FUNDICIÓN

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de los aditivos para arenas de moldeo de uso en la fabricación de moldes y machos para fundición. Más concretamente la presente invención se refiere a un aditivo para evitar el veining en la fabricación de piezas metálicas, a una arena de moldeo que comprende dicho aditivo, a un macho o molde preparado a partir de dicha arena de moldeo y a una pieza metálica preparada mediante el uso de uno de dichos machos o moldes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las piezas de fundición obtenidas utilizando machos y moldes fabricados con arenas de moldeo presentan generalmente una serie de defectos en su forma que es necesario mecanizar posteriormente para obtener una pieza dimensionalmente correcta. Estos defectos se producen porque el macho o molde, por efecto del metal fundido que se vierte sobre él, sufre un calentamiento que provoca su expansión y, como consecuencia, la aparición de grietas en su superficie. El metal fundido penetra en el interior de estas grietas formándose así una especie de tabiques o laminillas en la superficie de la pieza obtenida. Este efecto no deseado se conoce con el nombre de veining o "cola de rata".

En la actualidad, los machos o moldes se fabrican mezclando arenas con resinas curadas por gas o en caliente, o por resinas autofraguantes, utilizándose además una serie de aditivos destinados a mejorar las características de la pieza final obtenida. Para combatir o reducir el veining, son conocidas varias soluciones.

Una de las soluciones consiste en el uso de óxidos de hierro como aditivo en la preparación de arenas de moldeo. Los óxidos de hierro están destinados a minimizar los problemas creados por la expansión del sílice contenido en las arenas, utilizándose para ello óxidos de hierro rojo, negro, amarillo u óxidos de hierro de Sierra Leona que se incorporan a la mezcla en porcentajes que varían entre el 1 y el 3%. Estos óxidos actúan como factor de formación de fayalita, de tal manera que, durante la formación de la grieta en el macho, la fayalita en estado viscoso rellena las grietas minimizando así el veining. No obstante, esta técnica además de no eliminar el veining en muchos casos, presenta como inconveniente que el óxido de hierro reduce la resistencia mecánica del macho y, además, la formación de fayalita aumenta la tendencia a la penetración que provoca que la superficie exterior de la pieza obtenida presente irregularidades que deben ser tratadas posteriormente.

La patente WO 2009155242 describe un aditivo antiveining basado en el uso de oxido de hierro al que se le añade un componente vitreo. Dicho componente vitreo forma un cristal fundido entre los granos de arena lo cual incrementa la plasticidad reduciendo la rotura de los machos y, por tanto, la aparición de veining. El problema de nuevo es la reducción de la resistencia mecánica del macho.

Otra de las soluciones existentes consiste en el uso de harinas de madera y polvo de carbón como aditivo. Los polvos de madera o hulla se añaden a la arena de moldeo en proporciones que varían entre 1 y 3%. Estas harinas se queman durante la fusión dejando así huecos libres distribuidos por todo el volumen del macho que permiten que la expansión del sílice se produzca en esos huecos sin necesidad de aumentar su tamaño externo, evitando, consecuentemente, la aparición de las grietas que provocan el veining. La principal desventaja de esta técnica es que, al quemarse las harinas, se produce una gran cantidad de gas que, al difundirse, puede dar lugar a problemas dimensionales en las piezas obtenidas. Asimismo, con este tipo de aditivos se produce una reducción en la resistencia mecánica de los machos.

La patente US 4735973 describe el uso de aditivos de oxido de titanio. El aditivo está presente en un porcentaje que varía entre el 0,5 y el 5% del total de la arena y conteniendo este aditivo entre 15 y 95% de óxido de titanio. Con esta técnica se produce la expansión térmica, evitándose, en consecuencia, el veining, se mantiene la resistencia mecánica de los machos y no se produce un aumento en la evolución de gas. El inconveniente de esta técnica es que los machos obtenidos presentan una cierta tendencia a la penetración, siendo necesaria la aplicación de pinturas u otros tratamientos sobre la superficie de los machos obtenidos antes de proceder a la fusión de la pieza.

Otros métodos para tratar el veining aparecen descritos en los documentos WO02087807, WO2009062074 y WO2009046128. Estos describen aditivos de diferentes composiciones cuya característica común es que comprenden materiales que contienen óxido de litio y óxidos de hierro.

