¿Por qué algunas piezas de fundición fallan y otras sobresalen? La respuesta está en las propiedades de las aleaciones de fundición. Este artículo analiza cómo factores como la fluidez, la contracción, la oxidabilidad y la absorción de gases influyen en la calidad y el rendimiento de las piezas fundidas. Si conoce estas propiedades, podrá seleccionar los materiales adecuados y diseñar procesos que garanticen piezas de fundición de alta calidad. Sumérjase y aprenda cómo el dominio de estos elementos puede mejorar sus proyectos de fundición y evitar defectos comunes.
Concepto de rendimiento de fundición de aleaciones: El rendimiento de la fundición se refiere a la capacidad de una aleación para ser fundida y producir piezas de alta calidad.
Indicadores del rendimiento de la fundición de aleaciones: Capacidad de relleno (fluidez), contracción, oxidabilidad, segregación y absorción de gases, etc.
La calidad del rendimiento de la fundición de aleaciones influye significativamente en el proceso de fundición, la calidad de la fundición y el diseño de la estructura de la fundición.
Por lo tanto, a la hora de elegir los materiales para las piezas de fundición, deben preferirse los materiales con un buen rendimiento de fundición, garantizando al mismo tiempo el rendimiento operativo.
Sin embargo, en la producción real, para garantizar el rendimiento operativo, a menudo se utilizan aleaciones con peores prestaciones de fundición.
En estos casos, debe prestarse más atención al diseño de la estructura de fundición y a la adecuada proceso de fundición para producir piezas fundidas de alta calidad. Por lo tanto, es necesario un conocimiento exhaustivo del comportamiento de una aleación en la fundición.
Definición: La capacidad de la aleación fundida para llenar el molde y producir una pieza de fundición con dimensiones correctas y contornos claros se denomina capacidad de llenado de la aleación fundida.
El proceso de llenado de la aleación fundida es la primera etapa de la formación de la colada. Esta etapa implica una serie de cambios físicos y químicos, como el flujo de la aleación fundida y el intercambio de calor entre ésta y el molde, junto con la cristalización de la aleación.
Por lo tanto, la capacidad de llenado no sólo depende de la fluidez de la propia aleación, sino que también se ve influida por condiciones externas como las propiedades del molde, las condiciones de vertido y la estructura de la colada.
Impacto en la calidad de la fundición: Si la capacidad de llenado de la aleación fundida es fuerte, resulta más fácil obtener piezas fundidas de paredes finas y complejas. Esto se traduce en menos defectos, como contornos poco definidos, colada insuficiente y cierre en frío.
También facilita el ascenso y la expulsión de gases y no metálico inclusiones en el metal fundido, reduciendo defectos como poros e inclusiones de escoria. Además, puede mejorar la capacidad de alimentación, disminuyendo así la tendencia a la contracción y la porosidad.
(1) Fluidez de la aleación
Definición:
La fluidez se refiere a la capacidad de fluir de una aleación fundida. Es una propiedad inherente a una aleación, que depende del tipo de aleación, las características de cristalización y otras propiedades físicas (por ejemplo, cuanto menor sea la viscosidad y mayor la capacidad calorífica, cuanto menor sea la conductividad térmica y mayor el calor latente de cristalización, y cuanto menor sea la tensión superficial, mejor será la fluidez).
Método de medición:
Para comparar la fluidez de diferentes aleaciones, se suele utilizar el método estándar de colada de muestras en espiral. La longitud de la muestra de fluidez obtenida bajo el mismo molde (generalmente utilizando un molde de arena) y las mismas condiciones de colada (como la misma temperatura de colada o la misma temperatura de sobrecalentamiento) puede representar la fluidez de la aleación ensayada.
Entre las aleaciones de fundición comunes, hierro fundido gris y el latón al silicio tienen la mejor fluidez, mientras que el acero moldeado tiene la peor. Para la misma aleación, también pueden utilizarse muestras de fluidez para estudiar el impacto de diversos factores del proceso de fundición en su capacidad de llenado.
La longitud de la muestra de fluidez obtenida es el producto del tiempo y la velocidad de flujo del metal fundido desde el inicio del vertido hasta la detención del flujo. Por lo tanto, cualquier factor que afecte a estos dos factores repercutirá en la fluidez (o capacidad de llenado).
La composición química de la aleación determina sus características de cristalización, y las características de cristalización dominan el impacto sobre la fluidez. Las aleaciones con componentes eutécticos (como las aleaciones de hierro-carbono con una fracción másica de carbono de 4,3%) solidifican a una temperatura constante, la superficie interior de la capa de solidificación es relativamente lisa y la resistencia al flujo del metal fundido posterior es pequeña.
