Desagüe y Solidificación: la Clave para Eliminar la Porosidad

Al recurrir al proceso de fundición a la cera perdida, es importante entender todos los factores que intervienen en la fabricación de una pieza exitosa. Uno de los primeros pasos para evitar fallos en la pieza es asegurar la resistencia requerida de una pieza antes de que sea fundida. La fundición a la cera perdida es uno de los pocos procesos de fabricación que puede demostrar preliminarmente el éxito del componente.

Sistemas de desagüe

Al diseñar una pieza fundida a la cera perdida, se debe tener en cuenta la ubicación y el tamaño del desagüe. El desagüe es una pequeña abertura que permite que el metal fundido fluya libremente hacia la cavidad y puede considerarse como el punto de conexión entre la fuente de alimentación, o sprue, y la pieza. Idealmente, el desagüe se ubica en la sección más gruesa y pesada de la fundición, permitiendo que el metal fluya continuamente y llene la pieza en su totalidad antes de solidificarse.

Cómo se solidifica el metal durante la fundición

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

Para ilustrarlo, un cubo de 1" x 1" x 1" al llenarse con acero fundido se contraerá a aproximadamente 0.96" x 0.96" x 0.96" a temperatura ambiente. Este cambio volumétrico requiere una cuidadosa consideración de la geometría de la pieza y de la ubicación y tamaño del desagüe. Un diseño adecuado asegura que la fundición se alimente continuamente con metal líquido para compensar la contracción a medida que la solidificación avanza.

¿Qué hace que una pieza fundida sea exitosa?

Ubicación y tamaño del desagüe

Después de entender los fundamentos de la solidificación del metal, podemos comenzar a determinar el tamaño y la ubicación del desagüe. Si no se tienen en cuenta los detalles del desagüe, este podría solidificarse antes de que el metal tenga la oportunidad de llenar la fundición y reemplazar el volumen perdido. Esto podría crear grandes bolsas dentro de la pieza que no están completamente llenas, también conocido como porosidad interna. La porosidad se refiere al nivel de solidez alcanzado, es decir, si hay cavidades o agujeros dentro de la pieza. Si un componente no está diseñado cuidadosamente con la función de la pieza en mente, esto podría llevar a un fallo de la pieza.

Diseño de la pieza

El desagüe no es el único factor determinante en la eliminación de la porosidad. La geometría de la pieza puede afectar la solidificación direccional del metal. El diseño debe considerar hacer que los gradientes térmicos sean lo suficientemente pronunciados para mantener claros los caminos de alimentación desde el sprue hasta la pieza. Dado que las piezas no se solidifican todas a la vez, y se enfrían de afuera hacia adentro, un diseño de calidad permitirá que el metal se enfríe primero alejándose del desagüe. Una forma de carámbano es el ejemplo principal de una fundición perfecta, con la punta congelándose primero y el resto del carámbano congelándose desde las secciones más pequeñas hasta la sección más gruesa (la fuente de agua).

En diseños que muestran porosidad inicial, añadir características como nervios de alimentación puede eliminar cualquier bolsa no deseada. El diseño de la pieza también se puede mejorar con cambios estructurales, como el achaflanado de los suelos inferiores, para reducir la porosidad. Sin embargo, en algunos casos, las geometrías de las piezas no pueden ser alteradas. Podemos aprovechar el calor radiante, diseñando el desagüe con brazos insignificantes que mantengan las paredes delgadas lo suficientemente calientes para alimentar la pieza, incluidas las placas finales, mientras se solidifican.

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

Selección de Materiales de Fundición

Además de las consideraciones de diseño, la elección de materiales impacta directamente en la porosidad dentro de una pieza y la solidificación de una fundición. Cada elemento dentro de una aleación tiene una temperatura de solidificación diferente, lo que hace que una aleación como el acero inoxidable 17-4 tenga un rango de temperatura más amplio a medida que pasa de líquido a sólido debido a la cantidad de elementos dentro de la aleación. El amplio rango de temperatura inhibe el flujo, haciéndolo menos tolerante que un acero de bajo carbono. Conocer los requisitos de 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 etapa de herramienta.

Antes de entrar en 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 desagüe y predecir la porosidad de la fundición para validar el diseño. Nuestros ingenieros de diseño pueden ayudar a realizar sugerencias de diseño beneficiosas que resulten en piezas exitosas sin demorar el tiempo de comercialización.