Asociacin de Ingenieros Metalrgicos de Serbia Artculo cientfico AMES UDC: 621.747.669.71

CONTROL DE CALIDAD EN PLANTAS DE FUNDICIN DE ALUMINIO FUNDIDO

Mile B. Djurdjevic1*, Zoran Odanovic2, Jelena Pavlovic-Krstic3

1Nemak Linz, Zeppelinstrasse 24, 4030 Linz, Austria 2IMS Institute, Bulevar vojvode Miica 43, 11000 Belgrade, Serbia

3Insitute of Manufacturing Technologies and Quality Assurance, University of Magdeburg, Universittsplatz 2, Magdeburg, 39106, Germany

Received 28.02.2010 Accepted 27.03.2010.

Resumen: El control de la calidad del producto normalmente comienza con el control de la calidad de la masa fundida. Una comprensin completa de la calidad de fusin es de una gran importancia para el control y la prediccin de las caractersticas reales de fundicin. Si uno es capaz de actuar de forma proactiva en lugar de una manera reactiva con respecto a derretirse y el control de calidad de fundicin, se puede reducir el tiempo de inactividad de costos y niveles de Recortes. No hay un aparato nico en el mercado disponible para la evaluacin completa de la calidad de aluminio fundido. Por lo tanto, Aparatos combinacin de varios mtodos tales como: anlisis trmico, la prueba de presin reducida, K-molde, prueba Tatur, prueba de espiral fluidez y PoDFA tienen que ser utilizados para la evaluacin completa de la masa fundida de aluminio de calidad. Este documento se examinarn todos los aparatos anteriormente mencionados e introduce dos nuevos aparatos ALSPEK H y ALSPEK MQ, desarrollado recientemente por Foseco Company. Palabras clave: control de calidad, aleaciones de aluminio, fundicin Introduccin Plantas de fundicin de aluminio estn utilizando cantidades significativas de aleaciones de primaria, secundaria y maestros, a fin de producir piezas de automviles de alta calidad. La calidad de los productos de fundicin depende directamente de la calidad del metal fundido desde el que se lanzan los productos. Comprensin global de la calidad del caldo es de vital importancia para el control y la prediccin de las caractersticas reales de fundicin. Cualquier defecto agregado o creado durante la etapa de fusin se llevar a la microestructura final, y sin duda, afecta a la calidad de los productos del elenco. Por lo tanto es evidente que el control de la calidad de los productos colados comienza con el control de la calidad de la masa fundida.1 1 * Corresponding author: Mile B. Djurdjevic Mile.Djurdjevic@nemak.com

No hay aparato nico en el mercado que se puede utilizar para la evaluacin cualitativa integral de aluminio fundido. Por lo tanto, las combinaciones de varios equipos tienen que ser utilizados para la evaluacin completa de la calidad de aluminio fundido. Las herramientas ms comunes que se utilizan en las plantas de fundicin de aluminio son los siguientes: (i) trmica (curva de enfriamiento) el anlisis, (ii) Prueba de presin reducida, (iii) K-molde, (iv) Tatur prueba, (v) Prueba de espiral, ( vi) Alscan para mediciones de hidrgeno, y (vii) un aparato Prefil o PoDFA. Plantas de fundicin de aluminio utilizan para fusin diaria de control de calidad al menos un aparato de arriba mencionado. Este documento se examinarn todos los equipos antes mencionados y destaca sus aplicaciones. Adems, dos nuevos equipos desarrollados recientemente por Foseco Company se presentarn: AlspekH para la medicin en lnea de la solubilidad de hidrgeno en la masa fundida de aluminio, y ALSPEK MQ para la evaluacin de limpieza de la masa fundida. La Tabla 1 resume todos los equipos antes mencionados y sus principales caractersticas. El uso diario de estos equipos ganancias sustanciales se pueden hacer en la reduccin de defectos de mecanizado, el aumento de las propiedades mecnicas, la reduccin de la porosidad y la reduccin global de chatarra. Tabla 1. Revisin de las principales herramientas utilizadas en la planta de fundicin para determinar

la calidad de aluminio fusin.