Además, la temperatura de solidificación de la aleación componente eutéctica es baja, lo que facilita la obtención de un mayor grado de sobrecalentamiento, por lo que la fluidez es buena. Aparte de las aleaciones eutécticas y los metales puros, otras aleaciones componentes se solidifican dentro de un determinado intervalo de temperatura, y existe una zona bifásica de líquido y sólido en la sección de colada.
Los primeros cristales dendríticos formados crean una mayor resistencia al flujo para el metal fundido subsiguiente, por lo que la fluidez disminuye. Cuanto más se aleje la composición de la aleación del componente eutéctico, mayor será el intervalo de temperaturas de solidificación y peor será la fluidez. Por ello, las aleaciones cercanas a la composición eutéctica se utilizan a menudo como materiales de fundición.
(2) Propiedades del molde
① El coeficiente de almacenamiento de calor del molde representa la capacidad del molde para absorber y almacenar el calor del metal fundido.
Cuanto mayor sea la conductividad térmica, la capacidad calorífica específica y la densidad del material del molde, mayor será su capacidad de almacenamiento de calor, mayor será la capacidad de enfriamiento del metal fundido, menor será el tiempo necesario para que el metal fundido mantenga el flujo y peor será la capacidad de llenado.
Por ejemplo, la fundición en molde metálico tiene más probabilidades de producir defectos como un vaciado insuficiente y un cierre en frío que la fundición en molde de arena.
② El precalentamiento de la temperatura del molde puede reducir la diferencia de temperatura entre éste y el metal fundido, reducir la intensidad del intercambio de calor y mejorar así la capacidad de llenado del metal fundido.
Por ejemplo, al fundir piezas de aleación de aluminio con un molde metálico, el aumento de la temperatura del molde de 340°C a 520°C incrementa la longitud de la muestra en espiral de 525mm a 950mm bajo la misma temperatura de colada (760°C). Por lo tanto, el precalentamiento del molde es una de las medidas de proceso necesarias en la fundición con molde metálico.
③ El gas en el molde tiene una cierta capacidad para emitir gas, que puede formar una película de gas entre el metal fundido y el molde, reduciendo la resistencia al flujo y facilitando el llenado. Pero si la emisión de gas es demasiado grande y el escape del molde no es suave, la contrapresión del gas generada en la cavidad del molde obstaculizará el flujo del metal fundido.
Por lo tanto, para mejorar la permeabilidad de la arena del molde (núcleo), es necesario y a menudo se aplica abrir orificios de ventilación en el molde.
(3) Condiciones de vertido
① Temperatura de vertido
La temperatura de vertido influye decisivamente en la capacidad de llenado del metal fundido. Aumentar la temperatura de vertido reduce la viscosidad de la aleación y prolonga el tiempo que permanece fluida, mejorando así la capacidad de llenado; por el contrario, la capacidad de llenado disminuirá.
En el caso de piezas moldeadas de paredes finas o aleaciones con poca fluidez, el aumento de la temperatura de colada para mejorar la capacidad de llenado se utiliza a menudo y es relativamente conveniente en la producción.
Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura de colada, la absorción de gases y la oxidación de la aleación se agravan, aumenta la contracción total y se producen con facilidad defectos como sopladuras, agujeros de contracción y adherencias de arena, y la estructura cristalina de la colada se vuelve tosca.
Por lo tanto, en principio, la temperatura de vertido debe reducirse al máximo sin dejar de garantizar una fluidez suficiente.
② Presión de llenado
Cuanto mayor sea la presión ejercida sobre el metal fundido en la dirección del flujo, mayor será el caudal y mejor la capacidad de llenado. Por lo tanto, métodos como el aumento de la altura del bebedero o la aplicación de presión artificial (como fundición a presiónLa fundición a baja presión, etc.) se utilizan a menudo para mejorar la capacidad de llenado de las aleaciones fundidas.
(4) Estructura de fundición
Cuando el grosor de la pared de la pieza fundida es demasiado pequeño, el grosor de la pared cambia bruscamente o hay una mayor superficie horizontal, dificultará el llenado del líquido de aleación. Por lo tanto, al diseñar la estructura de la colada, la pared
El espesor de la pieza fundida debe ser superior al valor mínimo admisible; en algunas piezas fundidas es necesario diseñar canales de flujo; y las nervaduras deben colocarse en grandes superficies planas. Esto no sólo facilita el llenado suave del líquido de aleación, sino que también evita la aparición de defectos de inclusión de arena.
Segregación
Este término hace referencia a la distribución desigual de la composición química dentro de las piezas fundidas. La segregación puede hacer que las propiedades de las piezas fundidas sean desiguales y, en casos graves, puede dar lugar a productos defectuosos.
La segregación puede dividirse en dos categorías: Microsegregación y Macrosegregación.
