Fundición de piezas para turbocompresores

Las piezas fundidas para los turbocompresores de los nuevos motores de alto rendimiento requieren un material que se adapte al comportamiento del componente, en particular, debido al objetivo de reducir los gases de escape y al aumento de las prestaciones. Los requisitos de estos componentes de fundición sometidos a un alto nivel de tensión aumentan en proporción al tamaño de la unidad y a la capacidad de rendimiento.

Un turbocompresor consta básicamente de dos partes principales. En lo referente a los gases de escape, la turbina, ubicada en el cuerpo de la turbina, absorbe la energía de los gases de escape y la transmite mecánicamente al compresor a través de un eje. La turbina puede girar a una velocidad de 160.000 a 300.000 rpm. En un motor de encendido por chispa, en la zona del cuerpo de la turbina se deben soportar unas temperaturas de los gases de escape que ascienden hasta los 1.050 °C. La turbina, la válvula de descarga y el escudo térmico también alcanzan, por consiguiente, temperaturas elevadas. El escudo térmico evita que el calor penetre en el cuerpo de los cojinetes. Por lo general, el cuerpo de los cojinetes suele estar refrigerada por agua con el fin de evitar un aumento inadmisible de la temperatura tras apagar el motor. En este componente entran en juego cuatro medios diferentes en un espacio reducido:

  • Gas de escape caliente
  • Aire frío
  • Agua para la refrigeración
  • Aceite que no debe calentarse demasiado

En la fundición, básicamente se funden tres piezas para crear el "turbocompresor de gases de escape":

  • El cuerpo de la turbina
    • En un motor diésel: normalmente tipos de fundición de hierro nodular de alta aleación, tales como D2 y D5.
    • En un motor de encendido por chispa, debido a las altas temperaturas de trabajo: tipos de fundición de acero austenítico con contenidos de Ni y Cr.
  • El cuerpo de los cojinetes
    • Normalmente fabricada en hierro gris
  • La rueda de la turbina
    • Aleación base de níquel altamente termorresistente fundida y colada al vacío

El cuerpo de la turbina

El cuerpo de la turbina es de vital importancia en este caso, puesto que se encuentra bajo tensiones térmicas extremadamente elevadas y es a su vez el componente más costoso debido a su tamaño, complejidad y material. El fundidor tiene que enfrentarse a unos grosores de paredes para el cuerpo delgados, estructuras desde muy complejas hasta afiligranadas con altos gradientes de temperatura dentro del componente y frecuentes cambios de temperatura durante el funcionamiento. Además, hoy en día el turbocompresor también se fabrica como un componente compuesto junto con el colector de escape. A plena carga, todo el componente queda expuesto a tensiones térmicas y mecánicas extremas, lo que queda patente ya que se calienta hasta quedar al rojo vivo. Para cumplir estas exigencias se requieren años de experiencia y el uso de métodos de simulación y diseño de última generación.

Métodos de fundición y materiales para el cuerpo de la turbina

Los machos para la pieza fundida se fabrican en arena de shell-cáscara o mediante diferentes fórmulas de caja fría, mientras que el molde asociado se fabrica en moldeo en verde. Se trata del típico método de fundición en arena.
En la actualidad, la mayoría de cuerpos de turbina se producen mediante la fundición de hierro nodular (calidad GJSA-XNiSiCr 35-5-2, es decir, Ni-resist D5 S). Según la literatura especializada, este hierro fundido austenítico con grafito nodular ofrece unas temperaturas de trabajo de hasta 850 °C y, en algunos casos excepcionales, incluso puede llegar a alcanzar 900 °C.
La proporción de carga total y la densidad del flujo calorífico aumentan en los modernos motores de menor tamaño tras la constante reducción de peso en piezas de fundición. A la hora de determinar la vida útil de los motores deben tenerse en cuenta dichos factores.

Hoy en día, las temperaturas de los gases de escape también están aumentando por lo general, hasta alcanzar los 1.050 °C en los conceptos de motor actuales. En este contexto, ahora los turbocompresores se basan en innovadores diseños que difieren de los utilizados hasta el momento y que requieren nuevos materiales de mayor calidad. El acero fundido termorresistente, cuyos materiales y comportamiento ya se conocen gracias a su empleo en la industria petroquímica, es especialmente apto para este propósito. No obstante, es necesario analizar la experiencia con este material para poder aplicarla a componentes de un tamaño considerablemente menor y al delgado grosor de pared de los turbocompresores. En este caso, también deben tenerse en cuenta los aspectos económicos de los nuevos materiales. Los tipos de acero fundido austenítico termorresistente, en particular, se emplean para unas temperaturas de los gases de escape de hasta 1.050 °C. Entre sus propiedades cabe destacar la elevada proporción de cromo y níquel, lo que influye de manera especialmente positiva en la estabilidad y en la resistencia al choque térmico.

