realizar el cierre de cajas de manera supervisada y controlada. • Junta fría (Metal Frío). (14) Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro definido por la fusión imperfecta de dos corrientes de metal convergentes. Sus causas son similares a las del llenado incompleto. Se da con frecuencia durante el llenado de geometrías delgadas concurrentes surtidas por canales de alimentación distantes. La incidencia esta relacionada con la temperatura de colada, insuficiente fluidez del metal y el diseño inadecuado de los sistemas de alimentación. 39 Medidas correctivas: - Mantener la temperatura de colada en el rango de 1380° C-1440°C. - Evitar geometrías estrechas de alimentación. - Controlar la composición del metal según los parámetros de fabricación deseados. - Evitar la implementación de machos que puedan actuar como disipadores de calor. • Ruptura por contacto (Maltrato). (14) Durante la etapa de extracción del molde ocurre con frecuencia la ruptura de piezas dentro del sistema rotatorio encargado de liberarla de los excesos de arena ya utilizada. Durante la rotación del cilindro para desmoldeo, su contenido de piezas cubiertas de arena y en etapa final de enfriamiento impactan unas contra otras generando muchas veces agrietamiento y fracturas menores en la apariencia externa de la pieza ya conformada. Medidas correctivas: - Evitar el desmoldeo prematuro de piezas en etapas tempranas de enfriamiento. - Evitar excesiva acumulación de piezas en la etapa de extracción del molde. - Evitar traslados y manejos bruscos en las piezas. - Mantener la temperatura de colada dentro del rango 1380° C-1440° C. • Filtración. (14) Escape de líquido metálico que fluye intersticialmente hacia fuera de la pieza hacia el molde o hacia el macho, generando una pieza incompleta. La incidencia de tal irregularidad durante el vertido, se da comúnmente por deficiencias en la compactación de la arena de moldeo, lo que da como resultado el colapso de estructuras arenosas mal preparadas. La filtración da como resultado metal derramado solidificado unido a una pieza incompleta. 40 Medidas correctivas: - Mantener la dureza del molde en 80 H.G. - Mantener la temperatura de colada entre 1380° C y 1440° C. - Evitar las interrupciones de vertido durante la colada. - Realizar el cierre de cajas de manera supervisada y controlada. • Arena Vitrificada (Tierra Metalizada). (14) Se evidencia como una capa de arena fuertemente adherida sobre la pieza de fundición, dificultando su extracción por técnicas abrasivas. El defecto se localiza por lo general en las zonas de mayor concentración de temperatura de la pieza. Las causas más comunes de este defecto son: reacciones químicas del molde con el metal, insuficiente refractariedad de arena, apisonado inadecuado, baja humedad en la arena del molde, temperatura excesiva de colada. Medidas correctivas. - Mejorar el proceso de regeneración en la arena de moldeo. - Incrementar la cantidad de aditivos hidrocarburos. - Controlar temperatura de colada. - Incrementar grado de apisonado del molde. • Noyo desplazado (Flotación de Noyo). (14) Es la variación defectuosa de la geometría interna de la pieza al solidificar una configuración en donde el alma de fundición o macho no ha permanecido en la posición que requiere el diseño original del vaciado. Esto trae como consecuencia productos geométricamente irregulares y asimétricos donde hay pérdida de propiedades mecánicas en su estructura. 41 Este defecto puede ocurrir por falta de alineación de los machos de fundición o por bajas propiedades en la arena de moldeo. Medidas correctivas: - Comprobar la alineación en las cajas de moldeo (sobre y bajero). - Comprobar periódicamente el estado de los sistemas de acople de las cajas de moldeo. • Poros (Porosidades superficiales y subsuperficiales). (14) Superficiales: Cavidades esféricas que pueden se removidas por mecanizado 1 a 2 mm (0.04 a 0.08 pulgadas) desde la superficie de la pieza (picaduras en la superficie. Surgen como producto de las reacciones entre el carbón y abundante escoria en óxido de hierro que resulta en la formación de monóxido de carbono, lo cual causa picaduras superficiales. La último podría ser agravado por la difusión y la liberación de hidrógeno. Subsuperficiales: Cavidades prolongadas que podrían ser vistas en una sección transversal fracturada, localizada cerca de la superficie de la pieza. Comúnmente detectadas después del mecanizado. En las matrices de hierro fundido, las paredes internas de estas cavidades están normalmente cubiertas con una capa fina de grafito. La profundidad de ellas se extiende bajo la superficie sin exceder los 4 mm (0.16 pulgada). Ocurre especialmente en las secciones delgadas y en la vecindad de las superficies formadas por noyos o machos confeccionados con aglomerantes orgánicos. Se originan durante la oxidación superficial del flujo de líquido metálico al entrar a la cavidad del molde, por reacción con la atmósfera del molde o con el mismo material de moldeo. 42 También surge como el producto de la reacción de óxidos de metal formados con el carbón en el metal líquido, resultando en la liberación de monóxido de carbono. En las zonas adyacentes a la superficie, estas reacciones pueden causar cavidades que podrían ser de mayor tamaño por la liberación de hidrógeno. Cuando la presión de gas es lo suficientemente elevada, se forman burbujas, removiendo el líquido intercristalino entre las células que se han formado en la vecindad de la superficie. Causas de las porosidades: - En el baño: Contenido de oxígeno o hidrógeno excesivo en el baño metálico debido a la inadecuada selección de chatarra y/o al sobrecalentamiento en el proceso de fusión. Presencia de elementos con fuerte afinidad química por el oxígeno; por ejemplo, titanio y aluminio ocasionalmente presentes en inoculantes; temperatura excesiva; excesivos niveles de manganeso: proporción de silicio y/o alto contenido de azufre en hierro gris y hierro maleable. - En el molde: Elevados valores de humedad en molde y/o noyos. En el caso de aglomerante orgánico, demasiado contenido de urea. Medidas correctivas: - Metalurgia: Mejorar los controles en la escogencia de la chatarra, evitando así cargas con adición de materiales nocivos para la química del baño, incrementar silicio y disminuir contenido de manganeso. Evitar introducción de elementos con alta afinidad por el oxígeno, especialmente titanio y aluminio que pueden estar presentes en el ferrosilicio y en materiales inoculantes. Disminuir la temperatura de colada. - Moldeo: Reducir el contenido de la humedad del molde y de la mezcla de la arena del noyo, empleando aglomerantes para molde y noyo con bajos contenidos de urea. 43 • Colapso de Molde (Molde Roto). (14) Se origina durante el vaciado, cuando la presión del líquido metálico sobre las paredes del molde no presenta propiedades mecánicas suficientes para soportar la presión metalostática, ocurriendo el colapso parcial de las geometrías del molde y la entrada de líquido metálico en zonas ajenas al diseño original deseado. Una compactación pobre de la arena de moldeo sumado a un grado de humedad inadecuado, así como bajas propiedades en las entidades agua-arcilla son la causa del colapso del molde antes de que el líquido metálico alcance a solidificar; así, se produce una pieza con serias discontinuidades en su estructura. Medidas correctivas: - Mantener la temperatura de colada entre los 1380° C-1440° C. - Efectuar un control periódico de las propiedades en las arenas de moldeo. - Llevar registro de los valores de composición y compactación de los machos. • Desplazamiento. (14) Se manifiesta como un escalón en el plano sagital de la pieza debido al inadecuado acople de las secciones del molde, evidenciado como el desplazamiento en el plano de partición de la sección superior (sobre) con respecto al inferior (bajero). Ocurre por inadecuado acople en las cajas de moldeo. 44 La presión del metal en el molde ejerce una fuerza de empuje entre las secciones que componen el molde, de no presentar el suficiente ajuste en sus clavijas y pines, ambos módulos pueden verse relativamente desplazados hasta el punto de distorsionar la configuración del molde provocando una pieza defectuosa. Medidas correctivas: Inspeccionar con frecuencia el funcionamiento de los dispositivos de ensamblaje de los - moldes, así como la lubricación de las clavijeras y pines que operan el acople de las cajas de moldeo. • Escoria e inclusiones. (14) Las escorias constituyen impurezas no metálicas atrapadas en el metal vaciado, generalmente asociadas con las exhalaciones gaseosas de la arena hacia el metal (sopladuras) durante su enfriamiento dentro del molde. Por lo general las inclusiones y suciedades se evidencian distribuidas a través de la fundición por distintas causas (arrastre de residuos refractarios del crisol, productos de oxidación y reacción interna); pero son evidenciadas con mayor frecuencia sobre la superficie correspondiente a la caja superior que conforma el molde. Mientras la escoria constituye el conjunto de compuestos complejos como producto de la reacción con sustancias de adición (C, Mn, S, Al, Ti, etc.), tendiendo a separarse espontáneamente durante el baño; las inclusiones presentan segregación en la matriz metálica al punto de generarse crecimientos dendríticos de inclusiones no metálicas durante la solidificación. Medidas correctivas - Usar materiales de chatarra con bajos contenidos de óxido. - Mantener las proporciones relativas del silicio (Si) y manganeso (Mn). 45 -Evitar contenidos de aluminio (Al) y titanio (Ti) en el material de fusión (chatarra). - Mantener el contenido de azufre en porcentajes menores al 0.1%. - Retirar escorias del baño metálico siempre que sea posible durante su preparación. • Noyo Protuverante (Noyo mal rebabado). (14) Este defecto en la pieza se evidencia como cavidades imprevistas en las paredes de la configuración interna de la pieza de vaciado. Son provocadas por las protuberancias (aletas) que acompañan a un macho de fundición (noyo) cuando éste no es preparado superficialmente en forma completa (mal desbarbado) luego de su obtención por aglomeración y compresión en las máquinas de conformado para machos (Sistema Cold Box o de Caja Fría). • Noyo Remendado (Noyo mal Reparado).(14) Durante la manufactura de las almas de fundición (machos o noyos), se da con frecuencia su resquebrajamiento y maltrato durante la manufactura. En ocasiones el macho de fundición no está lo suficientemente dañado como para ser descartado, luego se procede a la reparación en frío con resinas termoestables. Cuando dicha reparación no está bien realizada, el noyo colapsa con la entrada del flujo metálico en la cavidad del molde, provocando configuraciones internas indeseables en la pieza de vaciado. 46 • Noyo colapsado. (14) Fractura parcial o total del alma de fundición o noyo en operación dentro del molde provocada por un mal cierre de las cajas de moldeo, por una confección inadecuada del noyo, o por mala técnica vertido. La inadecuada colocación del noyo y el agrietamiento previo al cierre de cajas no detectado a tiempo, también son causales de este defecto. • Llenado incompleto. (14) Consiste en la omisión del vaciado completo de la pieza debido a la insuficiente cantidad de líquido durante el vertido de molde, pero también por solidificación prematura del líquido metálico en el molde. Este defecto se presenta como grandes orificios con bordes redondeados de aspecto lustroso. La interrupción prematura del vaciado puede originarse por varias razones: obstrucción de los canales de alimentación al ser muy angostos, insuficiente fluidez del líquido o por un rango de temperatura por debajo del recomendado (1380° C y 1400° C). Medidas correctivas: - Contar con suficiente abastecimiento de metal líquido para completar el vertido. - Aumentar temperatura de colada. - Diseñar sistemas de alimentación más efectivos. Corregir la configuración de los canales de alimentación en el molde si es necesario. 47 • Grafito amorfo (Clavo Malo). (14) Consiste en la evidencia que aporta una muestra del producto de fundición, en donde las pruebas de metalografía registran que la distribución de grafito en la matriz de hierro esta fuera de los parámetros de control de calidad, en los que contempla las distintas distribuciones de grafito adecuadas y correspondientes a las aplicaciones y propiedades mecánicas del material. Cuando la distribución típica de grafito no corresponde con las propiedades mecánicas de la aleación requerida según la norma, se clasifica dicho material como de rechazo o scrap, y es colocado como material de retorno para fusión. En la empresa FIMACA los estudios metalográficos realizados sobre las muestras están orientados principalmente hacia la comprobación de nodularidad de la matriz en las fundiciones dúctiles. Esto, para garantizar las adecuadas propiedades mecánicas de estas aleaciones durante su aplicación o puesta en servicio. Medidas correctivas: - Controlar la adición de nodulizante según la Norma ASTM A-536 y A732/A732M . - Mantener la temperatura de colada por encima de los 1400° C. - Seleccionar la chatarra de manera que puedan evitarse los contenidos en plomo, azufre, aluminio y titanio; ya que estos agregados pueden promover reacciones indeseables que originen inadecuada distribución de grafito en la matriz. 48 • Sopladuras. (14) Formaciones globulares de vacío generadas cerca de la superficie de la pieza, estas pueden presentar esquinas redondeadas o angulares. Se distribuyen en forma individual o en grupos cerca de la superficie de la pieza. Las cavidades están a veces expuestas en la superficie, pero casi siempre están localizadas bajo una capa delgada del metal que no se evidencia hasta después del granallado y mecanizado. Estas malformaciones están relacionadas con la baja permeabilidad del molde para dejar pasar los gases provenientes de la solidificación del líquido metálico, quedando atrapados entre el molde y el metal de vaciado. Cuando la arena de moldeo presenta excesos de humedad, esta puede generar exhalaciones gaseosas que pueden proyectarse hacia la pieza, generando glóbulos gaseosos aledaños a la superficie metálica. Por otro lado, una solidificación prematura en la superficie del metal, puede generar la presencia de gases confinados. Medidas correctivas: - Prevenir introducción de óxido y la oxidación del baño evitando cargas de horno con materiales en proceso de oxidación. - Tomar precauciones especiales para controlar el contenido de nitrógeno. - Controlar el contenido de aluminio, una causa posible de introducción de hidrógeno. - Verificar que la temperatura del vaciado no está demasiado baja (por debajo de los 1380° C). 49 • Fugas. (14) Consiste en el escape masivo de líquido metálico fuera del molde debido a las malas propiedades de la arena de moldeo. Por la elevada presión metalostática ocurren con mayor frecuencia en las zonas más bajas de la pieza y en la línea de partición del molde, generando piezas incompletas acompañadas con proyecciones amorfas de material metálico. • Mal perforado. (14) Los productos de aplicación para la industria hídrica requieren la mayor precisión y exactitud en los acoples de los sistemas, este se logra con variados dispositivos de ajuste, siendo las uniones bridadas las más utilizadas para este fin. La empresa FIMACA ha catalogado en su lista de imperfecciones el mal perforado de orificios para el ensamble de sus productos, esto incluye: bridas con orificios pasantes desalineados, orificios no transversales y equívocos en la magnitud de los diámetros del orificio. • Fuera de especificación. (14) En este renglón se encuentran todas aquellas discontinuidades que no están contempladas en el listado de imperfecciones que registra la empresa, y que sin embargo son objeto de rechazo por no cumplir con los estándares de calidad de esta compañía. En este ramo se encuentran: la penetración de metal en el molde, los defectos de expansión, escamas y superficies irregulares, y los rechupes internos que muchas veces pasan inadvertidos por las pruebas de calidad. 50 Se registra como último numeral debido a que el tipo de imperfección no se presenta con tanta frecuencia en los productos de la empresa, la experiencia en el control de los procesos ha conducido los estándares de calidad hacia la reducción de un listado que con el paso del tiempo se hace cada vez menos numeroso. 3.4.2 Causas de origen metalúrgico en imperfecciones de fundición gris y nodular detectadas a simple vista. (Comité Internacional de Fundición Técnica y Asociación Norteamericana de Fundidores). En general, una imperfección es la interrupción de la estructura física o química en un material, los defectos generados en las fundiciones son imperfecciones en las piezas vaciadas que no cumplen con las especificaciones técnicas de diseño o de calidad. Si tal imperfección no afecta el rendimiento de la pieza en servicio, se deberá llamar simplemente discontinuidad. El tipo de imperfección, su localización y las causas que lo originaron, conforman la columna principal de esta investigación, por ende es preciso mencionar las incidencias más frecuentes en la generación de los defectos operadas durante la manufactura de una fundición. (9,14) Los defectos atribuidos a fallas mecánicas en el moldeo como tal, son omitidos en esa sección (codificaciones 4,7,9,10,12,13,18,19 de la Tablas 3.4), haciéndose énfasis en los defectos generados en el líquido ya sea por causas internas o externas. (9,14) • Defectos producidos por rechupe. (19,14) Este defecto es promovido por el mismo material metálico para compensar la contracción líquida durante el vaciado, su presencia es indicio de una técnica inadecuada de vertido, sistemas de alimentación mal diseñados, o ambos. La forma del defecto depende de factores de diseño, de las condiciones de enfriamiento, y de los mecanismos de solidificación de la aleación. Los defectos por rechupe en ocasiones son detectados cuando es removida la mazarota (rechupes primarios), sin embargo pueden formarse en el interior de la pieza (rechupes secundarios). Ver Tabla 3.4, esquema #01. 51 Cavidad de rechupe primario: Resulta de una inadecuada presión de alimentación, a consecuencia de fallas en la alimentación de metal para producir una cavidad que se extiende desde la superficie hasta el interior de la pieza y se hace visible cuando se remueve la mazarota. Cavidades de rechupe secundario: Son cavidades internas encontradas en todo el interior de la pieza, normalmente alejadas de la mazarota; dependiendo de la severidad de las condiciones, el defecto puede ser una cavidad masiva o una red de filamentos. Los hundimientos ocurren con el aislamiento del líquido residual de la atmósfera operado por una envoltura continua de sólido, se crean condiciones de baja presión dentro de la pieza. En esta etapa, la capa de metal puede deformarse bajo la acción de la presión atmosférica y por lo tanto el rechupe puede aparecer como un hundimiento de la superficie de la pieza. Las perforaciones superficiales generalmente se producen cuando hay excesivas temperaturas de vaciado; bajo estas condiciones, una proyección de la arena alcanza la saturación térmica durante el enfriamiento del líquido lo que produce una diferencia local de velocidades para la formación de capas de sólido. En el caso de hierro gris con alto contenido de grafito eutético y fundición en moldes de insuficiente rigidez: expansión por solidificación con la formación de “contracción falsa” en secciones pesadas. • Efectos debidos a contracción en el estado sólido. (14) Una vez solidificada la pieza, esta experimenta variaciones dimensionales por contracción hasta alcanzar la temperatura ambiente, en ocasiones afectando sensiblemente su propia geometría original. Es de esperarse que una vez alcanzada una masa sólida coherente se deban iniciar los cambios dimensionales en la pieza. 