Uso de nanopartículas de carbono en la fabricación de corazones de arena para la fundición de aluminio

摘要

Recientemente la industria automotriz se encuentra en creciente demanda por la fabricación de vehículos energéticamente más eficientes y de menor tamaño, por ende el motor de combustión interna, constituido por el monobloque y la cabeza de cilindro, tiende a ser más pequeño y geométricamente más complejos por lo que las cavidades internas formadas por los corazones también lo serán. Bajo este contexto, las propiedades mecánicas y térmicas de los corazones se tendrían que mejorar para poder cumplir con estos requerimientos. En el presente trabajo se hace un estudio en el uso de nanopartículas de carbono con el objeto de ser usadas como reforzantes de la resina fenólica (PU, poliuretano) que se utiliza como aglomerante en la fabricación de corazones de arena por el proceso de caja fría (Cold Box). Por lo cual resulta de vital importancia lograr una eficiente dispersión de las nanopartículas en la resina para lograr mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas las cuales permitan fabricar corazones de arena más robustos y con mejor conductividad térmica con el fin de mejorar el desarenado. En el Capítulo 1 se presenta el estudio del estado del arte de las características de las arenas que se emplean en la fundición así como los retos más importantes a las que se enfrenta esta área. En el Capítulo 3 se hace una profunda revisión bibliográfica acerca del uso de la nanotecnología como medio para obtener compósitos poliméricos con mejores propiedades térmicas y mecánicas que el polímero mismo, de donde se puede destacar que las nanopartículas de carbono tales como las nanoplacas de carbono (grafenos o GNP por sus siglas en ingles) y los nanotubos multipared son las más utilizadas para reforzar estas matrices poliméricas. El proceso experimental, descrito en el Capítulo 4, se menciona los materiales usados así como sus principales características físicas y químicas además de los parámetros establecidos para llevar a cabo su dispersión por ultrasonido, es decir, el cómo se adicionaron las nanopartículas a la resina fenólica. Una vez hecha la 2 dispersión, con esta resina modificada se fabricaron las probetas de arena por el proceso industrial de caja fría (Cold Box) y se evaluaron sus propiedades mecánicas de vida de banco y desarrollo de resistencia así como también la distorsión en caliente la cual se asocia a las propiedades térmicas del corazón o probeta de arena. En los Capítulos 5 y 6 se presentan los resultados y las discusiones respectivamente. Se observa el efecto que tiene la dispersión por ultrasonido en la desaglomeración de las nanopartículas de carbono la cual es de vital importancia para maximizar las propiedades buscadas. Durante el proceso de dispersión la viscosidad de la resina aumenta súbitamente alcanzando valores de hasta 7500 cP lo cual dificulta la integración de la resina a la arena. De los nanocompósitos fabricados (resina + nanopartículas) se observó que la conductividad térmica se mejora cuando se le agrega cualquiera de las nanopartículas siendo la más efectiva las que se modificaron con GNPs. En cuanto a las propiedades mecánicas, la vida de banco también se mejora con la adición de cualquiera de las nanopartículas y lo mismo ocurre con el desarrollo de resistencia.