Equipos Las caractersticas observadas El anlisis trmico

Aplicaciones: caracterizar la trayectoria de la solidificacin de aleaciones de aluminio; Controlar la eficiencia de las aleaciones de aluminio se funde en adiciones

Prueba de presin reducida

Aplicaciones: Control de calidad de aluminio fundido se derrite; Eficiencia de control de las unidades de desgasificacin

K-Mold

Aplicaciones: Evaluacin cuantitativa y cualitativa de aluminio derretimiento limpieza macro;

K valor molde (K) expresa la limpieza de aluminio fundido y depende del nmero de pelculas de xido de K = S / n

Prueba Tatur

Aplicaciones: Semi prueba cualitativa para la contraccin y la distribucin de la porosidad como una

funcin de: (i) la concentracin de hidrgeno, (ii) el modo de solidificacin de la aleacin y (iii) Derretir la limpieza

Prueba espiral

Aplicaciones: Las mediciones de aleaciones fluidez

Prefil/PoDFA

Aplicaciones: mediciones cualitativas y cuantitativas de la limpieza de aluminio fusin

Anlisis Trmico El proceso de solidificacin de un metal o aleacin est acompaada por el desprendimiento de calor de varias fases formadas durante la solidificacin. Datos en tiempo de temperatura registrados pueden proporcionar informacin cuantitativa sobre el proceso de solidificacin de la aleacin. Tal trama se llama curva de enfriamiento y el nombre general dado a la tcnica es el anlisis trmico (TA). La curva de enfriamiento sirve como una "huella dactilar" del proceso de solidificacin y puede ser usado para predecir la estructura de la muestra de ensayo y en consecuencia, las propiedades reales de fundicin. Este artculo revisar brevemente la aplicacin de la asistencia tcnica en las plantas de fundicin de aluminio, mostrando su capacidad para predecir algunos parmetros de solidificacin clave, que, se pueden utilizar para controlar la calidad de los productos del elenco. En la industria de fundicin de aluminio, se inform de la aplicacin de TA para estudiar el desarrollo de la estructura de la muestra de ensayo en las primeras publicaciones por Cibula [1] y Mondolfo [2]. A principios de la dcada de 1980, esta tecnologa de control de procesos se empez a utilizar con regularidad en las fundiciones de aluminio. Las muestras de ensayo TA se pueden tomar ya sea sumergiendo un cilndrica (cermica de grafito o acero) taza en la masa fundida o el vertido de la masa fundida mediante cuchara en la taza de prueba. Uno o dos elementos termoelctricos de tipo K han sido colocados en la masa fundida para medir la temperatura durante la solidificacin de la muestra de ensayo. Las salidas de los termopares se conectan a un PC a travs de registrador de datos, donde se registraron los datos de temperatura / tiempo y posteriormente procesados de diferentes maneras. En la actualidad, las plantas de fundicin de aluminio estn utilizando regularmente TA para controlar la eficiencia de aleaciones maestras adiciones (refinador de grano y modificadores) en la masa fundida de aluminio. Evaluacin de tamao de grano Refinamiento del grano obtenido durante la solidificacin puede ser una funcin de subenfriamiento se producen durante la detencin liquidus. La forma de la curva de enfriamiento en el comienzo del proceso de solidificacin da una buena indicacin del nmero de ncleos presentes en la masa

fundida. Cuando hay un gran nmero de ncleos, la curva muestra una baja subenfriamiento, (como se ilustra en la Fig. 1 por la lnea de puntos). Cuando hay pocos ncleos, un mayor grado de subenfriamiento se puede esperar, que se ilustra en la Fig. 1 por la lnea continua.