Otra de las soluciones para combatir el veining en la preparación de piezas metálicas se describe en la patente EP0891954 y en la ES21 16245, íntimamente relacionada a la anterior. La solución de estas patentes comprende el uso de microesferas huecas de silicato de alúmina como aditivo antiveining. EP0891954 describe la utilización de microesferas huecas de silicato de alúmina que se añaden a la arena en un porcentaje en peso de 1 a 30%. Las microesferas deben contener entre 20-35% de alúmina. Estas microesferas huecas previenen la aparición de grietas en los machos y moldes gracias a su capacidad de contraerse y colapsarse como consecuencia del calor producido por el metal fundido. Al contraerse y colapsarse el hueco que dejan absorbe la expansión de la sílice evitando o disminuyendo la aparición de grietas que dan lugar al veining. El problema de estas microesferas huecas es que cuando se usan en cantidades inferiores al 10% en peso en la mezcla de arena no rinden resultados óptimos, es decir, no siempre evitan el veining en el grado que se requiere. Por otra parte, al utilizar un porcentaje alto de microesferas huecas (por encima del 10% normalmente entre 20-30%) se resuelve el problema del veining pero se obtienen machos y moldes de peores características mecánicas.

Por tanto, existe la necesidad de desarrollar un aditivo basado en microesferas huecas de silicato de aluminio que permita reducir por debajo del 10% el contenido de microesferas en la arena de moldeo para obtener machos y moldes de unas características mecánicas adecuadas pero sin que se reduzca o se vea afectado el efecto de prevención del veining en las piezas finales.

Los autores de la invención han descubierto que añadiendo una pequeña cantidad de un fundente a las microesferas huecas se consigue un aditivo que permite rebajar la cantidad de microesferas en la mezcla de arena por debajo del 10%. Esto permite obtener moldes y machos de características mecánicas apropiadas pero que sorprendentemente además permiten la desaparición total del veining en las piezas metálicas finales. Asimismo, el uso del aditivo de la invención permite obtener piezas metálicas con una superficie o piel lisa.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 : imagen de una pieza metálica donde se aprecia el defecto de veining causado por el uso de un macho compuesto al 100% por arena.

Figura 2: gráfica donde se representa el porcentaje de contracción de las diferentes microesferas en función de la temperatura. Aparece señalada la temperatura final de contracción de cada tipo de microesfera.

Figura 3: gráfica donde se representa el porcentaje de contracción de las diferentes microesferas en función de la temperatura y en presencia de un 6% de carbonato de litio y un 6% de carbonato de estroncio.

Figura 4: imagen de una pieza metálica de obtenida mediante el uso de un macho preparado con el aditivo de la invención donde se muestra la ausencia de veining.

Figura 5: la gráfica representa la producción de gas durante la preparación de una pieza metálica con diferentes machos preparados sin aditivos, con diferentes aditivos comerciales y con el aditivo de la invención.

Figura 6: Gráfico donde se representa la resistencia a la abrasión de los machos con diferentes porcentajes del aditivo de la invención (muestra 5 94%+6% COLi ₃ ) a la salida de la caja, a las 24 horas y a las 24 horas con una humedad relativa del 100%.

Figura 7: Gráfico donde se representa la resistencia a la abrasión de los machos con diferentes porcentajes del aditivo de la invención (muestra 5 94%+6% C0 ₃ Li) a la salida de la caja, a las 24 horas y a las 24 horas con una humedad relativa del 100%.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El objeto principal de la presente invención consiste en un aditivo para arenas de moldeo que comprende microesferas huecas de silicato de alúmina entre un 90- 99% del peso total del aditivo y un fundente entre un 1 -10% del peso total del aditivo. En una realización particular, el aditivo comprende entre un 94-97% de microesferas huecas de silicato de alúmina y entre un 3-6% de fundente.

El aditivo arriba descrito (en adelante aditivo de la invención) se usa mezclado con las arenas para preparar moldes y machos para fundición. El aditivo reduce sorprendentemente la aparición de grietas en los moldes y machos durante el fundido y moldeo de la pieza metálica, llegando en la mayoría de los casos a evitar la aparición de las mismas. De esta manera se evita el veining en las piezas metálicas finales.

