Defecto de fundición

Un defecto de fundición es una irregularidad no deseada en un proceso de fundición de metales . Algunos defectos pueden tolerarse, otros pueden repararse y, en caso contrario, deben eliminarse. Se dividen en cinco categorías principales: porosidad gaseosa , defectos de contracción , defectos del material del molde , defectos del metal de vertido y defectos metalúrgicos . ^{[ 1 ]}

Los términos "defecto" y "El término «discontinuidad » se refiere a dos aspectos específicos y distintos en las piezas fundidas. Los defectos se definen como condiciones en una pieza fundida que deben corregirse o eliminarse, o de lo contrario la pieza debe rechazarse. Las discontinuidades, también conocidas como «imperfecciones», se definen como «interrupciones en la continuidad física de la pieza fundida». Por lo tanto, si la pieza fundida no es perfecta, pero aún es útil y cumple con las tolerancias, las imperfecciones deben considerarse «discontinuidades». ^{[ 2 ]}

Existen muchos tipos de defectos que resultan de diversas causas. Algunas soluciones a ciertos defectos pueden ser la causa de otro tipo de defecto. ^{[ 3 ]}

En las piezas fundidas en arena pueden aparecer los siguientes defectos . La mayoría de ellos también se presentan en otros procesos de fundición.

Los defectos de contracción pueden ocurrir cuando no se dispone de metal de alimentación estándar para compensar la contracción a medida que el metal grueso se solidifica . Los defectos de contracción tendrán una apariencia irregular o lineal. Los defectos de contracción generalmente ocurren en la parte superior o inferior de la pieza fundida. ^{[ 4 ]} Los defectos de contracción se pueden dividir en dos tipos diferentes: defectos de contracción abiertos y defectos de contracción cerrados . Los defectos de contracción abiertos están expuestos a la atmósfera , por lo que a medida que se forma la cavidad de contracción, el aire compensa. Hay dos tipos de defectos de aire abierto: tubos y superficies hundidas . Los tubos se forman en la superficie de la pieza fundida y se introducen en ella, mientras que las superficies hundidas son cavidades poco profundas que se forman a través de la superficie de la pieza fundida. ^{[ 5 ]}

Los defectos de contracción cerrados, también conocidos como porosidad por contracción , son defectos que se forman dentro de la pieza fundida. Se forman charcos aislados de líquido dentro del metal solidificado, denominados puntos calientes . El defecto de contracción generalmente se forma en la parte superior de los puntos calientes. Requieren un punto de nucleación , por lo que las impurezas y el gas disuelto pueden inducir defectos de contracción cerrados. Los defectos se dividen en macroporosidad y microporosidad (o microcontracción ), donde la macroporosidad es visible a simple vista y la microporosidad no. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La porosidad gaseosa es la formación de burbujas dentro de la pieza fundida después de que se haya enfriado. Esto ocurre porque la mayoría de los materiales líquidos pueden contener una gran cantidad de gas disuelto, pero la forma sólida del mismo material no puede, por lo que el gas forma burbujas dentro del material a medida que se enfría. ^{[ 7 ]} La porosidad gaseosa puede presentarse en la superficie de la pieza fundida como porosidad o el poro puede quedar atrapado dentro del metal, ^{[ 8 ]} lo que reduce la resistencia en esa zona. El nitrógeno , el oxígeno y el hidrógeno son los gases más comunes en los casos de porosidad gaseosa. ^{[ 6 ]} En las piezas fundidas de aluminio, el hidrógeno es el único gas que se disuelve en cantidades significativas, lo que puede dar lugar a la porosidad gaseosa por hidrógeno . ^{[ 9 ]} Para piezas fundidas de unos pocos kilogramos de peso, los poros suelen tener un tamaño de 0,01 a 0,5 mm (0,0004 a 0,02 pulgadas) . En piezas fundidas más grandes, pueden tener hasta un milímetro (0,04 pulgadas) de diámetro. ^{[ 8 ]}   

Para evitar la porosidad de gas, el material puede fundirse al vacío, en un entorno de gases de baja solubilidad, como argón ^{[ 10 ]} o dióxido de carbono , ^{[ 11 ]} o bajo un fundente que impida el contacto con el aire. Para minimizar la solubilidad del gas, las temperaturas de sobrecalentamiento pueden mantenerse bajas. La turbulencia al verter el metal líquido en el molde puede introducir gases, por lo que los moldes suelen estar aerodinámicos para minimizar dicha turbulencia. Otros métodos incluyen la desgasificación al vacío , el lavado con gas o la precipitación. La precipitación implica la reacción del gas con otro elemento para formar un compuesto que formará una escoria que flotará en la superficie. Por ejemplo, el oxígeno puede eliminarse del cobre añadiendo fósforo ; el aluminio o el silicio pueden añadirse al acero para eliminar el oxígeno. ^{[ 7 ]} Una tercera fuente consiste en reacciones del metal fundido con grasa u otros residuos en el molde.