52 Bajo condiciones reales, no se opera la contracción completamente libre y el metal debe desarrollar una resistencia suficientemente cohesiva para vencer la resistencia que le opone el molde, la presión hidrostática del líquido residual, y la que oponen las otras partes de la pieza a consecuencia de diferencias en el enfriamiento. Todo esto supone una matriz compleja de esfuerzos (restricciones externas o térmicas) generándo esfuerzos internos en el material durante su enfriamiento. Agrietamiento: Distorsión y esfuerzos residuales, son tipos de defectos ocasionados por la resistencia a la libre contracción de la pieza durante el enfriamiento en el estado sólido lo cual crea un estado continuo de deformación elástica y/o plástica en la pieza vaciada. Cuando los esfuerzos son muy altos y exceden al límite elástico del material que presenta bajos valores de ductilidad, éste puede generar grietas en frío a menudo de carácter catastrófico, lineal, de apariencia alargada y limpia. Características morfológicas distintas a las grietas producidas por desgarramiento en caliente. Si la pieza es enfriada reteniendo altos niveles de esfuerzo residual sin fracturarse, esta se mantiene susceptible a deformación o fractura ante la más leve operación de acabado final o aplicación. El desenlace de estos defectos puede suceder durante las etapas iniciales de los tratamientos térmicos, en las operaciones de eliminación de mazarotas, durante el acabado final y aún durante las etapas de mecanizado y de soldadura. • Inclusiones por fases no metálicas o intermetálicas en la matriz. (14) Las inclusiones en las piezas vaciadas son consideradas perjudiciales para el comportamiento de la pieza fabricada por vaciado de molde. Estas pueden se engendradas en la matriz del líquido durante su solidificación o promovidas en forma externa por sedimentos y residuos acarreados por el flujo del metal. Así, pueden se clasificadas como inclusiones endógenas o inclusiones exógenas. 53 Inclusiones Endógenas: Se forman como producto de las reacciones inherentes a la solidificación del metal. Son de tamaño reducido y se encuentran suspendidas durante el tiempo de vaciado, precipitándose durante el proceso de solidificación a consecuencia de los cambios en solubilidad que se producen en la interfase líquido sólido. Incluye a sulfuros, nitruros, y óxidos derivados de las reacciones químicas del metal líquido con el ambiente. En el sentido macroscópico no son consideradas como defecto, pero sí como características indeseables de la aleación y de la práctica de fusión. Las inclusiones endógenas pueden ser clasificadas como Primarias y Secundarias. Inclusiones Endógenas Primarias: Son promovidas por las dendritas en crecimiento, presentándose preferencialmente en los espacios interdendríticos. En la solidificación estas inclusiones se trasladan debido a la flotación y flujo entre dichos espacios. Las reacciones que involucran la formación de inclusiones endógenas tienen relación con la presencia de impurezas no metálicas y con elementos metálicos reactivos contenidos en las aleaciones líquidas, siendo la oxidación la más universal de estas reacciones. Las inclusiones de óxidos a elevadas temperaturas de fusión pueden retener su composición, pero posteriormente puede haber reacciones heterogéneas en las intercaras metal-escoria; esto también sucede con los refractarios y puede acelerarse cuando hay la presencia de aditivos fundentes. Según el grado de convección, las inclusiones (partículas muy finas con tamaños del orden de 10-4 cm moviéndose libremente al azar en el líquido) pueden colisionar entre sí y formar conglomerados de mayor tamaño. Si se establecen otros controles tanto de las materias primas como del proceso de fusión, es posible disminuir al mínimo la presencia de inclusiones endógenas. Inclusiones Endógenas Secundarias: Se forman durante o después de la solidificación de la fase primaria como resultado del rechazo de impurezas hacia los espacios interdendríticos durante la solidificación; normalmente corresponden a reacciones peritécticas y/o eutécticas. 54 Como las inclusiones constituyen áreas de elevadas concentraciones de esfuerzos, el grado de pérdida de propiedades de servicio depende de los parámetros que controlan las características microestructurales como son: la naturaleza, la cantidad, la forma, el tamaño, la distribución, y la orientación de las fases. Las inclusiones endógenas como óxidos pueden reaccionar con materiales del molde y promover inclusiones exógenas que de otra manera no pudieran aparecer en ausencia de óxidos endógenos. Inclusiones Exógenas: Son alojadas en el metal durante el vaciado de las piezas, tiene su origen fuera de la aleación metálica con amplia variedad en tamaño y tipo. Este grupo lo constituyen los sedimentos, residuos y escoria que se desprenden en el horno de fusión para ser acarreados por el flujo de llenado (productos de la reacción entre el metal y el molde, residuos refractarios provenientes de crisoles y cucharas, y durante el cerramiento del molde). Son mencionadas las incidencias más notables en la generación de inclusiones exógenas. Escoria, sedimentos y refractarios: Las inclusiones de escoria atrapada en el líquido metálico presentan apariencia redondeada con superficies suaves. Los sedimentos y fragmentos igualmente refractarios exponen formas y superficies más irregulares. Ver Tabla 3.4, esquema #11. Materiales del molde: Las precipitaciones de arena de moldeo sobre el líquido metálico en etapa de vertido y solidificación suelen ocurrir por varias causas; teniendo en común la pérdida de cohesión de las entidades que conforman el molde, ya sea de las paredes internas de la cavidad de llenado, como del macho de fundición destinado a moldear las cavidades internas del vaciado. Baja presión de conformado en el molde de arena compactada, la erosión producida por mal diseño de canales de alimentación, mala técnica de vertido, cerrado inadecuado de moldes, y baja calidad en las propiedades de la arena de moldeo, pueden ser factores individuales o sinérgicos que sumen la posibilidad de precipitaciones arenosas dentro del líquido vaciado. Este tipo de inclusiones suele localizarse en la superficie o próxima a ésta dentro del material, pudiendo ser observado a simple vista o durante el mecanizado que suele ser de difícil operación debido al nivel de dureza de las partículas no metálicas. 55 Escaras por colapso parcial de molde y erosión de molde: La erosión en las cavidades del molde y el colapso parcial de un molde puede alcanzar magnitudes suficientes como para alojar un proyección de metal fuera de la superficie de los límites originales del vaciado, generándose protuberancias metálicas acompañadas de precipitados arenosos difíciles de mecanizar debido a la dureza discontinua en el material. Ver Tabla 3.4, esquema #2. Defectos por expansión: Proyecciones metálicas masivas e irregulares en la superficie de la fundición, debidas al colapso del molde cuando el material alojado sufre expansión causada por la presión metalostática dentro del mismo y este cede a dicha presión; en el caso de las fundiciones grises y nodulares, dicha dilatación también ocurre por la formación de grafito durante el enfriamiento y el molde no es lo suficientemente rígido como para mantener los límites geométricos establecidos. La falta de rigidez en el molde pude ser consecuencia de un apisonado pobre, por baja calidad en las propiedades de la arena o ambas. Rugosidad superficial y adherencias de arena: En este defecto, la superficie de la fundición es áspera y la profundidad de la textura presenta el mismo orden de magnitud del tamaño de los granos en arena. La condición puede ser acompañada por la presencia de inclusiones de arena. En el caso de moldeo de arena en verde, las asperezas suelen presentarse con otros defectos. En el límite superficial comprendido por la arena y el metal líquido se rompe el equilibrio entre la fuerza capilar de la arena (permeabilidad de gas), tensión superficial del metal y presión de metalostática. Así, la presión metalostática excede la capacidad de retención del molde, el líquido de metal penetra entre los granos de arena en la pared arenosa causando la formación de una superficie áspera acompañada con incrustaciones silíceas. Ver Tabla 3.4, esquema #4. • Defectos más comunes producidos en el vaciado del líquido metálico. (9,14-18) Llenado incompleto o no llenado: Solidificación prematura del líquido metálico omitiéndose el llenado completo de la cavidad del molde. Esto puede deberse a la fluidez insuficiente del metal fundido, muy baja temperatura de vertido, lentitud en el vaciado y/o sección transversal de la cavidad del molde muy delgada. Ver Tabla 3.4, esquema #15. 56 Capas frías: Discontinuidad superficial en forma de pliegues sobre la superficie de fundición por causa de películas de óxido alojadas en la superficie de la pieza, alta viscosidad del líquido, temperatura baja de colada y baja calidad de as arenas de moldeo. Junta fría: Dos flujos de metal líquido provenientes de diferentes regiones de la pieza se encuentran sin que se produzca coalescencia completa entre ellos, presenta la apariencia de agrietamientos o surcos de arrugas con bordes redondeados en los que se alojan películas de óxidos que suelen extenderse en la profundidad de la pieza. Este defecto esta asociado a un inadecuado diseño en los sistemas de alimentación en la extensión interna del molde, la falta de fluidez del metal y la temperatura inadecuada de vertido. Ver Tabla 3.4, esquema #3. • Defectos generados por evolución de gases. Durante el moldeo, la evolución de gases puede generarse desde las porosidades del molde hecho de arena al proyectarse hacia la pieza, como también desde el líquido de fundición durante la liberación de gases que evolucionan en la solución metálica. Ver Tabla 3.4, esquema #08. La presencia de gases atrapados en el líquido metálico puede presentarse como resultado de reacciones químicas dentro de la solución (producción de monóxido de carbono CO en aceros y fundiciones), por interacción entre los materiales del molde y el metal (excesiva humedad del molde, o liberación gaseosa del aglutinante del noyo), o como simple gas contenido mecánicamente por el líquido durante el vertido en el molde por la turbulencia generada en los sistemas de alimentación o por insuficiente capacidad de evacuación del sistema. La presencia de este defecto afecta la distribución de las cavidades de rechupe y segregación dentro de la pieza vaciada. (16) la 57 El origen gaseoso se evidencia en el aspecto esferoidal de las cavidades producidas. Las cavidades de mayor tamaño muchas veces están aisladas, las más reducidas (picaduras) aparecen en grupos de dimensiones variadas. En casos específicos la sección de la pieza puede estar esparcida con sopladuras o picaduras. Las paredes interiores de sopladuras y picaduras pueden ser brillantes, más o menos oxidadas o, en el caso del hierro fundido, puede estar cubierta con una capa delgada de grafito. 3.4.3 Causas de origen metalúrgico en imperfecciones de fundición gris y nodular no detectadas a simple vista (Comité Internacional de Fundición Técnica y Asociación Norteamericana de Fundidores). En el campo industrial, rara vez son catalogados aquellos defectos que no pueden ser detectados a simple vista durante su recepción en la línea de moldeo, granallado y posterior mecanizado; siendo eventualmente clasificados al ser detectados mediante a pruebas hidrostáticas o densidad en la mayoría de los casos como defectos fuera de especificación. Esta política de calidad dificulta el control de la producción al simple descarte de piezas, sin la posibilidad de saber las causas que originan dichas imperfecciones. Este grupo de discontinuidades lo constituyen los superficiales o subsuperficiales, muchos de ellos similares a los defectos mencionados en la Tabla 3.4 pero en menor escala (menor a 1 mm). La segregación dendrítica, la distribución perjudicial del grafito en la matriz (grafito amorfo), evolución de gases por generación de hidrógeno, nitrógeno y otros productos, así como los glóbulos gaseosos de humedad evaporada; conforman parte de los procesos que dan origen a estas discontinuidades. Esto, sumado al panorama de causas ya tratado en la sección anterior, y que también pueden tener ingerencia en la formación de discontinuidades no detectables por inspección visual. 58 Lo que determina el grado de interés en la detección temprana de estas discontinuidades (no necesariamente catalogadas como defecto) es la posibilidad de prevenir el desarrollo de imperfecciones de mayor tamaño o de ubicación subsuperficial que puedan derivar en la pérdida de lotes enteros de producción. Así, el registro y clasificación de pequeñas imperfecciones, puede constituir la reforma en las políticas de calidad desde lo correctivo hacia lo preventivo. Esto, con el empleo de técnicas de Ensayo no Destructivo (Ultrasonido), Microscopia óptica convencional (MO), y Microscopia Electrónica de Barrido (MEB); acompañadas con una carta patrón diseñada según las especificaciones del Comité Internacional de Fundición Técnica y la Asociación Norteamericana de Fundidores, donde sean identificados los fallos técnicos que pueden dar origen a imperfecciones indeseables. 3.4.4 Diseño de Cartas para el Control de Calidad en la identificación de fallos técnicos en la confección de fundiciones grises y nodulares. Con la intención de identificar los posibles fallos que podrían constituir la causa de imperfecciones en fundiciones grises y nodulares, se presenta una tabla para cada tipo fundición estudiada, en la que se especifica la descripción del defecto acompañado con el esquema del mismo, las posibles causas que lo originan, medidas correctivas de proceso recomendadas, sistema de codificación numérica de la Oficina de Control de Calidad (ASC) de la empresa FIMACA (ver tabla 3.4), sistema de codificación registrada en la ASTM (American Society for Testing and Materials) (14), y un código alfanumérico propuesto para identificar la sección del proceso que puede estar originando la fuente de imperfecciones en el material moldeado. Esto con el fin de proporcionar al personal de planta una opción expedita para la identificación del defecto y su vinculación con el proceso de producción. La relevancia de esta nueva codificación, radica en la necesidad de involucrar a todo el personal de la planta con la identificación de los defectos producidos en la línea de moldeo y su relación directa con la sección que pueda estar ocasionándolo. 59 Con este instrumento para el control de calidad, la identificación de las fallas de procesos no sólo sería responsabilidad de la Oficina de Control de Calidad, sino de todo el personal de la planta. La codificación propuesta está constituida por el mismo número de asignación para el defecto ya especificado en el listado de inspección para control de calidad de la empresa (ver tabla 3.4), precedido de la letra que indique la causa que posiblemente presente mayor influencia sobre el proceso de formación de dicho defecto, y un letra mayúscula para la identificación del tipo de fundición gris o nodular según sea el caso. • Letra que precede a la numeración del defecto: Aunque pueden ser muchas las causas que den origen a un defecto o conjunto de defectos, se hace preciso mantener informado al personal de planta acerca de los posibles errores que estén generando los fallos de producción; y si bien no es posible efectuar mayores medidas correctivas al producto defectuoso, si es posible reportar medidas preventivas en función del conjunto de códigos registrados con el control de calidad para luego reportarlos a las diferentes secciones de producción de la planta. A continuación se especifica el significado de cada letra para el código propuesto en esta investigación (Tabla 3.5): Tabla 3.5 Iniciales de las causas principales en los defectos encontrados. V: Defectos generados vaciado o colada. el A: Fallas causadas por la arena de moldeo. G: Defectos por evolución de gases en el líquido metálico. C: Defectos por contracción volumétrica en estado líquido. Q: Defectos debidos a la composición química. E: Imperfecciones debidas a velocidad de enfriamiento del baño. M: Inadecuado sistema de alimentación. P: Presión en la confección del molde N: Inadecuadas condiciones del noyo. T: Temperatura del baño S: Escoria. durante la 60 Letra para la identificación del tipo de fundición. N: Fundición Nodular G: Fundición gris. En este orden de ideas, se ofrece un ejemplo de la clasificación recomendada: C 01N: “Defecto en fundición Nodular por Contracción debido por enfriamiento, rechupe.” Una vez establecida la codificación propuesta es posible generar un grupo de fichas previa detección de errores de proceso en un módulo de control de calidad dispuesto en cada sección de la línea de producción de la empresa FIMACA. A continuación se ofrece un esquema de muestra comparando las codificaciones antes mencionadas y la codificación propuesta por esta investigación (ver tabla 3.6). Tabla 3.6. Esquema del defecto por contracción junto a la codificación de la Sociedad Americana de Fundidores, la identificación numérica de la empresa (FIMACA), y la codificación propuesta. DEFECTO (RECHUPE) CÓDIGO A.F.S. B221 F.I.M.A.C.A. 01 PROPUESTO CO1N 3.4.5 Carta para el Control de Calidad en fundiciones grises. En la primera fila se encuentran las microestructuras típicas de los defectos más comunes en fundiciones grises que son detectados por microscopio óptico. En la primera columna se identifican: el dibujo esquemático, la descripción del defecto, las posibles causas, las medidas correctivas del proceso y la codificación. Cabe destacar que la siguiente tabulación es un compendio informativo de varias fuentes de información actualizadas, así como un aporte de la presente investigación (ver tabla 3.6). 61 Tabla 3.7 Defectos más comunes en las fundiciones grises.(13,14,15,16) 3.4.6 Carta para el Control de Calidad en fundiciones nodulares. La primera fila indica las microestructuras típicas de los defectos más comunes en fundiciones nodulares detectados por microscopio óptico. 62 Tabla 3.8 Defectos más comunes en las fundiciones nodulares. (13,14,15,16) 63 3.5 Principio de funcionamiento del ensayo no destructivo por Ultrasonido (END). El ensayo no destructivo se utiliza par registrar y analizar discontinuidades en los materiales, en los que haces de ondas sonoras de alta frecuencia se proyectan dentro de estos para la detección de estas. Las ondas sonoras viajan a través del material con cierta pérdida de energía (atenuación) reflejándose en las interfases. El haz reflejado es captado en su retorno, siendo analizado para definir la presencia y localización de imperfecciones dentro del material analizado. • Prueba de Ultrasonido por el método Pulso-Eco. (22) Procedimiento de pulsos reflejados. Utiliza la porción reflejada del sonido para la evaluación de discontinuidades en el material. El oscilador piezoeléctrico opera simultáneamente como emisor y receptor de la señal (palpador), registrando la energía recibida luego de recibir el retorno del pulso con una señal más débil que la emitida. El principio de funcionamiento consiste en un impulso eléctrico de duración instantánea transformada en una onda ultrasónica que al entrar en un medio continuo de espacio limitado consiga reflejarse en la interfase (límite geométrico del material o discontinuidad); si la superficie reflectante se encuentra perpendicular a la dirección de propagación de la onda sonora, ésta es reflejada en su primitiva dirección y al cabo de un tiempo determinado (dependiendo de la velocidad del sonido dentro del material en cuestión y de la distancia entre el palpador y la superficie reflectante), esta retorna al palpador, siendo nuevamente transformada en impulso eléctrico para registrarse en forma digital y analógica. No toda la energía que regresa es reconvertida en energía eléctrica, ya que en la interfaz entre el palpador y la superficie de la pieza tiene lugar de nuevo una reflexión parcial. Una parte menor del sonido atraviesa por segunda vez a la pieza, y así sucesivamente. De este modo se origina una sucesión de ecos que se va atenuando con la pérdida de energía por reflexión de la onda (Figura 3.10.a). Al detectar en una primera señal el límite geométrico del envés en el espesor analizado, cualquier otro efecto que provoque reflexiones menores, podría constituir una indicación en el interior del material; así, puesto que se puede medir el tiempo de recorrido del sonido en el material, este método permite establecer la distancia existente entre el palpador y la superficie reflectante determinando la posición de dicho ente reflector. 