A diferencia del D5 S, el proceso permite aumentar de 200 °C a 300 °C las temperaturas de fundición, lo que dificulta todavía más la fundición del material. Por ello, para los moldes y machos de estos turbocompresores se deben emplear agentes aglomerantes de alta calidad, recubrimientos altamente refractarios y posiblemente también aditivos o arenas especiales. En la fundición de acero también se emplea el proceso de caja fría para la fabricación de los moldes con el fin de evitar que las altas temperaturas provoquen reacciones con la arena de moldeo en verde.

El concepto del sistema de entrada y alimentación, que debe poder extraerse de la pieza fundida con el menor esfuerzo posible, es también cada vez más complejo. Requiere filtros de alta calidad para una fundición del material lo más estabilizada posible. Debido al reducido tamaño del componente y del área de entrada es preciso garantizar una eficiencia óptima de las mazarotas de alimentación.

No obstante, el mayor reto para el fundidor es que la fabricación debe implementarse con la menor tasa de rechazo posible, pero con una alta productividad. La placa del molde debe diseñarse de tal manera que permita fundir el mayor número de piezas posible por molde.
Para un aprovechamiento óptimo de la placa del molde, su disposición debe ser lo más ajustada y simétrica posible, de forma que, tras el proceso de fundición, los componentes se puedan granallar y extraer con la máxima eficiencia mediante la tecnología de entrada. La posición y el tipo de las mazarotas se debe determinar de tal manera que, a ser posible, los cuellos de las mazarotas se encuentren a la misma altura que el molde y sus superficies de contacto con el componente sean realmente mínimas. Tanto en la fundición de hierro como en la de acero, los materiales son de alta aleación, por lo que es necesario que las mazarotas tengan un diseño óptimo que permita reducir al mínimo el esfuerzo de su extracción, así como la cantidad de deshechos, por razones de ahorro de costes.

El proceso completo de fusión (desde la aplicación de las aleaciones, hasta la fusión en sí, pasando por la colada de los moldes) debe realizarse con la máxima consistencia posible. Para evitar problemas estructurales y defectos de fundición, tales como burbujas, agujeros, microporosidad e incluso rechupes, el requisito básico es el pleno cumplimiento de la totalidad de las especificaciones.
Dado que la fusión se realiza con materiales de carga en continua evolución y que los materiales altamente sensibles están expuestos a unas condiciones de cambio constante durante las operaciones de fusión, a menudo el resultado es un aumento de los rechazos. Aparte de una disposición precisa de la estructura base y del grafito (especialmente en el caso del GJS), de su tamaño y de su distribución, en la colada se debe garantizar el uso de materiales de tratamiento de alta calidad seleccionados y acreditados.

Otro aspecto relevante en la fabricación de cuerpos de turbina es la prevención del veining de forma acorde a los procesos, el cual suele aparecer en el interior de la turbina en la junta del molde de los machos o en la zona adyacente. En tal caso, el esfuerzo de limpieza sería extremadamente elevado y sólo podría realizarse con herramientas especiales.

Dado que, en general, se emplea arena de sílice, además de la elección del aglomerante y del recubrimiento, el aditivo tiene un papel clave para garantizar que las piezas fundidas no presenten veining. El tipo de aditivo, así como la cantidad aplicada, influyen decisivamente en el resultado.

