Procesos de Fusion y Colada Del Titanio y Sus Aleaciones 1

Pr cesos de fusión y c lada del titanio y sus aleaciones.

Enero 2009

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Procesos de fusión y colada del titanio y sus aleaciones

Índice

1. Introducción 2. Tecnologías de fusión y la colada 2.1. Fusión por inducción en vacío ( vacuum induction melting, VIM ) 2.2. Refusión por electroescoria (electroslag remelting, ESR) 2.3. Refusión por arco en vacío (vacuum arc remelting, VAR) 2.4. Fusión por haz de electrones (electron beam melting, EBM) 2.5. Fusión en autocrisol por inducción (induction skull melting) 2.6. Fusión por microondas (microwave melting) 2.7. Fusión por plasma 2.8. Fundición en aire con contragravedad y baja presión (CLA) 3. Materiales de moldes y sistemas 3.1. Moldes de Grafito 3.2. Moldes de Arena 3.3. Moldes Invertido 3.4. Moldes Revestidos 3.5. Moldes Segmentados 4. Conclusiones 5. Bibliografía

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1. INTRODUCCIÓN Debido a la alta reactividad de las aleaciones de titanio a elevadas temperaturas, la tecnología para su explotación, fusión y procesamiento es bastante compleja. La recuperación de materiales en la fabricación de componentes, por procesos termomecánicos convencionales, es del orden de 10 a 20 por ciento. Desde el metal líquido, la fundición proporciona la ruta más corta hacia la obtención de una forma final y asegura un mejor uso del material a costos efectivos. Una fundición compleja, puede sustituir a un montaje de múltiples piezas o una soldadura, a menudo con una mejora sustancial tanto en calidad como en apariencia y a un costo mucho menor. Sin embargo, en la actualidad, la fundición constituye sólo el 1% del total de productos de titanio. Los problemas en la fusión y la fundición de las aleaciones de titanio se derivan de su gran reactividad química con el crisol, el material del molde y su afinidad por los gases atmosféricos. El proceso de fusión no sólo es responsable del consumo de energía y la rentabilidad de la producción de piezas fundidas (Fig. 1), también es fundamental en el control de calidad, composición y propiedades físicas y químicas del producto final.

Figura 1. Los costos de energía en el proceso de fundición de metales La práctica actual de fabricación de moldes incluye moldes de grafito apisonado y moldes invertidos con recubrimientos de metal refractario. Los componentes fundidos hasta 700 kg se fabrican en moldes de grafito apisonado para las industrias de transformación química y los moldes invertidos con un peso de hasta 30 kg se fabrican para aplicaciones críticas en la industria aeroespacial y biomédica. El costo de piezas fabricadas con moldes invertidos es de 200 a 300 dólares por kg, mientras que el de las piezas fundidas en grafito es de 50-150 dólares por kg. Recientemente, se han utilizado moldes de arena zirconio con muy buenos resultados para la fundición de pequeñas piezas de titanio.

2. TECNOLOGÍAS DE FUSIÓN Y LA COLADA En los últimos cincuenta años se han utilizado varios métodos de fusión para el titanio aunque prosiguen los esfuerzos para el desarrollo de otros métodos para lograr un mejor control sobre la fusión y una mayor utilización de chatarra. En la actualidad, a nivel mundial, se están experimentando varias tecnologías de fusión innovadoras, cada una con sus ventajas y barreras que mantienen una amplia aplicabilidad comercial. A continuación se describen las tecnologías actuales y las innovadoras utilizadas en la fusión y colada del titanio.

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2.1. FUSIÓN POR INDUCCIÓN EN VACÍO ( Vacuum Induction Melting, VIM) La fusión por inducción en vacío (VIM) es la fusión de metales por inducción realizado en virtud de un vacío. Este proceso fue importante por primera vez en la década de 1950, cuando se encontró que las aleaciones resistentes al calor o superaleaciones (que contenían grandes cantidades de reactivos elementos tales como aluminio o titanio) tenían una fiabilidad y vida en servicio superior cuando se fundían en vacío. Como resultado de la VIM, se obtuvo un gran avance en el rendimiento y durabilidad del motor a chorro, que ha sido muy importante tanto en la aviación comercial como en la militar. El éxito en la producción de superaleaciones por VIM por la industria de turbina de gas estimuló el interés por el VIM para la fabricación de otras aleaciones de aplicaciones críticas para uso en reactores nucleares y electrónica. Además, las bajas pérdidas de material de este proceso hicieron la técnica económica para algunas aleaciones de alto valor que no requieren una pureza superior. Las ventajas específicas de la fusión por inducción en vacío incluyen: -3

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Eliminación de Gases . Con la presión muy baja que se obtiene, 10   torr o 0.000001 atmósferas, se eliminan los gases indeseables y elementos volátiles potencialmente dañinos de la carga de materias primas cuando se produce la fusión. Control de Análisis Químico . Es posible un control excepcional y reproducible de los elementos reactivos presentes en la composición debido a la falta de atmósfera. Control de Procesos Superior . Control de presión independiente, temperatura y remoción por inducción proporcionan una oportunidad excepcional para el desarrollo de las prácticas de fusión específicamente adaptadas a composiciones de aleación y propiedades deseadas. Fusión Libre de Escoria . La fusión en vacío elimina la necesidad de una cubierta protectora de escoria y disminuye el potencial de contaminación accidental por escoria o inclusiones en el lingote. Protección del Fundido . El alto vacío evita la contaminación nociva de las reacciones con los gases atmosféricos.

Aunque el proceso de VIM es bastante simple, el equipo es muy sofisticado en comparación con otras instalaciones de fusión. Todos los componentes requieren un mantenimiento cuidadoso, ensayo y calibración para asegurar una producción óptima. El esquema de una instalación típica comercial (vista en planta) del VIM se muestra en la Figura 2.

Figura 2. La Fusión por Inducción en Vacío requiere instalaciones eléctricas para la fusión, bomba de vacío, generación de gas inerte y normalmente un precalentamiento del molde.