El hidrógeno se produce por la reacción del metal con la humedad o la humedad residual en el molde. Secar el molde puede eliminar esta fuente de formación de hidrógeno. ^{[ 12 ]}

A veces, la porosidad gaseosa puede ser difícil de distinguir de la microcontracción, ya que las cavidades de microcontracción también pueden contener gases. En general, las microporosidades se forman si la pieza fundida no se alimenta correctamente o si se funde un material con un amplio rango de solidificación. Si no se da ninguna de estas circunstancias, lo más probable es que la porosidad se deba a la formación de gas. ^{[ 13 ]}

Las pequeñas burbujas de gas se denominan porosidades, pero las burbujas de gas más grandes se denominan burbujas ^{[ 14 ]} o ampollas . Estos defectos pueden ser causados ​​por aire atrapado en el metal fundido, vapor o humo de la arena de fundición , u otros gases del metal fundido o del molde. (Los agujeros de vacío causados ​​por la contracción del metal (véase más arriba) también pueden denominarse informalmente "burbujas"). Las prácticas adecuadas de fundición, incluida la preparación del metal fundido y el diseño del molde, pueden reducir la aparición de estos defectos. Debido a que a menudo están rodeados por una capa de metal sano, las burbujas pueden ser difíciles de detectar, requiriendo análisis armónicos, ultrasónicos , magnéticos o de rayos X (por ejemplo, tomografía computarizada industrial ).

Los defectos en el vertido de metal incluyen coladas incompletas , cierres fríos e inclusiones . Una colada incompleta ocurre cuando el metal líquido no llena completamente la cavidad del molde, dejando una porción sin llenar. Los cierres fríos ocurren cuando dos frentes de metal líquido no se fusionan correctamente en la cavidad del molde, dejando un punto débil. Ambos se deben a la falta de fluidez del metal fundido o a secciones transversales demasiado estrechas. La fluidez se puede aumentar modificando la composición química del metal o incrementando la temperatura de vertido. Otra posible causa es la contrapresión debida a una ventilación inadecuada de la cavidad del molde. ^{[ 15 ]}

Los fallos de colada y los cierres en frío están estrechamente relacionados y ambos implican la congelación del material antes de que llene completamente la cavidad del molde. Este tipo de defectos son graves porque el área que rodea el defecto es significativamente más débil de lo previsto. ^{[ 16 ]} La colabilidad y la viscosidad del material pueden ser factores importantes en estos problemas. La fluidez afecta al espesor mínimo de la sección que se puede colar, la longitud máxima de las secciones delgadas, la finura de los detalles que se pueden colar y la precisión del llenado de los extremos del molde. Existen varias formas de medir la fluidez de un material, aunque generalmente implica el uso de una forma de molde estándar y la medición de la distancia que recorre el material. La fluidez se ve afectada por la composición del material, la temperatura o el rango de congelación, la tensión superficial de las películas de óxido y, lo más importante, la temperatura de vertido. Cuanto mayor sea la temperatura de vertido, mayor será la fluidez; sin embargo, las temperaturas excesivas pueden ser perjudiciales, provocando una reacción entre el material y el molde; en los procesos de colada que utilizan un material de molde poroso, el material incluso puede penetrar en el material del molde. ^{[ 17 ]}

El punto en el que el material no puede fluir se denomina punto de coherencia . Este punto es difícil de predecir en el diseño de moldes, ya que depende de la fracción sólida, la estructura de las partículas solidificadas y la velocidad de deformación por cizallamiento local del fluido. Generalmente, este valor oscila entre 0,4 y 0,8. ^{[ 18 ]}

Una inclusión es una contaminación metálica por escoria , si es sólida, o por escoria líquida. Generalmente se trata de impurezas en el metal fundido (normalmente óxidos , y con menor frecuencia nitruros , carburos o sulfuros ), material erosionado del revestimiento del horno o de la cuchara, o contaminantes del molde. En el caso específico de las aleaciones de aluminio, es importante controlar la concentración de inclusiones midiéndolas en el aluminio líquido y tomando medidas para mantenerlas dentro del nivel requerido.

Hay varias maneras de reducir la concentración de inclusiones. Para reducir la formación de óxido, el metal se puede fundir con un fundente , al vacío o en una atmósfera inerte . Se pueden agregar otros ingredientes a la mezcla para que la escoria flote a la superficie, donde se puede retirar antes de verter el metal en el molde. Si esto no es práctico, se puede usar una cuchara especial que vierte el metal desde abajo. Otra opción es instalar filtros cerámicos en el sistema de alimentación. De lo contrario, se pueden formar compuertas de remolino que hacen girar el metal líquido a medida que se vierte, forzando las inclusiones más ligeras al centro y manteniéndolas fuera de la fundición. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Si parte de la escoria se pliega en el metal fundido, entonces se convierte en un defecto de arrastre .

