Control de procesos metalúrgicos para la optimización de componentes en fundición de hierro
Tras varios miles de años entre nosotros la fundición sigue encerrando muchos aspectos ocultos, que pueden hacer que en ocasiones parezca tener un comportamiento caprichoso y fuera de nuestro control.
Una de las razones más críticas que justifican dicho comportamiento radica en el proceso de solidificación y en la complejidad que muestra el diagrama Fe-C en la formación de fases tan diferentes, como son el grafito, la austenita y los carburos.
La presencia de otros elementos en la composición química como son el Si, Mg, Mn, S, P, junto con otra serie de elementos traza, distorsionan aún más este comportamiento teórico. Además, factores como la cinética del enfriamiento y el nivel de nucleación del metal líquido aumentan, si cabe, la dificultad en la predictibilidad de los resultados finales del complejo proceso de solidificación.
Los factores anteriormente descritos hacen que una aleación con una composición química semejante pueda solidificar siguiendo alguna de las «infinitas gamas» que existen entre el diagrama estable y el metaestable.
«El conocimiento metalúrgico y la aplicación de herramientas avanzadas de control de la calidad metalúrgica son claves para optimizar los procesos de fundición».
La precipitación de la fase grafítica es clave en este tipo de materiales, tanto desde el punto de vista de propiedades mecánicas, como para manejar el balance contracción/expansión de las distintas fases que se forman y que regulan la tendencia del metal a presentar defectos de micro rechupe.
Por lo tanto, queda claro que el control de la composición química no es suficiente para poder dominar el proceso y llegar a predecir el comportamiento de las piezas que se están fabricando.
Desarrollos del Centro Tecnológico AZTERLAN para asegurar la calidad de los componentes de fundición
Esta falta de precisión en las predicciones es la que motivó años atrás al Centro de Investigación Metalúrgica AZTERLAN a desarrollar una herramienta de control metalúrgico basada en análisis térmico, conocida como Thermolan®.
Esta herramienta permite a los técnicos de fundición poder modelizar el crecimiento de las fases sólidas a lo largo de todo el tiempo de solidificación, así como poder visualizar las transformaciones eutectoides en estado sólido.
| Panel de monitorización del Sistema Thermolan® v 3.0. |
Las exigencias actuales de los consumidores de componentes de fundición de hierro, tanto a nivel técnico como en cuanto a optimización de costes de fabricación, hacen que la EXCELENCIA sea una obligación de quienes pretenden perdurar en este sector.
Dicha excelencia se visualiza como una combinación de dos factores clave: el dominio del proceso y la eficiencia o competitividad del mismo.
Thermolan® facilita la estabilización del proceso metalúrgico mediante la medida del impacto de procesos, materiales y procedimientos de trabajo. Al mismo tiempo, incorpora modelos predictivos basados en algoritmos diseñados por AZTERLAN para poder conocer de una manera virtual, cuáles van a ser las propiedades clave del componente a fabricar.
La eficiencia del diseño de los útiles de fabricación es uno de los aspectos que más impacta en los costes de producción (entendiendo como eficiencia, el rendimiento de placa: ratio peso neto/bruto), ya que lleva implícitos consumos de energía y de ciertos materiales. Una de las claves de la competitividad es la consecución de altos rendimientos de placa a través de la minimización del uso de alimentadores externos.
La convivencia de dos fases tan dispares como el grafito y la austenita con densidades que difieren en más de un 300%, impacta sustancialmente en el balance contracción/expansión.
El dominio de este balance se convierte en una ventaja competitiva ya que el control de la expansión grafítica ayuda a incrementar el nivel de auto-alimentación, reduciendo las necesidades de alimentadores externos.
| Representación de la aparición fase grafítica durante el proceso de solidificación |
El dominio del modelo de crecimiento grafítico condujo a AZTERLAN a convertir este dato de salida en un input imprescindible para un nuevo desarrollo, llamado «Kasandra».
Kasandra es un software desarrollado por AZTERLAN que integra, para una geometría de componente determinada, la evolución térmica propia de una aleación que enfría dentro de un molde junto con el cálculo de la evolución de la fracción solida en el tiempo.
Esta evolución de fracción sólida es la que condiciona las necesidades de alimentación de las piezas y permite realizar la predicción de defectos de contracción en tiempo real, siendo este nuevo desarrollo el complemento perfecto del Thermolan.
El uso adecuado de estas técnicas supone un cambio de paradigma en la forma de controlar el proceso, así como de poder afrontar retos en el diseño de los sistemas de alimentación, impensables hasta hace poco tiempo.
El conocimiento metalúrgico y la amplia experiencia relacionada con la tecnología de fundición de hierro han permitido a AZTERLAN desarrollar estas herramientas, que suponen un verdadero salto tecnológico orientado a la optimización de los procesos y a la mejora competitiva de las fundiciones.