Fig. 1. Parte de la curva de enfriamiento en relacin con la solidificacin primaria de

aleaciones de aluminio. Subenfriamiento parmetro de la curva de enfriamiento se ha utilizado de forma rutinaria para el control de procesos de calidad que da una informacin rpida sobre la eficiencia de las adiciones de refinado del grano en aluminio fundido. Parmetro T Ms pequeo, significa una mayor potencia de aleaciones maestras que conducen a los granos de fundicin ms pequeos en la estructura de colada. La capacidad de controlar estrechamente el tamao de grano es de la mayor importancia para la solucin de problemas de fundicin en la planta de fundicin. El uso de refinadores de grano resulta en mltiples mejoras de las caractersticas finales de colada. Estos incluyen: (i) la mejora de las propiedades mecnicas, reduje caliente lagrimeo, mejorar la respuesta a un tratamiento trmico, la mejora de la alimentacin de piezas de fundicin que se traduce en la reduccin de la porosidad de contraccin. Modificacin de Al-Si eutctico morfologa El trmino "modificacin" describe la condicin de refinamiento de las partculas de silicio. El efecto modificador es la transicin de fases de silicio en bloques, aciculares y forma de aguja a una estructura fibrosa fina de silicio. Esto mejora sustancialmente las propiedades de fundicin de aleaciones Al-Si. TA tcnica se puede utilizar para determinar la morfologa eutctico Al-Si antes y despus de la adicin de modificadores. El efecto neto de las adiciones de modificadores sobre la curva de enfriamiento de las aleaciones de Al-Si es la depresin de las temperaturas de nucleacin y crecimiento de la reaccin eutctica principal [3-10]. Fig. 2, muestra el efecto de la modificacin de la temperatura eutctica crecimiento de Al-Si (TAl-Si E, G).

Fig. 2. Parte de la curva de enfriamiento relacionado con Al-Si regin eutctica. La depresin de TAl-Si,E,G representa la diferencia de temperatura entre las temperaturas de crecimiento eutctico no modificados y modificados Al-Si. Cuanto mayor sea la magnitud de TAl-SiE, G mayor es el nivel de modificacin (menor tamao de partculas de silicio). TA es utilizado diariamente en las plantas de fundicin de aluminio para evaluar los parmetros tales como el tamao de grano y el nivel de modificacin eutctico Al-Si. El uso de sistemas de adquisicin de datos modernos y anlisis trmico de procesamiento de equipo se convierta en una herramienta poderosa para la fundicin de control de procesos. El anlisis trmico puede proporcionar a los ingenieros de proceso con la capacidad de actuar de manera proactiva con respecto a derretirse y calidad de fundicin. La aplicacin potencial de la asistencia tcnica como herramienta de control estadstico de la calidad en tiempo real en las plantas de fundicin de aluminio an no se dio cuenta. Un sistema de TA estado de la tcnica debe ser capaz de cuantificar parmetros tales como: tamao de grano, punto de coherencia de dendrita, nivel de modificacin de silicio, bajo temperatura de fusin del eutctico secundaria, la precipitacin de compuestos intermetlicos que contienen hierro, la precipitacin de compuestos intermetlicos de magnesio, fraccin temperaturas caractersticas slidas y otras tales como: TLIQ, TAlSiE, G, TAlCuE, G y TSOL, es decir liquidus, Al-Si eutctico, Al-Cu eutctica y la temperatura solidus, respectivamente. Prueba de presin reducida La prueba de presin reducida es una herramienta de fundicin baja que permite al operador para evaluar cualitativamente la limpieza de un lote de aluminio fundido, lo que permite la accin correctiva a seguir. El principio fundamental de esta tcnica se basa en la formacin de la porosidad de gas cuando el aluminio lquido se enfra bajo la presin reducida. El tamao de la porosidad formada se magnifica por el efecto de la presin reducida, resultando en una muestra visiblemente porosa como se muestra en la Fig. 3. Las muestras se evalan solidificaron bajo estas condiciones, ya sea por

observacin visual de la formacin de burbujas durante la solidificacin, o mediante la determinacin de la densidad de la muestra solidificada. La evaluacin visual de la muestra seccionada a menudo se realiza comparando el resultado de un grfico estndar.

(A) (B)

Fig. 3. Las muestras de ensayo (A) solidificaron bajo presin atmosfrica y (B) solidificado bajo vaco.

