MX2007009008A

MX2007009008A - Molde permanente para fundir materiales de fundicion de metal ligero y uso del tipo de molde permanente y un material de fundicion.

Info

Publication number: MX2007009008A
Application number: MX2007009008A
Authority: MX
Inventors: Jurgen Trumper; Herbert Smetan
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-09-14
Also published as: RU2422243C2; DE502006004855D1; DE102005004481B3; JP2008528292A; AU2006210029B2; WO2006081983A1; US20080190583A1; CN101128276A; ATE442924T1; RU2007132745A; AU2006210029A1; ES2330965T3; BRPI0606754A2; CA2595833A1; PL1841554T3; EP1841554B1; CN100513007C; UA87349C2; EP1841554A1

Abstract

La presente invencion se refiere a un molde permanente el cual se usa para fundir materiales de fundicion de metal ligero, el cual se produce de un material de hierro fundido aleado con Ni y/o Mn, en donde el contenido de Ni y/o Mn del mismo se mide de tal manera que el coeficiente de expansion termica del molde permanente se adapta a los coeficientes de expansion termica del material de fundicion de metal ligero respectivo el cual sera fundido. La invencion tambien se refiere a un molde permanente el cual se puede producir de una manera economica y el cual tiene caracteristicas de usuario optimizadas y tambien calidades de fundicion optimizadas. El tipo de molde permanente tambien es adecuado, en particular, como un componente de un molde de arena el cual se usa para fundir un bloque de cilindro (1) de un material de fundicion de metal ligero.

Description

MOLDE PERMANENTE PARA FUNDIR MATERIALES DE FUNDICIÓN DE METAL LIGERO Y USO DEL TIPO DE MOLDE PERMANENTE Y UN MATERIAL DE FUNDICIÓN DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una coquilla para la fundición de materiales de fundición de metal ligero. La invención igualmente se refiere al uso de tal molde y el uso de un material de hierro fundido inherentemente conocido. Se conoce el principio de usar coquillas en moldes de fundición, en particular en moldes de fundición de arena, para enfriar específicamente más sustancialmente un material fundido, fundido en el molde de fundición, en particular un material de fundición de metal ligero, tal como un material de aluminio o magnesio, en el área de contacto entre el material de fundición y la coquilla, que el molde de arena es capaz de hacerlo (Stephan Hasse, Ernst Brunhuber: "Giesserei Lexikon" [Casting Plant Encyclopaedia] , página 735, 18a edición, 2001) . De esta forma, una solidificación específicamente dirigida del material de fundición se logra, tomando como una base las áreas del material de fundición que llegan a estar en contacto con la coquilla. Además de esto, el enfriamiento acelerado logrado por el uso de coquillas permite que una microestructura de la fundición solidificada se obtenga la cual es mejorada con respecto a sus propiedades Ref. 184747 mecánicas, en particular más densa, en el área enfriada por la coquilla. Las coquillas por consiguiente son usualmente usadas en tales secciones del molde de fundición las cuales forman áreas de la fundición que serán formadas en las cuales demandas particularmente altas se colocan en las propiedades de la microestructura. Esto se aplica en particular a la manufactura de fundición técnica de bloques de motor o cabezas de cilindro de motores de combustión a partir de una aleación de metal ligero. Un ejemplo típico para el sector de moldes de fundición, en los cuales las coquillas se usan para mejoramiento local de la microestructura, es las cámaras de cilindro de motores de combustión. Las superficies de recorrido de las cámaras de cilindro son sometidas a cargas pesadas cuando están en operación, de modo que altas demandas se colocan, en particular, en sus propiedades de resistencia al desgaste, su dureza y su resistencia. Las coquillas convencionales son fabricadas de material de hierro fundido. En términos de tecnología de fundición, se pueden fabricar de una manera simple y económica. En la práctica, sin embargo, las coquillas de hierro fundido han probado ser problemáticas con la fundición de materiales de fundición de metal ligero, tales como fusiones de aluminio o magnesio, debido al coeficiente de expansión térmica inferior del hierro fundido en comparación con el material de fundición de metal ligero. Durante la fundición, la coquilla la cual llega a estar en contacto con la fusión de metal ligero se caliente y su coeficiente de expansión térmica se expande por consiguiente. Si la temperatura cae durante el proceso de solidificación subsiguiente, la coquilla se contrae de nuevo a su volumen inicial . Si la fusión y los moldes tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, las tensiones o aún movimientos relativos pueden ocurrir en las áreas de contacto entre las coquillas y el material de fundición solidificado, como un resultado de esto los defectos son causados en la función terminada. En particular, las porosidades y otros defectos de superficie comparables pueden ocurrir. Tales defectos prueban ser problemáticos en particular en situaciones en las cuales particularmente ocurren altas cargas en la fundición individual cuando está en operación. Agregado a esto, está el hecho que las tensiones las cuales ocurren entre la coquilla y la fundición pueden ser demasiado grandes que la coquilla solamente se puede separar de la fundición solidificada con esfuerzo relativamente alto, lo cual tiene una consecuencia negativa en particular en la manufactura automatizada de fundiciones de metal ligero.