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Como puede observarse, el horno se compone de una cámara de fusión, cámara de molde, sistema de bombeo, suministro de energía eléctrica y una estación de control. La cámara de fusión contiene el crisol refractario rodeado por la bobina de inducción que suministra energía a la fusión y a la agitación. La carga de materia prima, los contenedores para adiciones extra, dispositivos de muestreo, instrumentación y control se encuentran en las posiciones adecuadas en la parte superior de la cámara de acceso directo a la superficie de la masa fundida. Todos estos accesorios están aislados de la cámara de fusión principal por el aire contenido y se bombean por separado para evitar la contaminación de la masa fundida por los gases del ambiente. La cámara de molde contiene los moldes de lingote, los depósitos/reservorios primario y secundario y la instrumentación independiente. Se bombea por separado a fin de que el horno opere en modo semicontinuo. Esto mejora la eficiencia porque permite empezar a fundir mientras la cámara de molde se prepara para iniciar un ciclo y permite que en la cámara de fusión se cargue con mientras los lingotes se enfrían al final de un ciclo. También se anexa un sistema de argón a la cámara de fusión para permitir algunas operaciones de relleno o para situaciones de emergencia. El diseño del sistema de bombeo varía considerablemente, dependiendo del volumen del horno, el tipo de aleaciones que se van a fundir, velocidad de bombeo deseada y el vacío final requerido. En un sistema típico, bomba rotativa mecánica, sopladores y bombas de vapor se combinan en secuencia para realizar el vacío a una velocidad razonable con los menores costes de funcionamiento. La fuente de alimentación para la mayoría de los grandes hornos es un sistema motor generador capaz de suministrar alrededor de 4.2 megavatios a 180 hercios. La estación de control contiene todos los actuadores de válvulas, instrumentos sensores y registradores para el control del proceso. La observación de la fusión se realiza directamente a través de una pantalla protectora o por cámaras de vídeo y grabadores. El mayor consumo de energía auxiliar son los hornos para calentar los depósitos/reservorios de moldes, otros cerámicos y el colector de muestras. Estos hornos se pueden calentar con petróleo, gas o electricidad. Sin embargo, la electricidad ofrece una clara ventaja en la autonomía de los depósitos químicos. Por ejemplo, trazas diminutas de azufre o de carbono depositado en la toma de muestra puede dar falsas indicaciones químicas. Los ciclos de fusión específicos y los procedimientos relacionados son marcas registradas de propiedad de los productores de aleaciones. Sin embargo, suelen cumplirse las siguientes etapas del proceso: 1.

2.

3. 4. 5.

Después que se cargas las materias primas, se toman las tasas de fugas periódicamente durante el bombeo hasta asegurar la integridad del sistema. Posteriormente se aplica la potencia a la fusión. Por lo general la presión es errática durante la fusión, aumentando y disminuyendo a medida que se funden diversos materiales. A veces es necesario rellenar parcialmente la cámara de fusión con argón para controlar la ebullición, si se vuelve demasiado fuerte. -2 Cuando la carga se funde completamente el bombeo continúa hasta que llega entre 10  – -3 10  torr y se alcanza una tasa de fugas casi constante. Una tasa de fuga constante implica que está cerca el final de la desoxidación. En este punto se realiza la adición de aleaciones reactivas. Se alcanza una pequeña presión y siempre se nota como los elementos reactivos desgasifican y funden. Se toman muestras y se analizan para asegurar que la masa fundida se encuentra dentro de las especificaciones. Después de la aprobación química la cámara se abre. Un depósito/reservorio primario se posiciona para permitir que el metal fluya desde la cámara de fusión a la cámara de molde. El depósito/reservorio primario contiene una guía cerámica para el control de flujo de las piezas que actúan como obstáculo (costra del horno o de cerámica) que normalmente se desprenden del crisol de fusión. Metal fluye a través de la boquilla principal hacia el depósito/reservorio secundario, que contiene una guía adicional para control de flujo, vertederos y canales de colada para dirigir el metal a la serie de moldes en la cámara. Se observa un ligero aumento de presión cuando el sistema de colada desgasifica. AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 5

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Al término de la colada, los depósitos/reservorios son drenados y reposicionados en la cámara de molde. La esclusa está cerrada y el próximo ciclo se puede iniciar en la cámara de fusión. Cuando el metal se ha enfriado, se rompe el vacío del molde y se abre la cámara. En este momento el molde lleno se remueve y se prepara la cámara para el próximo ciclo.

La fusión por inducción en vacío se utiliza principalmente en la fabricación de superaleaciones. Normalmente aleaciones base níquel, cobalto o hierro que ofrecen alta resistencia mecánica a temperaturas elevadas. La VIM también se utiliza para fundir materiales base cobre, uranio, titanio y otros muy especiales. A menudo se combina con otros procesos en la producción de partes de alta calidad. La figura 3 muestra la variedad de pasos de proceso que puede seguirse después de la VIM. Las superaleaciones comprenden la mayoría de la producción VIM. Alrededor de 60 a 100 millones libras por año se producen principalmente debido a la demanda de motores de aeronaves. Alrededor del 80% de todas las superaleaciones se utilizan en los aviones y aplicaciones aeroespaciales. El siguiente uso es en la generación de energía (13%). La industria petroquímica y diversas aplicaciones comparten el 7% restante. El consumo total de energía eléctrica por unidad de producto es alto vacío para la VIM debido a las pequeñas cantidades producidas y la energía necesaria para producir el vacío. Si bien no se dispone de cifras exactas, conocedores estiman que la tasa de consumo es el doble de lo normal para la fusión por inducción, unos 1200 kWh por tonelada.

Figura 3. Rutas de procesamiento actual para los productos de fundición mediante VIM. 2.2. REFUSIÓN POR ELECTROESCORIA (Electroslag Remelting , ESR) La ESR se conoce desde la década de 1930, pero pasaron aprox. 30 años antes de convertirse en un proceso reconocido para la producción en masa de lingotes de alta calidad. La ESR es una tecnología de interés no sólo para la producción de lingotes de poco peso de aceros para herramienta y superaleaciones, sino también de la fabricación de grandes lingotes forjados hasta lingotes en bruto con un peso de 165 toneladas. Mientras que la VAR necesita vacío para refinar, en la ESR el electrodo consumible se baña dentro de un charco de escoria en un molde refrigerado por agua. Una corriente eléctrica (normalmente corriente alterna) pasa a través de la escoria, entre el electrodo y el lingote que se está formando y sobrecalienta la escoria para que se produzcan gotas de metal fundido AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 6

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desde el electrodo. Viajan a través de la escoria hasta el fondo del molde refrigerado por agua donde solidifica. El charco de escoria sube en forma de lingote. El nuevo lingote de material refinado se construye lentamente desde el fondo del molde. Es homogéneo, solidificado direccionalmente y sin la inestabilidad central que puede producirse en lingotes fundidos convencionalmente ya que solidifican desde el exterior hacia el interior. En general el proceso de ERS ofrece una calidad de producto consistente, predecible y muy alta. La solidificación finamente controlada mejora la integridad estructural. La calidad superficial de los lingotes se mejora por la formación de una piel de escoria delgada solidificada entre el lingote y la pared del molde durante la operación de refundición. Esta es la razón por la cual se afirma que la ESR (Ver fig. 4) es el mejor método de producción de superaleaciones de alto rendimiento que se utilizan hoy industrias como la aeroespacial y la ingeniería nuclear, así como para grandes piezas forjadas. Se obtienen lingotes con niveles de pureza que eran desconocidos hace algunos años.