El primer componente del aditivo de la invención son las microesferas huecas de silicato de alúmina. Como ya se ha comentado más arriba estás tienen la capacidad de absorber la expansión del sílice cuando el macho o molde se calienta al contacto con el metal fundido. En la preparación del aditivo de la invención se puede usar cualquier tipo de microesfera hueca de silicato de alúmina incluso aquellas con alto contenido en alúmina. Las microesferas del aditivo de la invención pueden tener un contenido de alúmina de entre un 15-45% en peso. La realización preferida contempla el uso de microesferas con un contenido de entre 18-40% de alúmina. Las microesferas huecas pueden contener aparte de silicato de alúmina otros elementos o componentes minoritarios en su composición tales como Fe ₂ 0 ₃ , CaO, MgO, Na ₂ 0, K ₂ 0 o Ti0 ₂ que pueden variar ligeramente el comportamiento térmico de la microesferas, pero en cualquier caso la presencia de estos elementos no afectará a la capacidad antiveining del aditivo de la invención.

El otro componente del aditivo de la invención es el fundente. Los inventores han observado que tiene la capacidad de alterar las propiedades térmicas de las microesferas. El fundente tiene el efecto de rebajar el punto de fusión de las microesferas haciendo que se reblandezcan y colapsen (rompan) antes. Esto permite optimizar el efecto de absorción de la expansión de la arena. Los inventores también han observado que la presencia del fundente permite trabajar con todo tipo de microesferas huecas de silicato de alúmina. Mientras que la patente ES21 16245 desaconsejaba trabajar con microesferas de alto contenido en alúmina (35-45%) ya que daban problemas de veining en las piezas finales, los inventores han demostrado que la adición del fundente permite usar microesferas de todo tipo incluso aquellas con alto contenido en alúmina ampliando de esta manera la gama de microesferas con las que se puede preparar el aditivo.

La realización preferida de la invención contempla el uso de un carbonato de un elemento alcalino o alcalinotérreo como fundente. De manera más preferida dichos carbonatos pueden ser el carbonato de litio y/o el carbonato de estroncio.

El uso del aditivo de la invención ha demostrado que no sólo permite superar el problema del veining en las piezas metálicas manufacturadas sino que consigue que la superficie o piel de dichas piezas carezca de rugosidad.

El aditivo de la invención se usa mezclado con arenas. Dichas arenas llamadas arenas de moldeo se usan para preparar moldes y machos para fundición. Otro objeto de la presente invención es, por tanto, una arena de moldeo que comprende entre un 90% y 99% en peso de arena y entre un 1 -10% en peso del aditivo de la invención. De manera preferida la arena de moldeo de la invención comprende entre 94-97% de arena y un 3-6% del aditivo de la invención.

En el contexto de la invención se puede usar cualquier tipo de arena de uso común en la preparación de moldes y machos para fundición. De manera particular se pueden usar arenas para la producción de machos y moldes de fundición con un contenido en sílice superior al 95% y con diferentes granulometrías desde AFA 40 a AFA 120. La arena de moldeo de la invención también puede contener otros componentes convencionales, tales como agregados de fundición, ligantes y otros componentes opcionales utilizados en este sector de la técnica.

Otro objeto de la invención es el uso de la arena de moldeo de la invención para la preparación de moldes y machos para fundición. Más concretamente, es objeto de la presente invención un procedimiento para preparar un molde o macho de fundición que comprende: a) mezclar la arena de moldeo de la invención con una resina aglutinante,

b) introducir la mezcla de a) en un molde para formar un macho o molde para fundición,

c) poner en contacto dicho macho o molde para fundición con un catalizador de curado,

d) separar el macho o molde una vez que este se ha endurecido.

La etapa a) comprende la mezcla y homogeneización de la arena de moldeo, que incluye en su composición la arena y el aditivo de la invención, con una resina aglutinante. Las resinas tras su curado favorecen la aglutinación y cohesión de las partículas y el endurecimiento del molde o macho.

Cualquier tipo de resina utilizada comúnmente en la preparación de machos y moldes para fundición puede ser usada en la etapa a). Se contempla por ejemplo, el uso de resinas fenólicas-uretano, gaseadas con amina; resinas epoxiacrílicas, gaseadas con S0 ₂ : resinas fenólico-alcalinas, gaseadas con formiato de metilo o C0 ₂ ; resinas furánicas, resinas fenólicas, resinas de urea-formol de caja caliente o sus combinaciones; sistema inorgánico INOTEC de caja caliente o también arenas prerrevestidas con resinas Novolacas.