Se han hecho intentos de resolver el problema inherente con el uso de núcleos de hierro fundido gris usando moldes formados de bronce. El principio es conocido de DE 195 333 529 Al, por ejemplo, de formación de las cámaras de cilindro de motores de combustión por medio de coquillas de bronce insertadas en un molde de arena propuesto para la fundición de fusiones de aluminio. La composición del bronce de estos moldes conocidos en este caso preferiblemente se determina de tal forma que tienen coeficientes de expansión térmica de al menos 20 x 10"6 K"1, los cuales se ajustan a aquel de una fusión de Al. Puesto que el coeficiente de expansión térmica de los moldes se ajusta a aquel del aluminio el cual será fundido, se puede garantizar que el molde y material de fundición fundido se expanden y contraen a esencialmente el mismo grado. De esta forma, las tensiones entre la fundición y la coquilla se pueden reducir a un mínimo . Una desventaja de los moldes de bronce conocidos es su alto precio y su comportamiento al desgaste desfavorable. Su manejo también es pesado, puesto que los moldes de bronce no se pueden mantener con magnetos, por ejemplo. Con técnicas de fabricación automáticas en particular, esto hace difícil proporcionar moldes de fundición los cuales están equipados con moldes de bronce. Para evitar la adherencia del material fundido al molde, y para obtener una calidad de superficie óptima, es necesario en la práctica, como una regla, que la superficie del molde sea proporcionada con un aparejo. Este procedimiento también conduce a una complicación del proceso de manufactura, lo cual inevitablemente incurre en costos adicionales. Tomando la técnica previa descrita hasta ahora como una base, el objeto de la invención es proporcionar una coquilla capaz de ser manufacturada económicamente, la cual posee propiedades optimizadas de uso y al mismo tiempo hace posible resultados de fundición optimizados. Además de esto, una aplicación preferida se describe para tal coquilla. Finalmente, el objeto a ser resuelto por la invención también consiste en describir una nueva posibilidad de aplicación para un material de fundición inherentemente conocido . Con respecto a la coquilla para la fundición de materiales de fundición de metal ligero, este objeto se resuelve porque se manufactura de un material de hierro fundido aleado con Ni y/o Mn, del cual el contenido de Ni y/o contenido de Mn se dimensiona de tal forma que el coeficiente de expansión térmica de la coquilla se ajusta al coeficiente de expansión térmica del material de fundición de metal ligero el cual será fundido en cada caso. Una coquilla proporcionada de conformidad con la invención se puede usar preferiblemente como una pieza constituyente de un molde de fundición de arena para la fundición de un bloque de cilindro de un material de fundición de metal ligero. La invención toma ventaja de la posibilidad alear hierro fundido de tal forma que su coeficiente de expansión térmica corresponde con el coeficiente de expansión térmica de la fusión del metal ligero que será fundido en cada caso. El hierro fundido apropiadamente aleado es ya inherentemente conocido. Por consiguiente, por ejemplo, en la solicitud publicada Alemana DE 27 19 456 Al un material de hierro fundido es ya descrito el cual tiene un coeficiente de expansión térmica de entre 16.0 x 10"6 y 21.0 x 10"6 K"1 a temperaturas situadas entre 20°C y 100°C. Esto corresponde, por ejemplo, al coeficiente de expansión térmica de aleaciones de aluminio fundido típicas en el intervalo de temperatura relacionado. Hasta ahora, sin embargo, tales materiales de hierro fundido solamente se han usado para componentes estructurales los cuales se funden en o contraen sobre elementos de metal ligero, o se comprimen con los mismos. Por consiguiente, por ejemplo, un ejemplo de uso típico para la aleación conocida de DE 27 19 456 Al está en la manufactura de ranuras de anillo, usadas como elementos sellantes en pistones de metal ligero para motores de combustión.