Figura 4. Esquema del proceso de Refusión por Electroescoria. Debido al supercalentamiento de la escoria que se encuentra en contacto con la punta de electrodo, se forma una película líquida de metal en la punta del electrodo. Como las gotitas que se forman pasa a través de la escoria, el metal se limpia de impurezas no metálicas que se eliminan por reacción química con la escoria o por flotación física a la parte superior del charco fundido. Las inclusiones que permanecen la ESR son muy pequeñas en tamaño y distribuidas de manera uniforme en el lingote refundido. Las escorias utilizadas para la ESR generalmente son del tipo fluoruro de calcio (CaF 2), cal (CaO) y alúmina (Al2O3). También se puede añadir Magnesia (MgO), Titania (TiO2) y de sílice (SiO2), en función de la aleación que se vaya a refundir. Para desempeñar sus funciones, la escoria debe tener algunas propiedades bien definidas, tales como:

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Su punto de fusión debe ser inferior al del metal que se va a refundir; Debe ser eficiente eléctricamente; Su composición debe ser seleccionada para garantizar la reacciones químicas deseada; Debe tener una viscosidad adecuada a la temperatura de refundición.

A pesar de la solidificación dendrítica direccional pueden ocurrir varios defectos, como la formación de patrones de anillos y pecas, en los lingotes refundidos. La razón de la ocurrencia de estos defectos son los mismos que en el VAR. Es importante señalar que las manchas blancas normalmente no ocurren en un lingote de ESR. Los esqueletos dendríticos o pequeñas piezas rotas de los electrodos deberán pasar por la escoria supercaliente y disponer de tiempo suficiente para que se fundan antes de que lleguen al frente de solidificación. Así se evitan las AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 7

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manchas blancas. La superficie del lingote cubierta por una fina piel de escoria no necesita acondicionarse antes de la forja. Se han desarrollado tres variaciones del proceso ESR:

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Refusión por Aumento de la Presión (PESR); Refusión bajo Atmósfera de Gas Inerte (IESR); Refusión a presión reducida (VAC-ESR).

2.2.1. Refusión con Electroescoria por Presión (PESR) En los últimos 30 años, el nitrógeno se ha convertido en un elemento de aleación atractivo, de bajo costo, para mejorar las propiedades del acero. En los aceros austeníticos, el nitrógeno, particularmente en disolución, aumenta el límite elástico por la formación de una solución sólida supersaturada. Con acero ferríticos, el objetivo es lograr una buena dispersión de los nitruros comparable con la microestructura obtenida por temple y revenido de las aleaciones hierrocarbono. Para la producción de estos nuevos materiales, es esencial que se introduzca suficiente cantidad de nitrógeno por encima del límite de solubilidad en condiciones normales de presión en el acero fundido y que se impida la pérdida de nitrógeno durante la solidificación. Como la solubilidad del nitrógeno es proporcional a la raíz cuadrada de su presión parcial, es posible introducir grandes cantidades de nitrógeno en la masa fundida y dejar que se solidifique a mayor presión. Esto ha sido verificado por los procesos de refusión por electroescoria operando a una presión de 42 bares. Debido al extremadamente corto tiempo de permanencia de las gotas de metal en la fase líquida durante la refusión, la captación de nitrógeno a través de la fase gaseosa es insuficiente. El nitrógeno, por lo tanto, debe suministrarse continuamente durante la refusión en forma de aditivos sólidos portadores de nitrógeno. La alta presión en el sistema sirve exclusivamente para retener el nitrógeno introducido en el acero fundido. El nivel de presión depende de la composición de la aleación y el contenido de nitrógeno deseado en el lingote refundido.

2.2.2. Refundición en Atmósfera de Gas Inerte (IESR) Se puede llevar a cabo el proceso de ESR en una atmósfera de gas inerte a presión atmosférica. Este es un gran paso en la ampliación del proceso ESR debido a los problemas de captación de hidrógeno y la influencia de los cambios atmosféricos. Además, permite refundir en gas inerte libre de oxígeno. Se han obtenido los siguientes resultados:

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Se puede evitar completamente la oxidación de los electrodos y la escoria; Se puede evitar, casi por completo, la pérdida por oxidación de elementos tales como Ti, Zr, Al, Si, etc.

Esto es especialmente importante en la refusión de aleaciones que contienen grandes cantidades de Al y Ti, como superaleaciones con rangos de análisis muy estrechos;

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Se logra mejorar la pureza en el lingote; Cuando se utiliza argón como gas inerte, se evita la captura de nitrógeno e hidrógeno (cuando se utiliza nitrógeno como gas inerte, posiblemente se capture algo de nitrógeno)

Debido a la ausencia de oxígeno en la atmósfera del horno, la desulfurización a través de la fase gaseosa ya no es óptima. Sin embargo, el azufre hoy día se tiene en cuenta en la cuchara metalúrgica en la elaboración de los electrodos de acero.

2.2.3. Refundición por Electroescoria en Vacío (VAC-ESR)

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La refusión por electroescoria en vacío es un proceso de nuevo desarrollo. La refusión se realiza en vacío como en la VAR, sin embargo, utilizando una escoria. No se producen los problemas de oxidación de la masa fundida. Además, gases disueltos, como el hidrógeno y nitrógeno, se pueden remover y el peligro de manchas blancas, producidas durante la VAR, se reducen a un mínimo. Así pues, las ventajas de ambos ESR y VAR se combinan en un proceso que es de interés para superaleaciones o la refusión del titanio.

2.3. REFUSIÓN POR ARCO EN VACÍO ( Vacuum Arc Remelting, VAR) La Refusión por Arco en Vacío se utiliza para mejorar la pureza y refinar la estructura de los lingotes estándar fundidos por inducción en vacío o al aire, entonces llamados electrodos consumibles. Los aceros y superaleaciones, así como el titanio y zirconio y sus aleaciones fabricadas con VAR se utilizan en un gran número de aplicaciones de alta integridad donde la pureza, homogeneidad, mejora de la fatiga y tenacidad de fractura del producto final son esenciales. Las industrias del sector aeroespacial, generación de energía, defensa, médico y nuclear confían en las propiedades y el rendimiento de estos materiales avanzados refundidos. La VAR es la refundición continua de un electrodo consumible por medio de un arco en vacío (Fig. 5). Se aplica una corriente continua y se forma un arco entre el electrodo y la base de un molde de cobre contenido en una camisa de agua. El intenso calor generado por el arco eléctrico funde la punta del electrodo y se va formando un nuevo lingote progresivamente en el molde enfriado por agua. Se mantiene un alto vacío durante todo el proceso de refundición. El diseño básico del horno VAR se ha mejorado continuamente en los últimos años sobre todo en equipos de control y regulación con el objetivo de lograr un proceso de refundición totalmente automático. Esto, a su vez ha redundado en la mejora de la reproducibilidad de las propiedades metalúrgicas de los productos.

Figura 5. Esquema del proceso de Refusión por Arco en Vacío Los principales beneficios de la refundición de un electrodo consumible al vacío son:

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La eliminación de gases disueltos, como el hidrógeno, el nitrógeno y las emisiones de CO; Reducción de trazas de elementos indeseables con alta presión de vapor; Mejora de la pureza de óxidos; Obtención de una solidificación direccional del lingote de abajo hacia arriba, evitando así la macrosegregación y reduciendo la microsegregación.

