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Características críticas que afectan el acabado superficial de las piezas fundidas
2022-10-13
La precisión dimensional con la que ahora se pueden producir fundiciones en arena se ha acercado a la de las fundiciones de inversión. Las tecnologías de impresión en arena 3-D han mejorado mucho la precisión dimensional de moldes y machos, pero no han logrado igualar la suavidad de la superficie de las fundiciones en arena convencionales, y mucho menos las fundiciones de inversión.
La fundición de inversión proporciona piezas muy suaves con excelente resolución de características y precisión dimensional. Los moldes y núcleos de arena impresos en 3D pueden proporcionar una alternativa rentable a la fundición de inversión si el proceso puede cumplir con los requisitos dimensionales y de superficie.
Aunque se han realizado muchos cambios y mejoras en el área de consumibles de fundición, la arena es el único material que se ha mantenido algo constante. Después de la extracción y el lavado, si es necesario, las arenas de fundición se clasifican en grupos individuales o de malla doble y se almacenan. Se combinan en distribuciones normales para su envío al cliente de la fundición. Aunque hay muchas distribuciones de minas diferentes, se suministra arena con un número de finura de grano AFS similar en distribuciones similares. El acabado superficial es una parte integral de las especificaciones de calidad de fundición. Los acabados superficiales internos ásperos en las piezas fundidas pueden causar la pérdida de eficiencia tanto para fluidos como para gases de alta velocidad. Tal es el caso de los componentes del turbocargador y del múltiple de admisión. La Universidad del Norte de Iowa ha estado investigando las características del material del molde que afectan la suavidad de la superficie de las piezas fundidas. La investigación se realizó en fundiciones de aluminio, pero tiene aplicaciones y relevancia en aleaciones ferrosas que no presentan defectos como penetración o defectos de arena fundida. El estudio investiga la influencia de las características de los medios de moldeo, como la finura de la arena, el tipo de material y la selección del revestimiento refractario. El objetivo del proyecto era lograr acabados superficiales de microfundición en piezas fundidas en arena.
Resultados de permeabilidad y área superficial
La permeabilidad AFS se define como la cantidad de tiempo que tarda un volumen conocido de aire en pasar a través de una muestra estándar a una cabeza de 10 cm de agua. Simplemente, la permeabilidad AFS representa la cantidad de espacios abiertos entre los granos agregados que permiten el paso del aire. El GFN de un material cambia significativamente la permeabilidad hasta 80 GFN, donde la tendencia parece nivelarse.
Los datos muestran que se puede lograr la misma rugosidad superficial con cualquier forma de partícula a diferentes velocidades. Los materiales de grano esférico y redondo mejoran la suavidad de la fundición a un ritmo acelerado en comparación con los agregados angulares y subangulosos.
Resultados del ángulo de contacto de galio
Se realizaron mediciones del ángulo de contacto para medir la humectabilidad relativa de los agregados de moldeo aglomerados con metal líquido utilizando una prueba de galio líquido. Las arenas cerámicas tenían el ángulo de contacto más alto, mientras que el circón y el olivino compartían un ángulo de contacto más bajo similar. El galio exhibió un comportamiento hidrofóbico en todas las superficies de arena. Se utilizó un AFS-GFN similar para todas las muestras. Los resultados indican que el ángulo de contacto para los tipos de arena dependía en gran medida de la forma del grano agregado, como se muestra en el eje secundario, en lugar del material base. Las arenas cerámicas tenían la forma más redonda y las arenas olivinas presentaban una forma muy angular. Si bien la humectabilidad de la superficie del agregado base puede desempeñar un papel en el acabado de la superficie de fundición, el rango de mediciones del ángulo de contacto en la serie de pruebas estuvo subordinado a la forma del grano.
Resultados de rugosidad superficial de fundiciones de prueba
Los resultados de la rugosidad de la superficie se midieron utilizando un perfilómetro de contacto. Hubo una mejora significativa en la suavidad de la superficie de la sílice 44 GFN de tres pantallas a la sílice 67 GFN de cuatro pantallas. Los cambios más allá de 67 GFN no mostraron un impacto en la rugosidad de la superficie a pesar de la variación en el ancho de distribución. Se observa el valor umbral de 185 RMS.
Se puede observar una gran mejora en la suavidad entre los materiales 101 y 106 GFN. La arena 106 GFN tiene más de un 17% más de material de malla 200 en la distribución de la pantalla. Los materiales GFN de dos pantallas 115 y 118 dieron como resultado una disminución de la suavidad. La arena 143 GFN dio como resultado lecturas similares a las del circón 106 GFN. El valor umbral es 200 RMS.