El procedimiento de muestreo es muy simple. Una pequea cantidad, alrededor de 200 g., De aluminio fundido se vierte en dos crisoles de acero de pared delgada. Un crisol se hojas a solidificar bajo presin atmosfrica, mientras que otros se asienta en la cmara, donde la presin se reduce a 80 mbar y se mantiene constante hasta que la masa fundida es totalmente solidificado. Despus de la solidificacin, las muestras se extrajeron de los moldes y evaluados ya sea por medicin de la densidad o seccionando para observar la porosidad. Todo el proceso requiere aproximadamente varios minutos para su finalizacin. ndice de Densidad (DI) se ha calculado utilizando siguiente ecuacin (1): DI = ((A -B) / A) 100 (1) Dnde: A - densidad de la muestra de ensayo se solidific bajo B - presin atmosfrica - densidad de la muestra de ensayo se solidific bajo presin reducida. Esta prueba es muy popular y es ampliamente utilizado por cientos de fundiciones en todo el mundo. K-molde Dispositivo de molde K- es una prueba de fractura inventado por Sanji Kitaoka en Japn en 1973, en la empresa Nippon metal ligero Ltd. Ms de cuarenta aos este dispositivo ha sido utilizado como un equipo de planta simple. El objetivo de este equipo es el de evaluar la

limpieza macro de fusin de aluminio fundido a las condiciones de produccin. Las principales ventajas de este equipos son: (i) Evaluacin rpida (aproximadamente 10 min), (ii) un fcil manejo, (iii) el muestreo se funden fcil y evaluacin de la limpieza; (iv) porttil, (v) sensible a la pelcula de xido de inclusiones y, (vi) costoso amable, y (vii) apropiadamente precisa.

Fig. 4. K-mold

Procedimiento experimental es muy simple. Alrededor se vierte 400 g de la masa fundida en el molde precalentado y despus de unos segundos muestras de prueba como barras planas (240x36x6mm) se obtienen. Las muestras de ensayo deben ser roto en varios pedazos y armar como se muestra en la Fig. 5. Las superficies de fractura han sido analizados visualmente o bajo un aumento bajo. Solidificacin rpida de la muestra produce matriz muy fina, y por lo tanto inclusiones se detecta claramente en la superficie de fractura.

Fig. 5. piezas fracturadas de muestra de prueba K-moho.

La limpieza de la masa fundida se expresa a travs del valor K-molde. Este valor se basa en la inspeccin visual de la superficie de las probetas y la cuenta del nmero de las inclusiones en la superficie para la evaluacin de la limpieza de la masa fundida.

K valor molde: K = S / n K - nmero de inclusiones encontrado en una sola pieza de una muestra dentro de la superficie de fractura S - nmero total de inclusiones encontrado en n-piezas de la pequea sonda n - nmero de muestras examinadas. Cada planta de fundicin necesita para establecer su propia escala / rango para cada producto en funcin de los valores de K-molde (valor inferior molde K significa limpiador fusin). Prueba Tatur Tatur prueba ha sido desarrollada por A. Tatur el fin de medir la afinidad de las aleaciones de construir macro y micro porosidad durante la solidificacin. Desafortunadamente, esta prueba ha sido rara vez se utiliza en las plantas de fundicin de aluminio como una herramienta de rutina de control de calidad. La razn principal de que podra ser un trabajo adicional necesario para la evaluacin completa de la limpieza de la masa fundida.

