Diseño 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 exitosa de una pieza. Uno de los primeros pasos para evitar fallas en las piezas es garantizar la integridad requerida de una pieza antes de fundirla. La fundición a la cera perdida es uno de los pocos procesos de manufactura que pueden demostrar de forma preliminar la viabilidad de un componente.

Sistemas de alimentación

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

Cómo se solidifica el metal durante la fundición

La solidificación del metal es un factor crítico para comprender el diseño de 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 alrededor de 2500 °F, experimenta una contracción volumétrica. Esta contracción continúa a medida que el metal se solidifica y nuevamente cuando se enfría a temperatura ambiente, debido a la expansión térmica.

Por ejemplo, un cubo de 1" x 1" x 1", al llenarse con 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 ataque. Un diseño adecuado garantiza que la pieza fundida reciba metal líquido de manera continua para compensar la contracción a medida que avanza la solidificación.

¿Qué hace exitosa a una pieza fundida?

Ubicación y tamaño del ataque

Una vez comprendidos los fundamentos de la solidificación del metal, podemos comenzar a determinar el tamaño y la ubicación del ataque. Si no se toman en cuenta los detalles del ataque, este podría solidificarse antes de que el metal tenga la oportunidad de llenar la pieza fundida y reemplazar el volumen perdido. Esto podría crear grandes cavidades dentro de la pieza que no se llenan por completo, también conocidas como porosidad interna. La porosidad se refiere al grado de solidez alcanzado, es decir, a la presencia de cavidades o agujeros dentro de la pieza. Si un componente no cuenta con un diseño de alimentación cuidadoso que considere la función de la pieza, esto podría provocar fallas.

Diseño de la pieza

El ataque no es el único factor determinante para eliminar la porosidad. La geometría de la pieza puede afectar la solidificación direccional del metal. El diseño debe considerar 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 de afuera hacia adentro, un diseño de calidad permitirá que el metal se enfríe primero lejos del ataque. 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, que es la fuente de agua.

En diseños que presentan porosidad inicial, agregar características como nervaduras de alimentación puede eliminar cavidades no deseadas. El diseño de la pieza también puede mejorarse mediante cambios estructurales, como dar conicidad a las superficies 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 ataque con brazos que no afecten la función y 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 con los requisitos de la aplicación.

Selección del material de fundición

Además de las consideraciones de diseño, la selección del material influye directamente en la porosidad dentro de una pieza y en la solidificación de una pieza fundida. Cada elemento de una aleación tiene una temperatura de solidificación distinta, por lo que una aleación como el acero inoxidable 17-4 presenta un intervalo de temperatura más amplio al pasar de líquido a sólido debido a la cantidad de elementos que contiene. Este amplio intervalo de temperatura dificulta el flujo, por lo que ofrece menor margen de tolerancia que un acero de bajo carbono. Al conocer los requisitos del material desde las primeras etapas del proyecto, los ingenieros de diseño tienen una mejor oportunidad de prever el éxito de la pieza y limitar la porosidad antes de pasar a la etapa de herramental.

Antes de iniciar la producción en serie 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 ataques y predecir la porosidad en las piezas fundidas a fin de validar el diseño. Nuestros ingenieros de diseño pueden proponer mejoras de diseño que ayuden a obtener piezas de calidad sin retrasar el lanzamiento al mercado.