Una vez mezclada la arena de moldeo con la resina se introduce la mezcla en un molde para proporcionar al molde o macho de arena la forma definitiva que debe adoptar. La forma que adquiera determinara la forma de la pieza metálica final. Para que el molde o macho de arena quede compacto se aplica en la etapa c) un catalizador del curado que acelera la polimerización de la resina. Cualquier catalizador de uso común en este campo técnico es apropiado para los fines de la invención, normalmente se usan catalizadores gaseosos tales como aminas, S0 ₂ , formiato de metilo o C0 ₂

Una vez compactado y curado el molde o macho de arena es separado del molde usado para darle la forma y está listo para su uso en la fabricación de la pieza metálica.

Otro objeto de la presente invención es un molde o macho que comprende una arena de moldeo de acuerdo con la invención, es decir, una arena de moldeo que comprende el aditivo de la invención.

Los machos y moldes de la invención poseen un comportamiento mecánico sustancialmente idéntico al de los machos y moldes producidos únicamente con arena pero con la ventaja de que el veining se evita por completo. Otra ventaja de los machos y moldes de la invención reside en la evolución de gas en la pieza producida. La cantidad de gas no solo se ve reducida significativamente (ver figura

5) sino que además la producción de gas se estabiliza a los 20 minutos de manera similar a otros aditivos antiveining comerciales.

Otro objeto de la invención es un procedimiento para preparar piezas metálicas de fundición que comprende: a) insertar un macho o molde de acuerdo con la invención en un dispositivo de fundición,

b) verter el metal en estado liquido en dicho dispositivo,

c) dejar enfriar y solidificar el metal vertido en el dispositivo de fundición,

d) separar la pieza de metal del dispositivo de fundición. Los machos o moldes de la invención permiten obtener de acuerdo con el método aquí descrito piezas de diferentes metales y/o aleaciones tales como metales férricos como hierro gris, nodular y acero o metales no férricos como cobre, bronce y latón.

Un último objeto de la presente invención es precisamente una pieza metálica obtenida de acuerdo con el método anteriormente descrito. Las piezas metálicas de la invención están exentas de veining y tienen una superficie o piel sustancialmente lisa, carente de rugosidades. Dichas piezas metálicas pueden ser de metales férricos como hierro gris, nodular y acero o metales no férricos como cobre, bronce y latón.

Los siguientes ejemplos tienen la finalidad de ilustrar la invención pero no deben considerarse limitativos de la misma:

Ejemplo 1 : Análisis térmico de diferentes tipos de microesferas

Se analizó el comportamiento térmico de diferentes tipos de microesferas huecas cuya composición se detalla en la siguiente tabla 1 :

Tabla 1 : composición de las microesferas en % en peso

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5

Si02 55,7 67.1 59,1 58,0 55,6

AI203 28,8 16,7 27,8 30,2 38,3

Fe203 6,4 4,09 4,66 3,76 1 ,91

CaO 0,75 2,02 1 ,85 2,41 0,96

MgO 1 ,55 1 ,51 0,97 1 ,29 0,4

Na20 0,43 0,9 0,58 0,21 0,35

K20 4,36 3,92 2,25 2,14 0,57

Ti02 1 ,39 0,79 1 ,04 1 ,99 1 ,07

PPC 0,62 2,97 1 ,75 0 0,84 El ensayo de fusión se llevó a cabo en un microscopio de calefacción MISURA. El microscopio de calefacción es un equipo que permite la visualización de una muestra cuando es sometida a un ciclo de calentamiento. Al mismo tiempo permite la grabación en soporte informático de la silueta de la muestra a lo largo del ensayo de fusión. A partir de las imágenes grabadas, se determinó la evolución de la contracción de la muestra en función de la temperatura, mediante un equipo de análisis de imagen.

Con cada muestra se conformó, por prensado, un botón cilindrico de 3 mm de diámetro y 3 mm de altura, el cual se colocó sobre un soporte. Este a su vez, se alojó en el portamuestras del microscopio de calefacción, donde se sometió a un ciclo de calentamiento con una velocidad de 25° C/min hasta la temperatura máxima de 1550 ⁵ C.