Fig. 6. Presentacin esquemtica de la sonda Tatur

Fig. 6 presenta grficamente la forma de sonda de Tat, que ha sido diseado para promover la formacin de la porosidad de contraccin. La prueba Tatur utiliza un molde permanente de geometra fija que contiene dos partes. La parte superior es cnica con orificio. Durante el experimento la masa fundida se vierte a travs del orificio del molde precalentado y se dej solidificar sin adicin extra de la masa fundida. Debido a la contraccin durante la transformacin de lquido-slido, diseo cnico de la parte superior y la ausencia de la canalizacin vertical, se reforzar la formacin de micro y macro porosidad. Mediante el uso de tcnicas simples tales como la medicin de la densidad y el desplazamiento de agua, es posible cuantificar el volumen de micro y macro contraccin y contraccin. Con el fin de sacar conclusiones fiables, es necesario llevar a cabo un gran nmero (cerca de 20) de las pruebas y evaluar estadsticamente. La baja reproducibilidad de

las mediciones es razn adicional por la que esta tcnica no ha sido ampliamente utilizado en la planta de fundicin como una herramienta de control de calidad. Fig. 7 muestra algunos micro tpica y las formas de porosidad macro logrado mediante la prueba Tatur.

Fig. 7. Tpica porosidad de contraccin obtenida usando Tatur prueba.

Prueba espiral La fluidez es una propiedad muy importante de cualquier fusin, que afecta directamente a la calidad de los productos finales del elenco. Varios mtodos han sido desarrollados para medir la capacidad de masas fundidas fluir a travs del sistema de gating, llenar la cavidad del molde y producir una forma deseada. Tradicionalmente, la fluidez se ha medido en un molde espiral. Fig. La figura 8 muestra herramientas utilizadas para medir la fluidez del metal y aleaciones.

(a) (b)

(c) Fig. 8. Medicin de fluidez utilizando la prueba de caracol (a), nueva prueba desarrollada en la

Universidad de Birmingham, Reino Unido (b) y vaco (Ragone) prueba (c).

En la actualidad, dos pruebas de fluidez se utilizan sobre todo en las plantas de fundicin de aluminio: Prueba de espiral y el vaco o la prueba Ragone. Aunque ampliamente utilizados, son tambin ampliamente criticados por una serie de razones. La razn ms importante es la baja reproducibilidad de la prueba de fluidez. La fluidez de los metales se ve afectada por muchos parmetros, como: Variables de metal (composicin qumica y el rango de solidificacin), el moho y las variables de molde / metal (revestimiento y conductividad trmica) y variables de la prueba (contenido de xido de sobrecalentamiento). Por lo tanto, es difcil de mantener todos estos parmetros bajo control en varios experimentos. Con el fin de aumentar la reproducibilidad de las mediciones, muchos de los parmetros antes mencionados deben ser controlados durante los experimentos. Prueba PoDFA / Prefil PoDFA (filtracin poroso Disc Apparatus) y su sucesor Prefil son equipos utilizados para la evaluacin cualitativa y cuantitativa de la limpieza de la masa fundida. La prueba PoDFA se ha desarrollado por primera vez con el objetivo principal de evaluar la limpieza de metales utilizando examen metalogrfico del filtro de prueba [11-12]. Una pequea cantidad de la masa fundida (~ 2 kg) fluye bajo la presin a travs de un filtro de prueba porosa muy fino. Inclusiones concentradas en la superficie del filtro de ensayo se analizan mediante microscopio ptico y / o electrnica de barrido de la luz. Tipo y el tamao de las inclusiones y xidos deben ser identificados por un experto. Fig. La figura 9 muestra un principio esquemtica de la operacin utilizando un aparato PoDFA. Principio de funcionamiento de la prueba Prefil es el mismo como se describi anteriormente para la prueba PoDFA. Durante todo el ensayo, el sistema pesa continuamente el metal en la cuchara de peso y muestra una curva del peso acumulado frente al tiempo transcurrido [13].

Fig. 9. Principio de funcionamiento utilizando aparatos PoDFA

El limpiador del metal, el ms alto de esta curva ser; inclusiones en el metal, tales como pelculas de xido, de forma rpida acumulacin en la superficie del filtro durante la prueba, la reduccin de la una tasa de flujo a travs del filtro. La pendiente y la forma general del peso filtrada frente a la curva de tiempo indica el nivel de inclusiones presentes en el metal. El residuo de metal por encima del filtro se pueden guardar para anlisis metalogrfico complementario. El principio de funcionamiento se ilustra en la Fig. 10.

