Modelo matemático para la obtención de coeficientes de transferencia de calor en aleaciones de aluminio hipoeutécticas

Escudero García, Alejandro (2016) Modelo matemático para la obtención de coeficientes de transferencia de calor en aleaciones de aluminio hipoeutécticas. Doctorado thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

En la actualidad los procesos de fundición de metales requieren de técnicas de simulación para definir diseños de herramental y de condiciones de proceso que lleven a productos con alta calidad, incremento en la productividad, mejores propiedades mecánicas, desarrollo de tratamientos térmicos, análisis de esfuerzos residuales, además de los cambios tecnológicos en los procesos de fundición y de aleaciones. Dentro de estos requerimientos se encuentra también el desarrollo de nuevas. La solidificación de aleaciones de aluminio en los procesos de fundición en molde semipermanente y en arena se diseña de manera que sea direccional hacia la mazarota para evitar la formación de defectos por contracción que surge de la formación de puntos calientes debido a una solidificación direccional deficiente. Durante el proceso de solidificación, el metal interactúa térmicamente con el molde y los corazones con los que se encuentra en contacto, la diferencia en temperatura y la conductividad térmica del material determinará la velocidad y la dirección de solidificación. Sin embargo, las diferentes concentraciones de elementos de aleación en esta afecta la conductividad de la aleación y el coeficiente de conducción de calor entre los alrededores (componente metálico o de arena), por tal motivo, se están investigando los efectos de estos elementos en las aleaciones durante la solidificación, así como los perfiles térmicos en los procesos de fundición Una correlación precisa de los defectos por solidificación, de esfuerzos residuales, es de gran relevancia para mantener un nivel mínimo de defectos en un producto que ha sido desarrollado con aleaciones ya existentes o nuevas en base a resultados de simulaciones. Una buena correlación se obtiene al conocer el valor del coeficiente de transferencia de calor entre las interfases de la aleación con el acero H-13, hierro gris o corazón de arena, de manera que los datos utilizados en simulación sean lo más cercanos a la realidad. La condición frontera más importante para obtener altos niveles de correlación entre simulación y piezas reales, son los coeficientes de transferencia de calor, por lo que el objetivo de este estudio es desarrollar un modelo matemático el cual permita obtener los coeficientes de transferencia de calor, al variar la composición química de las aleaciones de aluminio hipoeutécticas, considerando la base de datos termo físicos de los materiales, así como resultados de laboratorio y en planta. Con esto se obtendrán datos más reales que puedan ser utilizados como dato de entrada en simulaciones y lograr una mayor correlación. En los procesos de fundición, la fabricación de moldes es de gran importancia, ya que según su nivel de construcción, dependerá en gran medida de la sanidad de las piezas que se van a vaciar. La elaboración de este proyecto, permitirá tener correlación de 95% de los resultados virtuales (macroporosidad, microporosidad, propiedades mecánicas, formación de juntas frías, grietas en frío y en caliente, puntos calientes y distribución de temperatura en los componentes de molde y en el aluminio), contra la realidad. Así mismo, se generó la base de datos de los coeficientes de transferencia de calor calculados y de las propiedades termo físicas de las aleaciones de aluminio hipoeutécticas. Es aplicable para los procesos de fundición (permanente, semi-permanente, y arena, por ejemplo: HPDC, LPDC, arena, gravedad y de rotación) con las interfases de aluminio con acero H13, hierro gris y arena sílica.

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