64 Teniendo por necesario el acoplamiento entre el palpador y la superficie en estudio, que al ser deslizado sobre la superficie logre captar las indicaciones que puedan reportar posibles discontinuidades en el material, la superficie del palpador que entra en contacto con la superficie de la pieza en estudio es preparada con un fluido acoplante de aceite vegetal. Para una pieza libre de discontinuidades internas, la reflexión sucesiva del impulso dentro del material terminará por atenuarse linealmente como podría ser un oscilador armónico amortiguado (Figura 3.10). Si la pieza presenta una discontinuidad, al tener esta una impedancia acústica (resistencia al paso de la onda) distinta, constituye una interfase y el impulso es reflejado antes de llegar al otro lado de la geometría sólida de la pieza, por tanto reporta una señal “pico” (eco satélite) que indica la discontinuidad presente en el material (Figura 4.4.b). a) b) Figura 3.10 Registro gráfico de impulsos de ultrasonido a) Se aprecia la secuencia de atenuación en el rebote de la onda dentro del material homogéneo. b) El registro gráfico en la secuencia de ondas registra discontinuidades dentro del material que actúan como reflectores de la señal.(22) Al igual que la señal de atenuación lineal, las señales que registran indicaciones en el material, también se atenúan con el reporte de cada pulso; luego, adjunto al indicador de espesor se encuentra el indicador de discontinuidad (Figura 4.5) 65 Para poder realizar este tipo de inspección, es necesario un transductor ultrasónico, que es un mecanismo construido con un cristal de espesor determinado. Su función es convertir la energía eléctrica en energía mecánica. La conversión de esta energía se da por dos efectos: efecto piezoeléctrico (propiedad que tienen algunos cristales, como el cuarzo, de convertir energía mecánica en eléctrica y viceversa) y efecto magnetoestrictivo (Figura 3.11). Figura 3.11 Esquema del palpador de 5 MHz Krautkramer para END y gráficos (referencia y falla). Representación de gráficos detectados en la pantalla del osciloscopio para una superficie sin defecto (arriba) y otra superficie con defecto (abajo), al restarse entre sí arroja como resultado la diferencia de ubicación del defecto desde la superficie del metal (derecha), donde Ep representa el espesor. (27,28) 66 CAPITULO IV 4 DESARROLLO EXPERIMENTAL La recopilación de datos en la presente investigación está constituida en función de los procesos de producción más relevantes para el moldeo: la preparación del baño o solución metálica de fundición en estado líquido, y la confección del molde en arena verde. Así, la caracterización de los defectos y su evaluación supone dos modalidades en el registro de datos, una de orden caracterológico y otra de orden estadístico (evaluación cualitativa y evaluación cuantitativa), a saber: • Evaluación cualitativa: - Recopilación de muestras con defecto, registro fotográfico convencional de las mismas y su caracterización con técnicas avanzadas sobre el grupo de treinta y cinco (35) piezas seleccionadas como defectuosas: Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microscopía Óptica (MO), Macro Lupa, Energía Dispersiva de Rayos X (EDX) y Ensayo no destructivo por Ultrasonido (END). - Registro descriptivo de los posibles fallos operacionales en el protocolo de moldeo y colada (preparación de las arenas, conformado del molde, técnica de colada y agregado de ferroaleaciones). - Registro cualitativo de posibles causas atribuibles a inadecuadas condiciones de la arena de moldeo. - Caracterización de los tipos de fractura operados en los ensayos de tracción de la empresa. - Diagrama de Ishikawa para las posibles causas de los defectos encontrados. 67 • Evaluación cuantitativa: - Registro de los parámetros del baño: Temperatura de vaciado (Tv), índice de saturación de carbono (Sc) y composición química del producto. - Registro de los parámetros en las arenas de moldeo (% Compactibilidad, Resistencia a la Compresión en Verde RCV, % Humedad, % Bentonita Total y Temperatura del molde °C). 4.1 Caracterización de los productos seleccionados de muestra y reporte descriptivo de eventuales operaciones no oficiales en la planta. El proyecto contempló la selección de tres rubros con mayor salida comercial fabricados por la empresa FIMACA: cuatro tipos de válvulas para la distribución de aguas, dos tipos de accesorios para instalación, y dos piezas de uso automotriz. 4.1.1 Productos seleccionados para la muestra • Elementos de válvulas en estudio. El grupo de productos más representativo de la empresa lo constituye el conjunto de válvulas de uso hídrico para elevado caudal, ya que involucra el ramo comercial de mayor salida al mercado y con los más rigurosos estándares de calidad, debido a las extremas condiciones mecánicas (presión hidráulica). En el presente estudio se caracterizan y analizan los componentes principales de estos dispositivos, los cuales son señalados en la Figura 4.1 con un triángulo. 68 1 3 2 a) b) c) d) Figura 4.1 Conjunto de válvulas en estudio señalando los elementos analizados. a) Válvula de compuerta ascendente bridada tipo F-4 PN16. b) Válvula de Retención modelo ELA tipo clapeta PN10. c) Válvula Singer PN16 3” Reductora de Presión. d) Hidrante tipo poste bridado PN10. Se ofrece a continuación la descripción, cantidad de muestra y fundición ferrosa de confección: - Tres (3) Válvulas de compuerta (con diferentes defectos) ascendente modelo tipo F4 PN16 (Figura 4.1.a). El cuerpo central de este dispositivo está fabricado en fundición dúctil ASTM A536 grado 65-45-12 señalado en Figura 4.1.a con el número tres (3). En la misma figura se aprecia un elemento mecánico (bonete) señalado con el número dos (2), que sirve de acople entre el cuerpo central de la válvula y el volante para manipularla señalado con el número uno (1), el cual esta confeccionado en fundición gris ASTM A126 clase B. - Una (1) Válvula de Retención modelo ELA tipo clapeta PN10 DN 80. En la Figura 4.1.b, los implementos son marcados con una señal triangular (tapa y cuerpo central de válvula de retención). Esta se fabrica en fundición gris ASTM A-48 clase 30. - Una (1) Válvula reductora de presión. SINGER Modelo: 106 PR. PN16 DN 3 .Estilo globo, en fundición dúctil ASTM A-536 grado 65-45-12 (Figura 4.1.c). - Un (1) Hidrante tipo poste bridado FIMACA PN10 DN 100 Columna en hierro dúctil ASTM A-536 (Figura 4.1.d). 69 • Accesorios de instalación de tuberías para distribución de aguas. - Seis (6) muestras de cuerpo central (Manchón) y contrabrida para Junta Universal. Fabricado en fundición dúctil ASTM A-536 (Figura 4.2). - Una (1) Sección inferior de Bocallave #1 Fabricada con fundición gris ASTM A-48 Clase 30 (Figura 4.2). Figura 4.2 Junta Universal y Boca llave. a) Junta universal tipo PN24 compuesta por dos contrabridas y un cuerpo central (Se analizaron tres tamaños de junta universal 4”,6” y 8”). b) Sección inferior para Bocallave de extensión #1. • Elementos para accesorios de uso automotriz. - Tambor Ryco 003 fabricado en fundición dúctil ASTM A-536 - Masa rueda C-30 fabricada en fundición dúctil ASTM A-536 a) b) Figura 4.3 Tambor Girotto y Masa Rueda C-30. a) Tambor Girotto 327. b) Masa rueda F-350. 70 • - Criterio de muestreo para evaluación cualitativa y cuantitativa. Selección macroscópica de muestras en la línea de producción (piezas con defecto a simple vista en la salida de la línea final). En el transcurso de sesenta días fue separado un grupo de veinte un (21) elementos escogidos por inspección visual del lote de rechazo en el módulo de salida de la línea de moldeo. Fueron empleadas dos fuentes de información técnica, el listado de los veinte tipos de discontinuidades catalogadas como defectos por el Manual de Procedimientos, adscrito al Laboratorio de Aseguramiento de la Calidad FIMACA (ver tabla 3.4), y el catálogo de discontinuidades emitida por la Asociación Norteamericana de Fundidores (American Foundry Society)(7). Una vez caracterizadas los defectos detectados a simple vista en las piezas de fundición, se procedió detectar las zonas circunvecinas a cada discontinuidad, realizándose la extracción de muestras para su análisis metalográfico y observación con técnicas de aumento (Macrolupa, MO, MEB, EDS). - Selección de zonas con defecto detectadas con técnicas avanzadas: Análisis Metalográfico, Macro Lupa, Microscopia Óptica de aumento, Microscopia Electrónica de Barrido y Espectroscopía de Dispersión de Energía. - Ensayo No Destructivo (END) para Válvulas de Control y de Retención: Fueron escogidas del lote de rechazo dos cuerpos de válvula confeccionadas de hierro gris (PN16 DIN80) y hierro nodular (PN16 ANSI clase 150), con el fin de realizar pruebas de ultrasonido para detectar discontinuidades internas en el material, que por su localización puedan ser estimadas relaciones de origen común con los resultados macroscópicos y microscópicos obtenidos. 71 4.1.2. Registro descriptivo de irregularidades en las operaciones realizadas durante la fabricación de las piezas de fundición gris y fundición nodular. En forma paralela a la caracterización de los defectos registrados, se hizo necesaria la descripción de operaciones eventuales que no estaban incluidas en los protocolos de la empresa; algunas por necesidad técnica, otras por falta de personal, y otras (las menos frecuentes) por simple omisión o descuido. Factores de proceso como la variación excesiva en la temperatura de colada, lentitud en el llenado de moldes, y presión inadecuada en el conformado de molde en arena verde, son descritos en esta sección de forma cualitativa en función de los defectos previamente descritos. Este registro tiene por objeto recopilar una base de datos cualitativa para relacionar el proceso de producción con las fuentes de imperfección ocasionadas por algún fallo operacional en la línea de moldeo. Las secciones evaluadas fueron: la zona de preparación de las arenas de moldeo, el Área de colada, Línea de moldeo automático, Área de fusión, Almacén de materia prima, Área de fabricación de machos y el Área de control de calidad (Ver figura 2.3). 4.2 Registro de los parámetros metalúrgicos, propiedades de las arenas de moldeo y conformado de moldes. La etapa exploratoria consistió en la toma de datos de las variables de proceso involucradas en la producción del molde de arena, la preparación del líquido metálico y el vertido en los moldes. El registro de valores cuantitativos se efectuó en un lapso de sesenta días. Fueron registrados cuatro grupos de datos, a saber: • Propiedades químicas, físicas y mecánicas de las arenas de moldeo: Se realizó una toma fotográfica de los elementos empleados en la preparación de las arenas de moldeo, la medición de cinco propiedades en la arena de moldeo (Compactabilidad, Resistencia a la compresión en verde, porcentaje de humedad, porcentaje de bentonita y temperatura de la arena). 72 • Análisis químico de la carga en el horno y en los productos finales: Se tomaron muestras para análisis químico en el espectrómetro de masas (para determinar la composición del baño en el crisol principal antes de la adición de las ferroaleaciones y del vaciado luego de realizar los aditivos), así como muestras para análisis metalografico. • Reporte de temperatura en el crisol de vertido y registro de tiempos de colada: Se registró la temperatura de colada, el tiempo de vertido y el tipo de fundición obtenida. La clasificación de los dos tipos de fundición en estudio hacen obligatorio los análisis por separado del comportamiento de las variables correspondientes a las fundiciones grises en contraste con el comportamiento de las variables correspondientes a las fundiciones nodulares. Lo cual genera dos matrices de evaluación diferente pero con algunas variables de proceso en común (propiedades de las arenas de moldeo, tiempo de vertido, y técnica de vertido). 4.3 Técnicas de análisis (FIMACA/USB). Los primeros registros de análisis fueron realizados en el Laboratorio de Aseguramiento de la Calidad (ASC) adjunto a la línea de moldeo en la planta de producción FIMACA, donde se realizó el reporte de las propiedades de las arenas de moldeo y la cuantificación química en la composición de las muestras. Debido a la profundidad del análisis sobre las muestras, fue necesario la intervención de las técnicas de vanguardia como Microscopía Óptica (MO), Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) y Ensayos no Destructivos (END); ofrecidas todas estas por la Unidad de Laboratorio E en la Sección de Microscopía de la Universidad Simón Bolívar. 73 4.3.1 Análisis en el laboratorio de Aseguramiento de la Calidad (ASC) en FIMACA y registro fotográfico de los defectos encontrados. Para el análisis cuantitativo se efectuó la valoración de las propiedades en las arenas de moldeo, así como la evaluación de la composición química en las muestras de hierro gris y nodular. Las pruebas fueron realizadas en el laboratorio de Aseguramiento de la Calidad (ASC) adjunto a la línea de moldeo. Fueron empleado los siguientes equipos: Balanza Digital: Marca Kern, Serial:WL 06481, Código: Blad-006, Rango: (0 a 50) g, Resolución: 0,001g. Balanza analítica: Marca: Ohaus, Modelo: Ar 2140, Serial: J1581226111163P, Código: Blas007, Rango: (0 a 210)g, Resolución: 0,0001%. Compactador de Arena: Marca: Detroit, Martillo- Pistón, Embudo con base y tamiz, tubo probetero, Extractor de Probeta. Agitador Ultrasónico: Modelo Scrubber Ultrasonic Detroit. Espectrómetro: Especrtrolab de Spectrun (SPECTROMAX) Determinación de elementos con bases Fe- Ni- Al-Cu. Cámara fotográfica convencional: Camara Digital Olympus D-540 Zoom. 25 74 4.3.2 Análisis de las muestras metálicas en la Sección de Microscopia Electrónica adjunto a Laboratorio E de la Universidad Simón Bolívar (MO, MEB y END). El análisis cualitativo de las piezas fue realizado con las técnicas avanzadas ofrecidas por la Sección de Microscopía Electrónica adscrita a la unidad de Laboratorio E de la Universidad Simón Bolívar. En estas instalaciones fueron empleados los siguientes equipos: Macrolupa: Lupa estereoscópica para análisis com aumento entre 5x y 50x marca Olympus CK40M. Microscopio óptico: Marca Olympus SZ61 con cámara digital incorporada. Microscopio Electrónico de Barrido: Jeol JSM 6390 con equipo incorporado de análisis químico Elemental EDX (Energia Dispersiva de Rayos X) Equipo de Inspección por Ultrasonido: Equipo General Electric Inspection Technologies USN 60 Krautkramer. Con palpador de 5 MHz de incidencia normal a la superficie. (22) Con miras al escrutinio interno de los materiales de fundición en estudio (fundición gris y nodular) se hizo énfasis en la selección de dos tipos de producto cuya configuración interna aportara la posibilidad de hallar imperfecciones sub superficiales en el material. El cuerpo central de una válvula de retención modelo ELA y el cuerpo central de una válvula de control SINGER (ver figura 4.1.b y 4.1.c), confeccionadas en fundición gris y fundición nodular respectivamente. El criterio de escogencia para la muestra de fundición gris se basó en la selección de rasgos superficiales con señales de rechupe, la pieza en fundición nodular fue escogida al azar de un lote de producción evaluado previamente como rechazo por la sección de control de calidad de la empresa (ASC/FIMACA), por presentar cavidades de importantes dimensiones en su configuración interna (ver figuras 5.3 y 5.4). Para la inspección por ultrasonido se realizaron la siguiente secuencia de actividades: 75 - Preparación superficial previa a la evaluación por ultrasonido. Se realizó limpieza y desbaste de la superficie en estudio con el fin de acondicionar el máximo acople entre el palpador y el material sondeado. Para este fin se empleó papel de lija con número 80, 120 y 200. - Patrón de referencia: Fueron ajustados los valores del equipo con la ayuda de un bloque de calibración de acero (Bloque patrón V1/5) cuyas dimensiones eran similares al espesor de la pieza. - Transductor o palpador: Se realizó la selección de un palpador de 5 MHz de incidencia normal a la superficie para la inspección en las piezas. - Se determinó la velocidad del sonido (VL) en las piezas bajo estudio (fundición gris y fundición nodular) con ayuda del mismo equipo de ultrasonido (UT). - Se realizó una revisión de la superficie y se registraron las señales correspondientes a la pared de fondo y las posibles indicaciones en el interior de dicha pared. 76 CAPITULO V 5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Esta sección esta orientada a la evaluación de las causas que podrían haber incidido en la generación de imperfecciones sobre las piezas en estudio. Con este propósito se dividió la recopilación de resultados en dos fases: la primera, en la cual son identificados y clasificados los defectos presentes en las piezas escogidas según las especificaciones técnicas de la Asociación Norteamericana de Fundidores AFS y la Asociación Americana de Materiales ASM; la segunda fase contiene el estudio hecho a partir de los registros cuantitativos del proceso. 5.1 Identificación y codificación de la defectologia presente en los productos FIMACA. El criterio para la identificación de los defectos abarca el registro de las imperfecciones detectadas por inspección visual, macro lupa y las técnicas avanzadas mencionadas en la sección anterior (MO, MEB, END). Cabe destacar que fueron omitidas las imperfecciones del material generadas por noyo desplazado (código 07), desplazamiento transversal de cajas de moldeo (código 10) y noyo mal reparado (código 13); imperfecciones contempladas en la codificación de los defectos en la hoja para el reporte de “Inspección en Granalla” de la empresa FIMACA. Esto, por considerar los mencionados fallos de origen mecánico (inadecuado cerrado de moldes en el caso del desplazamiento) o simple descuido operacional (noyo desplazado y noyo mal reparado). Causas cotidianas que originan defectos, pero que pueden ser fácilmente corregidas con la suficiente supervisión técnica. En las figuras mostradas a continuación se hace uso de la codificación propuesta (ver tabla 3.5); en esta, la primera letra en mayúscula indica la causa más común en la imperfección seguida por el código numérico de la empresa (FIMACA). La última letra refiere al tipo de fundición gris o nodular según sea el caso, cabe destacar que la especificación de los defectos presentados se encuentra en una tabulación al final de esta sección (Tabla 5.1). 