Fig. 10. Prefil operation principle [13]

Nuevos dispositivos para el control de calidad de fusin (Foseco). Para ser adecuado para aplicaciones de fundicin, un dispositivo para medir el contenido de hidrgeno en el aluminio lquido tiene que cumplir una serie de requisitos particulares, tales como: (i) el tiempo de respuesta corto, (ii) valores fiables, (iii) resultados reproducibles, (iv) larga vida en el entorno de fundicin y (v) manejo sencillo. Recientemente desarrollado dispositivo por Foseco Company, llamado analizador de hidrgeno ALSPEK H [14, 15] cumple todos estos requisitos y permite fundidores para controlar el contenido de hidrgeno antes, durante y despus del proceso de desgasificacin.

Dispositivos Tabla 2. Foseco recientemente desarrolladas para la evaluacin se funden control de calidad.

Alspek H

Ensor para una rpida medicin en tiempo real de hidrgeno disuelto en la masa fundida de

aluminio.

Alspek MQ

ndice de Calidad

Melt, MQI Comentarios

MQI 7 - 9 Extremadamente sucio MQI 4 - 6 Sucio MQI 1 - 3 Limpio

Test rpido para el seguimiento de la limpieza de aluminio fundido.

La facilidad de uso de ALSPEK H significa que fcilmente se puede utilizar para medir la calidad de la masa fundida en diferentes lugares alrededor de la fundicin. Mediciones puntuales rpida y precisa de las concentraciones de hidrgeno pueden llevarse a cabo en calderos de colada y hornos, o la sonda se pueden dejar sumergidos en una ubicacin para proporcionar una medicin continua en tiempo real de los niveles de hidrgeno. Tambin es posible llevar a cabo unas mediciones de hidrgeno en tiempo real durante un tratamiento de desgasificacin. Todos los valores medidos se registran automticamente y se pueden descargar ms adelante para proporcionar datos importantes para el control de calidad y certificacin. Hasta el momento no es el equipo en el mercado que puede en la lnea de medir la variacin de la solubilidad de hidrgeno en aluminio fundido. ALSPEK MQ es otro producto desarrollado en Foseco empresa orientada a ofrecer una forma prctica, sencilla, rpida y significativa de la medicin y el banco marcado limpieza de fusin en la fundicin. El principio detrs de ALSPEK MQ es la capacidad de un filtro de espuma fina para atrapar las inclusiones no metlicas. Filtros de espuma son multi-dimensional, donde el metal debe seguir una trayectoria tortuosa con el fin de pasar a travs. Las partculas ms grandes son atrapadas en la cara del filtro restringiendo as el flujo del metal que fluye posteriormente. La estructura aleatoria interna del filtro estimula cambios en la direccin del flujo de metal y la velocidad del metal causando inclusiones ms pequeas para quedan atrapados en la estructura interna. El principio del dispositivo ALSPEK MQ es que como el nmero de partculas y las inclusiones en los aumentos de fusin as se vuelve ms restringido el flujo a travs del filtro. Este aparato est an en pruebas de fundicin antes de empezar a ser ampliamente utilizado en el control de calidad diario. Conclusiones: La calidad de los productos de fundicin en plantas de fundicin de aluminio depende directamente de la calidad del metal fundido desde el que se lanzan los productos. Comprensin global de la calidad del caldo es de la importancia vital para el control y la prediccin de las caractersticas reales de fundicin. Este documento representa una revisin de las herramientas ms comunes que se utilizan en las plantas de fundicin de aluminio en el control de calidad en fusin, tales como: (i) (curva de enfriamiento) anlisis trmico, (ii) la prueba de presin reducida, (iii) K-molde (iv), Tatur prueba, (v) Prueba de espiral y (vi) un aparato Prefil o PoDFA. Dos nuevos equipos desarrollados recientemente por Foseco Sociedad; AlspekH para la medicin en lnea de la solubilidad de hidrgeno en masa fundida de aluminio y ALSPEK MQ para la evaluacin de limpieza de la masa fundida tambin se presentan.