Microsegregación:
Segregación intragranular (también conocida como segregación dendrítica) - Se trata del fenómeno en el que diferentes partes de un mismo grano tienen composiciones químicas diferentes. En las aleaciones que forman soluciones sólidas, sólo en condiciones de enfriamiento muy lento pueden difundirse los átomos lo suficiente como para obtener granos químicamente homogéneos durante el proceso de cristalización.
En condiciones reales de fundición, la velocidad de solidificación de la aleación es más rápida y los átomos no tienen tiempo suficiente para difundirse completamente. Como resultado, los granos que crecen de forma dendrítica tienen inevitablemente composiciones químicas desiguales.
Para eliminar la segregación intragranular, la colada puede recalentarse a una temperatura elevada y mantenerse durante mucho tiempo para permitir una difusión atómica suficiente. Este método de tratamiento térmico se conoce como recocido por difusión.
Macrosegregación:
Segregación por densidad (antes conocida como segregación por gravedad) - Se trata del fenómeno en el que las partes superior e inferior de la pieza fundida tienen composiciones químicas desiguales. Cuando las densidades de los elementos de aleación difieren significativamente, los elementos con menor densidad tienden a acumularse en la parte superior después de que la fundición se solidifique por completo, mientras que los elementos con mayor densidad tienden a acumularse en la parte inferior.
Para evitar la segregación de densidades, el metal fundido debe agitarse a fondo o enfriarse rápidamente durante el vertido para impedir la separación de elementos con densidades diferentes.
Existen muchos tipos de macrosegregación, como la segregación positiva, la segregación negativa, la segregación en forma de V y la segregación en bandas, además de la segregación por densidad.
Absorción de gas de las aleaciones - Este término hace referencia a la propiedad de las aleaciones de absorber gases durante la fusión y el vertido.
La absorción de gases de las aleaciones aumenta con la temperatura. Los gases son mucho más solubles en la aleación fundida que en estado sólido. Cuanto mayor es el recalentamiento de la aleación, más gas contiene. La presencia de gases en las piezas fundidas adopta tres formas: solución sólida, compuesto y porosidad.
En función del origen del gas en la aleación, la porosidad puede dividirse en tres categorías:
a. Porosidad de exudación
Cuando los gases disueltos en el líquido de aleación exudan durante el proceso de solidificación debido a una disminución de la solubilidad del gas, y no son capaces de ser expulsados a tiempo, la porosidad que se forma en las piezas fundidas se denomina porosidad por exudación.
La porosidad por exudación es más común en aleaciones de aluminiocon diámetros a menudo inferiores a 1 mm. No solo afecta a las propiedades mecánicas de la aleación, sino que también afecta gravemente a la estanqueidad de la fundición.
b. Porosidad invasiva
La porosidad invasiva se refiere a los poros formados por gases acumulados en la capa superficial del molde de arena que invaden el líquido de aleación.
c. Porosidad reactiva
La porosidad reactiva se refiere a los poros formados en las piezas fundidas por gases producidos a través de reacciones químicas entre la aleación fundida vertida en el molde y la humedad, óxido, etc. del material del molde, los soportes del núcleo, los enfriadores o la escoria.
La porosidad reactiva presenta muchos tipos y formas. Por ejemplo, los poros creados por las reacciones químicas entre el líquido de la aleación y la interfaz del molde de arena suelen distribuirse 1-2 mm por debajo de la superficie de la pieza fundida. Después de mecanizar o limpiar la superficie, quedan al descubierto muchos pequeños orificios, por lo que se denominan poros subsuperficiales.
Los poros interrumpen la continuidad de la aleación, reducen el área de carga efectiva y provocan una concentración de tensiones alrededor de los poros, reduciendo así las propiedades mecánicas de las piezas fundidas, especialmente la tenacidad al impacto y la resistencia a la corrosión. resistencia a la fatiga. Los poros dispersos también pueden favorecer la formación de microporosidad, reduciendo la hermeticidad de la colada.
a. Reducir la emisión de gases de la arena de moldeo (arena del núcleo) y aumentar la capacidad de escape del molde.
b. Controlar la temperatura del líquido de aleación, reducir el recalentamiento innecesario y reducir el contenido de gas original del líquido de aleación.
c. Aplique presión para solidificar la aleación y evitar la exudación de gas. Los cambios de presión afectan directamente a la exudación de gas. Por ejemplo, si la aleación de aluminio líquida se cristaliza en una cámara de presión a 405-608 kPa (4-6 atmósferas), se puede obtener una colada sin poros.
d. Durante la fusión y el vertido, intente reducir la posibilidad de que el líquido de aleación entre en contacto con los gases. Por ejemplo, aplique una cubierta para proteger la superficie del líquido de aleación o utilice la tecnología de fusión en vacío.
e. Desgasificar el líquido de aleación. Por ejemplo, introduciendo gas cloro en el líquido de aleación de aluminio. Cuando sin disolver las burbujas de gas cloro se elevan, los átomos de hidrógeno disueltos en el líquido de aleación de aluminio se difunden continuamente en las burbujas de gas cloro y se eliminan del líquido de aleación.
f. Las superficies de los enfriadores, soportes del núcleo, etc. no deben estar oxidadas ni aceitosas, y deben mantenerse secas, etc.