77 5.1.1 Registro fotográfico y descripción de las piezas defectuosas. El registro descriptivo ofrecido consiste en la identificación de las características físicas de los defectos, y su distribución en la zona afectada, para estimar un diagnóstico en la búsqueda de las causas que pudieron originar las discontinuidades. - Inspección visual macroscópica. • Defectos de muestras clasificadas como Filtración y Erosión de Molde (#05, #02 FIMACA). Válvula de Compuerta (Bonete o cabezal), tomadas en la salida de la línea de moldeo (conjunto de bonetes y cuerpos de válvula). a) N05G b) A02G c) (14, 22) N05G d) N05G Figura 5.1. Defectos en bonetes para Válvulas de Compuerta F4 PN16. Material: fundición gris ASTM A126 clase B. a)PN16 DN150 Se muestra una sección incompleta. b) PN16 DN150 Se evidencia protuberancia arenosa. c) y d) PN10 DN100 Se puede observar la presencia invasiva de metal con arena en el interior de la configuración del bonete. Las figuras 5.1a, 5.1c y 5.1d evidencian los defectos debidos a la desviación del cause del líquido metálico durante la alimentación. En este caso, las secciones de pared delgada de la geometría original de la pieza se ven distorsionadas, formando agujeros cuyos bordes presentan condición de concavidad en su perfil así como formaciones angulosas irregulares donde falta material; además, para una misma pieza se observa la formación de una gran obstrucción (de aspecto arenoso y metálico) en su interior (5.1c y 5.1.d). La figura 5.1b muestra la configuración externa de un bonete de válvula presentando protuberancias irregulares de material metálico mezclado con arena en las cavidades correspondientes a los elementos de ensamblaje, señal de haberse operado erosión localizada en esa zona del molde, para alojar material de fundición en exceso durante la colada. 78 La insuficiencia en el apisonado, bajo contenido en arcilla activa, o mal diseño de molde; pueden ser los factores involucrados en la generación de este tipo de defecto. La “Clasificación propuesta” propone para este defecto la letra “A” (para atribuir a las condiciones inadecuadas de la arena) acompañada con el código del defecto (#02), ya que la erosión del molde puede operarse por inapropiadas condiciones de la arena • Defecto de muestras clasificadas como porosidad, filtración y junta fría (#08, #05, #03 FIMACA). Válvula de Compuerta (Cuerpo de válvula). (14, 22) En las Figura 5.2.a se observa la marcación de los orificios de mayor magnitud, pero se hace evidente la presencia de cavidades más pequeñas distribuidas en la pieza, sobretodo en las zonas de perfil delgado correspondiente a las bridas y el borde de acople con el bonete. La Figura 5.2b muestra un problema de filtración evidenciado en la ausencia de material metálico en zonas que tendrían que ser completamente macizas, al igual que la figura 5.2d donde se evidencia la omisión de material en la periferia de la pieza. En la imagen 5.2c el señalador acusa una indicación en la superficie de la pieza, donde se puede apreciar un pliegue que se extiende longitudinalmente a lo largo de la sección central del cuerpo de válvula en forma de línea continua de curvas suaves. Tal formación tiene el aspecto de una grieta superficial pero con bordes redondeados. a) G08N b) N05N c) T03N d) N05N Figura 5.2. Defectos en Cuerpo de Válvula de Compuerta F4 PN16. Material: Fundición dúctil ASTM A-536. a) DN100 Se observan porosidades superficiales aisladas. b) DN100 Se evidencian secciones incompletas de la pieza con bordes filosos. c) DN150 Superficie sin coalescencia completa de la pieza. d) DN150 Pieza incompleta. 79 La geometría de entrada de los orificios marcados (Figura 5.2a) tiende a ser circunferencial y de un tamaño similar entre ellos (3 o 4 mm de diámetro aproximadamente). La identificación de estas discontinuidades y su distribución puede ayudar a diagnosticar las causas que las produjeron. Las cavidades localizadas en colonias a lo largo de la superficie de la pieza presentan dos formas: cavidades esféricas superficiales de 1 a 2 mm de diámetro que pueden ser removidas por el mecanizado, y cavidades proyectadas hacia el interior de la pieza a unos 4 mm desde la superficie y en forma de gota. Las paredes internas de estas cavidades parecen cubiertas con una capa de grafito; además, los contornos esféricos bien definidos de dichas paredes dan una idea clara del origen gaseoso del defecto. Las causas de esta incidencia defectuosa pueden darse desde el mismo baño metálico (causas endógenas). La producción de gases podría deberse a una temperatura excesiva en el baño, así como elevados contenidos de oxígeno o hidrógeno producidos en las reacciones con aluminio y titanio provenientes de la materia prima utilizada durante la fusión. La “Clasificación Experimental” propone para este defecto la letra “G” (para referir la evolución de gases) acompañada con el código del defecto (#08). La imagen 5.2c muestra un defecto por junta fría con aspecto de grieta, conformando un pliegue que se extiende longitudinalmente a lo largo de la sección central del cuerpo de válvula en forma de línea continua de curvas suaves. Tal formación tiene el aspecto de una grieta superficial pero con bordes redondeados. Este defecto es generado por la falta de coalescencia en el metal durante su distribución y enfriamiento dentro del molde, lo cual puede suponer una mala técnica de vertido, inadecuado diseño de los canales de alimentación y falta de fluidez del líquido metálico. 80 • Defecto de muestras clasificada como Rechupe y Colapso de Molde (#01, #09 FIMACA) Válvula de Retención (Cuerpo de válvula y tapa). (14, 22) a) M01G b) P09G Figura 5.3 Válvula de retención modelo ELA DN80. Material: Fundición gris ASTM A-48 clase 30 a) Cuerpo central de la válvula evidenciando un orificio. b) Tapa de válvula de retención DN80 mostrando la sección de acople con un defecto en una de sus cavidades. La cavidad de la Figura 5.3.a se encuentra en la zona de mayor espesor de la pieza, se evidencia como un orificio superficial con proyección cónica hacia el interior de la pieza sin la presencia de otros orificios similares vecinos, además la configuración geométrica de la entrada a dicha cavidad presenta contorno de geometría irregular. En la Figura 5.3.b, una parte del molde parece haber colapsado para permitir el llenado de un espacio que originalmente debería estar libre. La ausencia de arena adherida a los excesos de material descarta la posibilidad del arrastre de arena del molde y por ende condiciones inadecuadas de la arena de moldeo; la ruptura de molde puede haberse dado con el cierre de las cajas de moldeo al ser clausuradas sobre superficies mal terminadas o noyos mal colocados. Durante el ensamblaje de las cajas, la presión puede provocar fuerzas de cizallamiento sobre secciones del molde con alguna distorsión, dando lugar a al colapso del mismo. Este tipo de imperfecciones puede prevenirse con el mantenimiento del equipo de moldeo. 81 a) C09N b) C09N Figura 5.4 Válvula de control SINGER PN16 3”. Material: fundición dúctil ASTM A-536 grado 65-45-12.a) Se observa el cuerpo central de la válvula preparada para ensayo no destructivo (superficie pulida y aceitada). b) Corte transversal (se evidencia cavidad) La pieza sin apariencia defectuosa de la Figura 5.4.a, corresponde a un lote de producción en el que se registraron imperfecciones con discontinuidades tan graves como la que se observa en la Figura 5.4.b (corte trasversal); en la que se aprecia una cavidad ovalada de aproximadamente una pulgada de ancho en su sección dimensional más amplia. El aspecto común resaltante en las cavidades fue la superficie rugosa que presentaba el interior de las mismas, así como la geometría irregular de la cavidad en su interior con claras señas de formación dendrítica (Figura 5.16). Cabe mencionar la técnica empleada para estimar los vacíos del material antes de seccionarlo, se trata de la medición del peso y la densidad del mismo, para luego sumergirlo en agua, y con el volumen desplazado estimar las incongruencias de masa que conlleven a estimar la influencia en volumen de los vacíos de imperfección. Debido a la apariencia superficial de las cavidades en estudio, podría admitirse el origen gaseoso; sin embargo, el tamaño, aspecto irregular interno de los defectos y la ausencia de cavidades vecinas, pueden ser evidencia de otro tipo de imperfección. Esta podría ser el caso de la formación de cavidades por rechupe que opera en el metal durante su transición del estado líquido al estado sólido, ocurriendo la falla como consecuencia de una compensación insuficiente de material metálico durante la contracción en la etapa de enfriamiento del material. 82 Dicha compensación de material esta prevista por la presencia de cavidades adicionales al molde diseñadas para ceder líquido metálico durante la contracción (mazarotas), que junto al sistema de alimentación permanecen llenos de material hasta luego de extraer el conjunto del molde. Las cavidades por rechupe se clasifican de acuerdo al intervalo de solidificación del material, la ubicación del defecto y su dimensión; así la Figura 5.3.a) podría ser una cavidad por “rechupe primario”, y la Figura 5.4.b) una cavidad por rechupe secundario. Los procesos de contracción durante el enfriamiento son distintos de acuerdo al tipo de aleación; así, las fundiciones grises y dúctiles presentan un comportamiento particular por la presencia de grafito libre en la solución líquida, ya que éste posee diferentes coeficientes de contracción que la matriz metálica. Cuando la contracción del metal es mayor que la expansión del grafito en la matriz, existe la tendencia al rechupe, con mayor frecuencia en las secciones más robustas de la pieza, lo cual puede ser solventado con sistemas de alimentación secundarios (mazarotas) en esa sección. Es por ello que la causa principal de los defectos por rechupe son producto de en un inapropiado sistema de alimentación. La “Clasificación propuesta” sugiere para este defecto la letra “M” (para referir a un inadecuado diseño de mazarota) acompañada con el código del defecto (#01). • Defecto de muestra clasificada como Arena Vitrificada (#06 FIMACA). Cuerpo central de Hidrante tipo poste bridado. (14, 22) T/P06N T/P06N a) b) Figura 5.5 Hidrante tipo poste bridado FIMACA PN10 DN 100. Material: Columna en hierro dúctil ASTM A-536. a) Toma panorámica del cuerpo central del hidrante. b) Acercamiento de la superficie del poste, se observa superficie irregular con aspecto granular. 83 La pieza evidencia en forma superficial múltiples zonas arenosas fuertemente adheridas al punto de formar parte de la pieza., presentan aspecto arenoso y color rojizo oscuro. Al contacto con las herramientas, estas costras evidencian una dureza capaz de hacer colapsar la cuchilla del torno, siendo la única forma de eliminarlas la trituración con el uso de una Pistola Neumática de Impacto. El punto de fusión de la arena es drásticamente más elevado que el punto de fusión de una fundición, por ende se descarta la posibilidad de que pueda haberse fusionado la arena; sin embargo, unas condiciones inadecuadas del molde podrían haber generado la penetración del material metálico en las porosidades de la arena, logrando un patrón de anclaje suficiente como para desprender una capa delgada del molde e incluso rodear algunos granos de arena con material metálico, resultando en una superficie adherencias de arena de aspecto vidrioso mezclada con metal. Algunas posibles causas de este defecto son: la insuficiente refractariedad de la arena, un apisonado inadecuado en la preparación del molde, inadecuados valores de humedad en la arena, o una temperatura excesiva de colada. La “Clasificación propuesta” sugiere para este defecto las letras “T/P” (para referir a la temperatura del baño y la presión del molde como las causantes del defecto) acompañada con el código (#06). • Defecto de muestra clasificado como Fundición Incompleta (#15 FIMACA) Cuerpo central de válvula FABOVEN. (14, 22) T/M15N Figura 5.6 Cuerpo central de válvula FABOVEN de 6”. Material: Fundición dúctil ASTM A536. Evidencia de geometría incompleta. 84 La imagen de la figura 5.6 muestra un cuerpo de válvula cuya conformación geométrica original es cilíndrica, sin embargo el proceso de fabricación parece haber omitido durante el vaciado de la pieza el aporte de líquido metálico en la sección señalada. Este defecto se genera cuando el líquido no alcanza el llenado total del molde. En la proximidad del defecto la superficie se presenta redondeada y brillante, suele ocurrir en secciones delgadas de la pieza, sobretodo cuando esta se encuentra alejada de los canales de alimentación. Se puede originar por fuga de metal, contenido líquido insuficiente durante el llenado, un vertido lento o por falta de fluidez en el líquido metálico. Las medidas correctivas podrían ser: aumentar la velocidad de colada, rediseñar los sistemas de alimentación, evitar interrumpir el vaciado de molde, mantener la temperatura en el rango de 1380 °C – 1440 °C. La clasificación propuesta sugiere el empleo de las letras “T” y “M” para la señalización de este defecto como la posible combinación entre una incorrecta temperatura de vaciado y un inadecuado sistema de alimentación. Esto seguido del código empleado por la empresa y el tipo de material de fundición (T/M15N). • Defectos de muestra clasificados como Colapso de Molde y Erosión de Molde (#09, #02 FIMACA). Accesorios de instalación y reparación de tuberías para distribución de aguas. (14, 22) P09N a) A02N b) Figura 5.7 Contrabrida para Junta Universal. Material: fundición dúctil ASTM A-53. a) El apuntador señala proyección del metal fuera de su geometría original. b) Los ojales donde originalmente debería haber un orificio, se encuentran invadidos por obstrucción de material ferroso. 85 En la Figura 5.7a, la pieza evidencia uno de sus bordes con proyección irregular de material a manera de aleta (señalado por el indicador) y obstrucción de espacios que originalmente parecen estar diseñados como orificios. Ambas muestras presentan en común la ausencia de arena adherida a los excesos de material, lo cual descarta la posibilidad de condiciones inadecuadas de la arena de moldeo. La “Clasificación propuesta” propone para este defecto la letra “A” (para referir a las propiedades de la arena como causante del defecto) acompañada con el código (#09), seguido de la letra “N” para referir el tipo de fundición (nodular). La imagen mostrada en la Figura 5.7b muestra la configuración externa de la pieza presentando protuberancias irregulares de material metálico mezclado con arena, señal de haberse operado erosión localizada en esa zona del molde, llenando de manera indeseable una cavidad, alojando material de fundición en exceso durante la colada. A no ser que se manifiesten protuberancias evidentes, los defectos debidos al desprendimiento prematuro de arena generalmente se tienden a confundir con las porosidades generadas por gases. La falta de cohesión de la arena puede producir un mismo tipo de defecto con dos aspectos distintos de acuerdo al instante en que se opere el desprendimiento de las partículas de arena. La insuficiencia en el apisonado, bajo contenido en arcilla activa, o mal diseño de molde; pueden ser los factores involucrados en la generación de este tipo de defecto. La “Clasificación propuesta” propone para este defecto la letra “A” (para atribuir a las condiciones inadecuadas de la arena) acompañada con el código del defecto (#02), ya que la erosión del molde puede operarse por inapropiadas condiciones de la arena. 86 • Defecto de muestra clasificado como Filtración (#05 FIMACA). Boca llave de extensión. (14, 22) N05G a) N05G b) Figura 5.8 Parte inferior para boca llave de extensión #1. Material: gris ASTM A-48 clase 30. a) Vista panorámica de la pieza. Se aprecia una abertura. b) Acercamiento de la abertura en el que se observa perfiles irregulares. El material faltante en la sección incompleta de la pieza pudo haber sido desviado hacia el interior de la misma, arrastrando consigo el material del macho de fundición e invadiendo parcial o totalmente la configuración interna de la pieza. Un defecto similar a la filtración lo constituyen las Fugas de material en estado líquido (Código #19 FIMACA), en este caso no sólo colapsa el macho de fundición, sino también el molde de arena verde, dando como resultado una geometría completamente irregular. El fenómeno de filtración en estudio parece haberse dado justo después de realizado el llenado del molde, cuando el enfriamiento ha generado la solidificación de las zonas más superficiales de la pieza, entonces la estructura del macho de fundición cede parcial o totalmente produciéndose un “sangrado” o filtrado hacia la configuración interna, invadiendo espacios ajenos a la geometría original del modelo y generando interrupciones geométricas en otras zonas de la pieza. La “Clasificación propuesta” asigna para este defecto la letra “N” (para atribuir al colapso del Noyo) acompañada con el código del defecto (#05), seguido de la letra “N” (fundición nodular). 87 • Defectos de muestra clasificados como filtración, junta fría, porosidades y ruptura (#05, #03, #08, #04 FIMACA). Cuerpo de junta universal, masa rueda y tambor de freno. (14, 22) N05N a) T03N b) Figura 5.9 Cuerpo central de Junta Universal (Manchón). Material: Fundición dúctil ASTM A-536 a) Cuerpo de Manchón de 4” evidenciando geometría incompleta. b) Cuerpo de Manchón mostrando cohesión incompleta en uno de sus bordes. La característica típica de filos angulosos de contorno irregular que presenta el defecto de la Figura 5.9.a indica la incidencia de filtración en el molde de la pieza, siendo en este caso un filtrado por el noyo o macho de fundición. En el caso de la Figura 5.9.b, este defecto con aspecto de grieta, se encuentra en el borde del cuerpo central de una Junta Universal, evidenciando falta de coalescencia en el metal durante su distribución y enfriamiento dentro del molde. El llenado incompleto constituye el caso más crítico en los problemas de fluidez durante la colada (Figura 5.6). La imagen de una aplicación mecánica para la industria del transporte pesado (masa rueda) muestra la configuración del defecto por filtración (Figura 5.10). La tendencia de enfriamiento desde la periferia del sólido promueve la solidificación de la configuración externa antes que la interna; así, la presencia de un problema por filtración provoca la migración del material aún en estado líquido hacia zonas ajenas al diseño original, hacia la matriz del molde o del noyo (macho de fundición). Como muestra comparativa, se ofrece la imagen de una pieza similar completamente sana. 88 N05N a) b) Figura 5.10 Masa rueda C-30. Material: Fundición dúctil ASTM A-536. a) Pieza con evidente discontinuidad geométrica. b) Masa rueda sana empleada para realizar la comparación. La configuración geométrica del defecto, así como su aspecto, pueden ser claros indicativos para un diagnóstico acertado en cuanto al origen y evolución de los defectos producidos durante la fabricación de la pieza; en este sentido, la Figura 5.11 muestra la superficie de un tambor de freno para transporte pesado. En esta muestra se aprecian cavidades esferoidales ubicadas en los bordes de los cambios de sección de la geometría del material, lo cual podría señalar problemas en la evolución de gases durante la solidificación. Esto puede deberse al descontrol sobre las propiedades de las arenas de moldeo como por ejemplo el exceso de humedad en la arena, así como a temperaturas del líquido por encima del estándar sugerido. G08G Figura 5.11 Tambor de freno (vehículo de carga). Material: Fundición gris ASTM A-536. Los puntos encerrados en los círculos marcados con tiza señalan cavidades presentes en la superficie. 89 El registro fotográfico de las piezas deterioradas reveló superficie de fractura frágil de coloración grisácea opaca y en ocasiones superficies de fractura brillante (Tabla 3.1), lo cual indicaba que para la mayoría de las piezas con este defecto se trataba de fundiciones grises, más propensas a este tipo de fallas que las fundiciones nodulares. El choque constante entre las piezas, generado dentro del cilindro giratorio de desmoldeo parece haber provocado fragmentación en los bordes de las mismas, ocasionando pérdidas significativas en la producción. La evaluación cuantitativa que ofrece la sección 5.2 registra las pérdidas de producción por ruptura como la de mayor incidencia para las fundiciones grises, cuyas propiedades mecánicas no son tan óptimas como en el caso de las fundiciones nodulares, pero que sin embargo ofrecen otro tipo de ventajas como la de ofrecer superficies metálicas con alto contenido de grafito para las aplicaciones con altos índices de fricción mecánica (frenos para transporte pesado). T04G Figura 5.12 Tambor Ryco-003. Material: Fundición gris ASTM A-536. La superficie de fractura frágil en el borde del tambor presenta seccionamiento angular. El sistema de alimentación de este tipo de tambores para freno desemboca en la zona donde se observa fractura., quizá fue extraída del molde en forma prematura. 