Se observó una mejora constante en la suavidad de la superficie desde la cromita 49 GFN de cuatro pantallas hasta la cromita 73 GFN de tres pantallas a pesar de que la distribución de partículas se hizo más estrecha. Se observó un aumento del 19 % en la retención de la pantalla de malla 140 en la cromita 73 GFN en comparación con la 49 GFN. Se mostró un aumento significativo en la suavidad de colada de las arenas de cromita 73 GFN de tres pantallas a las arenas de cromita 77 GFN de cuatro pantallas, independientemente de sus números de finura de grano similares. No se observó ningún cambio en la suavidad entre los materiales de cromita 77 GFN y 99 GFN. Curiosamente, las dos arenas compartieron una retención muy similar en la pantalla de malla 200. El valor umbral es 250 RMS.
Hay una mejora significativa en la suavidad de colada del olivino 78 GFN al olivino 84 GFN a pesar de la distribución más estrecha. Un aumento del 15% de retención en el tamiz de malla 140 fue visible en el olivino 84 GFN. Hay significado entre el olivino 84 y 85 GFN. El olivino 85 GFN mejoró la suavidad en 50. El olivino 85 GFN es una arena de tres pantallas con casi un 10 % de retención en la pantalla de malla 200, mientras que el olivino 84 GFN es simplemente un material de dos pantallas. Se puede observar una mejora constante en la suavidad desde el olivino 85 GFN hasta el olivino 98 GFN. La distribución de pantalla muestra un aumento del 5% de retención en la pantalla de malla 200. No se observaron cambios del olivino 98 GFN al 114 GFN a pesar de un aumento en la retención de malla 200 de casi el 7 %.
Se puede observar un valor umbral de 244 RMS.
Los resultados de rugosidad superficial de las piezas fundidas obtenidas a partir de núcleos cerámicos muestran una ligera mejora entre los materiales 32 GFN y 41 GFN. Hubo un aumento en la retención de la pantalla de malla 70 en un 34 % en la arena 41 GFN. Se observó un aumento significativo en la suavidad entre las cerámicas 41 GFN y 54 GFN. El material 54 GFN tuvo un 19 % más de retención en el tamiz de malla 100 en comparación con el material 41 GFN. Esta mejora se produjo a pesar del estrechamiento de la distribución en el material 54 GFN. El mayor impacto en los resultados cerámicos se observó entre las arenas 54 GFN y 68 GFN. La arena 68 GFN tuvo un 15 % más de retención en la malla 140, lo que amplió la distribución. A pesar de un aumento de más del 40 % de retención en el tamiz de malla 140, se observó poca mejora entre los materiales 68 GFN y 92 GFN. El valor umbral es 236 RMS.
Las superficies generadas por las arenas impresas en 3D son significativamente más ásperas que una superficie de arena apisonada usando el mismo agregado. Las muestras impresas en la orientación XY proporcionaron la superficie de fundición de prueba más suave, mientras que las impresas en la orientación XZ e YZ dieron como resultado la más rugosa.
La arena de sílice 83 GFN sin recubrimiento de sílice apisonada dio como resultado un valor de rugosidad de 185 RMS. Aunque las fundiciones parecían más suaves, los revestimientos refractarios aumentaron la rugosidad de la superficie medida por el perfilómetro. El recubrimiento de alúmina a base de alcohol exhibió el mejor rendimiento, mientras que el recubrimiento de zircón a base de alcohol resultó en la rugosidad más alta. Las 83 muestras impresas en 3D de GFN mostraron el efecto contrario. Mientras que la muestra sin recubrir imprimió en la orientación más favorable de XY, la muestra sin recubrir exhibió una rugosidad de fundición de 943 RMS. Los recubrimientos alisaron la superficie sustancialmente desde el acabado superficial sin recubrimiento desde un mínimo de 339 hasta un máximo de 488 RMS. Parece que el acabado de la superficie de las arenas revestidas es algo independiente de la rugosidad de la arena del sustrato y depende en gran medida de la formulación del revestimiento refractario. La arena impresa en 3D, aunque parte de un acabado superficial mucho más rugoso, se puede mejorar significativamente con el uso de recubrimientos refractarios.
