Sistemas 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 necesarios para fabricar una pieza exitosa. Uno de los primeros pasos para evitar fallas en la pieza es asegurar la integridad interna requerida de una pieza antes de fundirla. La fundición a la cera perdida es uno de los pocos procesos de manufactura que puede demostrar anticipadamente la viabilidad de un componente. 

Sistemas de alimentación

Al diseñar una pieza de fundición a la cera perdida, se deben considerar 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 la fuente de alimentación, o 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 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 colado de aproximadamente 3000°F hasta su temperatura de solidificación de aproximadamente 2500°F, experimenta una contracción volumétrica. Esta contracción continúa a medida que el metal se solidifica y nuevamente al enfriarse hasta temperatura ambiente, debido a la expansión térmica.

Para ilustrarlo, 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 asegura que la pieza fundida reciba continuamente metal líquido para compensar la contracción a medida que avanza la solidificación.

¿Qué hace que una pieza fundida sea exitosa?

Ubicación y tamaño del ataque

Después de comprender los fundamentos de la solidificación del metal, podemos comenzar a determinar el tamaño y la ubicación del ataque. Si no se consideran 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 están completamente llenas, también conocidas como porosidad interna. La porosidad se refiere al grado de compacidad alcanzado, es decir, a la presencia de cavidades o huecos dentro de la pieza. Si un componente no cuenta con un sistema de alimentación cuidadosamente diseñado considerando la función de la pieza, esto podría provocar fallas en la pieza.

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 contemplar gradientes térmicos lo suficientemente pronunciados para mantener despejadas las vías de alimentación desde el bebedero hasta la pieza. Dado 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 ataque. La forma de un carámbano es el ejemplo por excelencia de una pieza fundida perfecta, con la punta congelándose primero y el resto del carámbano congelándose desde las secciones más delgadas hasta la sección más gruesa (la fuente de agua).

En diseños que presentan porosidad inicial, añadir 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, las geometrías de las piezas no pueden modificarse. Podemos aprovechar el calor radiante y diseñar el ataque con brazos sin función crítica que mantengan las paredes delgadas lo suficientemente calientes para alimentar la pieza, incluidas las placas terminales, a medida que 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 impacta directamente la porosidad dentro de una pieza y la solidificación de una pieza fundida. Cada elemento de una aleación tiene una temperatura de solidificación distinta, lo que hace que una aleación como el acero inoxidable 17-4 tenga un intervalo de temperatura mayor al pasar de líquido a sólido debido a la cantidad de elementos presentes en la aleación. El amplio intervalo de temperatura inhibe el flujo, lo que la hace menos tolerante que un acero de bajo carbono. Al conocer los requisitos del material en la etapa 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 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 de las piezas fundidas para validar el diseño. Nuestros ingenieros de diseño pueden ayudar a realizar sugerencias de diseño beneficiosas que darán como resultado piezas exitosas sin retrasar la salida al mercado.