90 - Evaluación microscópica y análisis químico semicuantitativo. El registro de imperfecciones en estudio abarca discontinuidades a menor escala; así, defectos como sopladuras (#17), escoria atrapada (#11), distribución indeseable del grafito en la matriz metálica (“clavo malo” #16), y el interior de las cavidades por rechupe, son observados con equipos de aumento óptico (Macrolupa, MO, y microscopio de barrido (MEB). El estudio de aumento se limitó al análisis de la matriz para fundiciones nodulares. • Defectos de muestra clasificados como sopladura, escoria atrapada acompañada de cavidad superficial. Extraído del perfil bridado en una Válvula de Compuerta F4 PN16 DN100. El aspecto esférico del defecto en la Figura 5.13.a indica la posibilidad de la presencia de gases durante la solidificación de la pieza, la cavidad formada no parece cerrarse sobre sí misma, al contrario, esta parece haber sido provocada al ser eyectada desde el molde, o al menos desde fuera del conformado metálico, lo cual parece indicar que dicha imperfección no fue provocada por la producción de gases desde el interior del baño. G/S/17/11N a) S11N b) c) Elemento Peso % Atom % Figura 5.13 Escoria atrapada y cavidad superficial .a) La zona de coloración grisácea y aspecto heterogéneo indica C 25.34 44.58 presencia de inclusiones de escoria. Adjunto a la escoria se O 18.45 24.37 observa una cavidad superficial vecina con presencia de grafito Al 6.41 5.02 superficial (1X). b) Aumento con MEB 140x señalando un Si 16.62 12.50 grano de sílice (140X). c) Contenido químico en esta zona a Ca 6.50 3.43 través la técnica de Energía Dispersiva de Rayos X (EDX). Fe 26.69 10.10 Total 100.00 91 Las causas de esta incidencia defectuosa pueden haber sido promovidas a partir de los gases proyectados desde el molde hacia la pieza. La humedad excesiva del molde o el alto contenido de aglomerante orgánico en el macho (noyo), podrían contribuir en la generación de gases en exceso, al punto de generar presiones gaseosas mayores a la presión metalostática y así proyectarse dentro del metal en estado líquido, retratando los espacios globulares en cuestión. La “Clasificación propuesta” asigna para este defecto la letra “G” (para referir la evolución de gases) acompañada con el código del defecto (#17) seguido por la letra “N” para referir al material de fundición nodular. La Figura 5.13.b evidencia una zona de coloración grisácea en el material metálico con forma de “V” invertida, siendo sólo su vértice el contacto con la superficie de la pieza. Presenta variedad de fases en su matriz además de una red de orificios que parecen interconectarse en la profundidad del defecto, su composición química presenta alto contenido en hierro (Fe) 26,69 %, seguido de carbono (C) 25,34 % y oxígeno (O) 18,45 %; lo cual podría indicar la evolución de procesos de oxidación durante la solidificación del material, que acompañados por partículas de sílice (Si) 16,52 % conformen zonas de escoria dentro del material. La Figura 5.13.a presenta una zona de escoria aledaña a la superficie del material y colindante con la cavidad formada presumiblemente por evolución de gases, lo cual tendría sentido al tratarse de un proceso de oxidación. En la zona inferior central de la toma puede apreciarse lo que podría ser un grano de arena (Sílice) en la sección central de la inclusión defectuosa, ya que presenta una sola fase y contorno redondeado. La eliminación insuficiente de escoria acumulada en la cuchara de colada, así como altos niveles de turbulencia durante el vertido de molde, y la acumulación localizada de material refractario dentro del sistema de alimentación, podrían ser algunas de las causas en la formación de inclusiones no metálicas de considerable tamaño. El mantenimiento constante de los crisoles y cucharas de vaciado, así como las propiedades adecuadas de la arena y un buen diseño en los canales de alimentación, son algunos de los correctivos que podrían disminuir al máximo este tipo de imperfecciones. La “Clasificación propuesta” propone para este defecto la letra “E” (para referir a la presencia de escoria) acompañada con el código (#11). 92 • Defecto en una muestra de fundición nodular clasificado como Grafito Amorfo (“Clavo Malo”) perteneciente a un lote de Masa Rueda C-30 cuyo arreglo de grafito según los requerimientos tendría que ser de tipo nodular de la NORMA 65-45-12. En la Figura 5.14.a se observa una matriz vermicular (formas alternadas de grafito en hojuelas y nódulos). Para la fundición dúctil o nodular, cuya aplicación compite con los aceros, es imprescindible el logro de arreglos esferoidales grafíticos distribuidos en forma homogénea en toda la extensión del material de hierro. La forma esférica del grafito provoca que las dislocaciones en la matriz puedan rodearlas antes de generarse una falla, conformando una matriz más resistente mientras el grafito presente forma esferoidal. Tratándose de una masa rueda para transporte pesado esto indica un defecto en la matriz del material y por ende la devolución de la producción como chatarra a la línea de moldeo. Además, en la figura 5.15.b se pueden apreciar distribuciones dispersas de grafito que al parecer fueron proyectadas en el líquido durante la fusión, dando como resultado una distribución radial en torno a lo que en un momento fue un núcleo esferoidal (grafito explotado). Es una forma de grafito encontrado usualmente en la parte superior de las superficies de las fundiciones, en secciones pesadas, hierros hipereutécticos con altos residuos de magnesio. También por inoculación tardía, agravada por cantidades excesivas de tierras extrañas. Cabe mencionar que los estándares de nodularidad están entre 200 y 150 Nódulos/mm2 en los productos nodulares de la empresa. T/Q/16V a) b) Figura 5.14 Distribución amorfa de grafito. a) Distribución mixta (Vermicular: hojuelas/nódulos) del grafito contenido. b) Se aprecian señalados en un círculo, glóbulos de grafito dispersos aleatoriamente en la matriz acompañados por partículas de grafito que parecen haber sido proyectadas radialmente a partir de nódulos desintegrados. 93 A continuación se muestra un mismo aumento con dos técnicas distintas, Microscopía Óptica (MO) y Microscpía Electrónica de Barrido (MEB) de la distribución de grafito en la matriz de una muestra de fundición nodular que presenta la distribución deseada (Figura 5.15). El objeto del empleo de las dos técnicas es poner en evidencia la forma esférica del grafito no disuelto en la matriz; en este sentido, se puede apreciar en la Figura 5.15.a una superficie preparada para metalografía que presenta cráteres en donde hubo agregados de grafito esferoidal, la Figura 5.15.b muestra las partículas esferoidales de grafito incrustadas en la matriz de hierro. La distribución de nódulos es relativamente más uniforme con respecto a las matrices presentadas en las imágenes anteriores, lo cual hace suponer un comportamiento mecánico más óptimo en tanto que las morfologías puntiagudas generan mayor concentración de esfuerzo que las morfologías esferoidales durante la migración de dislocaciones, cuando el material es sometido a esfuerzo mecánico. El conteo de nódulos de este material es de 200 Nódulos/mm2. a) b) 5.15 Grafito libre en matriz ferrosa. a) MO. Superficie en una muestra de fundición nodular en la que se evidencian los orificios donde originalmente hubo incrustaciones de grafito libre (50X). b) MEB. Morfología esférica de los nódulos de grafito en una distribución uniforme de material sin defecto. 94 • Defecto en la sección de una muestra en la válvula SINGER PN16 de la figura 5.4.b) en la que se evidencia la estructura nodular y el defecto cercano a la superficie. La figura 5.16 muestra la formación de una cavidad cónica cuyo eje central parece estar paralelo a la superficie del material (Figura 5.16.a). En el interior de la cavidad es posible apreciar la configuración dendrítica, lo cual hace posible estimar el origen del defecto como una cavidad por rechupe debido a una contracción indeseada del material durante su solidificación. Una discontinuidad de este tipo puede provocar una falla catastrófica durante la puesta en servicio de la aplicación (Válvula de control Singer). En torno al orificio es posible observar los glóbulos de grafito esferoidal, cuyo conteo corresponde a 150 Nódulos/mm2. Aunque la distribución del grafito cumple con los estándares, la presencia del defecto por rechupe es un indicio de que el interior de la pieza puede contener aún más cavidades con este tipo de defecto. G08N a) b) 5.16 Cavidad subsuperficial en perfil bridado de la Válvula de control. a) MEB. Ubicación de la cavidad muy cercana a la superficie rodeada de nódulos de grafito libre (100X). b) La figura evidencia carvenoso y una sección longitudinal con cierta conicidad proyectada en profundidad (200X). aspecto 95 5.1.2 Registro de operaciones consideradas como irregulares, capaces de promover defectos en el producto final. - Área de preparación de las arenas de moldeo: Adición de agua por riego manual sobre la arena tratada a la salida del molino Foundry con el fin de generar un patrón de anclaje suficiente para el arrastre y ascensión por la banda transportadora hacia el molino Simpson para luego ser transportada al módulo de moldeo automático. El exceso de humedad en la arena de moldeo provoca la evolución excesiva de gases cuando esta entra en contacto con el líquido metálico, los gases que no logran salir del molde a través de los intersticios de arena, pueden quedar atrapados en la interfase formada por el metal y el molde, y si la presión es lo suficientemente alta; los gases logran imprimir geometrías semiesféricas sobre la superficie del metal, es decir, se generan “sopladuras”. En la figura 5.17 puede observarse una línea de riego manual ya preparada para irrigar la arena saliente del molino Simpson. Se registró la carencia de estrías en la banda transportadora, así como una pendiente tal que imposibilitaba el arrastre de las arenas hacia las secciones altas de la planta donde se destina al módulo de moldeo automático luego de ser tratada. En la figura 5.13.a puede observarse la penetración de gas como una morfología lisa y semiesférica adjunta a una incrustación de escoria atrapada; la cavidad semiesférica muy posiblemente se pudo generar por efecto del exceso de agua en los moldes, y la escoria debido a turbulencias generadas en el sistema de alimentación del molde. 5.17 Banda transportadora de las arenas de fundición. La banda es de hule con fibra interna incorporada, pero carece de estrías que fijen la arena. La figura señala una manguera de riego común empleada para humedecer la arena y generar así el anclaje de la misma por el peso que el agua adicional inflige. 96 - Área de fusión: Se registró la eventual combustión exagerada ocurrida durante la carga de chatarra en los hornos de inducción (Figura 5.18), así como la presencia de hidrocarburos contaminantes en el baño y reacción con otras sustancias igualmente contaminantes (Figura 5.26). Los agregados accidentales de elementos o compuestos que no son afines químicamente al baño, terminan durante la solidificación por conformar discontinuidades estructurales en el material, rompiendo la secuencia de su configuración cristalina al punto de constituir concentradores de esfuerzo. En la figura 5.13.b se observa la fase distinta al metal, de aspecto poroso, en la que los orificios de dicha fase parecen comunicarse en el interior de la misma. Incluso se evidencia la posición de un grano de arena. Esta zona de escoria pudo haber sido atrapada por migración desde el líquido, o por migración de arena desde el molde. Figura 5.18 Horno principal. En la plataforma de fusión ocurren las explosiones y las reacciones de combustión eventualmente incontroladas. En la figura se observa la escorificación del baño para una carga previamente controlada y en estado de fusión completa. - Área de preparación de arenas en el molino Foundry: Durante todo el período de prueba de la planta se observó el empleo exclusivo de Bentonita Cálcica para la preparación de las arenas en los silos de mezclado. Esto, por no contar con proveedores de esta materia prima. Sólo en la confección de moldes con el requerimiento exclusivo de presentar óptimas propiedades mecánicas, la empresa pone especial énfasis en combinar los atributos de la bentonita cálcica y la bentonita sódica para ese fin. 97 En lo que respecta a las operaciones habituales de la empresa, emplea bentonita cálcica. He allí la posible causa principal para el colapso de moldes, fisuras y erosiones que generan imperfecciones en las piezas de fundición. - Área de Chatarra: El almacén de chatarra carece de dispositivos de selección suficientes para evitar la inserción de contaminantes hidrocarburos o metálicos en la carga de los hornos principales. De hecho se dan eventualmente episodios de gran combustión evidenciándose la presencia de agentes no afines al baño metálico. Esta irregularidad es una de las causas en la formación de escoria dentro del material, en segundo lugar se encuentran los productos de las reacciones que operan dentro del baño metálico, y en tercer lugar el desbalance de carga para ferroaleaciones como promotores de escoria atapada. (Figura 5.13). 5.19 Almacén de chatarra. Se puede apreciar en la figura el aspecto heterogéneo y variado de las características metálicas de la chatarra empleada, además del notorio desorden presente en esta sección de almacenaje. - Área de Desmoldeo: Fue registrado el colapso del módulo de desmoldeo por avería en su pared interna. Hubo parada de producción por intervalo de dos días debido a este inconveniente. Se reportó la ruptura en la base del sistema de banda transportadora a la salida del módulo para desmoldeo. Tal desajuste de producción operó en el mes de Agosto, precisamente donde hubo la mayor incidencia de ruptura en las piezas de fundición gris y nodular, la figura 5.12 evidencia el tipo de imperfección generada en esta sección de la planta. 98 5.20 Módulo de desmoldeo. La figura señala el cilindro de rotación continua para desmoldeo y la banda transportadora vibratoria a la salida del cilindro para la recepción de las piezas. Se observa una cesta metálica para el almacenaje. - Área de colada: Durante los meses Septiembre y Octubre renunció uno de los dos operadores que asistía en la línea de vertido y colada, por ende hubo un solo operador en el área; esto implicó retrasos en la producción, así como inconvenientes técnicos durante el vertido de molde. Hubo mayor incidencia de escoria atrapada en las piezas posiblemente por las turbulencias provocadas durante el vertido, así como problemas por llenado incompleto y junta fría por lentitud en la colada, ver figura 5.13, 5 .2 c y 5.6. 99 5.1.3 Clasificación de los defectos bajo estudio (AFS / FIMACA / Clasificación propuesta) En la Tabla 5.1 se ofrece la codificación de los defectos propuesta por esta investigación correspondientes a las figuras en estudio, la asignación de códigos ofrecida por los organismos internacionales (Sociedad Americana de Fundidores AFS y la Asociación Americana para prueba de Materiales ASTM)(14,9), y la clasificación utilizada por la empresa. Clasificación Propuesta: El código de la “Clasificación propuesta” está constituido por la numeración empleada en el Departamento de Control de Calidad (ASC) de la empresa, precedido por letras mayúsculas que indican el parámetro a rectificar para corregir el procedimiento que podría estar incidiendo en la formación del defecto registrado (puede ser empleado en puntos de control en la línea de producción, ver tabla 3.5). A continuación es mostrada la tabla 5.1, en la cual son registradas: la clasificación según la Asociación Americana de Fundidores (AFS), la clasificación de la empresa FIMACA y el aporte de clasificación propuesto por esta investigación. En la nomenclatura propuesta, la primera letra de la serie indica la denominación de la posible causa principal de la imperfección, el número indica el código que utiliza la empresa para la identificación del defecto, y la última letra el tipo de fundición clasificada, gris o nodular según sea el caso (ver tabla 3.5 y 3.6). A continuación se expone un ejemplo de la nomenclatura empleada: Ejemplo: G08N (Gas/porosidades/Nodular) XXXX Causa principal del defecto (Vaciado, Gases, Arena, etc) : G XX X Código numérico de la empresa (01-20): G 08 X Tipo de fundición (Gris o Nodular): G 08 N 100 Tabla 5.1 Clasificación de los defectos en las piezas bajo estudio en fundición gris y nodular (14,9). 101 - Evaluación cualitativa para grupo control. De acuerdo a la tabla 5.1 se detectaron un total de once (11) tipos de defectos en un total de veinte y un (21) piezas evaluadas. En la figura 5.16 se puede apreciar un diagrama de distribución para el porcentaje de piezas evaluadas, y aunque las causas de cada defecto pueden ser más de dos, se ha asignado una causa dominante por defecto para fines de estudio. La figura 5.16 destaca los defectos causados por fallos operacionales como inadecuada técnica de vertido, descontrol en la temperatura de vaciado (junta fría, escoria, llenado incompleto, rechupes y grafito amorfo). Las condiciones del molde en arena verde constituyen un segundo lugar en la formación de defectos tales como sopladuras, colapso de molde y arena vitrificada. En tercer lugar, esta la incidencia de las condiciones del baño sobre la matriz de generación defectuosa para provocar porosidades y escoria atrapada. EVALUACIÓN CUALITATIVA PARA GRUPO CONTROL (SEP-OCT 2009) FILTRACION POROSIDAD 4,54% JUNTA FRIA RECHUPE 33,81% COLAPSO M VITRIFICADA 9,11% 9,10% 13,63% 9,09% LLENADO I ESCORIA SOPLADURA GRAFITO A RUPTURA P Figura 5.21 Porcentaje de piezas evaluadas culitativamente por tipo de defecto. En el gráfico figura el defecto por filtración como el más mayoritario (33%), seguido por las porosidades en el material (13,63%). 102 El área de preparación de las arenas y conformado de moldes podría ser la que acuse mayor incidencia en la generación de imperfecciones, ya sea por la composición de la arena o por insuficiente apisonado. Cabe mencionar la importancia de las técnicas de microscopía en la detección de los defectos generados en el material, más aún cuando se trata de materiales que serán sometidos a elevados niveles de presión, ya sea por el paso de agua o por influencia mecánica directa. De no emplearse este tipo de evaluación podrían salir al mercado productos con heterogeneidades mayores, propensas a sufrir fallas en servicio a mediano plazo, debido a la coalescencia y crecimiento de dichas fallas operadas en el material. 