Conclusiones
Los agregados de moldeo actualmente disponibles tienen la capacidad de lograr valores de rugosidad superficial de menos de 200 micropulgadas RMS. Estos valores están ligeramente dentro de los valores asociados con las fundiciones de inversión. Para los materiales probados, cada uno exhibió una disminución en la rugosidad de fundición con el aumento de la finura de grano AFS del agregado. Esto fue cierto con todos los materiales hasta un valor umbral, momento en el cual no se observó una mayor disminución en la rugosidad de la colada con el aumento de AFS-GFN. Esto fue respaldado por investigaciones realizadas anteriormente.
Dentro de todos los grupos de materiales, el efecto de AFS-GFN fue secundario tanto al área de superficie calculada como a la permeabilidad de los agregados. Si bien se puede pensar que la permeabilidad describe las áreas abiertas de la arena compactada, el área superficial describe mejor la distribución de la pantalla de la arena y la cantidad correspondiente de partículas finas. Tanto la permeabilidad como el área superficial estaban directamente relacionados con la lisura de la superficie de fundición. Cabe señalar que esto era cierto para los agregados dentro de un grupo de forma. Aunque los agregados angulares y subangulares tenían áreas superficiales altas, su permeabilidad era alta e indicaba una superficie abierta. Los agregados esféricos y redondeados exhibieron las superficies más suaves combinando baja permeabilidad con alta área superficial.
Originalmente se creía que la humectabilidad de la superficie, medida por el ángulo de contacto entre el metal líquido y el agregado aglomerado, era un factor crítico en el acabado de la superficie de fundición resultante. Si bien se demostró que el ángulo de contacto en varios materiales en AFS-GFN similar no era proporcional a la rugosidad de la fundición, se confirmó que la forma del grano era un factor importante. La ausencia de una relación entre el ángulo de contacto y la rugosidad de la superficie de fundición podría explicarse por el hecho de que la forma del grano se consideró como una influencia importante en la rugosidad de la superficie. Existe una posibilidad significativa de que el ángulo de contacto de varios materiales se vea más afectado por la forma del grano y la suavidad de la superficie resultante que por la humectabilidad del material solo.
La fundición de inversión proporciona piezas muy suaves con excelente resolución de características y precisión dimensional. Los moldes y núcleos de arena impresos en 3D pueden proporcionar una alternativa rentable a la fundición de inversión si el proceso puede cumplir con los requisitos dimensionales y de superficie.
Aunque se han realizado muchos cambios y mejoras en el área de consumibles de fundición, la arena es el único material que se ha mantenido algo constante. Después de la extracción y el lavado, si es necesario, las arenas de fundición se clasifican en grupos individuales o de malla doble y se almacenan. Se combinan en distribuciones normales para su envío al cliente de la fundición. Aunque hay muchas distribuciones de minas diferentes, se suministra arena con un número de finura de grano AFS similar en distribuciones similares. El acabado superficial es una parte integral de las especificaciones de calidad de fundición. Los acabados superficiales internos ásperos en las piezas fundidas pueden causar la pérdida de eficiencia tanto para fluidos como para gases de alta velocidad. Tal es el caso de los componentes del turbocargador y del múltiple de admisión. La Universidad del Norte de Iowa ha estado investigando las características del material del molde que afectan la suavidad de la superficie de las piezas fundidas. La investigación se realizó en fundiciones de aluminio, pero tiene aplicaciones y relevancia en aleaciones ferrosas que no presentan defectos como penetración o defectos de arena fundida. El estudio investiga la influencia de las características de los medios de moldeo, como la finura de la arena, el tipo de material y la selección del revestimiento refractario. El objetivo del proyecto era lograr acabados superficiales de microfundición en piezas fundidas en arena.
Resultados de permeabilidad y área superficial
La permeabilidad AFS se define como la cantidad de tiempo que tarda un volumen conocido de aire en pasar a través de una muestra estándar a una cabeza de 10 cm de agua. Simplemente, la permeabilidad AFS representa la cantidad de espacios abiertos entre los granos agregados que permiten el paso del aire. El GFN de un material cambia significativamente la permeabilidad hasta 80 GFN, donde la tendencia parece nivelarse.
Los datos muestran que se puede lograr la misma rugosidad superficial con cualquier forma de partícula a diferentes velocidades. Los materiales de grano esférico y redondo mejoran la suavidad de la fundición a un ritmo acelerado en comparación con los agregados angulares y subangulosos.