La eliminación de óxidos se realiza mediante procesos químicos y físicos. Los óxidos o nitruros menos estables son disociados térmicamente o son reducidos por el carbono presente en la AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 9

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aleación y se eliminan a través de la fase gaseosa. Sin embargo, en aleaciones especiales y en los aceros de alta aleación las inclusiones no metálicas, por ejemplo, alúmina y carbonitruros de titanio, son muy estables. La eliminación de algunas de estas inclusiones se lleva a cabo por flotación durante refundición. El resto de inclusiones se rompen y distribuyen de manera uniforme en la sección transversal del lingote solidificado. Dentro de las aplicaciones de la Refusión por Arco en Vacío tenemos:

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Superaleaciones para el sector aeroespacial; Aceros de Alta Resistencia para los anillos del lanza cohetes y los tubos de alta presión; Rodamientos de bolas de acero; Aceros de Herramienta (aceros para trabajo en frío y en caliente) de fresas, brocas, etc.; Aceros para Matrices; Fundición de metales reactivos (titanio, zirconio y sus aleaciones) para el sector aeroespacial, la industria química y técnica de reactores.

2.4. FUSIÓN POR HAZ DE ELECTRONES ( Electron Beam Melting , EBM) El proceso de fusión por haz de electrones se aplica en todo el mundo para fundir y moldear lingotes de metal refractario dúctiles de niobio, tantalio y hafnio. Tanto el tungsteno y molibdeno para la industria electrónica como el vanadio de alta pureza, se producen utilizando hornos EB. Las superaleaciones base níquel se refinan y la chatarra de titanio se recicla para producir lingotes y placas. Se está investigando la fusión de diversos tipos de metales convencionales y exóticos y sus aleaciones (por ejemplo, aleaciones de tierras raras, materiales intermetálicos, cerámica, uranio, cobre) y el desarrollo de nuevos grados, o para purificar dichas materias. Para estas aplicaciones, se utilizan principalmente los procesos de fusión por goteo y fusión con solera fría (flujo continuo). La fusión de culote de crisol sirve para la evaluación de pureza, especialmente de superaleaciones. Se ha utilizado la fundición en horno crisol invertido (Investment Skull Casting ) con una fuente de calor por haz de electrones para la producción de partes de turbinas de titanio y superaleaciones. El cañón de haz de electrones representa fuentes de calor de alta temperatura que son capaces de superar la temperatura de fusión, incluso la de evaporación, de todos los materiales en su haz puntual. Por la deflexión magnética y el rápido escaneo a altas frecuencias el haz de electrones se puede dirigir de manera efectivamente a objetivos de múltiples formas y es por lo tanto, la fuente de calor más flexible en la tecnología de la refusión. 2 El haz de electrones incide sobre el objetivo con densidades de potencia típica de 100 kW/cm . Dependiendo de la masa fundida de material, el rango de eficiencia de transferencia de potencia va desde aprox. 50 a 80%. La fusión EB es un método de calentamiento superficial, produce un charco poco profundo a una tasa de fusión la cual afecta positivamente la estructura del lingote en relación con la porosidad, la segregación, etc. La exposición del charco superficial metálico a un ambiente con alto vacío a niveles de 1 – 0.001 Pa da como resultado una excelente desgasificación del material fundido. Los constituyentes metálicos y no metálicos en contacto con altas presiones de vapor hacen que el material base se evapore de forma selectiva generando así una gran pureza del lingote. En otros casos, sin embargo, esto puede crear pérdida de los elementos de aleación deseados, que se deberá tener en cuenta. El alto grado de flexibilidad de la fuente de calor EB ha generado el desarrollo de varios métodos de refusión y refinación, entre los que tenemos:

2.4.1.

Fusión por Goteo

Desarrollado como un proceso de fusión y refinación para la producción de tantalio dúctil y lingotes de niobio, esta técnica es aplicada hoy en día principalmente a la refinación de metales refractarios y reactivos, por ejemplo el tungsteno, titanio, tantalio, niobio, hafnio, vanadio, etc. AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 10

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Para obtener un lingote de óptima calidad (en lo que respecta a la pureza, la estructura y la superficie), el material es refundido varias veces, a partir de la materia prima (en forma de barras) que normalmente es alimentada horizontalmente (por encima del crisol de cobre refrigerado con agua). Estas barras son en su mayoría compactadas, presinterizadas y preconsolidadas. El lingote de colada continua es de suficiente pureza, sin embargo, como resultado del efecto sombra de la barra alimentada horizontalmente, se produce una zona de menor calidad, haciendo necesario una segunda refusión. Para la segunda y tercera fusión, el lingote, como materia prima, se alimenta verticalmente (Fig. 6).

Figura 6. Esquema del proceso de Fusión por Haz de Electrones La rotación lenta de la materia prima (electrodo) y el uso de dos o más cañones EB eliminan el efecto sombra. El metal fundido que sale de la punta cónica del electrodo, gotea en el centro de la piscina de fundido en el crisol, donde finalmente se refina y homogeneíza, solidificada. La distribución de potencia del haz de electrones entre el electrodo y la piscina permite controlar la profundidad de la piscina y la circulación del baño. Los metales reactivos, como el zirconio y titanio, son refinados predominantemente en hornos de refusión por arco en vacío (VAR) para eliminar el hidrógeno disuelto.

2.4.2.

Fusión con Solera Fría

La fusión por EB con solera fría se aplicó por primera vez hace unos 25 años para la refinación de acero. Hoy en día, la fusión con solera fría se utiliza principalmente para el reciclado y refinado de la chatarra de metales reactivos y el refinado de superaleaciones y aceros especiales (Figura 7). La fusión en una solera de cobre refrigerada por agua tiene la ventaja sobre la fusión por goteo con EB, la refusión por arco en vacío (VAR) y la refusión por electroescoria (ESR), se puede controlar individualmente cada paso del proceso (separación del fundido, refinación y solidificación). El diseño de la solera se puede adaptar a la alimentación de las diferentes materias primas y se puede alimentar al fundido (por la parte trasera de la solera) con barras, compactos, esponja, chatarra y virutas.