103 5.1.4 Evaluación por técnica de Ultrasonido de dos muestras de fundición gris y nodular. El registro de las discontinuidades internas en el material, así como el perfil de superficie de cada pieza, quedan reflejados en los gráficos de las tablas ofrecidas en esta sección, donde se aprecia el comportamiento de zigzag de las ondas de rebote. En éstas, la señal de picos descendentes en forma continua indica homogeneidad en el material, la señal con picos de tamaño irregular pero de reducida magnitud indican el perfil de superficie, y los picos mayores y discontinuos aportan indicaciones dentro del material. Para evaluar la presencia de discontinuidades subsuperficiales en el material de fundición, se procedió a la selección de muestras relativamente robustas (espesores mayores a una pulgada) en las paredes de las piezas (ver Figura 5.4.b). Esta condición geométrica se determinó con el dimensionamiento de cada pieza de prueba y sus planos correspondientes. Las imperfecciones por rechupe y porosidades internas se generan preferentemente en la configuración más robusta de la pieza, zona última en terminar de solidificar por su misma condición geométrica (13) . A continuación se muestran las imágenes de las dos muestras en estudio (Figura 5.22). Figura 5.22 Esquema de la distribución de los puntos de prueba y localización de la zona en estudio. En la figura se indica con una demarcación la zona de análisis sobre de los dispositivos. a) Válvula de Retención (VR) en fundición gris. b) Válvula de Control (VC) en fundición nodular El grosor de la pared en estudio (entre media pulgada y una pulgada), así como la alta rugosidad de la superficie hizo necesario el empleo de un palpador de 5 MHz de incidencia normal a la superficie. 104 Para el estudio fueron escogidas las zonas de perfil más grueso en la piezas; además, la distribución de puntos en la pared externa de la muestra se dispuso en forma de matriz 2x3 (ver figura 5.23). Cabe mencionar que la válvula de retención (VR) fabricada en hierro gris fue escogida al advertir un orificio superficial con aspecto de rechupe por contracción (ver Figura 5.3.a), lo cual implicó un signo para asomar la posibilidad de cavidades internas, también por contracción. La válvula de control sí fue separada desde un lote de rechazo que presentó defectos por vacíos generados en el interior de la pieza (aparentemente por rechupe). Figura 5.23 Distribución de los puntos para la prueba de ultrasonido. En el esquema de cada pieza se encuentra señalado el perfil donde fue realizado el análisis. a) Válvula de Retención (VR). b) Válvula de Control (VC). A continuación se muestran los resultados obtenidos en los puntos representados en la figura 5.23 correspondiente a los reportes de ultrasonido para cinco pulsos en el material analizado. Según la norma ASTM E114-95 para incidencia normal (perpendicular). • Válvula de Control SINGER (VC) fundición nodular. Velocidad del sonido: 5192 m/s Los pulsos de comportamiento continuo descendente evidencian la reflexión con la pared de fondo, acusando la ausencia de indicaciones. El punto b” registra una indicación a 2,18 mm de profundidad según la diferencia de recorrido del pulso (19,91mm-17,73mm). 105 Tabla 5.2 Señales de los pulsos registrados por ultrasonido en la muestra (VC) ZONA a a' a” 15.44 mm 14,72 mm 14,66 mm. b b' b” TIPO DE SEÑAL CAPTADA POR ULTRASONIDO (PARED DE FONDO) ESPESORES REPORTADOS EN LA ZONA ZONA TIPO DE SEÑAL CAPTADA POR ULTRASONIDO ESPESORES 17,73 mm REPORTADOS Señal con indicación 15,86 mm EN LA ZONA 15,86 mm clara. Se realizó una segunda a a’ a” b b’ b” Indicación en la zona: b" medición sobre la zona : Señal de ref. –señal de indicación: Esquema de la distribución de zonas para END. 19,91 – 17,73 = 2,18 mm Presencia de indicación a los 2,18 mm de profundidad en la zona b”. LONGITUD DE LA MEDICIÓN ADICIONAL (Ref.) 19.91 mm • Válvula de Retención ELA (VR) fundición gris. Velocidad del sonido: 4667 m/s En la evaluación se muestran diferentes pulsos a lo largo del espesor del material, estos hacen suponer la presencia de discontinuidades. Por otra parte, debido a la forma de los pulsos de 106 menor tamaño y alturas distintas entre sí, se hace evidente el efecto de la rugosidad de la superficie. Tabla 5.3Señales de los pulsos registrados por ultrasonido en la muestra (VR) ZONA a a' a” INDICACIÓN (mm) 13,33- 10,16 = 3,17 11,74 – 10,49 = 1,25 18,90 – 12,09 = 6,81 ZONA b b' b” 9,85 mm 13,94 – 10,39 = 3,35 14,87 – 11,65 = 3,22 Sin presencia de Presencia de Presencia de indicaciones. indicaciones. indicaciones. TIPO DE SEÑAL CAPTADA POR ULTRASONIDO Los registros presentan claras señales de ruido al lado de las indicaciones. Esto podría deberse a la rugosidad superficial (desbaste insuficiente) TIPO DE SEÑAL CAPTADA POR ULTRASONIDO Al no haber indicación se omiten mediciones adicionales. INDICACIÓN (mm) EVALUACIÓN DE LA SEÑAL 107 • Evaluación de los registros de discontinuidad por la técnica de Ultrasonido. Tabla 5.2 Fundición Nodular (VC SINGER): Las gráficas registradas para la válvula de control no parecen reportar indicaciones pues sólo registran la reflección de paredes de fondo, lo cual podría significar la prueba de la sanidad interna del material en la zona escogida como prueba; excepto por el punto b”, que presenta claras muestras de indicación en la forma del pulso al registrar distintos recorridos de la onda en la zona (diferencia de espesores en un mismo punto), realizándose una segunda medición, la cual fue restada de la primera para estimar así la ubicación de la indicación en la profundidad de la pieza, acusando una profundidad aproximada de 2,18 mm bajo la superficie. Cabe mencionar que el registro para los pulsos de pared de fondo, reportaron espesores distintos en la sección de estudio, habiendo diferencias de hasta media pulgada (½ Pulg) a lo largo del espesor sondeado, cuando el plano de fabricación contempla un mismo espesor para la zona. Tabla 5.3 Fundición Gris (VR Tipo ELA): A diferencia de la válvula de control antes mencionada, ésta válvula sí presentó incidencia de indicaciones en torno a los ecos principales propios de la reflexión de pared de fondo que también registró notables diferencias a lo largo del espesor en la pared estudiada. Se registró la presencia de indicaciones particularmente a lo largo del espesor de la muestra. En la mayoría de las gráficas se visualizaron pequeñas indicaciones a lo largo del espesor, lo cual hace suponer la presencia de cavidades irregulares a lo largo de la misma. Los valores de profundidad para cada una de las indicaciones fueron: a = 3,17 mm a’ = 1,25 a” = 6,81 b: No presentó falla. b’ = 3,35 b” = 3,22 Cabe mencionar que la velocidad del sonido para este material (4667 m/s), presenta una velocidad menor que en la muestra de fundición nodular (5192 m/s). La diferencia de velocidades en el medio ferroso puede darse por los obstáculos a la onda mecánica del sonido que en el material de fundición gris pueden ser más numerosos por la misma distribución física de la matriz fraccionada por láminas de grafito dispuestas en cualquier dirección. La matriz nodular parece ofrecer menor resistencia al paso de los pulsos de sonido. 108 5.1.5 Registro cualitativo de posibles causas atribuibles a inadecuadas condiciones de la arena de moldeo. El propósito de esta sección fue caracterizar las arenas de moldeo para estimar las causas de los defectos que pudieron tener su origen en el molde y discriminarlas de aquellas con raíz metalúrgica. En la Figura 5.24 se observan los componentes de arena sin ser usada (Sílice y arcilla), y la arena en verde luego de haber sido mezclada y usada en la línea de producción. • Condiciones geométricas de la arena empleada como arena base (sílice) y compuesto Arcilla (bentonita cálcica)-Carbón antes y después de su uso. a) b) c) Figura 5.24 Componentes de la arena de moldeo empleada en FIMACA (40X). a) La configuración de la arena sílice es sub- angular esferoidal. b) Se observa la dimensión del grano de arcilla (bentonita) de aún menores proporciones que la sílice, acompañado con granos de coloración oscura carbón vegetal. La marca de referencia es de un milímetro (1mm). c) Se observa sinterización y formación de clusters por tanto la pérdida de homogeneidad dimensional en las unidades agua- arena-arcila. El aspecto de las arenas preparadas para moldeo se registra en la Figura 3.9, un sustrato grisáceo de aparente distribución homogénea que es trasegado hacia el sistema de conformado del molde, y aunque luego de ser usada sus características macroscópicas no operan un cambio importante, a nivel microscópico parecen cambiar radicalmente. 109 En la Figura 5.24 se muestran dos tomas de aumento, en la primera (5.24.a) la arena de sílice presenta cierta homogeneidad dimensional entre sus granos cuyo carácter morfológico parece ser de perfil sub angular de tipo esferoidal (ver figura 3.6); la escogencia de esta morfología de sílice puede deberse a la necesidad de acople entre las partículas durante el compactado de la arena. La figura adjunta que muestra una mezcla de dos fases distintas (bentonita cálcica y carbón natural) (5.24.b) cuyos granos presentan dimensión más reducida, ofrece una panorámica de similar homogeneidad dimensional entre los granos registrados por ésta. El aspecto de la arena en una muestra de arena usada o “quemada” (Figura 5.24.c), en cambio, parece ofrecer variados tamaños de grano cuyas superficies oscuras aparentan estar impregnadas por un sustrato más fino que une en algunos casos un grano con otro, al punto de generar coalescencias granulares de tamaños disímiles. La oficina de aseguramiento de calidad de la empresa (ASC) mantiene un control constante de las propiedades de las arenas (compactibilidad, humedad, resistencia a la compresión en verde RCV, bentonita total y temperatura de la arena), sin embargo carece de un plan de caducidad de las arenas en el que sea desincorporada definitivamente y en forma completa la existencia de arenas reutilizadas; así, numerosas partículas, habiendo perdido las propiedades para realizar un conjunto de moldeo satisfactorio, quedan a merced de ser incluidas en los moldes sin un control estricto. Los defectos como la filtración (N05G), el colapso de molde (P09G); tienen su causa raíz en las condiciones de la arena de moldeo. En esta investigación dichos defectos constituyen los de mayor número después de los defectos por ruptura de pieza. Por otro lado, las irregularidades operacionales en la adición de agua para fines de transporte podrían estar causando excesos de humedad perjudiciales en la composición de la arena, al punto de promover la evolución excesiva de gases, fomentando así sopladuras en las piezas de moldeo. Al ofrecer poco grado de libertad a la salida de gases producidos en el líquido metálico durante su enfriamiento, el molde hecho de arena puede generar el confinamiento de los mismos impidiendo su salida y generando espacios de vacío estructural dentro de la pieza moldeada. 110 5.2 Sondeo cuantitativo para la determinación de las causas que originan la formación de los defectos en estudio. La recopilación cuantitativa ofrecida, esta orientada a evaluar las condiciones del baño así como las condiciones del molde en la detección de errores de proceso para fines correctivos. Así, esta sección principia con el registro de frecuencia en el tiempo de los defectos en estudio durante un lapso de tres meses para fundiciones grises y nodulares; luego se perfila hacia el análisis de las condiciones del baño (líquido metálico) correspondientes a la fecha de estudio, para finalmente relacionar las propiedades de las arenas que constituyeron los moldes de colada durante esa misma fecha. Para la mayoría de las imperfecciones registradas por el Departamento de Control de Calidad ASC (FIMACA), el origen de una discontinuidad se engendra principalmente en tres fases distintas de la línea de producción: en la plataforma de fusión a partir de la inadecuada escogencia de la materia prima (generándose reacciones químicas indeseables dentro del baño), en la misma área de fusión como producto de proporciones incorrectas en los agregados añadidos al metal en estado líquido (carga de horno), o en la línea de moldeo como consecuencia de las condiciones inadecuadas del molde hecho de arena verde (propiedades de las arenas de moldeo). Con la orientación técnica que proveen las normas internacionales en el sector metal-mecánico (AFS, ASM y ASTM) para evaluar las posibles causas metalúrgicas (endógenas) u operacionales (exógenas) en la aparición de imperfecciones de fundición, esta investigación reporta el seguimiento cuantitativo de la carga de horno, las temperaturas del baño y colada, composición química del producto y propiedades del molde de arena; haciendo posible estimar las causas que pudieran estar originando la matriz de imperfecciones registradas en los meses de agosto, septiembre, y octubre del año 2009 en la empresa de fundición FIMACA. Esta base de datos podría actuar como referencia estadística para la operación de mejoras en la producción de la planta. (13,14,20) 111 5.2.1 Registro y análisis de comportamiento en el tiempo de la incidencia de piezas con defecto en fundiciones grises y nodulares. Como punto de referencia para el estudio causa raíz de los defectos en las fundiciones grises y nodulares, se hizo un registro de la frecuencia de imperfecciones durante un lapso de tiempo de noventa días; esto, con el fin de comparar los datos referentes a las condiciones de fusión y vaciado, así como el análisis de las propiedades de las arenas de moldeo. Se presentan a continuación las relaciones cuantitativas correspondientes a la incidencia de imperfecciones en la planta durante los días 17, 18, 19 y 21 agosto; 8, 9, 10 y 11 septiembre; y diez primeros días de octubre del año 2009. • Defectos operados en productos de Fundición Gris durante el período en estudio. El conteo de piezas defectuosas se realizó en la salida del cilindro rotativo para desmoldeo (Trompo), y en el área de granallado. El grupo estuvo constituido por tambores para freno, secciones inferiores de bocallaves, bonetes para válvulas de compuerta, discos para pulir pisos de granito, y columnas tipo hidrante; todos estos confeccionados en fundición gris ASTM A-48 clase 30 y fundición gris ASTM A-126 clase B (ver figuras 5.1,5.3,5.8 y 5.11). (9) Figura 5.20. Defectos en productos de Fundición Gris registrados durante Agosto, Septiembre y Octubre del año 2009. FIMACA. 112 El registro mayoritario de imperfecciones que ofrece el gráfico de la Figura 5.20 para los productos confeccionados en fundición gris, se da en los meses de Agosto y Octubre para defectos por Filtración, Colapso de molde (Molde Roto), Llenado incompleto y Maltrato de pieza (Despostillamiento). Los defectos por filtración (debidos a ruptura del noyo) se incrementan en número en el transcurso de los meses, estos pueden haber sido ocasionados por las inadecuadas condiciones mecánicas del macho de fundición (22,15) . Por otro lado, los defectos por colapso del molde pueden haberse originado por inadecuadas propiedades en la arena de moldeo que envuelve a la pieza (20). El llenado incompleto suele generarse durante la práctica de vaciado o debido errores de diseño en los sistemas de alimentación, razones suficientes para retardar el flujo de líquido metálico al punto de provocar la solidificación prematura del mismo; sin embargo, las propiedades geométricas del grafito laminar libre en la matriz y la gran dispersión en el material podrían haber generado mayor velocidad durante el enfriamiento del material al operar como buenos disipadores de energía térmica (9). Se tomaron en cuenta los defectos por maltrato (Ruptura de la pieza) debido a que son producto de la respuesta mecánica típica en las fundiciones grises, que al presentar propiedades mecánicas más pobres comparadas con la fundición nodular, resultaron de gran interés para la discriminación en el comportamiento de ambos materiales. Las fundiciones grises son fácilmente quebradizas en la etapa del desmoldeo en el interior del cilindro rotativo de extracción de arena, más aún cuando la pieza ha sido desmoldeada antes de tiempo (Ver figura 5.12) (19,22). Las Porosidades no representan un número significativo en el conteo de imperfecciones, esto podría indicar la evolución de gases desde el líquido hacia las zonas externas a la pieza, estos gases suelen arrastrar consigo escoria (con menor densidad que el líquido metálico), provocando así su confinamiento en el material o la presentación superficial de la misma a manera de manchas localizadas. 113 La arena que se desprende del molde (erosión del molde) puede ser la señal de las inadecuadas propiedades de la arena de moldeo, posiblemente por el bajo contenido en arcilla (aglutinante de las arenas) ver Figura 5.1.b. Arena vitrificada (Tierra Metalizada Figura 5.5) sobre la superficie de una pieza, podría ser evidencia clara de las carencias en la arena, falta de aditivos hidrocarburos, exceso en la temperatura de colada o falta de suficiente apisonado en la conformación del molde. • Defectos registrados en productos de Fundición Nodular. El conteo de piezas defectuosas se realizó en la salida del cilindro rotativo para desmoldeo (Trompo), y en el área de granallado. El grupo estuvo constituido por cuerpos de Válvula de compuerta, Cuerpos de válvula de control, Cuerpos de Junta Universal, Contrabridas, Artilleras, Masa ruedas y tapas transversales bocas de visita rectangulares. Estos materiales fueron confeccionados en fundición dúctil ASTM A-53 (ver figura 5.2, 5.4, 5.6, 5.9, 5.10) (9) Figura 5.21. Defectos en productos de Fundición Nodular, registrados durante Agosto, Septiembre y Octubre del año 2009. 114 En el registro de la Figura 5.21, se hace notable un pico máximo en la frecuencia de piezas defectuosas por colapso de molde para el mes de octubre (16,22) . Cabe notar, que el colapso de molde (Molde Roto), las Filtraciones y el maltrato, constituyen las fuentes de imperfección de mayor incidencia durante los meses en estudio. Los defectos por filtración aparecen cada vez menos durante los meses en estudio, y presentan un número de incidencia similar a los productos de Fundición Gris, lo cual puede indicar una situación de irregularidad crónica en la confección de noyos. Las causas de este defecto podrían ser los bajos niveles de compactación de la arena, o un aglutinante furánico de poca calidad, necesitándose ajustes en el sistema de confección de noyos que podrían ser inspeccionados preventivamente no solo a nivel geométrico o de acabado superficial, sino con el registro de la dureza del mismo (20,22). El defecto por maltrato parece constituir una constante en el mes de Agosto para ambos tipos de fundición, lo cual constituye un indicador importante para la puesta en marcha de medidas preventivas y correctivas relacionadas con la preservación de las piezas de baja resilencia. Cabe destacar que en el mes de noviembre hubo parada en la línea de moldeo por el colapso mecánico del sistema de enfriamiento y desmoldeo de productos (cilindro rotatorio), éste consistió en un orificio formado en la pared del sistema y en la ruptura de la base en el sistema de banda transportadora vibratoria donde son depositadas las piezas al salir del cilindro rotativo (Tambor). Las imperfecciones por fuga tienen una frecuencia similar durante los tres meses en estudio, estos también son ocasionados por la ruptura del molde, pero su manifestación es masiva. Durante el registro de eventos en la línea de moldeo, las filtraciones se manifestaban como fuentes de metal en estado líquido escurriendo por la línea de partición del molde, por ello muy probablemente este defecto sea más por causa de un mal acople entre las cajas de moldeo que por efecto de propiedades en la arena de moldeo, lo que sugiere el chequeo constante en el ensamble de las cajas de moldeo, su reparación remplazo oportuno. 