Resultados del ángulo de contacto de galio
Se realizaron mediciones del ángulo de contacto para medir la humectabilidad relativa de los agregados de moldeo aglomerados con metal líquido utilizando una prueba de galio líquido. Las arenas cerámicas tenían el ángulo de contacto más alto, mientras que el circón y el olivino compartían un ángulo de contacto más bajo similar. El galio exhibió un comportamiento hidrofóbico en todas las superficies de arena. Se utilizó un AFS-GFN similar para todas las muestras. Los resultados indican que el ángulo de contacto para los tipos de arena dependía en gran medida de la forma del grano agregado, como se muestra en el eje secundario, en lugar del material base. Las arenas cerámicas tenían la forma más redonda y las arenas olivinas presentaban una forma muy angular. Si bien la humectabilidad de la superficie del agregado base puede desempeñar un papel en el acabado de la superficie de fundición, el rango de mediciones del ángulo de contacto en la serie de pruebas estuvo subordinado a la forma del grano.
Resultados de rugosidad superficial de fundiciones de prueba
Los resultados de la rugosidad de la superficie se midieron utilizando un perfilómetro de contacto. Hubo una mejora significativa en la suavidad de la superficie de la sílice 44 GFN de tres pantallas a la sílice 67 GFN de cuatro pantallas. Los cambios más allá de 67 GFN no mostraron un impacto en la rugosidad de la superficie a pesar de la variación en el ancho de distribución. Se observa el valor umbral de 185 RMS.
Se puede observar una gran mejora en la suavidad entre los materiales 101 y 106 GFN. La arena 106 GFN tiene más de un 17% más de material de malla 200 en la distribución de la pantalla. Los materiales GFN de dos pantallas 115 y 118 dieron como resultado una disminución de la suavidad. La arena 143 GFN dio como resultado lecturas similares a las del circón 106 GFN. El valor umbral es 200 RMS.
Se observó una mejora constante en la suavidad de la superficie desde la cromita 49 GFN de cuatro pantallas hasta la cromita 73 GFN de tres pantallas a pesar de que la distribución de partículas se hizo más estrecha. Se observó un aumento del 19 % en la retención de la pantalla de malla 140 en la cromita 73 GFN en comparación con la 49 GFN. Se mostró un aumento significativo en la suavidad de colada de las arenas de cromita 73 GFN de tres pantallas a las arenas de cromita 77 GFN de cuatro pantallas, independientemente de sus números de finura de grano similares. No se observó ningún cambio en la suavidad entre los materiales de cromita 77 GFN y 99 GFN. Curiosamente, las dos arenas compartieron una retención muy similar en la pantalla de malla 200. El valor umbral es 250 RMS.
Hay una mejora significativa en la suavidad de colada del olivino 78 GFN al olivino 84 GFN a pesar de la distribución más estrecha. Un aumento del 15% de retención en el tamiz de malla 140 fue visible en el olivino 84 GFN. Hay significado entre el olivino 84 y 85 GFN. El olivino 85 GFN mejoró la suavidad en 50. El olivino 85 GFN es una arena de tres pantallas con casi un 10 % de retención en la pantalla de malla 200, mientras que el olivino 84 GFN es simplemente un material de dos pantallas. Se puede observar una mejora constante en la suavidad desde el olivino 85 GFN hasta el olivino 98 GFN. La distribución de pantalla muestra un aumento del 5% de retención en la pantalla de malla 200. No se observaron cambios del olivino 98 GFN al 114 GFN a pesar de un aumento en la retención de malla 200 de casi el 7 %.
Se puede observar un valor umbral de 244 RMS.
Los resultados de rugosidad superficial de las piezas fundidas obtenidas a partir de núcleos cerámicos muestran una ligera mejora entre los materiales 32 GFN y 41 GFN. Hubo un aumento en la retención de la pantalla de malla 70 en un 34 % en la arena 41 GFN. Se observó un aumento significativo en la suavidad entre las cerámicas 41 GFN y 54 GFN. El material 54 GFN tuvo un 19 % más de retención en el tamiz de malla 100 en comparación con el material 41 GFN. Esta mejora se produjo a pesar del estrechamiento de la distribución en el material 54 GFN. El mayor impacto en los resultados cerámicos se observó entre las arenas 54 GFN y 68 GFN. La arena 68 GFN tuvo un 15 % más de retención en la malla 140, lo que amplió la distribución. A pesar de un aumento de más del 40 % de retención en el tamiz de malla 140, se observó poca mejora entre los materiales 68 GFN y 92 GFN. El valor umbral es 236 RMS.