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Figura 7. Esquema de la fusión con solera fría por EB. (Fuente www.industrialheating.com) El refinado de los materiales en la solera se basa en los siguientes procesos: • •

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Destilación al vacío de elementos muy volátiles y los compuestos, por ejemplo, subóxidos de H, CO, Cl, N. Sedimentación de inclusiones que tienen más densidad que la masa fundida (HDIs), por ejemplo, las partículas de carburo de tungsteno, de la chatarra de titanio. La densidad de estas partículas deben ser más del doble que la de la masa fundida y el tamaño debe ser mayor a 1.5 mm para lograr un proceso de separación fiable. Las partículas se hunden en la capa límite entre el líquido y el material denso y quedan atrapadas en esta zona pastosa. Flotación de las inclusiones con una menor densidad (mínimo 40%) con respecto a la masa fundida, por ejemplo, óxidos de aluminio o magnesio de aceros o aleaciones base níquel. Estas inclusiones de baja densidad (LDIs), con un tamaño de más de 25 µm aprox., flotan en la superficie de la masa fundida y se mantienen por medio de un desescoriador mecánico o barrera electrotérmica. Este último es un EB que genera pequeñas zonas supercalientes que cubren toda la anchura de la solera. Adhesión de inclusiones con una densidad comparable a la masa fundida. Debido al movimiento del baño, tales partículas flotan en la superficie de la masa fundida y se encuentran atrapadas por la adhesión en una balsa de escorias de otras inclusiones flotantes. Disolución o disociación (también LDIs) por sobrecalentamiento del baño o una zona del baño, el material está pasando por él. La temperatura superficial relativamente alta también crea condiciones favorables para la evaporación de trazas de elementos indeseados, tales como Pb, Se, Zn, Ca, etc. Reacción de refinación mediante un gas reactivo que pasa sobre el material fundido.

El grado de purificación depende de la velocidad de fusión y de la geometría de la solera. A bajas velocidades de fusión, se obtiene una buena purificación. Sin embargo, hay un aumento en la pérdida de elementos que tienen alta presión de vapor como el cromo y aluminio en la fusión por EB.

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2.4.3. Refinación en Solera Fría por Haz de Electrones (EBCHR) Los principales fabricantes de motores de aeronaves de América han otorgado una especificación de material, que incluye la fusión en solera fría para la producción de aleaciones de titanio de primera calidad para componentes de aeronaves. Es un hecho que las inclusiones no metálicas han producido fallos en los motores de los aviones. Por lo tanto, se ha dedicado un gran esfuerzo para obtener materiales sin defectos y la fusión en solera fría ha demostrado ser el proceso más favorable en el cumplimiento de estas exigencias. La reducción de las inclusiones no metálicas en superaleaciones de base níquel, en particular la eliminación de inclusiones mayores de 10 µm, mejora significativamente las propiedades mecánicas. La refinación en solera fría por EB es el proceso ideal para cumplir con estos requisitos, combinado con una mínima pérdida de elementos volátiles, como el cromo y aluminio, cuando se escoge una longitud de solera apropiada para una velocidad de fusión deseada. En estas condiciones de operación, las pérdidas de cromo son bajas y casi constantes en la sección transversal y sobre la longitud del lingote. Un horno EBCHR para la producción de lingotes de superaleaciones (con un peso de hasta 13 ton) consta de cuatro cañones de haz de electrones de 600 kW controlado por un equipo computarizado que se utiliza para obtener velocidades de fusión de 1000 kg/h y para calentar la solera que tiene una longitud de 1.2 m y una anchura de 0.35 m. También se encuentran sistemas EB más pequeños con una potencia de fusión de 200-300 kW equipados con una solera fría de aprox. 150 mm de ancho y 400 mm de longitud. La barrera de escoria mecánica refrigerada por agua separa la superficie de la solera en dos áreas. Uno de los dos cañones EB instalados funde la materia prima y calienta de la parte posterior del depósito. El segundo cañón calienta la solera delante de la barrera, se produce un desbordamiento por el borde y la piscina en el recogimiento del crisol para lingotes de hasta 250 mm de diámetro.

2.4.4.

Fusión de Culote de Crisol

El proceso de fusión de culote de crisol se utiliza para analizar la calidad de las partes fundidas de acero o superaleaciones, especialmente en lo que respecta al contenido de baja densidad de inclusiones (LDIs). Una muestra del material es fundida por goteo en un proceso que sigue pasos predefinidos con una distribución de energía controlada de EB a fin de no destruir las inclusiones no metálicas (Fig. 8).

Figura 8. Proceso de Fusión de Culote de Crisol AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 13

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Durante el proceso de solidificación direccional las inclusiones no metálicas se concentran en el centro del culote de crisol, lo que favorece las investigaciones metalográficas. Sin embargo, la balsa da la primera información sobre la cantidad de impurezas en la muestra.

2.5. FUSIÓN EN AUTOCRISOL POR INDUCCIÓN (Induction Skull Melting ) La fusión en autocrisol por inducción (ISM) se desarrolló para resolver algunos de los inconvenientes de la refusión por arco en vacío (VAR) y la fundición de zirconio y titanio. El proceso ISM utiliza un crisol de cobre refrigerado por agua para evitar la contaminación de las aleaciones reactivas. Sin embargo, a diferencia del crisol de cobre de la VAR, el crisol ISM está segmentado. Los segmentos en el crisol permiten el uso de una fuente de energía de inducción aplicando un campo magnético oscilante al metal en el interior del crisol. Sin los segmentos, la bobina de inducción sirve únicamente para fundir el crisol de cobre. Con los segmentos, el campo magnético suministrado por la bobina de inducción pasa a través de los segmentos del crisol y se produce un par magnético con el titanio u otro metal en el interior del crisol. La carga se funde. Se genera una capa fina (cáscara) a lo largo del crisol, en la base y las paredes. Esta capa o autocrisol contiene el metal fundido. En esencia, el metal se funde dentro de una cáscara sólida del mismo material. Este proceso es ilustrado en la figura 9 y 10.

Figura 9. Esquema del medio por el cual el campo electromagnético levita el metal y el mecanismo por el cual se forma el autocrisol en la base del crisol. La agitación electromagnética proporciona una temperatura y composición uniformes.

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Figura 10. Esquema del crisol frío enfriado con agua que está aislado eléctricamente para evitar el calentamiento del crisol en el campo electromagnético inducido por la bobina. Hay varias ventajas únicas de la fusión en autocrisol por inducción para la fundición de zirconio y titanio. En primer lugar, el material a fundir por ISM puede ser básicamente cualquier cosa que se ajuste dentro del crisol. Esto incluye lingotes, planchas, tubos, viruta, esponja, compactos, polvo, etc. Lo ideal es que la materia prima a fundir sea en forma de trozos pequeños de chatarra de planchas gruesas, esto garantiza la alta calidad de la fusión. Como la carga se funde por la corriente inducida magnéticamente, no es necesaria la fabricación de electrodos. Normalmente, el calentamiento mediante ISM consta de un 70% de material virgen y un 30% de material transformado. El contenido de oxígeno del zirconio y titanio determina el nivel de la resistencia mecánica de la fundición (es decir, el aumento de oxígeno produce mayor resistencia). El contenido de oxígeno de la materia prima se controla cuidadosamente. El alto contenido de oxígeno del material transformado se mezcla con la baja cantidad de oxígeno del material virgen y viceversa. Además, si fuese necesario, se puede añadir dióxido de titanio a la masa fundida de titanio para aumentar el nivel de oxígeno. Esto se traduce en piezas de fundición que contienen niveles de oxígeno reproducibles y propiedades mecánicas de calor a calor. El proceso ISM también permite una mayor libertad en la carga y de aleación. Por ejemplo, el material se puede añadir directamente a la masa fundida; esto permite la carga de peso máxima, así como el control de alta presión de vapor de la adición de aleaciones. Además, el metal fundido se puede mantener durante largos períodos de tiempo para permitir una disolución completa de las aleaciones metálicas refractarias añadidas como el niobio. Después que se vierte el metal fundido, una fina capa o autocrisol permanece en el crisol. Este autocrisol se puede remover rápidamente con el fin de cambiar las aleaciones. Por ejemplo, a un calentamiento de 40 kg de titanio comercialmente puro le puede seguir un calentamiento de 40 kg de Ti6Al4V y le puede seguir un calentamiento de 40 kg de zirconio con poca demora y sin posibilidad de contaminación. Este proceso único permite la flexibilidad en las aleaciones. Algunos sistemas de aleación producidas a través de ISM se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Metales y Aleaciones producidas por Fusión en Horno Crisol de Inducción