Para el ajuste del coeficiente de expansión térmica de hierro y material de fundición de metal ligero el cual es suficientemente preciso para los propósitos de la invención, preferiblemente la desviación entre el coeficiente de expansión térmica del material de hierro fundido particular usado para la coquilla y el coeficiente de expansión térmica del material de fundición de metal ligero particular es restringido a un intervalo máximo de ± 0.4 x 10"6/K. Sorprendentemente, se ha mostrado que los materiales de hierro fundido aleados de acuerdo con el modelo del material conocido con manganeso y/o níquel se pueden ajustar con respecto de su comportamiento de expansión térmica de tal forma que las coquillas manufacturadas de los mismos poseen comportamiento óptimo en un molde de fundición, en particular un molde de fundición de arena, con respecto del resultado de fundición que se pretende. Esto no es previsible, puesto que en la técnica previa en cada caso, con respecto al funcionamiento funcional individual esperado, el enfoque ha estado sobre las propiedades mecánicas y de microestructura esenciales del material de hierro fundido conocido. En contraste, la invención se basa en el descubrimiento que las aleaciones de hierro fundido obtenidas de esta manera son especialmente bien adecuadas, debido al comportamiento de expansión térmica que se expande más allá de las propiedades mecánicas y de microestructura, siendo usadas como material para la manufactura de coquillas. El uso de un material de hierro fundido de acuerdo con la invención, aleado con Mn, Ni, en cada caso solo o por una combinación adecuada de estos elementos, para la manufactura de coquillas, puede minimizar las tensiones en el área de contacto entre la coquilla y el material de fundición solidificado, las cuales de otra forma se elevan con las coquillas cuando las fusiones de metal ligero están siendo fundidas. Debido al ajuste del coeficiente de expansión térmica de la coquilla a aquel del material de fundición de metal ligero, las tensiones las cuales ocurren en el transcurso de la solidificación del material de fundición entre el molde y el material de fundición se reducen a un mínimo. Al mismo tiempo, con las coquillas, los efectos ventajosos inherentemente conocidos de la técnica previa con respecto a la microestructura solidificada controlada son confiablemente logrados. En esta situación, los moldes de acuerdo con la invención se pueden manufacturar económicamente en una manera inherentemente conocida y tienen una resistencia al desgaste la cual es mucho mayor que aquella de los moldes de bronce conocidos. Sobre la base de sus propiedades magnéticas, son más fáciles de manejar para procesamiento automatizado, con el resultado que tienen utilidad perceptiblemente mejorada en el sector de fundición de metal ligero con relación a los tipos conocidos. Es de significado particular para la práctica actual que las calidades de superficie de la fundición logradas con el uso de moldes de fundición de acuerdo con la invención sean demasiado buenas que la preparación elaborada de los moldes con la técnica previa antes del proceso de fundición no sea requerida más tiempo. De acuerdo con la invención, tanto es posible agregar solamente níquel o solamente manganeso al material de hierro fundido, así como proporcionar ambos elementos como constituyentes de aleación. El factor decisivo es que el coeficiente de expansión térmica de la coquilla se ajuste al coeficiente de expansión térmica del material de fundición. Las coquillas de acuerdo con la invención son particularmente bien adecuadas para el uso cuando se funden aleaciones de aluminio, puesto que el coeficiente de expansión térmica del material de molde se puede ajustar particularmente bien a aquel de las aleaciones de aluminio. Las coquillas, sin embargo, también se pueden usar en la fundición de otras aleaciones de metal ligero, tales como, por ejemplo, aleaciones de magnesio. Preferiblemente, las coquillas de acuerdo con la invención son bien adecuadas para el uso en moldes de fundición de arena para la fundición de un bloque de cilindro hecho de un material de fundición de metal ligero. En esta situación, las coquillas las cuales se forman de conformidad con la invención pueden servir en particular para formar las cavidades de cilindro de un bloque de cilindro fundido para motores de combustión. Este es el caso sin considerar si las cavidades por si mismas sirven como superficies de recorrido de cilindro o si los forros de cilindro adicionales se proporcionan. Si las paredes internas de la cavidad por si mismas sirven como las superficies de recorrido de cilindro, después de la solidificación de la fundición, las paredes internas de cavidad se pueden revestir de una manera inherentemente conocida con un material, tal como níquel o silicio, para incrementar su resistencia al desgaste. También es posible, sin embargo, usar como un material de fundición una aleación hipereutéctica inherentemente conocida la cual precipita el silicio, en donde las coquillas de acuerdo con la invención confiablemente garantizan que las precipitaciones deseadas de Si ocurren en el área de las superficies de recorrido de cilindro gracias a una solidificación acelerada inducida de una manera