115 Los defectos por Rechupe, Porosidades, Tierra Caída y Tierra Metalizada constituyen las frecuencias mínimas en la aparición de los defectos en estudio. Los dos primeros por causa de la contracción en estado líquido y evolución de gases respectivamente, los dos segundos por las condiciones inadecuadas de las arenas de moldeo, indicio de un buen nivel en el control de calidad de los procesos (22). • Comportamientos comunes y disímiles de las aleaciones en estudio durante el proceso de formación de los defectos registrados. - Estudio Macroscópico: Al parecer, la mayoría de los defectos comunes entre ambos tipos de fundición (Tierra caída, Tierra metalizada, escoria, poros) se deben a causas exógenas al líquido metálico (propiedades indeseables del macho de fundición, inadecuadas condiciones de la arena de moldeo, sistemas de alimentación mal diseñados, y mal acople en las cajas de moldeo); solo las porosidad en el material, siendo de naturaleza endógena, se considera como un fenómeno común en ambos tipos de fundición; de hecho este tipo de defecto se encuentra registrado en el presente estudio con una estadística parecida (ver Figuras 5.20 y 5.21). Se podría decir que el comportamiento similar a nivel estadístico de los vectores de imperfección mostrados en las Figuras 5.20 y 5.21 podría ser indicio de la naturaleza exógena de los defectos registrados. - Estudio Microscópico: En las fundiciones nodulares analizadas, la presentación fragmentada o dispersa del grafito en la matriz, está considerada como un defecto, ya que la presencia del grafito en la matriz con distribución angular y dispersa constituye más puntos de concentración de esfuerzo y por lo tanto más probabilidad de colapsar al ser sometida a presión (9) . En la empresa FIMACA, tal distribución indeseable es llamada “Clavo Malo” para hacer referencia a la muestra de fundición para análisis metalográfico en cuya microestructura se observan distribuciones indeseables de grafito. Por otro lado, la distribución nodular (por la condición geométrica esferoidal en la distribución del grafito libre) tiende a enfriarse más lento que la fundición gris, por ende los problemas de llenado incompleto pueden ser más frecuentes en las aleaciones grises que en las nodulares, lo cual se ve reflejado en las figuras 5.20 y 5.21. (9) 116 Debido a la morfología del grafito en la matriz metálica, los productos de fundición nodular presentan mejor comportamiento al impacto durante el desmoldeo comparados con los productos hechos en fundición gris. Esta condición a nivel de microestructura en el material, puede ser la razón por la que se observan mayores índices de piezas fracturadas en la producción de fundiciones grises (figura 5.20) que en la producción de fundiciones nodulares (Figura 5.21), lo cual podría justificar un ajuste de velocidad en el giro del módulo rotatorio para el desmoldeo de las piezas. A continuación, se ofrece el estudio cuantitativo de las variables metalúrgicas del baño, que podrían constituir el origen de algunas de las imperfecciones en estudio. 5.2.2 Registro y análisis de variables metalúrgicas calculadas a partir de los datos de fusión y vaciado (Colada) en las líneas de moldeo automático. Con el fin de identificar las incidencias que pudieron originar los defectos por causas metalúrgicas analizados en esta investigación, se ofrece a continuación el registro de las variables más relevantes concernientes al baño metálico de colada; y toma como referencia el muestreo durante los meses agosto y septiembre del 2009 en función de las Especificaciones Técnicas de producción, en este sentido, los defectos reportados (Figuras 5.20 y 5.21) atribuibles a fallas en el baño son: Rupturas (Maltrato), porosidades internas y rechupe. • Especificaciones Técnicas requeridas en el proceso de fusión y colada. (Tv, %Si y %C, y %CE) Para el análisis causa raíz a nivel metalúrgico, se consideraron las siguientes variables de proceso: la temperatura de vaciado (Tv), porcentaje de silicio en el baño (%Si), porcentaje de carbono (%C), y porcentaje de carbono equivalente (%CE),. Estos parámetros de interés determinan la sanidad y las óptimas propiedades de servicio en las piezas fabricadas por fusión y colada. Los mismos que fueron referidos en la sección tres del presente estudio. (9,25) Temperatura de colada o vaciado (Tv): La temperatura de colada idónea es el valor superior a la línea de líquidus que permita colocar el metal en estado líquido en el interior del molde, evitando así la formación de nódulos durante esta etapa; así, temperaturas por debajo de los parámetros de producción generan defectos por llenado incompleto y juntas frías. 117 Temperaturas por encima de los valores sugeridos (14,25) , pueden generar disminución en la resistencia tensil de la pieza al generar excesiva evolución de gases (hidrógeno y oxígeno), quedando atrapados en la matriz conformando vacíos en el material. A continuación los valores sugeridos por las Especificaciones Técnicas de la empresa FIMACA Tabla 5.2 (1): Tabla 5.2. Temperaturas de vaciado (7,9). FUNDICIÓN Tv (°C) Gris 1380 - 1420 Nodular 1390 - 1420 Vermicular 1410 - 1420 Cabe mencionar, que las fundiciones Vermiculares, aunque constituyen un defecto en la matriz de la fundición (Figura 5.14.a), eventualmente son confeccionadas a propósito para diseñar piezas que puedan soportar valores de esfuerzo mecánico intermedios entre los que puede soportar la fundición gris y la fundición nodular (Caja interamericana, Troncocónica, Caja Ecuador y caja F5). Estos productos no fueron evaluados durante los meses en estudio, ya que no se registró producción de los mismos durante este período. Conforman el grupo de piezas producidas eventualmente por la empresa. A continuación se ofrecen los valores de %CE, %C y %Si que rigen los procesos de la empresa FIMACA, el contenido de Si promueve la grafitización y determina el tipo de matriz ferrosa (perlítica, ferrítica o blanca), mientras el contenido de C determina la condición nodular o gris que adopte la aleación (Diagrama de Maurer, figura 3.3). • Composición química: - Porcentaje de carbono equivalente (%CE), porcentaje de silicio (%Si) y porcentaje de carbono (%C): Valores registrados en las Especificaciones Técnicas para la Composición Química requerida en el producto (Diagrama de Maurer referido en la sección tres): Tabla 5.3 Fundición Gris ASTM A – 48 Elemento %C %Si %Mn %P %S %Cr %Cu %Ni % Min. 3.10 1.80 0.70 ------ ------ ------ 0.50 ------ %Máx. 3.20 2.00 0.80 0.15 0.12 0.30 0.70 0.20 118 El rango de %CE para la fabricación de aplicaciones ferrosas de tipo gris refiere a las fundiciones hipoeutécticas (Figura 3.2): %CE para fundiciones grises: %CE = %C + % Si + % P = 3.75 min. – 3.91 máx. 3 Tabla 5.4 Fundición Nodular tipo ASTM 536 Elemento %C %Si %Mn %P %S %Cr %Cu %Ni %Mg % Min. 3.70 2.70 ------ ------ ------ ------ ------ ------ 0.035 %Máx. 3.85 3.00 0.5 0.03 0.02 0.05 0.15 0.05 0.05 El rango de %CE para la fabricación de aplicaciones ferrosas de tipo gris refiere a las fundiciones hiperutécticas (Figura 3.2): %CE para fundiciones nodulares: %CE = %C + % Si + % P = 4.61 min. – 4.86 máx. 3 • Porcentaje de carbono equivalente (%CE) versus temperatura de vaciado (Tv) detectados en los productos de fundición para los meses Agosto y Septiembre de 2009. En la fundición gris y en la fundición nodular, los altos contenidos de carbono equivalente CE y de C, son indicio de fragilidad en el material, ya que la tenacidad de la aleación disminuye con el aumento en el contenido de carbono (9) . Esto, ya que el carbono libre en forma de grafito se comporta como un material cerámico que fragiliza la matriz. Diariamente el orden de producción de la planta inicia con la fundición gris, para irse elevando la temperatura y lograr los niveles de temperatura requeridos en la producción de fundición nodular. En los gráficos presentados a continuación, cada punto representa el registro de una colada, pudiéndose reportar en ocasiones dos coladas por día de un mismo tipo de fundición (Figura 5.23). 119 En el eje vertical, los valores más elevados en la temperatura de colada (Tv) correspondieron a piezas cuya aplicación técnica requiere altos niveles de precisión (Tambores para frenos, artilleras y válvulas de retención), esto debido posiblemente a la necesidad de obtener un llenado de molde sin problemas con metal enfriado antes de tiempo para evitar la generación de concentradores de esfuerzo (Juntas frías, rechupes o microsegregación); los valores más bajos de temperatura, correspondieron al vaciado de piezas que conforman accesorios de instalación (Boca llaves, cajas troncocónicas, etc.)(1), aplicaciones que podrían aceptar discontinuidades en su matriz. - Valores de %CE vs Tv en las fundiciones grises durante los meses Agosto y Septiembre 2009. En el eje horizontal, los registros de porcentaje de carbono equivalente (%CE) corresponden a valores por debajo del punto eutéctico (valores hipoeutécticos) donde la transformación austenítica da como resultado la matriz perlítica o ferrítica de la aleación (ver figura 3.2). Agosto/Fundición Gris 2009 % CE vs Tv (Fundición Gris) Tv (°C) 1415 1410 1405 1400 1395 1390 1385 3,78 3,80 3,82 3,84 3,86 3,88 3,90 3,92 % CE 5.23 Gráfico %CE vs. Tv correspondiente a los días 17,18. 19 y 20 (2 coladas) de Agosto. 120 Para el mes de Septiembre (Figura 5.24), pareciera haberse operado un ajuste en la temperatura, ya que se reportaron valores más elevados que el mes anterior (ver figura 5.24), además, los valores de %CE parecen estar dentro de un rango entre los 3,78 y 4 %. Cabe mencionar que las temperaturas de vaciado (Tv) se encuentran muy por encima de la temperatura en el punto eutéctico de 1130° C (Figura 3.2), sin embargo se mantienen en el rango permisible de temperatura requerido (1380 ° C – 1420° C). El ajuste de temperaturas pudo haber sido un factor controlador de un tipo de imperfecciones para el mes de Septiembre, pero un promotor de otro tipo de imperfecciones para el mes anterior. Así, en la figura 5.20 y 5.21 se observa que de mes a mes para los dos tipos de fundición, aumentan los problemas por filtración, arena vitrificada, colapso de molde y formación de escoria; pero disminuyen los problemas de junta fría y llenado incompleto. Septiembre/ Fundición Gris 2009 % CE vs Tv (Fundición Gris) 1415 Tv (°C) 1410 1405 1400 1395 1390 1385 3,00 3,20 3,40 3,60 3,80 4,00 4,20 % CE 5.24 Gráfico %CE vs. Tv correspondiente a los días 7(2 coladas), 8, 9, 10 y 11 de Septiembre. En el gráfico de barras de la figura 5.21 referente a la incidencia mensual de imperfecciones, puede observarse que los defectos debidos a factores metalúrgicos no son tan frecuentes como los debidos a los parámetros del molde en arena verde, sin embargo es importante mencionar que la incidencia de escoria registrada en el gráfico de la figura puede haber sido promovida por exceso de carbono en el baño. 121 De hecho, en la figura 5.24 el mes de septiembre registra un punto (colada) de cuatro (4) %CE para el producto confeccionado, lo cual señala un buen control en los parámetros de composición del baño metalúrugico. - Valores de %CE vs Tv en las fundiciones nodulares durante los meses Agosto y Septiembre 2009. Con el objeto de verificar los rangos de %CE y temperatura de colada Tv; y relacionarlos con la formación de los defectos de fundición, se ofrece el diagrama %CE vs Tv. Cada punto en el diagrama corresponde a una colada durante el mes en cuestión. Los rangos establecidos por las especificaciones técnicas se encuentran al principio de esta sección. Agosto/Fundición Nodular 2009 % CE vs Tv (Fundición Nodular) 1422 Tv (°C) 1420 1418 1416 1414 1412 1410 1408 4,65 4,70 4,75 4,80 4,85 4,90 4,95 5,00 5,05 % CE 5.25 Gráfico %CE vs. Tv correspondiente a los días 17, 18, 19, y 20 de Agosto 2009. Se puede observar que los valores de la fundición nodular se encuentran en el rango hipereutéctico del diagrama hierro-carbono metaestable; además, las temperaturas por encima del punto eutéctico son algo mayores que en las fundiciones grises en estudio, esto probablemente pueda deberse a la necesidad de invertir energía en el proceso de nodulización previo a la inoculación del carbono en la matriz. 122 De hecho, durante el vaciado del horno principal hacia la cuchara de reacción para nodulización, se apreció una reacción exotérmica que no se operó en la preparación del líquido para las fundiciones grises, a las cuales sólo se les realizó escorificación e inoculación (tratamientos comunes a ambos tipos de fundición). En la figura 5.25, aunque el rango de temperatura registrado no escapa de los requerimientos en las especificaciones técnicas (1390° C – 1420° C), el intervalo de %CE se observa en algunas coladas por encima de 4,86%, llegando a ser superior al 5,00 %CE. Al respecto de la influencia que podría tener el alto contenido en carbono en el líquido, cabe mencionar que la figura 5.21 contempla como defectos mayoritarios para el mes de Agosto el colapso de molde y lo problemas por filtración, incidencias operadas en el molde pero que también pueden ser consecuencia de los cambios volumétricos que operan en el material metálico durante la grafitización (26) , que en el caso de las fundiciones nodulares opera acompañada de drásticos cambios de volumen. Así, al ser mayor la contracción originada por el paso del estado líquido al sólido que la expansión originada por la formación de Grafito, pueden generarse tanto rechupes internos como situaciones de expansión en las dimensiones de la pieza durante la evolución del calor. (26) Se hace notable cómo la cantidad de los defectos registrados para las fundiciones grises y las fundiciones difieren en número y tipo; pudiéndose notar que mientras las fundiciones grises presentan más problemas de ruptura, llenado incompleto y junta fría; las fundiciones nodulares presentan más incidencias relacionadas con el molde de arena (Figuras 5.20 y 5.21); esto, ya que la solidificación de las fundiciones grises podría presentar mayor rapidez por el carácter geométrico del grafito, que a diferencia de las formaciones nodulares libera el calor con mayor rapidez. Se puede observar cómo los defectos por causas de la arena de moldeo se incrementan para el mes de Septiembre, de hecho, en este mes los defectos por colapso, filtración y fuga parecen incrementarse; sin embargo, de acuerdo con el diagrama de la figura 5.26, los valores de temperatura y %CE se registraron dentro del rango requerido en las especificaciones técnicas de la línea de producción. 123 Septiembre/Fundición Nodular 2009 Tv (°C) % CE vs Tv (Fundición Nodular) 1422 1420 1418 1416 1414 1412 1410 1408 4,55 4,60 4,65 4,70 4,75 4,80 4,85 % CE 5.26 Gráfico %CE vs. Tv correspondiente a los días 8, 9, 10 y 11 de Septiembre. • Evaluación del porcentaje de Silicio (%Si) versus porcentaje de carbono (%C) en los productos analizados para las coladas del mes de Agosto y Septiembre de 2009. Con el objeto de analizar la incidencia del contenido de silicio como factor preponderante en la calidad metalúrgica (promotor de grafito libre), son analizados los contenidos de C y Si para los meses Agosto y Septiembre según el diagrama de Maurer (9) (Figura 3.3 de la sección teórica). Siendo el silicio un agente promotor en la formación de carbono libre en forma de grafito, y teniendo en cuenta el volumen de producción de piezas con espesores desde los 20 mm, se muestra a continuación las tendencias de formación de grafito en las estructuras. Cabe mencionar que una proporción menor al 2 % de Silicio, promueve la formación de carburos en el material, lo cual induce a su fragilización, por lo cual puede ocurrir la ruptura de piezas durante la extracción del molde o incluso en la etapa de solidificación y enfriamiento siendo el %C y el %Si evaluaciones necesarias para evitar problemas futuros en la producción y calidad de las piezas (Diagrama de Maurer de la figura 3.3). 124 - Valores de %C vs %Si en las fundiciones grises durante los meses Agosto y Septiembre 2009. El gráfico 5.27 muestra la tendencia de cada colada a formar estructuras de ferrita acompañadas de perlita (9) según el diagrama de Maurer (Figura 3.3). Agosto/ Fundición Gris 2009 % C vs % Si (Fundición Gris) 2,5 %C 2 1,5 1 0,5 0 3 3,05 3,1 3,15 3,2 3,25 % Si Figura 5.27. Gráfico %C vs. %Si correspondiente a los días 17,18. 19 y 20 (2 coladas) de Agosto. El %Si se ubica por encima de 3,05% para las cinco coladas realizadas. La figura 5.20 acusa altos niveles de imperfección en piezas descartadas por ruptura (o maltrato) correspondientes al mes de Agosto, lo cual podría tener su causa en el contenido de silicio para las fundiciones grises producidas en esa fecha. Un contenido de silicio aún mayor podría evitar la formación de las zonas con carburos de hierro que fragilizan la pieza producida. En el gráfico 5.27 correspondiente al mes de Agosto, el rango de contenido de Si está entre 3,05 y 3,2%; para una formación de veinticuatro (24) defectos por Ruptura en la salida del módulo de desmoldeo (Maltrato), estando por encima del rango permisible (1,8 y 2% Si). 125 La Figura 5.28 correspondiente al mes de Septiembre, contempla rangos en el contenido de Si mayores al mes anterior (entre 3,1% y 3,7%), notándose una sensible disminución numérica en la incidencia del defecto por Ruptura de siete (7) piezas (Figura 5.20). Esto podría significar que la influencia en el contenido de Si es preponderante para los problemas de fragilización de la fundición en estudio, aunque no necesariamente la única razón en la incidencia del defecto. Septiembre/ Fundición Gris 2010 % C vs % Si (Fundición Gris) 3,5 3 %C 2,5 2 1,5 1 0,5 0 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 % Si Figura 5.28. Gráfico %C vs. %Si correspondiente a los días 7(2 coladas), 8, 9, 10 y 11 de Septiembre. El %Si se ubica por encima de 3,1% para las siete coladas realizadas. - Valores de %C vs. %Si en las fundiciones nodulares durante los meses Agosto y Septiembre 2009. Para los días en estudio, los rangos en el contenido de silicio se registran más dispersos en el mes de Agosto que en el mes de Septiembre; además, los valores para el contenido de carbono en los días de Agosto se encuentran por encima de 3,65 % C, reportándose valores de hasta 4% C. El intervalo de valores de Si podría ubicarse entre 2,75 y 3,07% (Figura 5.29). 126 En la figura 5.21 se registra para este intervalo de tiempo en estudio, un número de cincuenta y siete (57) piezas defectuosas por Ruptura. Cabe destacar que la producción de fundición nodular es mayoritaria en la empresa FIMACA, ya que esta planta produce preferencialmente piezas para el sector hídrico, aplicaciones técnicas que requieren gran esfuerzo mecánico. Agosto/Fundición Nodular 2009 % C vs % Si (Fundición Nodular) 4 3,95 %C 3,9 3,85 3,8 3,75 3,7 3,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 3,05 3,1 % Si Figura 5.29. Gráfico %C vs. %Si correspondiente a los días 17,18. 19 y 20 (2 coladas) de Agosto. El %Si varía desde 2,75% hasta 3,07% Si. Las coladas registradas para los días seleccionados del mes de Septiembre (Figura 5.30) reportan un rango de valores de % C entre 3,55 % y 3,8 %C, además el intervalo de Si varía entre 2,75 y 3,04%. La incidencia de defectos para el mes de Septiembre con respecto al defecto de Ruptura es de siete (7) piezas, al parecer hubo una reducción significativa en la incidencia del defecto con respecto al mes de Agosto a pesar de que los valores de C y Si se mantuvieron constantes debido a que otras causas pudieron haber operado, como por ejemplo la contaminación del baño por escogencia inadecuada de la chatarra o del inadecuado proceso de descorificación, como también por desajustes en el módulo para extracción del molde. 