Entre las ventajas tenemos:

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Mediante este proceso se pueden producir piezas fundidas de alta calidad a un precio inferior. La relación costo – beneficio asociado con el ISM giran en torno a la eliminación de la fabricación de electrodos (mano de obra intensiva) y la posibilidad de utilizar un costo menor, sin embargo, plenamente caracterizado, la fusión de las existencias. El proceso ISM se utiliza en componentes críticos, como los utilizados en aplicaciones aeroespaciales, así como en el prototipo de las piezas moldeadas. AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 15

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2.6. FUSIÓN POR MICROONDAS (Microwave Melting ) Desarrollado originalmente por el Complejo de Seguridad Nacional Y-12 (del Departamento de Energía, DOE) para la fusión del uranio, la tecnología de microondas es capaz de fundir una amplia gama de aleaciones en grandes cantidades. Mientras que el calentamiento convencional implica la transferencia de calor a través de la superficie exterior del material al interior, las microondas pueden penetrar la masa, lo que permite una rápida transferencia de calor de alta intensidad en todo el volumen. Esto se traduce en ahorros significativos en tiempo y energía. Tres elementos básicos se necesitan para calentar y fundir metales mediante microondas: una cavidad microondas multimodo, un crisol cerámico que absorba las microondas y un compartimiento aislado térmicamente que es transparente a las microondas. Aunque se supone que el metal refleja las microondas, los investigadores de Y-12 y la Universidad Estatal de Pennsylvania encontraron que el metal en realidad comienza a absorber la energía y calor a las tres cuartas partes de la temperatura de fusión. Un diseño único que utiliza un crisol susceptante para la fusión por microondas se muestra en la figura 11.

Figura 11. Diseño del sistema de fusión por microondas La carga de metal se coloca en un crisol cerámico abierto (sin tapa) y el compartimiento aislado térmicamente se coloca sobre el crisol abierto. Las paredes del crisol, que están calientes, calientan rápidamente la carga de metal en el crisol por medio de la radiación, conducción y convección. El compartimiento aislado térmicamente aumenta la eficiencia energética del sistema de microondas ya que captura el calor generado en el crisol. Según una publicación del Y-12, la fusión por microondas podría reducir los costos de la fusión en un 30%. Alemania y Japón están liderando las aplicaciones de la tecnología de microondas en los procesos de alta temperatura y con hornos/estufas asistidos por microondas. La tabla 2 ofrece una visión general de los fabricantes de equipos. Muchas empresas que se especializan en potencia por microondas construyen sistemas de calentamiento por microondas de acuerdo con las especificaciones del cliente y dan asistencia técnica con algunos problemas de procesamiento y diseño. AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 16

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Tabla 2. Fabricantes de Equipos de Microondas

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2.7. FUSIÓN POR PLASMA Los plasmas son colecciones de gases de partículas cargadas eléctricamente como los electrones y protones. Estas partículas cargadas llevan energía, cuando el flujo de plasma ionizado golpea la superficie del metal, se libera la energía de fusión del metal. El proceso de fusión por plasma proporciona más eficiencia energética que las tecnologías de fusión convencionales, ya que puede aumentar la temperatura muy rápidamente. Se ha reportado, que los hornos de fusión de aluminio por plasma (Fig. 12) distribuyen el calor un 60% más rápido que la velocidad de fusión más alta de las tecnologías convencionales. Debido a la rápida transferencia de calor, el proceso de fusión también es rápido. La tasa de consumo de energía es tan bajo como 0.198 kWh/lb (de aluminio), frente a 0.345 kWh/lb (de aluminio) en la fusión por inducción. El proceso de fusión de plasma también minimiza la pérdida de metal debido a la oxidación y la contaminación. El plasma mantiene una fina película de óxido intacta en metal fundido, protegiendo el metal fundido de la absorción de gases. De hecho, la tasa de escoria de la fusión del aluminio se reduce a menos del 1% en comparación con la convencional de 3 a 12 %. El calentamiento por plasma también reduce el costo del combustible. Un reciente desarrollo de calentamiento por plasma utiliza el aire del ambiente y lo convierte en nitrógeno, eliminando la necesidad de compra de gases costosos como el nitrógeno o el argón que se requiere en el calentamiento por plasma convencional.

Figura 12. Horno de fusión por plasma (Fuente http://www.gec.jp/) 2.8. FUNDICIÓN EN AIRE CON CONTRAGRAVEDAD y BAJA PRESIÓN (CLA) Hitchiner (www.hitchiner.com) ha desarrollado y utiliza en su producción un proceso de fundición que se conoce con las siglas “CLA”, Fundición al Aire con Contragravedad y Baja Presión (Countergravity Low pressure Air melt ) (Fig. 13). En este proceso, el molde se coloca en una cámara de vacío. De la cámara sobresale un tubo de llenado que se hace descender dentro de la porción central y limpia del baño metálico. Se aplica el vacío que permite que el metal fundido ascienda, llenando por completo cada una de las secciones. La CLA permite controlar la velocidad de llenado del molde con temperaturas del metal y del molde más bajas que aquellas que se requieren en un vaciado por gravedad; se logra así una estructura más fina del grano y el mejoramiento de las propiedades mecánicas. Luego de un breve período de espera que permite que las piezas y parte de los alimentadores se solidifiquen, se elimina el AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 18

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vacío y el resto del metal fluye hacia al horno. Sólo una pequeña pestaña del alimentador, que se puede pulir con gran facilidad, queda en la pieza fundida. Ya que no hay necesidad de considerar el claro de corte para la sierra en el diseño de un molde de fundición CLA, el rendimiento es considerablemente más alto que el que se logra con un bebedero convencional. La CLA produce piezas de fundición con mucho menos defectos de escoria e inclusiones no metálicas, ya que el molde es llenado con flujo laminar, sin turbulencia y además con metal limpio que se encuentra por debajo de la superficie del baño. En pruebas comparativas de maquinado, efectuadas en condiciones bajo control, se ha demostrado que este metal, al ser más limpio, reduce el desgaste de herramientas. Desde su desarrollo, el proceso CLA ha tenido muchas variantes diseñadas para aplicaciones específicas. Entre ellas, los procesos CLV (Countergravity Low pressure Vacuum melting ), CLI (Countergravity Low pressure Inert gas melt ), CPV (Countergravity Positive pressure Vacuum casting ) y el CLA con soporte de arena.