En esta categoría existen dos defectos: desgarros calientes y puntos calientes . Los desgarros calientes, también conocidos como^El agrietamiento en caliente [ ^{21 ]} son ​​fallas en la fundición que ocurren durante el enfriamiento. Esto sucede porque el metal es débil cuando está caliente y las tensiones residuales en el material pueden provocar la falla de la fundición durante el enfriamiento. Un diseño adecuado del molde previene este tipo de defecto ^{[ 3 ] .}

Los puntos calientes son secciones de la pieza fundida que se han enfriado más lentamente que el material circundante debido a su mayor volumen. Esto provoca una contracción anormal en esta región, lo que puede generar porosidad y grietas. Este tipo de defecto se puede evitar mediante prácticas de enfriamiento adecuadas o modificando la composición química del metal. ^{[ 3 ]} Otros métodos para minimizar las grietas en caliente son evitar el sobrecalentamiento del material de fundición y aumentar la temperatura del molde. ^{[ 22 ]}

En la fundición a presión, los defectos más comunes son los fallos de llenado y los cierres en frío . Estos defectos pueden deberse a moldes fríos, baja temperatura del metal, metal sucio, falta de ventilación o exceso de lubricante. Otros posibles defectos son la porosidad gaseosa, la porosidad por contracción, las grietas en caliente y las marcas de flujo. Las marcas de flujo son marcas que quedan en la superficie de la pieza fundida debido a un mal sistema de alimentación, esquinas afiladas o exceso de lubricante. ^{[ 23 ]}

Una fisura longitudinal en la superficie es un tipo de defecto especializado que solo se produce en los procesos de colada continua . Este defecto se debe a un enfriamiento desigual, tanto primario como secundario , e incluye características del acero fundido como una composición química fuera de especificación, la limpieza del material y la homogeneidad .

La fundición en arena presenta muchos defectos que pueden ocurrir debido a fallas en el molde. El molde generalmente falla por una de dos razones: se utiliza un material incorrecto o se compacta de forma inadecuada . ^{[ 24 ]}

El primer tipo es la erosión del molde , que consiste en el desgaste del molde a medida que el metal líquido lo llena. Este tipo de defecto generalmente solo ocurre en la fundición en arena porque la mayoría de los demás procesos de fundición tienen moldes más robustos. Las piezas fundidas producidas tienen zonas rugosas y exceso de material. La arena de moldeo se incorpora al metal fundido y disminuye la ductilidad , la resistencia a la fatiga y la tenacidad a la fractura de la pieza fundida. Esto puede deberse a una arena con poca resistencia o a una velocidad de vertido demasiado rápida. La velocidad de vertido se puede reducir rediseñando el sistema de alimentación para usar canales más grandes o múltiples compuertas. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Una fuente relacionada de defectos son las gotas , en las que parte de la arena de moldeo de la parte superior cae en la pieza fundida mientras aún está líquida. Esto también ocurre cuando el molde no se compacta correctamente. ^{[ 26 ]}

El segundo tipo de defecto es la penetración del metal , que ocurre cuando el metal líquido penetra en la arena de moldeo. Esto provoca un acabado superficial rugoso . Esto se debe a partículas de arena demasiado gruesas, falta de lavado del molde o temperaturas de vertido demasiado altas. ^{[ 26 ]} Una forma alternativa de penetración del metal en el molde, conocida como veteado, se produce por el agrietamiento de la arena.

Si la temperatura de vertido es demasiado alta o se utiliza arena de bajo punto de fusión, la arena puede fusionarse con la pieza fundida. Cuando esto ocurre, la superficie de la pieza fundida resultante tiene un aspecto quebradizo y vítreo. ^{[ 26 ]}

Se produce un desbordamiento cuando el metal líquido se escapa del molde debido a un molde o matraz defectuoso . ^{[ 26 ]}

Las costras son una fina capa de metal que sobresale de la fundición. Son fáciles de quitar y siempre revelan unaabolladura en la parte inferior, que es una hendidura en la superficie de la fundición.Las colas de rata son similares a las hebillas, excepto que son hendiduras de línea delgada y no están asociadas con costras. Otro defecto similar esLas deformaciones , que son pandeos que ocurren en la parte superior de las piezas fundidas en arena, son defectos visuales que no justifican el descarte de la pieza. ^{[ 27 ]} Estos defectos son causados ​​por temperaturas de vertido excesivamente altas o deficiencias decarbonáceo. ^{[ 26 ]}

Se produce una hinchazón cuando la pared del molde cede en toda una cara, y es causada por un molde compactado incorrectamente. ^{[ 26 ]}

La adhesión por corrosión se produce cuando los óxidos metálicos interactúan con las impurezas de las arenas de sílice. El resultado son partículas de arena incrustadas en la superficie de la pieza fundida terminada. Este defecto puede evitarse reduciendo la temperatura del metal líquido, utilizando un lavado del molde y añadiendo diversosaditivosa la mezcla de arena. ^{[ 28 ]}

• Porosidad del gas hidrógeno
• Inclusiones en aleaciones de aluminio
• Inclusiones no metálicas para inclusiones en acero
• Sellado de porosidad

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