Para obtener superficies especialmente limpias y lisas en el interior de la turbina se requiere un recubrimiento de alta calidad, que hoy en día por lo general suele ser a base de agua. Puesto que las tolerancias del componente son extremadamente reducidas, el recubrimiento debe tener unas propiedades reológicas excelentes y su fórmula debe estar tan perfeccionada que evite las degradaciones estructurales de la capa límite que separa el macho y la pieza fundida.
Durante la colada de los machos, los productos de descomposición del agente aglomerante generan gases de fundición. Por tanto, se debe garantizar el uso de la menor cantidad de aglomerantes posible, así como una extracción de gases garantizada mediante una ventilación de los machos adecuada.
La alimentación de la pieza fundida resulta indispensable tanto en la fundición de hierro nodular como en la de acero. La simulación de procesos de llenado de molde y solidificación sirve de base para determinar la elección y la posición de la mazarota. Las minimazarotas EXACTCAST™ con macho de segmentación, además de su reducido tamaño, ofrecen una superficie de contacto también pequeña respecto a la pieza fundida y unas propiedades del molde óptimas. Un sistema de entrada despresurizado en funcionamiento con filtros evita un llenado turbulento del molde y disminuye el riesgo de que aparezcan defectos de burbuja y arrugas en frío. Por lo general, en la fabricación de moldes se emplea material para moldes con bentonita. En particular, los porcentajes de humedad, flúor y nitrógeno de la bentonita pueden tener un efecto altamente negativo en la calidad de fundición. Con el fin de contrarrestar el riesgo de aparición de defectos de flúor, se deben emplear las mazarotas sin flúor EXACTCAST™, reduciendo los niveles de humedad y nitrógeno al mínimo. Asimismo, el material que forma el carbono brillante también debe utilizarse de la manera más constante posible y bajo ningún concepto debe cambiarse con frecuencia. En caso de emplearse acero fundido, el molde también se fabrica a partir de materiales para moldes aglomerados químicamente para así garantizar unas propiedades constantes y hacer frente a las altas temperaturas de fundición en consecuencia.

La turbina

La turbina es el componente del turbocompresor que está sometido a mayor tensión. En este caso, las temperaturas también alcanzan los 1.050 °C y las fuerzas puramente mecánicas someten al componente a una tensión extrema. Por lo general, las turbinas se funden a partir de aleaciones base de níquel de alta resistencia. El proceso completo, desde la fusión hasta la colada, se realiza al vacío.

El cuerpo de los cojinetes

La conexión entre el cuerpo de los cojinetes y el cuerpo de la turbina es el factor más decisivo en la vida útil total del turbocompresor de gases de escape. Aquí es donde tiene lugar el mayor gradiente de temperatura. También aquí se requieren nuevos avances en la refrigeración por agua debido al aumento de las temperaturas de los gases de escape, puesto que la cantidad de calor que ha de disiparse es considerablemente mayor. El propio cuerpo de los cojinetes, por lo general, está fabricado en hierro fundido gris y colada mediante el método de fundición en arena. Durante la fabricación de las piezas fundidas se deben garantizar una alta productividad y un mínimo repaso. En este caso, los machos también se fabrican empleando diferentes métodos de fabricación de machos orgánicos. El molde está conformado en arena en verde.

Soluciones para la fundición de piezas para turbocompresores

Cumplimos las más altas exigencias en la fundición de piezas para motores y los productos que ASK Chemicals comercializa también se modifican para adaptarse a las materias primas y a los materiales base especiales predominantes en las fundiciones de cada país. En estrecha colaboración con las fundiciones, los productos se adecúan constantemente a las aplicaciones y a su uso diario en los diferentes países.
La simulación de solidificación empleada por el Grupo de Servicios de Diseño de ASK Chemicals es una herramienta que permite simular distintos procesos físicos que tienen lugar en el molde durante la cola y enfriamiento de las piezas. Principalmente hace referencia a tres procesos: llenado de molde, solidificación y generación de tensiones durante el enfriado. La simulación de estos procesos físicos tiene como objetivo examinar los procesos de fundición y solidificación de forma rápida y eficiente, evitar los rechupes y la microporosidad, minimizar la tensión residual y la deformación, y reducir el número de prototipos y piezas fundidas de prueba. El Grupo de Servicios de Diseño de ASK Chemicals utiliza constantemente esta herramienta para, en colaboración con los clientes, servirse de los resultados obtenidos para determinar los siguientes pasos a dar en cuanto a desarrollo. El objetivo de todo proyecto es conseguir una calidad de fundición acorde a los requisitos de las especificaciones. Trabajar codo con codo puede ofrecer importantes efectos de sinergia que van desde la producción de moldes y machos, pasando por las operaciones de fusión, hasta la inoculación, la fundición, el llenado del molde y el filtrado. Conjuntamente se desarrollan e implementan propuestas de mejora para todo el proceso de producción, lo que significa básicamente que es posible disponer de productos específicos para cada tipo de producción o pieza fundida.