La fundición a presión es la forma más rápida y rentable de fabricar grandes volúmenes de piezas de aluminio, zinc o magnesio; sin embargo, debemos tener en cuenta su porosidad. Las piezas fundidas a presión tienen excelentes acabados superficiales, mantienen características y tolerancias constantes y desperdician poca materia prima.
Si está desarrollando un producto y considerando la fundición a presión para un proyecto, debe ser consciente de que todas las piezas de fundición deben enfrentarse al problema de la porosidad. Es inevitable, pero se puede controlar. En Gestión de Compras contamos con más de 20 años de experiencia en este proceso de fabricación, enfrentándonos con la porosidad en nuestros proyectos y mitigando los efectos de la porosidad en las piezas. Veamos qué la causa y cómo utilizar las mejores prácticas de diseño para gestionar la porosidad y obtener resultados superiores.
¿Qué es la porosidad?
La porosidad se refiere a un agujero o vacío en una pieza de metal fundido que, por lo demás, es sólida. El tamaño de los poros puede variar desde microscópicos (microporos) a grandes vacíos medibles en milímetros cúbicos o más. Los poros no siempre son de sección circular, sino que también pueden adoptar la forma de grietas lineales irregulares.
La porosidad tiene dos causas principales: la contracción por solidificación y la porosidad gaseosa. Examinemos más detenidamente las causas fundamentales de estos dos tipos y, a continuación, propondremos estrategias para tratarlas.
Contracción por solidificación
Después de inyectar metal fundido en la cavidad de un molde, empieza a solidificarse cuando entra en contacto con las paredes relativamente frías de la herramienta. Esta solidificación hace que el metal se encoja, pero la velocidad a la que esto ocurre varía en función de la geometría de la herramienta de moldeo y del tipo de aleación que se utilice.
La parte de metal semilíquido más alejada de la pared de la herramienta se denomina fango, y es en esta zona donde es más probable que se formen poros. Además, a medida que el metal fundido se convierte en sólido, puede bloquear el paso del líquido a otros lugares del molde. Esto puede crear poros al impedir la licuefacción completa de todas las características del diseño.
Porosidad de gas
Las bolsas de gas se forman de varias maneras. En el caso del aluminio, el hidrógeno puede salirse de la suspensión y llenar los huecos con gas hidrógeno.
También puede haber aire atrapado dentro de la herramienta de moldeo que no se haya evacuado o ventilado completamente a medida que se llenaba la cavidad. Este aire atrapado se denomina arrastrado.
Por último, otros líquidos pueden mezclarse con el metal fundido durante la inyección. Puede tratarse de agentes de desmoldeo, fluido hidráulico derramado o incluso humedad atmosférica. Cualquiera de ellos puede vaporizarse rápidamente y formar burbujas de gas. Los líquidos o aceites que no se evaporan se convierten en contaminantes que pueden formar inclusiones en la pieza final.
Tres tipos de porosidad
Acabamos de ver las dos causas principales de los poros: la contracción por solidificación y la porosidad por gas. En ambos casos, pueden producirse poros que formen una de las tres subcategorías principales.
- Porosidad ciega
El poro comienza en la superficie de un elemento y termina en algún lugar dentro del cuerpo del metal. Estos tipos no suelen afectar a la resistencia mecánica, pero pueden invitar a la corrosión.
Es posible sellar estos poros después de la fundición, especialmente si la pieza tiene que mantener la presión, como en un cilindro hidráulico.
- Porosidad pasante
El poro comienza en la superficie y crea un canal que atraviesa la pieza y sale por la pared opuesta. Esto provoca una fuga y tendría que sellarse por ambos lados.
- Porosidad totalmente cerrada
Estos poros existen dentro del cuerpo del metal y no están expuestos al exterior a menos que se penetre en ellos posteriormente durante el mecanizado. La existencia de estos poros no suele ser evidente a menos que la pieza se someta a una tomografía computarizada (TC) después de la fundición o si la pieza se abre por razones de diagnóstico.
Tolerancias admisibles para la porosidad
La porosidad suele representar una media del 5% del volumen total de la pieza. No es realista eliminar la porosidad, sino más bien asegurarse de que está contenida en aquellas zonas en las que no es perjudicial para la función o el aspecto de la pieza.
Por tanto, cuando se elabora un dibujo de diseño o un archivo CAD, estas zonas deben designarse claramente con un conjunto de especificaciones y tolerancias para los defectos admisibles, al igual que ocurriría con las tolerancias dimensionales. Las especificaciones de porosidad suelen adoptar la forma de: número de poros en un volumen determinado; tamaño máximo permitido por poro; y porcentaje de volumen total por pieza.
Los fabricantes utilizan esta información para ajustar los parámetros de moldeo en consecuencia. Esto significará permitir la porosidad en algunas zonas menos críticas y evitarla en otras. Siempre habrá que tener en cuenta estas compensaciones, por lo que es mejor tenerlas en cuenta al principio de un proyecto.
Consejos de diseño de herramientas para prevenir la porosidad en fundición a presión
Existen algunas prácticas recomendadas de diseño de herramientas que deben emplearse para ayudar a prevenir las causas más comunes de porosidad.
Espesor de pared: La causa más común de porosidad es, con diferencia, el enfriamiento desigual de la pieza dentro de la cavidad, que es a su vez una función de los distintos grosores de pared.
La forma más fácil y rápida de evitarlo es mantener espesores de pared uniformes siempre que sea posible. Esa es la tarea del diseñador de moldes. Muchas otras consideraciones importantes, como el diseño de resaltes, nervaduras, refuerzos y otras características, son similares a las del moldeo por inyección de plástico.
Índice de contracción: se ve afectado por la temperatura de fusión de la aleación, el tiempo de enfriamiento y la temperatura de enfriamiento. En el caso del aluminio, que es con diferencia el material de fundición a presión más común, la adición de silicio puede reducir considerablemente el índice de contracción, pero sólo dentro de un determinado porcentaje de aleación. Demasiado silicio puede afectar negativamente al rendimiento mecánico de la aleación.
Lo mejor es que el desarrollador del producto colabore estrechamente con el fundidor a presión para discutir las opciones de materias primas en función de la aplicación y el diseño.
Arrastre: Es difícil eliminar completamente el aire arrastrado de un molde, especialmente en el caso de formas complejas que tienen muchas características internas en las que puede quedar atrapado el aire.
Existen varias estrategias para mitigar el aire arrastrado. Una es mejorar el diseño de la herramienta de moldeo para que no haya esquinas afiladas o bolsas por las que no pueda escapar el aire. También se pueden añadir más respiraderos u optimizar el diseño del sistema de compuertas/canales para permitir vías de escape del aire.
Cambiar la velocidad de inyección y la presión puede ayudar con la ventilación, pero puede afectar negativamente a la pieza de otras maneras, por lo que debe hacerse con cuidado.
¿Es la fundición a presión la solución para usted?
En Gestión de Compras, nuestro equipo trabaja con los clientes para garantizar que los diseños se optimizan para evitar el riesgo de porosidad. Si desea trabajar con nosotros en su próximo proyecto, podemos ofrecerle una revisión gratuita del proyecto y trabajar con usted para conseguir piezas de fundición a presión que se ajusten exactamente a sus especificaciones.
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