controlada por medio de las coquillas. Desde luego, es posible en esta situación, después de la solidificación de la fundición, que el maquinado de las superficies de recorrido sea realizado para exponer el silicio precipitado de una manera igualmente inherentemente conocida. De acuerdo con una modalidad preferida, el material de hierro fundido puede tener una fracción de níquel de 0.1 a 13.0% en peso. Con una fracción de níquel, el ajuste del coeficiente de expansión térmica se puede realizar de una manera particularmente simple. Los contenidos de Ni mayores causan expansión incrementada del hierro fundido en calentamiento, mientras que con contenidos de Ni inferiores, los cuales se combinan con cantidades igualmente pequeñas de Mn, si está presente, ajustan coeficientes de expansión térmica menores. Los coeficientes de expansión térmica de las coquillas de acuerdo con la invención los cuales son particularmente bien ajustados al comportamiento de expansión térmica de fusiones a base de aluminio se producen si el contenido de Ni es más de 6.0% en peso, en particular al menos 6.5% en peso. El intervalo de los contenidos de níquel se puede limitar hacia arriba, en el cual los efectos usados por la invención ocurren particularmente confiablemente, en el ajuste del límite superior para este intervalo a un máximo de 8.00% en peso, preferiblemente menor que 8.00% en peso. Como una alternativa o en adición, el material de hierro fundido también puede tener una fracción de manganeso para ajustar el coeficiente de expansión térmica, el cual se sitúa en el intervalo desde 0.1 a 19.0% en peso. Los contenidos de Mn mayores conducen a un desplazamiento del coeficiente de expansión térmica hacia valores mayores, mientras que fracciones de Mn inferiores, con al mismo tiempo bajas o no existentes fracciones de Ni, causan una expansión menor del hierro fundido en calentamiento. Preferiblemente, los contenidos de Mn se sitúan en el intervalo desde 4 a 12% en peso, para garantizar un ajuste óptimo al comportamiento de expansión de fusiones de Al. Para lograr resultados óptimos con respecto a la resistencia al desgaste del material de hierro fundido, el material de hierro fundido también puede, de una manera inherentemente conocida, así como hierro e impurezas inevitables, contener los siguientes elementos (en % en peso) : C: 1.5 - 4.0%, Si: 0.5 - 4.0%, Cu: 0.3 - 7.0%, Cr: < 2.0%, Al: 0.3 - 8.0%, Ti: 0.01 - 0.5%. Por consiguiente, la solución al objeto referido hasta ahora, con respecto al uso de un material de hierro fundido inherentemente conocido de DE 27 19 456 Al, se sitúa en el hecho que este material, además de hierro e impurezas inevitables, contiene (en % en peso) : C: 1.5 - 4.0%, Si: 0.5 - 4.0%, Cu: 0.3 - 7.0%, Cr : < 2.0%, Al: 0.3 - 8.0%, Ti: 0.01 - 0.5%, así como al menos un elemento del grupo Ni, Mn, con la condición que el contenido de Ni completa: 0.1 - 13.0% y el contenido de Mn a: 0.1 - 19.0%, se usa para manufacturar una coquilla para fundir material de fundición de metal ligero . La invención se explica con mayor detalle después sobre la base de una modalidad ejemplar representada en una figura. La figura 1 muestra un bloque de cilindro fundido 1 con una coquilla 2 insertada en este, en una sección transversal . En la figura 1 se representa un bloque de cilindro 1 solidificado terminado, fundido de una manera inherentemente conocida en un molde de fundición de arena, no mostrado, de un motor de combustión de cilindros múltiples, en una sección transversal a través de una de las cámaras de cilindro. Después de la solidificación y enfriamiento, el molde de fundición de arena se remueve del bloque de cilindro 1, siendo destruido en el proceso. El bloque de cilindro 1 se funde de una aleación de AlSil7Cu4Mg convencional (Si: 16.0 - 18.0; Cu: 4.0 - 5.0; Fe: <= 0.7; Mg: 0.4 - 0.7; Mn: <= 0.2; Ti: <= 0.2; Zn: <= 0.2; S otros: <= 0.2; resto Al, figuras como % en peso) . Este material de fundición posee un coeficiente de expansión térmica de 19.4 x 10"6/K. Las coquillas 2 se fabrican de una aleación de hierro fundido GGL-NiCr 20-2 comercial conocida bajo el nombre "Ni-Resistente" . Mediante la elección de los contenidos de Mn y Ni, las coquillas tienen un coeficiente de expansión térmica el cual se sitúa en el intervalo desde 20 °C a 200°C, 18.7 x 10"6/K. Este coeficiente de expansión térmica se sitúa demasiado cercano al coeficiente de expansión de 19.4 x 10"6/K de la aleación de AlSil7Cu4Mg de la cual el bloque de motor se funde que las coquillas, en calentamiento y enfriamiento, se comportan esencialmente de la misma manera como el material de fundición de Al. Como una consecuencia, solamente mínimas tensiones ocurren en el área de contacto entre la pieza de fundición y la coquilla en cada caso, y se logra un resultado de fundición óptima. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Coquilla para la fundición de materiales de fundición de metal ligero, caracterizada porque se manufactura de un material de hierro fundido aleado con Ni y/o Mn del cual el contenido de Ni y/o Mn se dimensiona de tal forma que el coeficiente de expansión térmica de la coquilla se ajusta al coeficiente de expansión térmica del material de fundición de metal ligero el cual será fundido en cada caso.