Figura 13. Proceso CLA Las aleaciones base titanio también se han fundido con éxito utilizando esta tecnología de fundición de metales. Se utilizan crisoles cerámicos, pero la rapidez del proceso evita en gran medida la contaminación nociva del contacto con la cerámica. La Figura 14 muestra el contenido de oxígeno de seis calentamientos de la aleación de titanio de Ti6Al4V y seis de TiAl. Si bien los niveles de oxígeno del Ti6Al4V no se ajustan a la definida en todas las especificaciones, que hacen cumplir los requisitos definidos para las aplicaciones comerciales de esta aleación, al igual que todos los demás elementos definidos en el pliego de aleación.

Figura 14. Contenido de Oxígeno de TiAl y Ti6Al4V.

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El costo para la fabricación de piezas de fundición de aleación de titanio mediante este proceso es significativamente más bajo que cuando se utiliza la fundición en horno crisol de pared fría. El contenido de oxígeno de los componentes de TiAl ha demostrado ser aceptable para las válvulas de motor de automóvil, que ha soportado con éxito una serie de ensayos en motores. La combinación de bajo coste con un control químico razonable debe seguir generando muchas aplicaciones de aleaciones base titanio para la CLI.

3. MATERIALES DE MOLDES Y SISTEMAS El titanio tiene un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica que da lugar a un fuerte gradiente térmico en el metal durante la solidificación. La reacción con el molde produce una zona superficial frágil que contiene oxígeno, carbono, nitrógeno u otros elementos que absorbe del molde. La contaminación superficial afecta gravemente a las propiedades mecánicas y estabilidad dimensional de las piezas moldeadas. La zona contaminada se denomina " caso alfa” y su espesor depende de la estabilidad química del material del molde y el período de contacto entre el líquido de titanio y el molde. Si el metal fundido se enfría rápidamente, se puede minimizar la contaminación superficial. Sin embargo, la solidificación rápida tiende a afectar la alimentación adecuada del metal en el molde, lo que se traduce en grietas por enfriamiento, porosidad gruesa y contracción en la línea central.

3.1. Moldes de Grafito Kroll sugirió el grafito como un material de molde adecuado para el titanio. La alta conductividad térmica del grafito se traduce en una rápida solidificación del metal fundido en la interfase del molde formando una fuerte piel contaminada que restringe aún más la reacción metal-molde. La zona de reacción se puede remover por mecanizado o abrasión química. El desarrollo del trabajo inicial se basó en moldes de grafito mecanizado, pero ahora la mayoría de las piezas de fundición se producen en moldes de grafito comprimido (desarrollado por Field y Beal independientemente). En este proceso, se mezcla polvo de grafito junto con aglutinantes adecuados y agentes activantes de superficie. La mezcla del molde se comprime fuertemente alrededor de un patrón de madera o metal. Luego se remueve el patrón y se cura el molde. En la tabla 3 se resumen diferentes métodos de fabricación de moldes de grafito apisonado que se han desarrollado.

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Tabla 3.  Diferentes métodos usados para los moldes de grafito comprimido y sus correspondientes investigadores

El molde de cáscara en grafito fue desarrollado por Westword usando polvos de grafito de alta pureza y cerca del 40 por ciento de resina fenólica. Esta mezcla de moldeo, junto con disolventes adecuados se invierte en un patrón de molde de cáscara convencional y se calienta a una temperatura entre 207 – 287 °C para producir una cáscara de espesor de 1 a 2 mm. Posteriormente, el molde de cáscara se calienta a 897 °C durante aprox. 2 horas en atmósfera inerte. La piezas de fundición de titanio fabricadas por este proceso son superiores a las fabricadas utilizando moldes de grafito mecanizados.

3.2. Moldes de Arena Entre las arenas de fundición común, el zircón (ZrSiO4) es el único material que se puede utilizar para la fundición de titanio. El zircón tiene un punto de fusión de 2427 °C con una buena fluidez, una conductividad relativamente alta y una mejor estabilidad dimensional comparada con el grafito. Además los moldes de arena de zircón se han utilizado durante muchos años en las fundiciones de metales ferrosos y no ferrosos, con buenos resultados para la fundición de piezas de paredes gruesas. Se ha reportado que el titanio fundido reacciona violentamente con AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 21

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el zircón, pero más tarde en otros estudios (Lang, et al) se informó que los moldes comprimidos de zircón que utilizan silicato de sodio como aglutinante resisten el ataque del titanio fundido. Pero, la fundición de un espesor de 12 mm o más producida en estos moldes sufren de porosidad y detalles pobres. Otro investigador (Koch) utilizó silicato de sodio en menores cantidades y reportaron muy buenos resultados en las piezas fundidas hasta 100 mm de tamaño de cubo. También intentó una serie de moldes lavables y se encontró que lavar zirconio con agua o alcohol isopropílico de base es muy eficaz para inhibir la reacción metalmolde. Se ha intentado utilizar bentonita como aglutinante, ya que produce una excelente resistencia de grano y una buena resistencia en seco en los moldes de zircón comprimido. Esta combinación indica buenos resultados en la fundición de 150 mm de tamaño de cubo. En un estudio reciente, la arena de zircón se utilizó con CO, el método de moldeo para la fundición de titanio. Aquí el silicato de sodio se utiliza como aglutinante y endurecido con CO 2 (gas) el cual libera sílice coloidal, tal como figura en la reacción simplificada. Na2Si, O5 + H2O (I) + CO, (g) = Na2CO3 + 2SiO2, + H2O (l) La composición de moldeo zircón fue normalizado con respecto a la adición de silicato de sodio y la temperatura de curado para obtener los moldes con suficiente resistencia y colapsabilidad. Estos moldes también mostraron una buena permeabilidad. En este estudio se observó que el aumento de la adición de ZrO 2 en la arena de zircón disminuye la contaminación superficial.