127 Septiembre/ Fundición Nodular 2010 % C vs % Si (Fundición Nodular) 3,85 3,8 %C 3,75 3,7 3,65 3,6 3,55 3,5 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 3,05 3,1 % Si Figura 5.30. Gráfico %C vs. %Si correspondiente a los días 7(2 coladas), 8, 9, 10 y 11 de Septiembre 2009. El %Si se ubica en el intervalo entre 2,75 y 3,04% 5.2.3 Propiedades en las arenas de moldeo en función del tiempo reportadas durante la fusión y vaciado (Colada) en las líneas de moldeo automático durante los meses Agosto y Septiembre de 2010. A partir de los defectos registrados y tabulados en las gráficas correspondientes a las figuras 5.20 y 5.21 durante los días en estudio, se hizo evidente la ingerencia del material que conformó el líquido metálico según la geometría requerida; esto, ya que la arena en verde utilizada para la colada, parece haber incidido directamente en la formación de un número significativo de defectos ocurridos en los días seleccionados para la compilación de muestras y registros de interés. La siguiente sección explora las posibles causas de imperfecciones tales como: colapso de molde, erosión de molde, arena vitrificada, sopladuras y fugas; con el objeto de estimar la raíz de los defectos encontrados en las piezas de vaciado. Cabe mencionar que no fue posible registrar valores de permeabilidad debido a la inopertividad del dispositivo de medición para este fin. 128 • Especificaciones Técnicas requeridas en el proceso de fabricación de moldes en la línea de moldeo automático para los meses Agosto y Septiembre 2009. Para el análisis de las condiciones en el molde confeccionado en verde, fueron consideradas las siguientes propiedades: porcentaje de compactibilidad de la arena, porcentaje de bentonita total, resistencia a la compresión en verde (RCV en unidades psi), porcentaje de humedad y la temperatura de la arena (°C). Los valores sugeridos en las Especificaciones Técnicas de la planta para las propiedades de la arena en verde son: PROPIEDAD DE LA ARENA INTERVALO Compactibilidad (%) 38 – 45 R.C.V. (psi) 16 – 24 Humedad (%) 2,8 – 3,8 Bentonita total (%) 9 – 11 Temperatura (°C) 45° Máx. El dispositivo automático a presión para el conformado de la arena en verde operó en el rango establecido entre los 2,5 bar (2,47 atm) y 3,5 bar (3,45 atm), ofreciendo una presión nominal menor para el conformado de moldes destinados a los tambores para freno entre 2,0 bar y 3,5 bar. Además, para el estudio de las arenas de moldeo se tomaron los valores en sus propiedades correspondientes a los doce primeros días de cada mes (Agosto y Septiembre). En los gráficos a continuación, la línea de color azul representa el comportamiento durante el mes de Agosto, y la línea roja el comportamiento durante el mes de Septiembre; además, la franja de coloración amarilla representa el intervalo de valores sugeridos por las Especificaciones Técnicas de la Empresa según la AFS (7). 129 • Valores de Compactibilidad para los meses Agosto y Septiembre durante doce días. Durante los días en estudio correspondientes a los meses Agosto y Septiembre, los valores de compactibilidad se mantuvieron relativamente constantes en el tiempo en un rango entre 30 y 50% (Figura 5.31). Podría decirse que los valores de compactibilidad tuvieron un comportamiento poco variable y por tanto improbable de haber influido en la formación de los defectos en la muestra. Cabe mencionar que los valores sugeridos por la especificación técnica de la empresa (AFS) (7), oscilan entre el 38 y 45% de compactibilidad. Compactabilidad vs Tiempo (agosto) Compactibilidad versus Tiempo (Agosto y Septiembre) Compactabilidad (%) 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (días) Figura 5.31 Valores de compactibilidad para el mes de Agosto y Septiembre. La relación de la variable con el tiempo presenta un comportamiento poco fluctuante que oscila en un intervalo de 20% en compactibilidad. La línea azul representa al mes de Agosto, y la línea roja al mes de Septiembre. Las líneas rectas punteadas encierran el intervalo de control nominal. Se podría afirmar que el grado de conformabilidad que presenta la arena de moldeo es bastante aceptable, quedando fuera del intervalo del valor nominal por cinco días no consecutivos, sin embargo la desviación no fue mayor a un 5% de compactibilidad por encima o por debajo del intervalo sugerido por la empresa. 130 • Valores de Resistencia a la Compresión en Verde (RCV) para meses Agosto y Septiembre. El intervalo nominal para la empresa, correspondiente a la resistencia a la compresión en verde está entre los 16 y 24 PSI (AFS) (7). Los registros gráficos (Figura 5.32) reportan un descenso en los valores para el mes de Septiembre con respecto a los valores del mes de Agosto, sin embargo podría afirmarse que en ambos meses pudieron mantenerse los valores de RCV en el intervalo nominal sugerido en las especificaciones técnicas. Cabe mencionar que para los defectos reportados en las piezas de fundición nodular (Figura 5.21), se observa un incremento de un mes al otro en el número de piezas con defectos de tipo Filtración y Colapso de Molde. Incluso para el mes de Octubre (tomado en el presente estudio sólo como dato cualitativo), se da un incremento bastante significativo en el aumento de los defectos por Colapso de Molde (Figura 5.21). R.C.VTiempo vs Tiempo (agosto) R.C.V. versus (Agosto y Septiembre) 25,00 R.C.V (psi) 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (días) Figura 5.32 Valores de RCV para el mes de Agosto y Septiembre. Se registra la tendencia al intervalo nominal exigido por las especificaciones técnicas, sin embargo se observa un descenso en los valores de RCV de mes a mes. La línea azul representa al mes de Agosto,la línea roja al mes de Septiembre. Las líneas rectas punteadas encierran el intervalo nominal. Cabe mencionar la coincidencia en el aumento de los valores registrado en el número de imperfecciones por ruptura del molde entre Agosto y Septiembre y la fluctuación de los correspondientes valores de resistencia a compresión de la arena registrados de mes a mes. 131 Es decir, al disminuir 4 o 5 psi los valores de RCV parece aumentar significativamente el número de defectos por ruptura de molde. Esto, ya que existe la posibilidad de que una mínima variación de RCV podría devenir en la proliferación masiva de imperfecciones por Colapso de Molde, más aún cuando la empresa FIMACA produce piezas en la línea automática que requieren diseños cuya configuración interna muchas veces está fabricada de la misma arena de moldeo (Tambores para freno entre otros), piezas cuyos espesores en las paredes pueden ser menores a una pulgada (1”), y dependen en gran medida de las propiedades óptimas de la arena de moldeo para no colapsar debido a lo especial de su geometría. • Registro de los valores de Humedad en la arena para los meses Agosto y Septiembre. El porcentaje de humedad (Figura 5.33) experimentó variaciones importantes para el mes de Agosto, siendo más estable su comportamiento para el siguiente mes. Aunque el intervalo nominal de operación sugerido por la empresa está entre 2,8 y 3,8% de humedad (7) , en ambos meses la arena de moldeo registró valores superiores al 3%, siendo el comportamiento de dicha variable más estable en el mes de Septiembre que en el mes de Agosto. Es importante mencionar que para el mes de Septiembre fue llevado estricto control en el agregado de agua por la oficina de aseguramiento de la calidad, operación que se ve reflejada en la estabilidad de los valores alcanzada para este mes, pero que podrían estar incidiendo en la promoción de los colapsos de molde para el mes de septiembre (Figura 5.20 y 5.21). Humedad vs Tiempo (agosto) 4,00 Humedad versus Tiempo (Agosto y Septiembre) Humedad (%) 3,90 3,80 3,70 3,60 3,50 3,40 3,30 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (días) Figura 5.33 Valores de % Humedad para los meses Agosto y Septiembre. La variación en el comportamiento de esta variable es notable. El mes de Agosto presenta fluctuaciones abruptas en los valores de humedad, mientras que el mes de septiembre mantiene un comportamiento más estable. La línea azul representa al mes de Agosto, y la línea roja al mes de Septiembre. La línea recta punteada encierra el intervalo de control nominal máximo. 132 • Registro de Bentonita total (Arcilla) en los meses Agosto y Septiembre 2009. Durante los meses en estudio, se observó el empleo mayoritario de bentonita cálcica; sin embargo, el agregado eventual de bentonita sódica, pudo traer como consecuencia el comportamiento fluctuante del porcentaje de bentonita. Cabe mencionar, que la fabricación de moldes en la línea, opera mayoritariamente con bentonita cálcica, siendo eventual los añadidos de bentonita sódica en ocasiones donde se deseaba incrementar las propiedades de resistencia a la tensión en la arena verde, sobretodo aplicado en moldes cuya configuración interna requirió la confección de machos fabricados con la misma arena de moldeo (fabricación de tambores para freno). Debido a la carencia de proveedores, la empresa sólo emplea bentonita sódica en pequeñas proporciones o en casos especiales, pero por lo general, la empresa utiliza bentonita cálcica para sus operaciones regularmente. Como medida correctiva, la empresa se sirve eventualmente de las elevadas propiedades en caliente y la resistencia a la tensión en húmedo que aporta la bentonita sódica, ayudando a prevenir los defectos de inclusión de arena, erosión y expansión. Procedimiento llevado bajo el estricto control de la oficina de Aseguramiento de la Calidad (ASC). La figura 5.34 ofrece los registros mensuales para los meses Agosto y Septiembre, en donde se operó la fabricación de tambores para frenos de transporte pesado así como otras piezas de relativa complejidad. Los valores nominales de bentonita sugeridos por las especificaciones técnicas de la empresa deberían oscilar entre 9 y 11%, sin embargo se observa que los valores operan por debajo de 9,8 % y a partir de 8,8%. Estos datos ponen en evidencia la carencia de bentonita (cálcica), sobretodo para el mes de Septiembre, mes donde casualmente se incrementa el número de imperfecciones por causa del molde en arena verde (Figura 21). 133 Bentonitaversus total vs Tiempo Tiempo (agosto) Bentonita (Agosto y Bentonita total (%) 9,80 9,70 9,60 9,50 9,40 9,30 9,20 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (días) Figura 5.34 Valores de % Bentonita para los meses Agosto y Septiembre. Se puede apreciar la fluctuación en los valores del contenido de bentonita total. La línea azul representa al mes de Agosto, y la línea roja al mes de Septiembre. • Registro de la Temperatura en arena de moldeo para los meses Agosto y Septiembre. Aunque la carta de especificación técnica de la empresa para la temperatura sugiere un valor máximo de 45° C, los valores empleados por la empresa se ubican aproximadamente 10° C por debajo de este valor, lo cual podría estar generando problemas de enfriamiento brusco en el líquido durante su solidificación, así como la evolución excesiva de gases en el molde, pudiendo afectar a la pieza antes de solidificar. Además, el comportamiento de esta variable para la arena de moldeo es fluctuante, esto podría fomentar la evolución de gases debido al choque térmico que implica temperaturas más bajas de las recomendadas por las especificaciones técnicas. Además, el registro diario de temperatura fluctuante podría indicar que las condiciones de la arena de moldeo carecen de homogeneidad en cuanto a la temperatura, lo cual podría significar la confección de un mismo molde con distintos gradientes de temperatura; esto puede incidir tanto en las propiedades mecánicas del mismo como en la rapidez de enfriamiento durante la evolución del calor durante la colada. 134 En la figura 5.35 puede notarse cómo los valores de temperatura se encuentran por debajo de los 45° C. Estos valores reflejan la carencia de control en la temperatura de la arena verde, pudiendo traer consecuencias en el grado de homogeneidad de la arena en general. De hecho, la variación de temperatura podría estar ocasionando la pérdida de granulometría estable, al punto de promover la constitución de unidades más gruesas que las demás, esto podría estar provocando problemas de atrapamiento de gases en el líquido durante su solidificación (sopladuras y porosidades). Las condiciones de la arena antes y después de su uso, se muestran en la figura 5.24, donde puede notarse el aspecto con claras señales de aglomeración entre unidades sílicearcilla, donde la no homogeneidad se hace evidente. Temperatura (°C) Temperatura vsTiempo Tiempo(Agosto (agosto)y Septiembre) Temperatura versus 37,00 36,50 36,00 35,50 35,00 34,50 34,00 33,50 33,00 32,50 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (días) Figura 5.35 Valores de Temperatura para la arena de moldeo entre los meses Agosto y Septiembre. Se observan drásticos cambios en las temperaturas de la arena en un intervalo de cuatro grados, ubicándose el intervalo de temperatura por debajo de los 37° C y descendiendo hasta los 32° C. La línea azul representa al mes de Agosto, y la línea roja al mes de Septiembre. 5.2.4 Análisis causa-efecto en la generación de los defectos en estudio y propuesta de puntos de control para el aseguramiento de la calidad en las áreas más críticas de la planta. • Diagramas de Ishikawa para las posibles causas de los defectos encontrados. A continuación se expone a manera de síntesis el diagrama Causa-Efecto (Ishikawa) en el cual se estiman las posibles relaciones entre los desajustes operacionales registrados y que pueden ser causa raíz en la incidencia de los defectos. Para tal fin, se realizó un diagrama general para el proceso y un diagrama específico concerniente a la incidencia de factores sobre el material. 135 • Diagrama de Ishikawa (Causa-Efecto) del proceso. DEFECTOS EN FUNDICIÓN Figura 5.25 Diagrama de Ishikawa del proceso de fabricación. Son señalados en un círculo aquellos procesos que fueron probablemente los más preponderantes en la formación de los defectos registrados en esta investigación. Este diagrama se refiere a los cinco factores principales del proceso de producción: El material, los métodos empleados, la maquinaria implicada en la fabricación, mano de obra y la influencia del medio ambiente sobre la formación de imperfecciones en el proceso de fabricación para fundición gris y fundición nodular. De acuerdo al reporte descriptivo y señalando las posibles causas de incidencia defectuosa en el proceso, las fallas humanas (mano de obra), inadecuada escogencia de la chatarra (contaminación por metales en el baño como Ti, Al y Pb), temperaturas bajas en el baño y los cortos períodos de enfriamiento; pudo analizarse en forma cualitativa la influencia de dichos factores de desajuste sobre la formación de los defectos registrados (ver Figuras 5.17,5.18, 5.19 y 5.20). 136 • Diagrama de Ishikawa (Causa-Efecto) para el material de fundición. Figura 5.26 Diagrama de Ishikawa para el material de fundición. La figura indica la influencia de los desajustes en los procesos señalados sobre la conformación del material de fundición. En esta figura son marcados con un círculo aquellos procesos que se encuentran entre los más frecuentes y destacados en la planta FIMACA. En general, la composición química del baño y la configuración defectuosa del material por motivo del molde, son quizá los factores de incidencia más preponderantes en el proceso. Los elementos contaminantes del baño y las escorias generadas durante el vertido, constituyen parte de las omisiones de carácter humano que pueden ser observadas y corregidas; así como los contaminantes de la aleación por la escogencia incorrecta de la chatarra y las inhomogeneidades por causa de una técnica inadecuada de colada. 137 • Módulos de control para el aseguramiento de la calidad en las áreas más críticas de la planta, donde las variables de interés determinan la calidad de los productos. Es preciso poner en evidencia ante todo el personal de la línea de producción, los desajustes e irregularidades operacionales surgidas en la planta, sobretodo en las áreas donde las omisiones pueden generar mayores pérdidas. En este sentido, el área de fusión, el área de preparación de las arenas y la sección de colocación de noyos, agrupan a las variables más críticas en cuanto a la calidad de las piezas de fabricación; estas variables de interés son: la temperatura de colada y vaciado, el contenido de humedad de la arena verde, el porcentaje de bentonita activa y la temperatura de la arena; y por último, llevar un control más exhaustivo de las propiedades físicas y químicas de los noyos de fundición (Figura 5.27). Figura 5.27 Sugerencia de la instalación de puntos de control durante el proceso de moldeo automático en arena verde. Los tres cajetines señalizados con tres puntos interiores representan los puntos de control sugeridos. 138 CAPITULO VI 6. CONCLUSIONES - Altas temperaturas de colada y altos valores de carbono equivalente conducen a la disminución de los problemas por contracción volumétrica. - La incidencia mayoritaria de imperfecciones se registró por Ruptura de piezas; esto, debido a los elevados valores de CE (Carbono Equivalente) registrados durante los meses en estudio, tanto para las fundiciones grises como para las fundiciones nodulares. - La sinterización entre los granos de arena (pérdida de homogeneidad) y el exceso de humedad en estas por reutilización, influyó directamente en la formación de imperfecciones por evolución de gases y atrapamiento en la interfase meta/molde. - Se comprobó marcada diferencia en los espesores de pared para las muestras de válvula analizadas, poniendo en evidencia fallos en la configuración interna de las piezas por ubicación inadecuada de los noyos o machos. - Se comprobó por técnica de Ultra Sonido la incidencia de imperfecciones en las paredes de las muestras analizadas debidas a evolución de gases. - Se corroboró la calidad del diseño en los sistemas de alimentación de moldes, ya que el número de defectos por rechupe y por formación de escoria son muy reducidos en número. - Puede considerarse que la empresa maneja un aceptable control de calidad metalúrgica, ya que los defectos por desajustes en el baño son muy pocos en comparación con los producidos por factores exógenos al líquido. 139 CAPÍTULO VII 7. RECOMENDACIONES - Se sugiere la evaluación exhaustiva de la temperatura de vaciado para lograr un equilibrio termodinámico tal que pueda evitar los problemas por contracción volumétrica y al mismo tiempo no comprometa la sanidad de las arenas de moldeo. - Efectuar un cambio en el sistema de banda transportadora de la arena, de tal manera que pueda evitarse el agregado arbitrario de agua, y la arena pueda ser trasladada sin que resbale. El cambio consistiría en implementar una banda de hule estriada (con huellas de agarre). - Se sugiere la implementación de la codificación propuesta por esta investigación, así como la puesta en marcha del plan para el aseguramiento de la calidad en los puntos de control más críticos de la línea de producción (Fusión, instalación de machos y área de control de las arenas de moldeo). - Realizar pruebas de fluidez y pruebas de perfil de temperatura al baño en forma periódica con el fin de llevar un control en el ajuste de los parámetros de índole metalúrgico, y así puedan evitarse los problemas de fragilización y Junta Fría en el material de moldeo. - Se hace importante implementar las pruebas de Ultrasonido (UT) para el registro de discontinuidades que puedan constituir fallas en el material solidificado. - Se sugiere el ajuste en la velocidad de giro para el módulo de desmoldeo, asignando velocidades distintas para cada tipo de fundición; esto, para evitar los problemas de ruptura en piezas aún en proceso de enfriamiento. 140 CAPÍTULO VIII 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) FUNDICIÓN INDUSTRIAL MECÁNICA Y ARTISTICA (FIMACA). Manual de Producción Básica. Maracay (2007). (2) ASM Handbook, Volumen 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, pp. 17, 212 (2002) (3) Moffat, W.G.; Pearsall G.W.; Wulf J. The Structure and Propertiesof Materials, Vol. 1,Structure, p. 195 (2001) (4) R.W. Heine, C.R. Loper, and P. C. Rosenthel, Principles of Metal Casting, McGraw-Hill (1967). (6) Navarro, J., “Tecnología de las Tierras de Moldeo para Fundición”, Editorial Montecorvo, 7-17, 31- 47 (1992). (7) American Foundry Society., “Arenas de Moldeo”, (2007). pp. 2-4, 8-35, 53-67. (8) Valdez A., Salcines C.M., Importancia de los Ensayos de Compactabilidad, Resistencia en Verde y Humedad en Mezclas de Moldeo. Universidad de Pinar del Río. Fecha de consulta: Diciembre 2009. Disponible en: (9) ASM Handbook, Volume 15, Casting. (2002). pp. 480-492 141 (10) Okamoto, Hiroaki. ASM (American Society Materials). 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