(1) Definiciones de solidificación y contracción
La solidificación es el proceso por el que una sustancia pasa del estado líquido al sólido.
La contracción se refiere a la reducción de volumen que se produce en las piezas fundidas durante los procesos de solidificación y enfriamiento.
(2) Impacto en la calidad de la fundición
Si la solidificación y la contracción no se controlan adecuadamente durante el proceso de enfriamiento del metal líquido vertido en el molde, la pieza fundida podría desarrollar defectos como cavidades de contracción, porosidad de contracción, tensiones de fundición, deformación y grietas.
(1) Métodos de solidificación de coladas
Durante la solidificación, suelen existir tres zonas en la sección transversal de la colada: la zona de fase sólida, la zona de solidificación y la zona de fase líquida. La coexistencia de las fases líquida y sólida en la zona de solidificación influye significativamente en la calidad de la colada.
El "método de solidificación" de la fundición se clasifica, en función de la amplitud de esta zona de solidificación, en los tres tipos siguientes:
① Solidificación por capas
Los metales puros o las aleaciones eutécticas se solidifican sin que coexistan fases líquida y sólida en la zona de solidificación, como se muestra en la figura 2(a). Así, un límite claro (frente de solidificación) separa la capa sólida exterior y la capa líquida interior en la sección transversal.
A medida que la temperatura desciende, la capa sólida se espesa y la capa líquida se reduce hasta que el frente de solidificación alcanza el centro. Este método de solidificación se denomina solidificación por capas.
② Solidificación pastosa
Si el intervalo de temperaturas de cristalización de una aleación es amplio y la curva de distribución de la temperatura dentro de la colada es relativamente plana, no habrá ninguna capa sólida en la superficie de la colada durante un determinado período de solidificación.
En su lugar, la zona de solidificación en la que coexisten las fases líquida y sólida se extiende por toda la sección transversal, como se muestra en la Figura 1(C). Este método de solidificación es similar a la solidificación del cemento, inicialmente pastoso antes de solidificarse, por lo que se denomina solidificación pastosa.
③ Solidificación intermedia
La mayoría de las aleaciones solidifican utilizando un método intermedio entre los dos anteriores, denominado solidificación intermedia.
Relación entre la solidificación de la colada y Defectos de fundición:
En general, la solidificación por capas facilita el llenado de la aleación y la compensación de la contracción, evitando las cavidades de contracción y la porosidad. Conseguir fundiciones estructurales densas puede ser un reto durante la solidificación en pasta.
(2) Principales factores que influyen en los métodos de solidificación de la fundición
① Rango de temperaturas de cristalización de la aleación
Una gama de temperaturas de cristalización más pequeña de una aleación da lugar a una zona de solidificación más estrecha y a una tendencia a la solidificación por capas. Por ejemplo, durante la fundición en arena, el acero con bajo contenido en carbono se solidifica por capas, mientras que el acero con alto contenido en carbono, con un amplio intervalo de temperaturas de cristalización, se solidifica en forma de pasta.
② Gradiente de temperatura de la sección transversal de colada
Dado un intervalo específico de temperatura de cristalización de una aleación, la anchura de la zona de solidificación depende del gradiente de temperatura de la sección transversal de colada, como se muestra en la figura 2 (T1→T2). Si el gradiente de la temperatura de colada aumenta, el área de solidificación correspondiente se estrecha.
El gradiente de temperatura de una colada depende principalmente de:
a. Propiedades de la aleación: Cuanto menor sea la temperatura de solidificación de una aleación, mayor será su conductividad térmica, y cuanto mayor sea su calor latente de cristalización, mejor será su capacidad para igualar las temperaturas internas, dando lugar a un menor gradiente de temperatura (como en la mayoría de las aleaciones de aluminio).
b. Capacidad de retención de calor del molde: Un mayor coeficiente de retención de calor del molde aumenta su capacidad de enfriamiento rápido, dando lugar a un mayor gradiente de temperatura de colada.
c. Temperatura de colada: Una temperatura de colada más alta introduce más calor en el molde, reduciendo el gradiente de temperatura de la colada.
d. Espesor de la pared de colada: Las paredes de colada más gruesas dan lugar a un gradiente de temperatura menor.