Las superficies generadas por las arenas impresas en 3D son significativamente más ásperas que una superficie de arena apisonada usando el mismo agregado. Las muestras impresas en la orientación XY proporcionaron la superficie de fundición de prueba más suave, mientras que las impresas en la orientación XZ e YZ dieron como resultado la más rugosa.
La arena de sílice 83 GFN sin recubrimiento de sílice apisonada dio como resultado un valor de rugosidad de 185 RMS. Aunque las fundiciones parecían más suaves, los revestimientos refractarios aumentaron la rugosidad de la superficie medida por el perfilómetro. El recubrimiento de alúmina a base de alcohol exhibió el mejor rendimiento, mientras que el recubrimiento de zircón a base de alcohol resultó en la rugosidad más alta. Las 83 muestras impresas en 3D de GFN mostraron el efecto contrario. Mientras que la muestra sin recubrir imprimió en la orientación más favorable de XY, la muestra sin recubrir exhibió una rugosidad de fundición de 943 RMS. Los recubrimientos alisaron la superficie sustancialmente desde el acabado superficial sin recubrimiento desde un mínimo de 339 hasta un máximo de 488 RMS. Parece que el acabado de la superficie de las arenas revestidas es algo independiente de la rugosidad de la arena del sustrato y depende en gran medida de la formulación del revestimiento refractario. La arena impresa en 3D, aunque parte de un acabado superficial mucho más rugoso, se puede mejorar significativamente con el uso de recubrimientos refractarios.
Conclusiones
Los agregados de moldeo actualmente disponibles tienen la capacidad de lograr valores de rugosidad superficial de menos de 200 micropulgadas RMS. Estos valores están ligeramente dentro de los valores asociados con las fundiciones de inversión. Para los materiales probados, cada uno exhibió una disminución en la rugosidad de fundición con el aumento de la finura de grano AFS del agregado. Esto fue cierto con todos los materiales hasta un valor umbral, momento en el cual no se observó una mayor disminución en la rugosidad de la colada con el aumento de AFS-GFN. Esto fue respaldado por investigaciones realizadas anteriormente.
Dentro de todos los grupos de materiales, el efecto de AFS-GFN fue secundario tanto al área de superficie calculada como a la permeabilidad de los agregados. Si bien se puede pensar que la permeabilidad describe las áreas abiertas de la arena compactada, el área superficial describe mejor la distribución de la pantalla de la arena y la cantidad correspondiente de partículas finas. Tanto la permeabilidad como el área superficial estaban directamente relacionados con la lisura de la superficie de fundición. Cabe señalar que esto era cierto para los agregados dentro de un grupo de forma. Aunque los agregados angulares y subangulares tenían áreas superficiales altas, su permeabilidad era alta e indicaba una superficie abierta. Los agregados esféricos y redondeados exhibieron las superficies más suaves combinando baja permeabilidad con alta área superficial.
Originalmente se creía que la humectabilidad de la superficie, medida por el ángulo de contacto entre el metal líquido y el agregado aglomerado, era un factor crítico en el acabado de la superficie de fundición resultante. Si bien se demostró que el ángulo de contacto en varios materiales en AFS-GFN similar no era proporcional a la rugosidad de la fundición, se confirmó que la forma del grano era un factor importante. La ausencia de una relación entre el ángulo de contacto y la rugosidad de la superficie de fundición podría explicarse por el hecho de que la forma del grano se consideró como una influencia importante en la rugosidad de la superficie. Existe una posibilidad significativa de que el ángulo de contacto de varios materiales se vea más afectado por la forma del grano y la suavidad de la superficie resultante que por la humectabilidad del material solo.
Al igual que con todos los instrumentos de medición, los artefactos del método de prueba pueden influir en los resultados hasta cierto punto. El aumento en la rugosidad de la fundición, aunque visualmente las piezas se veían más suaves con la aplicación del revestimiento refractario, puede deberse a la forma de los picos y valles creados con los revestimientos. Por definición y medición, los recubrimientos refractarios solo aumentaron la rugosidad de la superficie sobre las muestras no recubiertas. Todos los revestimientos refractarios tuvieron mucho éxito en la mejora de la rugosidad de la superficie de las arenas impresas en 3D. Parecía que el acabado de la superficie de las piezas fundidas de prueba de las muestras recubiertas era algo independiente de la arena del sustrato de partida. Los recubrimientos tuvieron un efecto importante en el acabado de la superficie, pero se requiere más trabajo para revisar los recubrimientos y mejorar los acabados de fundición.
Editado por Santos Wang de Ningbo Zhiye Mechanical Components Co.,Ltd.
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