Canales de alimentación y solidificación: la clave para eliminar la porosidad

Al recurrir al proceso de fundición a la cera perdida, es importante comprender todos los factores que intervienen en la fabricación de una pieza satisfactoria. Uno de los primeros pasos para evitar el fallo de una pieza consiste en garantizar la integridad requerida de la pieza antes de fundirla. La fundición a la cera perdida es uno de los pocos procesos de fabricación que permiten demostrar de forma preliminar la viabilidad de un componente. 

Sistemas de alimentación

Al diseñar una pieza de fundición a la cera perdida, deben tenerse en cuenta la ubicación y el tamaño del canal de alimentación. El canal de alimentación es una pequeña abertura que permite que el metal fundido fluya libremente hacia la cavidad y puede considerarse el punto de conexión entre la fuente de alimentación, o bebedero, y la pieza. Idealmente, el canal de alimentación se sitúa en la sección más gruesa y pesada de la pieza fundida, lo que permite que el metal fluya continuamente y llene la pieza por completo antes de solidificarse.

Cómo se solidifica el metal durante la fundición

La solidificación del metal es un factor crítico para comprender la alimentación. A medida que el acero fundido se enfría desde su temperatura inicial de vertido de aproximadamente 3000°F hasta su temperatura de solidificación de unos 2500°F, experimenta una contracción volumétrica. Esta contracción continúa a medida que el metal se solidifica y de nuevo al enfriarse hasta temperatura ambiente, debido a la expansión térmica.

Para ilustrarlo, un cubo de 1" x 1" x 1", al llenarse de acero fundido, se contraerá hasta aproximadamente 0.96" x 0.96" x 0.96" a temperatura ambiente. Este cambio volumétrico exige considerar cuidadosamente la geometría de la pieza, así como la ubicación y el tamaño del canal de alimentación. Un diseño adecuado garantiza que la pieza fundida reciba metal líquido de forma continua para compensar la contracción a medida que avanza la solidificación.

¿Qué hace que una pieza fundida sea satisfactoria?

Ubicación y tamaño del canal de alimentación

Tras comprender los fundamentos de la solidificación del metal, podemos empezar a determinar el tamaño y la ubicación del canal de alimentación. Si no se tienen en cuenta los detalles del canal de alimentación, este podría solidificarse antes de que el metal tenga la oportunidad de llenar la pieza fundida y reponer el volumen perdido. Esto podría generar grandes bolsas en el interior de la pieza que no se llenen por completo, también conocidas como porosidad interna. La porosidad se refiere al nivel de compacidad alcanzado, es decir, a la presencia de cavidades o huecos dentro de la pieza. Si un componente no se alimenta cuidadosamente teniendo en cuenta la función de la pieza, podría producirse su fallo.

Diseño de la pieza

El canal de alimentación no es el único factor determinante para eliminar la porosidad. La geometría de la pieza puede afectar a la solidificación direccional del metal. El diseño debe contemplar gradientes térmicos suficientemente pronunciados para mantener despejadas las vías de alimentación desde el bebedero hasta la pieza. Puesto que las piezas no se solidifican de una sola vez y se enfrían desde el exterior hacia el interior, un diseño de calidad permitirá que el metal se enfríe primero alejándose del canal de alimentación. La forma de un carámbano es el mejor ejemplo de una pieza fundida perfecta: la punta se congela primero y el resto del carámbano se congela desde las secciones más pequeñas hasta la sección más gruesa (la fuente de agua).

En diseños que presentan porosidad inicial, añadir elementos como nervaduras de alimentación puede eliminar las bolsas no deseadas. El diseño de la pieza también puede mejorarse mediante cambios estructurales, como dar conicidad a las bases inferiores, para reducir la porosidad. Sin embargo, en algunos casos no es posible modificar la geometría de la pieza. Podemos aprovechar el calor radiante diseñando el canal de alimentación con brazos no críticos que mantengan las paredes delgadas lo suficientemente calientes para alimentar la pieza, incluidas las placas terminales, mientras se solidifica.

Al trabajar estrechamente con los clientes, los ingenieros de diseño de Signicast pueden comprender mejor la función de la pieza y optimizar su geometría para cumplir los requisitos de la aplicación.

Selección del material de fundición

Además de las consideraciones de diseño, la elección del material afecta directamente a la porosidad dentro de una pieza y a la solidificación de una pieza fundida. Cada elemento de una aleación tiene una temperatura de solidificación diferente, por lo que una aleación como el acero inoxidable 17-4 presenta un intervalo de temperaturas mayor al pasar de líquido a sólido debido a la cantidad de elementos presentes en la aleación. El amplio intervalo de temperaturas dificulta el flujo, por lo que es menos tolerante que un acero de bajo carbono. Al conocer los requisitos del material en la fase inicial del proyecto, los ingenieros de diseño tienen una mejor oportunidad de predecir el éxito de la pieza y limitar la porosidad antes de pasar a la fase de utillaje.

Antes de iniciar la producción completa con el diseño de una pieza, es importante identificar posibles problemas de porosidad. En Signicast, utilizamos software de solidificación y flujo para determinar la eficacia de las ubicaciones de los canales de alimentación y predecir la porosidad de las piezas fundidas a fin de validar el diseño. Nuestros ingenieros de diseño pueden ayudarle a realizar sugerencias de diseño beneficiosas que darán como resultado piezas satisfactorias sin retrasar el tiempo de comercialización.