De la discusión anterior se puede concluir que las aleaciones que tienden a la solidificación por capas (como la fundición gris, las aleaciones de aluminio-silicio, etc.) son más adecuadas para la fundición y deben utilizarse siempre que sea posible.
Cuando deban utilizarse aleaciones que tiendan a una solidificación pastosa (como el bronce al estaño, la aleación de aluminio y cobre, la fundición dúctil, etc.), deberán considerarse medidas de proceso adecuadas (por ejemplo, la fundición en molde metálico) para reducir su área de solidificación.
(1) Principio y proceso de contracción de las aleaciones
La estructura de una aleación líquida está formada por conglomerados atómicos y "vacíos". Los átomos de los grupos están ordenados, pero la distancia entre ellos es mayor que en el estado sólido. Cuando la aleación líquida se vierte en el molde, la temperatura sigue bajando, los huecos disminuyen, las distancias atómicas se acortan y el volumen del líquido de aleación disminuye.
A medida que el líquido de aleación se solidifica, los huecos desaparecen y las distancias atómicas se acortan aún más. Durante el proceso de enfriamiento a temperatura ambiente tras la solidificación, las distancias atómicas siguen disminuyendo.
La contracción de una aleación desde la temperatura de colada hasta la temperatura ambiente pasa por las tres etapas siguientes:
①Contracción de líquidos
Se trata de la contracción de la aleación desde la temperatura de vertido hasta el inicio de la solidificación (temperatura de la línea de liquidus), mientras la aleación se encuentra en estado líquido. El resultado es un descenso del nivel de líquido dentro de la cavidad del molde.
②Contracción por solidificación
Se trata de la contracción de la aleación desde el inicio de la solidificación hasta el final de la misma. Por lo general, la contracción por solidificación sigue manifestándose principalmente como un descenso del nivel de líquido.
③Contracción en estado sólido
Se trata de la contracción de la aleación desde el final de la solidificación hasta la temperatura ambiente, cuando la aleación se encuentra en estado sólido. La contracción en esta fase se caracteriza por una disminución de las dimensiones lineales de la pieza fundida.
Las contracciones en estado líquido y de solidificación de una aleación son las principales causas de las cavidades de contracción y la porosidad en una pieza fundida, mientras que la contracción en estado sólido es la causa fundamental de la tensión, la deformación y el agrietamiento de la pieza fundida, y afecta directamente a su precisión dimensional.
(2) Principales factores que influyen en la contracción de las aleaciones
①Composición química de la aleación
Las diferentes aleaciones tienen diferentes índices de contracción. Entre las aleaciones más utilizadas, el acero fundido tiene el mayor índice de contracción, mientras que la fundición gris tiene el menor. La razón por la que la fundición gris tiene un índice de contracción muy pequeño es que la mayor parte del carbono que contiene se encuentra en forma de grafito, que tiene un gran volumen específico. La expansión de volumen producida por la precipitación del grafito durante el proceso de cristalización compensa parte de la contracción de la aleación.
Tabla 1 Índices de contracción de diferentes aleaciones
| Tipo de aleación | Fracción másica de carbono | Temperatura de vertido /℃ | Contracción del líquido | Contracción por coagulación | Contracción en estado sólido | Contracción del volumen total |
| Acero al carbono fundido | 0.35% | 1610 | 1.6% | 3% | 7.8% | 12.46% |
| Hierro fundido blanco | 3.00% | 1400 | 2.4% | 4.2% | 5.4~6.3% | 12-12.9% |
| Fundición gris | 3.50% | 1400 | 3.5% | 0.1% | 3.3~4.2% | 6.9~7.8% |
②Temperatura de vertido
Cuanto mayor sea la temperatura de vertido, mayor será la contracción líquida de la aleación.
③Condiciones del molde y estructura de la colada
La contracción real de una pieza de fundición es diferente de la contracción libre de una aleación. Se ve obstaculizada por el molde y el núcleo; y, dado que la fundición tiene una estructura compleja y un grosor de pared desigual, las limitaciones mutuas de varias piezas durante el enfriamiento también dificultan la contracción.
La porosidad y la contracción se definen como los huecos que se forman en la parte solidificada final de una pieza fundida si la contracción líquida y la contracción de solidificación de la aleación no se compensan con la aleación líquida. Los huecos más grandes y concentrados se denominan porosidad, mientras que los pequeños y dispersos se denominan contracción.
Los perjuicios - La porosidad y la contracción reducen la superficie de carga efectiva de la pieza fundida, provocando una concentración de tensiones y reduciendo así las propiedades mecánicas. En el caso de piezas que requieren estanqueidad, la porosidad y la contracción pueden provocar fugas y afectar gravemente a su estanqueidad. Por lo tanto, la porosidad y la contracción figuran entre los principales defectos de la fundición.