3.3. Moldes Invertido La técnica de moldeo por inversión se emplea para producir fundiciones intrincadas alta calidad que requieren de alta precisión dimensional. Este método también se conoce como proceso a la cera perdida o microfusión (Fig. 15). En este proceso las réplicas (denominadas modelos) en cera de la pieza por fundir se producen utilizando el proceso de moldeo por inyección. Los modelos se fijan a un vástago central de cera (denominado bebedero) para formar un árbol. La cáscara se forma al sumergir el árbol en una suspensión cerámica y luego en una cama de arena sumamente fina. De esta manera se aplican hasta ocho capas. Una vez que la cerámica está seca, se derrite la cera de la cáscara, formando así un molde hueco. En el proceso convencional, la cáscara se llena con el metal fundido utilizando el proceso de vaciado por gravedad. A medida que se enfría el metal, las piezas, los alimentadores y el bebedero se convierten en una pieza fundida sólida. Se rompe la cáscara de cerámica y se separan las piezas del bebedero cortándolas con una sierra de fricción de alta velocidad. Luego de pequeñas operaciones de acabado, las piezas de fundición, idénticas a los modelos de cera originales, están listas. Cuando se utilizan óxidos refractarios y aglutinantes convencionales en la preparación de la cáscara invertida la superficie de la piezas de fundición de titanio se contaminan con oxígeno, a una profundidad de hasta 0.75 mm en una sección de 25 mm, lo que resulta en fragilización. También se presentan pliegues de óxidos e inclusiones no metálicas embebidas en la superficie de las fundiciones. Pero con el uso de moldes base torio, calcio o zirconia se han obtenido fundiciones con menor contaminación superficial. Con un método de moldeo invertido que emplea metales refractarios (W, Ta, Nb o Mo) se obtiene una superficie libre de contaminación en las fundiciones de hasta 35 kg. En este proceso, el modelo de cera se lava en una mezcla de disolventes orgánicos para garantizar una buena adherencia de la capa metálica. La aplicación de esta capa se realiza por inmersión del modelo de cera en una lechada o suspensión compuesta de polvos metálicos refractarios finamente divididos, un inhibidor – formador y un aglutinante orgánico – metálico en condiciones controladas. Cuando el patrón se retira, se le rocía estuco con un equipo de aspersión especial. El patrón se seca y se aplican las capas intermedias y posteriores por los métodos convencionales de inversión. La combinación precisa de materiales para moldes, aglutinantes y las técnicas de fundición están patentados. El molde se debe secar bajo unas condiciones controladas de temperatura y humedad. Dado que los aglutinantes utilizados con el revestimiento de las capas son AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 22

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higroscópicos, el desparafinado se realiza en dos etapas utilizando el tetracloroetileno. Después del desparafinado los moldes se secan en un horno de circulación de aire a 267 °C y luego se calienta a 1100 °C en un horno de retorta bajo atmósfera de hidrógeno seco. Un método similar, basado en una lechada o suspensión grafítica conocida como proceso Monograf fue desarrollado por Howmet. En este proceso el ensamblaje de cera se sumerge en una suspensión grafítica y luego en un lecho de estuco alternativamente hasta que se forma una cáscara de espesor requerido. La cáscara se seca, se desparafina y se calienta. El molde terminado se impregna con un aglutinante resinoso o un densificador y se recalienta. Con este proceso se producen fundiciones con un peso de hasta 25 kg, con tolerancias de ±0.005 cm y un alto grado de acabado superficial (90 – 125 rms).

Figura 15. Pasos básicos en el proceso a la cera perdida La fundición por medio del proceso a la cera perdida proporciona piezas “con dimensiones finales casi exactas,” lo cual permite a los diseñadores e ingenieros la libertad de diseñar en una amplia variedad de aleaciones. El proceso es capaz de producir detalles exactos y dimensiones precisas tanto en piezas de mucho peso como en aquellas que sólo pesan unos pocos gramos. Las costosas operaciones de maquinado se reducen y muchas veces se eliminan. Se pueden fabricar varias partes en una sola fundición, reduciendo así los costos de manejo, montaje e inspección.

3.4. Moldes Revestidos Los candidatos idóneos para que actúen como recubrimiento de moldes deben poseer un alto punto de fusión, se satisfactoriamente inertes al líquido de titanio, no ser higroscópico y tener un coste razonable. Investigadores (Reeves y Chapin) estudiaron el efecto de recubrimientos barrera sobre moldes de grafito mecanizado para mejorar su estabilidad química. Los recubrimientos se aplicaron por técnicas oxiacetilénicas o por atomización por plasma. Además de varios recubrimientos de óxido se encontró que el zirconato de calcio (CaZrO 3), GdO3 e Y2O3 es resistente al titanio fundido y no produce un aumento significativo en el contenido de carbono o de oxígeno. Los recubrimientos barrera no son eficaces en la modificación de los patrones de extracción de calor del sustrato de grafito. Los moldes de cáscara invertida o de cerámica sólida también se pueden recubrir con grafito pirolítico o carbono usando procesos patentados en los cuales el molde se calienta en una atmósfera que contiene hidrocarburos. Durante el recubrimiento, se varían los parámetros de AIMME - I nstituto Tecnológico Metalmecánico Parque Tecnológico, Avda. Leonardo Da Vinci, 38. 46980 PATERNA (Valencia) SPAIN. Tel.: +34 96 131 85 59. Fax: +34 96 131 81 68 http://www.aimme.es 23

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operación (composición del gas, caudal, presión, temperatura del molde) para satisfacer el tamaño y la forma del molde. Antes del vertido, los moldes se precalientan en vacío. El molde metálico reacciona formando capas delgadas de carburo de titanio de diferentes espesores (0.05 – 0.5 mm), en función del tamaño de la sección. La ventaja de estos métodos de recubrimiento es que el molde básico o núcleo se fabrica por la técnica de moldeo invertido convencional y luego se recubren con materiales menos reactivos.

3.5. Moldes Segmentados Uno de los desarrollos más destacados en tecnología de fundición de precisión de inversión ha sido el proceso de moldeado segmentado, originalmente desarrollado por TRW, Inc. En este proceso la geometría de la fundición deseada se subdivide en una serie de segmentos, cada segmento tiene su propio modelo. Cada modelo tiene una coquilla metálica interna rígida con un espesor determinado y una aleta de división en línea, que permite que el molde se pueda cortar. Durante el desparafinado el molde se divide a lo largo de la línea de separación. Se remueve la coquilla y se inspecciona el interior del molde para determinar los defectos y estabilidad dimensional. Se puede rechazar el segmento defectuoso, con lo que se obtiene una reparación mínima la re-eyección de la fundición. Cada segmento molde puede adaptarse a sus requisitos de solidificación y, en consecuencia, se puede seleccionar el material del molde o recubrimiento para minimizar la reacción y optimizar el flujo de calor para mejorar la solidez y acabado superficial. De esta se pueden construir moldes muy grandes desde pequeños segmentos.

4. CONCLUSIONES Los esfuerzos en investigación y desarrollo sobre diversos aspectos de la tecnología de titanio continúan. Sigue el desarrollo de las tecnologías de fundición de titanio con buenos resultados con moldes de arena de zircón. Se están realizando estudios teóricos, basados en el análisis termodinámico, en el diseño y selección de materiales resistentes al fundido del titanio para moldes y crisoles. Las tecnologías de fusión siguen en continuo desarrollo para poder obtener hornos que utilicen más la chatarra y con mejores límites de pureza en los lingotes finales.

5. BIBLIOGRAFÍA • • • • •  • • •

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