Sistemas de alimentación 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 creación de una pieza exitosa. Uno de los primeros pasos para evitar fallos en la pieza es asegurar la solidez 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 de un componente. 

Sistemas de alimentación

Al diseñar una pieza fundida a la cera perdida, se debe considerar la ubicación y el tamaño de la compuerta. La compuerta 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. La compuerta se ubica idealmente en la sección más gruesa y pesada de la fundición, lo que permite 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 la alimentación. A medida que el acero fundido se enfría desde su temperatura de vertido inicial de aproximadamente 3000°F hasta su temperatura de solidificación de aproximadamente 2500°F, sufre contracción volumétrica. Esta contracción continúa a medida que el metal se solidifica y nuevamente mientras se enfría a temperatura ambiente, debido a la expansión térmica.

Para ilustrar, un cubo de 1" x 1" x 1", cuando está lleno de 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 la ubicación y tamaño de la compuerta. Un diseño adecuado asegura que la fundición sea alimentada continuamente con metal líquido para compensar la contracción a medida que avanza la solidificación.

¿Qué hace que una pieza fundida sea exitosa?

Ubicación y tamaño de la compuerta

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

Diseño de la pieza

La compuerta no es el único factor determinante para eliminar la porosidad. La geometría de la pieza puede impactar la solidificación direccional del metal. El diseño debe considerar hacer que los gradientes térmicos sean lo suficientemente pronunciados como para mantener los caminos de alimentación despejados desde el sprue hasta la pieza. Dado que las piezas no se solidifican todas al mismo tiempo, y se enfrían desde el exterior hacia el interior, un diseño de calidad permitirá que el metal se enfríe primero lejos de la compuerta. Una forma de carámbano es el ejemplo perfecto de una fundición ideal, con la punta congelándose primero y el resto del carámbano congelándose desde las secciones más pequeñas hacia atrás hasta la sección más gruesa (la fuente de agua).

En diseños que muestran porosidad inicial, agregar características como nervaduras de alimentación puede eliminar cualquier bolsillo no deseado. El diseño de la pieza también puede mejorarse con cambios estructurales, como el estrechamiento de los pisos inferiores, para reducir la porosidad. En algunos casos, sin embargo, no se pueden alterar las geometrías de la pieza. Podemos aprovechar el calor radiante, diseñando la compuerta con brazos insignificantes que mantengan las paredes delgadas lo suficientemente calientes para alimentar la pieza, incluidas las placas finales, a medida que se solidifica.

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

Selección de Material de Fundición

Además de las consideraciones de diseño, la elección del material 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 al pasar de líquido a sólido debido a la cantidad de elementos dentro de la aleación. El amplio rango de temperatura inhibe el flujo, haciéndolo menos indulgente que un acero de bajo carbono. Conocer los requisitos del material desde el principio del proyecto brinda a los ingenieros de diseño una mejor oportunidad para predecir el éxito de la pieza y limitar la porosidad antes de pasar a la etapa de herramientas.

Antes de pasar a la producción completa con un diseño de pieza, es importante identificar posibles problemas de porosidad. En Signicast, utilizamos software de solidificación y flujo para determinar la eficacia de las ubicaciones de las compuertas y predecir la porosidad de la fundición para validar el diseño. Nuestros ingenieros de diseño pueden ayudar a hacer sugerencias de diseño beneficiosas que resulten en piezas exitosas sin retrasar el tiempo de lanzamiento al mercado.