① El proceso de formación de la porosidad.
Cuando la aleación líquida se vierte en un molde cilíndrico, la temperatura de la aleación líquida disminuye gradualmente debido al efecto de enfriamiento del molde. Su contracción líquida continúa, pero cuando el bebedero no está solidificado, la cavidad del molde siempre está llena (véase la figura 3(a)).
A medida que desciende la temperatura, la superficie de la pieza fundida se solidifica primero en una cáscara dura, cerrando simultáneamente el bebedero (véase la figura 3(b)). Al seguir enfriándose, el metal líquido del interior de la cáscara sigue encogiéndose, compensando la contracción por solidificación que se produjo al formarse la cáscara.
Dado que la contracción del líquido y la contracción por solidificación son mucho mayores que la contracción del sólido de la cáscara, el nivel del líquido desciende y se desprende de la parte superior de la cáscara (véase la figura 3(c)). Esto continúa, con el engrosamiento de la cáscara y el descenso del nivel de líquido.
Una vez que el metal se ha solidificado por completo, se forma una porosidad cónica en la parte superior de la pieza fundida (véase la figura 3(d)). Cuando la colada se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente, su volumen se contrae ligeramente, reduciéndose el volumen de la porosidad (véase la figura 3(e)). Si se coloca un tubo ascendente en la parte superior de la colada, la porosidad se desplazará hacia el tubo ascendente.
② Localización de la porosidad
Generalmente, aparece en la última zona solidificada de la pieza fundida, como la parte superior o central de la pieza fundida, cerca del bebedero o donde la pared de la pieza fundida es más gruesa.
③ Formación de la contracción
Esto se debe a una compensación insuficiente de la contracción en la última zona solidificada de la colada, o a que la aleación se solidifica en estado pastoso y las pequeñas zonas líquidas separadas por cristales dendríticos no reciben compensación de la contracción.
La contracción se divide en macrocontracción y microcontracción. La macrocontracción son pequeños agujeros visibles a simple vista o con lupa, a menudo distribuidos en el eje central de la pieza fundida o debajo de la porosidad (figura 4). La microcontracción son pequeños agujeros distribuidos entre los granos, visibles sólo con microscopio.
Este tipo de contracción está más extendida y a veces cubre toda la sección. La microcontracción es difícil de evitar por completo y no suele tratarse como un defecto para las piezas de fundición en general. En el caso de piezas fundidas con elevados requisitos de estanqueidad, propiedades mecánicas, propiedades físicas o propiedades químicas, hay que esforzarse por reducirla.
Las diferentes aleaciones de fundición tienen diferentes tendencias a la formación de porosidad y a la contracción. Las aleaciones de solidificación en capas (metales puros, aleaciones eutécticas o aleaciones con un estrecho rango de temperaturas de cristalización) tienen una alta tendencia a la porosidad y una baja tendencia a la contracción.
Las aleaciones de solidificación pastosa, aunque son menos propensas a la porosidad, son muy propensas a la contracción. Dado que algunas medidas del proceso pueden controlar el modo de solidificación de la colada, la porosidad y la contracción pueden convertirse mutuamente dentro de un cierto rango.
① Aplicación de la "solidificación direccional"
Para evitar las cavidades de contracción y la porosidad, la colada debe solidificarse según el principio de "solidificación direccional". Este principio se refiere al uso de diversas medidas técnicas para establecer un gradiente de temperatura creciente desde la parte de la pieza fundida más alejada de la compuerta hasta la propia compuerta.
La solidificación comienza en la pieza más alejada de la compuerta, progresando gradualmente hacia la compuerta en orden, siendo la propia compuerta la última en solidificarse. Este proceso facilita la contracción efectiva de la solidificación, desplazando las cavidades de contracción hacia la compuerta y dando lugar a piezas fundidas más densas.
Por lo tanto, la compuerta debe colocarse en la parte más gruesa y alta de la pieza fundida, con un tamaño suficientemente grande. Cuando sea posible, el bebedero debe situarse sobre la compuerta, permitiendo que el metal fundido fluya primero a través de ella.
Al mismo tiempo, se pueden colocar enfriadores en algunas partes especialmente gruesas de la colada (como se muestra en la figura 5) para acelerar el enfriamiento y maximizar el efecto de la contracción de solidificación de la compuerta.
Uno de los inconvenientes de la solidificación direccional son las grandes diferencias de temperatura que se producen en toda la pieza fundida, lo que provoca un estrés térmico considerable y una posible deformación o agrietamiento de la pieza.