2. Coquilla de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material de hierro fundido tiene un contenido de Ni desde 0.1% en peso a 13.0% en peso, en particular desde más de 6% en peso y menos de 8% en peso.

3. Coquilla de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el material de hierro fundido tiene un contenido de Mn desde 0.1 a 19.0% en peso .

4. Coquilla de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el material de hierro fundido contiene, además de Ni y/o Mn, así como Fe e impurezas inevitables, los siguientes constituyentes de aleación (en % en peso) : C: 1.5 - 4.0%, Si: 0.5 - 4.0%, Cu: 0.3 - 7.0%, Cr: < 2.0%, Al: 0.3 - 8.0%, Ti: 0.01 - 0.5%.

5. Uso de una coquilla, diseñada de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, como una pieza constituyente de un molde de fundición de arena para la fundición de un bloque de cilindro de un material de fundición de metal ligero.

6. Uso de un material de hierro fundido, el cual contiene (en % en peso) C: 1.5 - 4.0%, Si: 0.5 - 4.0%, Cu: 0.3 - 7.0%, Cr: < 2.0%, Al: 0.3 - 8.0%, Ti: 0.01 - 0.5%, así como también al menos un elemento del grupo Ni, Mn, con la condición que el contenido completa: Ni: 0.1 - 13.0% y Mn: 0.1 - 19.0%, y como el resto hierro e impurezas inevitables, para la manufactura de una coquilla para la fundición de materiales de fundición de metal ligero.

7. Uso de conformidad con la reivindicación 5 ó 6, en donde el material de fundición de metal ligero es un material aleado a base de aluminio.