A partir de las imágenes grabadas se determinó la curva contracción-temperatura, así como las siguientes temperaturas características;

- Inicio de contracción (TIC), considerando como tal cuando el área de la silueta de la probeta era un 99% del área inicial de la misma.

- Final de contracción (TFC), considerando como tal, cuando la probeta dejaba de contraer.

- Reblandecimiento (TR), considerando como tal, cuando los bordes de la probeta comenzaban a redondear.

- Esfera (TE), considerando como tal, cuando la probeta adoptaba la forma más próxima a una esfera.

- ½ Esfera (T1 /2), considerando como tal, cuando la probeta adoptaba la forma más próxima a una semiesfera.

- Fusión (TF), considerando como tal, cuando la probeta adoptbaa la forma más próxima a un casquete esférico, equivalente a 1/3 del volumen de una esfera.

La tabla 2 y la figura 2 representan los resultados de los análisis: Tabla 2: análisis térmico de las microesferas

Ejemplo 2: Efecto del carbonato de litio y del carbonato de estroncio en las propiedades térmicas de las microesferas.

Se analizó el comportamiento térmico de las mismas muestras del ejemplo 1 con la adición de un 6% de carbonato de litio y un 6% de carbonato de estroncio respectivamente. Se utilizó la misma metodología de análisis que en la reivindicación 1 .

Los resultados para las muestras a las que se añadió 6% de carbonato de litio se representan en la siguiente tabla 3:

Tabla 3: análisis térmico de las microesferas con carbonato de litio

Contracción

(TFC)

τ ^β 1 .240 1 ..350 1 .155 -

Reblandecim 1 .170

iento (TR)

ESFERA

(TE)

SEMI- 1 .270 1 .340 - 5 1 .210

ESFERA

(TE)

Ί- Fusión 1 .295 1 .350 1 .230

(TF)

Los datos relativos a la muestra 5 junto con un 6% de carbonato de litio y un 6% de carbonato de estroncio se representan tanto en la tabla 4 como en la figura 3.

Tabla 4

Ejemplo 3: Preparación de machos para fundición con diferentes aditivos y evaluación del veining y la piel de las piezas resultantes

Se prepararon unos machos a partir de arena Echave C-70 al 94%, la resina fenólica uretano ISOCURE FOCUS® 418/618 al 1 % , y el aditivo (94% de la muestra de microesferas+ 6% Co3Li) al 5%. Se mezclaron los 3 componentes en un molino y se introdujo la mezcla en la tolva de una maquina disparadora. La mezcla se disparó en la caja de machos para obtener la forma del macho y se gaseo con amina. Los machos se extrajeron ya curados y con su forma final. Se hizo un test de veining y también se observó la piel de las piezas metálicas obtenidas a partir del uso de diferentes aditivos de acuerdo con la invención. La siguiente tabla muestra los resultados:

Tabla 5

Como se puede observar el uso de carbonato de litio al 6% como componente del aditivo antiveining proporciona piezas metálicas sin veining, independientemente de la muestra de microesferas utilizadas. Asimismo las piezas poseen una piel sin defectos reseñables.

Por el contrario, tanto las piezas obtenidas por moldeo a partir de machos sin aditivo (100% arena) o solo con microesferas como aditivo (100% muestra 5) proporcionaban defectos de veining importantes de 10 y 7 respectivamente (en una escala de veining de 0-10).

Posteriormente se ensayó tanto el efecto de la dosis del carbonato de litio un aditivo a base de microesferas de la muestra 5, como de la cantidad de aditivo en la composición de la arena de moldeo. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: Tabla 6

Ejemplo 4: Evaluación de las características mecánicas de los machos

Se llevo a cabo un ensayo para determinar la resistencia a la abrasión y la resistencia a la tracción de un macho obtenido a partir de arena y una cantidad variable de aditivo (94% microesferas muestra 5+ 6% de carbonato de litio).

Los resultados de estos ensayos se muestran en las figuras 6 y 7. Como se puede observar la presencia de aditivo no afecta significativamente a las características mecánicas de los machos obtenidos consiguiéndose para los diferentes porcentajes de aditivo ensayado unas características de resistencia tanto a la abrasión como a la tracción similares a los de la muestra control sin aditivo.