Además, la inclusión de una compuerta aumenta el consumo de metal y los costes de limpieza. La solidificación direccional se utiliza normalmente para aleaciones con altos índices de contracción y rangos estrechos de temperatura de solidificación (como el acero fundido, la fundición maleable y el latón), así como para piezas fundidas con diferencias significativas en el grosor de las paredes y elevados requisitos de estanqueidad al aire.
② Compensación de la presión
Consiste en colocar el molde en una cámara de presión. Tras la colada, la cámara de presión se cierra rápidamente para que la colada se solidifique bajo presión, eliminando la porosidad y las cavidades de contracción. Este método también se conoce como "colada en olla a presión".
③ Uso de la tecnología de impregnación para evitar fugas debidas a cavidades de contracción y porosidad
Consiste en infiltrar un agente impregnante gelatinoso en las cavidades de la pieza moldeada, endurecer el agente impregnante e integrarlo en las paredes de las cavidades de la pieza moldeada para conseguir la estanqueidad.
Determinación de la ubicación de la cavidad de contracción y la porosidad
Para evitar las cavidades de contracción y la porosidad, es esencial determinar con precisión su ubicación en la pieza fundida al desarrollar el proceso de fundición, para poder tomar las medidas técnicas necesarias. Las localizaciones de las cavidades de contracción y la porosidad se determinan generalmente utilizando el método de la línea isotérmica o el método del círculo inscrito.
① Método de la línea isotérmica
Este método consiste en conectar puntos de la pieza fundida que alcanzan simultáneamente la temperatura de solidificación para formar líneas isotérmicas basadas en las condiciones de disipación del calor de las distintas partes de la pieza fundida. Esto se hace capa por capa hasta que las líneas isotérmicas de la sección transversal más estrecha se tocan entre sí.
De este modo, se puede determinar la última parte de solidificación de la pieza fundida, es decir, la ubicación de las cavidades de contracción y la porosidad. La figura 6(a) muestra la posición de la cavidad de contracción determinada por el método de la línea isotérmica, y la figura 6(b) muestra la posición real de la cavidad de contracción en la pieza fundida, que son básicamente coherentes.
② Método del círculo inscrito
Este método se utiliza a menudo para determinar la ubicación de las cavidades de contracción en las paredes de intersección de la pieza fundida, como se muestra en la figura 7(a). En la parte con mayor diámetro del círculo inscrito (denominada "punto caliente"), donde se acumula más metal, la solidificación suele ser la última en producirse, lo que fácilmente da lugar a cavidades de contracción y porosidad (Figura 7(b)).
Definición:
La tensión causada por la contracción en estado sólido obstaculizada de una pieza de fundición se denomina tensión de fundición. La tensión de fundición puede dividirse en tres tipos:
Tensión mecánica:
Este tipo de tensión es temporal, resultado de la obstrucción mecánica de la contracción de la fundición. En cuanto se elimina la obstrucción mecánica, la tensión desaparece. Entre las causas del impedimento mecánico se incluyen la resistencia a altas temperaturas de la arena de moldeo (núcleo), la escasa colapsabilidad y la obstrucción por las correas del cajón de arena y las huellas del núcleo.
Estrés térmico:
Este tensión internaEl estrés térmico, conocido como tensión térmica, se genera debido a las diferentes velocidades de enfriamiento de las distintas partes de la pieza fundida, lo que provoca una contracción incoherente dentro del mismo periodo, y existen limitaciones entre estas partes. Esta tensión térmica permanece incluso después de que la pieza fundida se haya enfriado a temperatura ambiente, de ahí que también se denomine tensión residual.
Estrés por cambio de fase:
Los cambios de volumen provocados por los cambios de fase en la aleación en condiciones elásticas pueden crear tensiones de cambio de fase. Si las distintas partes de la fundición se enfrían a velocidades diferentes, los cambios de fase no se producen simultáneamente, lo que provoca esta tensión.
La tensión de fundición es la suma algebraica de la tensión térmica, la tensión mecánica y la tensión de cambio de fase. Dependiendo de la situación, estas tres tensiones pueden superponerse o contrarrestarse entre sí. La presencia de tensiones de fundición puede acarrear una serie de efectos adversos, como provocar deformaciones y grietas en la fundición, reducir la capacidad de carga y afectar a la precisión del mecanizado.
① Aspectos tecnológicos:
a. La colada debe solidificarse según el principio de "solidificación simultánea". Para lograrlo, el sistema de compuerta debe colocarse en la zona de pared delgada y el enfriador en la zona de pared gruesa. De este modo, se minimiza la diferencia de temperatura entre las distintas partes de la colada y se produce la solidificación simultánea, reduciendo así el estrés térmico al nivel más bajo. Hay que tener en cuenta que la zona central de la colada suele presentar porosidad por contracción y una compactación inadecuada en este momento.
b. Aumentando la colapsabilidad del molde y del núcleo, retirando la arena y empaquetando la caja lo antes posible para eliminar los obstáculos mecánicos, y enfriando lentamente la colada en un foso de conservación del calor también se puede reducir la tensión de la colada.
② Diseño estructural:
Esfuércese por conseguir una estructura sencilla con paredes de grosor uniforme y transiciones graduales de paredes finas a gruesas, con el fin de reducir las diferencias de temperatura y permitir que cada pieza se contraiga más libremente.
③ Las tensiones térmicas en las piezas fundidas pueden eliminarse utilizando métodos como el envejecimiento natural y el envejecimiento artificial.
① Deformación:
Las piezas fundidas con tensiones se encuentran en un estado inestable y reducen espontáneamente las tensiones mediante deformación para alcanzar un estado estable. Es evidente que sólo cuando las partes elásticamente estiradas se contraen y las partes elásticamente comprimidas se extienden, la tensión en la pieza fundida puede disminuir potencialmente o eliminarse.
La dirección de la deformación de las piezas moldeadas en forma de T se muestra mediante la línea de puntos de la figura 9(a). Esto se debe a que, una vez enfriada la pieza fundida en forma de T, la pared gruesa está sometida a tensión y la pared fina a compresión, como dos muelles de longitudes diferentes (figura 9(b)). El muelle más corto de la parte superior se estira y el más largo de la parte inferior se comprime para mantener la misma longitud (figura 9(c)).
Sin embargo, esta combinación de muelles es inestable y trata de restablecer el estado de equilibrio original. Por lo tanto, aparece una deformación por flexión similar a la situación anterior (Figura 9(d)).
Peligro, contramedidas:
La medida fundamental para evitar la deformación de la fundición es reducir la tensión interna de la misma. Por ejemplo, durante la fase de diseño, procure que el grosor de la pared de la pieza fundida sea uniforme. Al establecer los procesos de fundición, intente enfriar todas las partes de la fundición simultáneamente, y aumente la colapsabilidad de la arena de moldeo (núcleo).
Cuando se fabrican patrones, puede utilizarse el método de deformación inversa, es decir, el patrón se fabrica con una forma opuesta a la deformación de la fundición por adelantado para compensar la deformación de la fundición. La base de la máquina herramienta mostrada en la figura 10 tiene una deformación por flexión debido a los gruesos raíles y las delgadas paredes laterales después de la fundición. Si el patrón se realiza con la curvatura opuesta representada por la línea de doble punta, los raíles serán rectos después de la fundición.
Hay que señalar que después de la deformación de la fundición, a menudo sólo puede reducir, pero no eliminar completamente, la tensión de la fundición. Tras el mecanizado, el desequilibrio de tensiones en la pieza provoca nuevas deformaciones, lo que afecta a la precisión del mecanizado. Por lo tanto, para las piezas de fundición importantes, debe realizarse un recocido de alivio de tensiones antes del mecanizado.
② Grietas:
Cuando la tensión de la colada supera el límite de resistencia del material en ese momento, pueden producirse grietas en la colada.
Las grietas pueden dividirse en grietas calientes y grietas frías.
Se forman a altas temperaturas y son uno de los defectos de fundición más comunes en la producción de piezas fundidas de acero, piezas brutas de fundición forjable y algunas piezas fundidas de aleaciones ligeras. Sus características son: la forma de la grieta es tortuosa e irregular, la superficie de la grieta parece oxidada (la superficie de la grieta de la fundición de acero parece casi negra, mientras que la de la aleación de aluminio es gris oscura), y la grieta pasa a lo largo de los límites del grano. Las grietas en caliente suelen aparecer en las últimas partes solidificadas de las piezas fundidas o en la superficie donde es probable que se produzca una concentración de tensiones.
Grietas frías:
Se forman a bajas temperaturas. Aleaciones con escasa plasticidad, alta fragilidad y baja conductividad térmica, como la fundición blanca, acero con alto contenido en carbonoy algunos aceros aleados, son propensos a las grietas en frío. Sus características son: la forma de la grieta es una línea recta continua o una curva suave, que a menudo atraviesa los granos. La superficie de la grieta es limpia, con brillo metálico o un ligero color de oxidación. Las grietas frías suelen producirse en las partes sometidas a tracción de la pieza fundida, especialmente en zonas de concentración de tensiones, como esquinas internas afiladas, cavidades de contracción y cerca de inclusiones no metálicas.
Peligro, contramedidas:
Los factores que reducen la tensión de fundición o disminuyen la fragilidad de la aleación (como la reducción del contenido de azufre y fósforo en el acero) tienen un efecto positivo en la prevención de grietas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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