La contracción en la fundición de metales describe las cavidades internas o hundimientos superficiales que se forman debido a que el metal fundido se contrae aproximadamente entre un 1 % y un 6 % durante la solidificación. Sin elevadores correctamente ubicados para suministrar metal líquido adicional, el metal en solidificación no puede compensar la pérdida de volumen, dejando huecos que debilitan la pieza terminada.
¿Qué es la contracción en la fundición de metales?
La contracción en la fundición se refiere a la contracción volumétrica que se produce cuando el metal fundido se enfría y solidifica, lo que resulta en una reducción del volumen del metal sólido. Dado que los metales suelen ser menos densos en estado líquido que en estado sólido, todos los metales fundidos experimentan contracción al solidificarse. Si esta contracción natural no se compensa adecuadamente (por ejemplo, mediante el aporte de metal fundido adicional durante la solidificación), pueden formarse huecos o cavidades en la pieza fundida.
Estos huecos relacionados con la contracción son una clase común de defecto de fundición, distinta de porosidad de gasEn particular, los huecos de contracción tienden a tener formas irregulares, dentadas o angulares (debido a la separación de la red dendrítica en solidificación), mientras que los agujeros de porosidad de gas suelen ser lisos y redondeados.
Las tres etapas de la contracción
Etapa 1: Contracción del líquido
La contracción líquida comienza inmediatamente después de verter el metal fundido en el molde. El metal se contrae al enfriarse desde su temperatura de vertido hasta su temperatura de liquidus (el punto donde comienza la solidificación). Durante esta etapa, el metal permanece completamente líquido y puede fluir libremente para compensar los cambios de volumen.
Etapa 2: Contracción por solidificación
La contracción por solidificación ocurre cuando el metal pasa de líquido a sólido a temperatura de congelación. Esta etapa causa la reducción de volumen más significativa, ya que los átomos se compactan más en la estructura cristalina sólida. El metal no puede fluir para llenar los huecos una vez solidificado, lo que la convierte en la etapa más crítica para la formación de defectos.
Etapa 3: Contracción del estado sólido
La contracción en estado sólido ocurre después de que el metal se solidifica por completo y continúa enfriándose hasta alcanzar la temperatura ambiente. Durante esta etapa, el metal sólido se contrae uniformemente en todas las direcciones. Esta contracción es generalmente predecible y causa cambios dimensionales generales en lugar de defectos internos.
Tipos de defectos de contracción
Contracción abierta
Los defectos de contracción abierta se relacionan con la atmósfera o la superficie de la pieza fundida. Estos defectos son visibles durante la inspección y suelen aparecer en las superficies superiores de las piezas fundidas. Existen dos tipos principales de contracción abierta:
TuberíaCavidades profundas en forma de embudo que se extienden desde la superficie de la pieza fundida hacia el interior. Se forman cuando el metal líquido no puede alimentar las zonas de contracción inferiores.
Superficies hundidasDepresiones superficiales en la superficie de la pieza fundida, causadas por una cantidad insuficiente de metal líquido para compensar la contracción de solidificación. Estas aparecen como hendiduras en forma de plato.
Contracción cerrada
Los defectos de contracción cerrada se forman completamente dentro de la pieza fundida, sin conectar con ninguna superficie. Estos huecos internos son más difíciles de detectar y requieren pruebas de rayos X o ultrasonidos. Se presentan comúnmente tres tipos de contracción cerrada:
MacrocontracciónGrandes cavidades visibles a simple vista al seccionar la pieza fundida. Estas suelen formarse en secciones gruesas o en puntos calientes.
Cavidades en la línea central: Huecos de contracción lineal que se forman a lo largo del eje central de piezas fundidas cilíndricas o simétricas. Se desarrollan cuando la solidificación progresa uniformemente desde todos los lados.
MicrocontracciónPequeños huecos dispersos por toda la pieza fundida, a menudo entre los brazos dendríticos. Estos defectos microscópicos reducen las propiedades mecánicas incluso cuando son pequeños individualmente.
La influencia de los modos de solidificación en el comportamiento de contracción
Solidificación eutéctica
La solidificación eutéctica ocurre a una sola temperatura donde el líquido se transforma directamente en sólido sin una zona blanda.
Las aleaciones eutécticas tienden a formar defectos de contracción tipo tubería en lugar de porosidad dispersa. El frente de solidificación despejado permite una mejor alimentación del metal líquido para compensar la contracción.
Solidificación direccional
La solidificación direccional avanza de un extremo a otro de la pieza fundida de forma controlada. Este modo crea un gradiente de temperatura que mantiene el metal líquido disponible para alimentar las zonas de contracción. Las piezas fundidas correctamente diseñadas utilizan la solidificación direccional para impulsar la contracción hacia las mazarotas, en lugar de hacia la propia pieza fundida.
Solidificación equiaxial (blanda)
La solidificación equiaxial crea una amplia zona blanda donde coexisten líquidos y sólidos en un rango de temperaturas. Las aleaciones de aluminio y muchos aceros se solidifican de esta manera. El patrón de solidificación dispersa dificulta la alimentación de metal líquido.
Este modo suele producir microcontracción y porosidad dispersa en lugar de grandes cavidades. La red interconectada de dendritas sólidas bloquea las vías de flujo del líquido en las primeras etapas de la solidificación.
Causa de la contracción
La influencia de la geometría de la fundición
La geometría de la pieza de fundición determina directamente dónde y cómo se forman los defectos de contracción. Ciertas características geométricas crean condiciones que favorecen la contracción:
Puntos de Acceso Wi-Fi Móvil (Hotspots)Las secciones gruesas que se enfrían más lentamente que las áreas circundantes crean charcos de líquido aislados. Estas regiones no pueden recibir alimentación líquida después de que el metal circundante se solidifica, lo que resulta en cavidades de contracción.
Variación del espesor de la secciónLos cambios bruscos de secciones gruesas a delgadas alteran la solidificación uniforme. Las secciones gruesas se solidifican al final y suelen presentar defectos de contracción en las zonas de transición.
Composición de la aleación y características de congelación
La aleación metálica específica y su comportamiento de solidificación influyen fuertemente en la formación de defectos de contracción:
Contracción volumétricaDistintas aleaciones se contraen en distinta medida. El aluminio puro se contrae un 6.6 %, mientras que la adición de un 12 % de silicio reduce la contracción al 3.8 %.
Rango de solidificación (congelación)Las aleaciones con amplios rangos de congelación (diferencia entre las temperaturas de líquido y sólido) son más propensas a la microcontracción. Los metales puros y las aleaciones eutécticas con rangos estrechos forman patrones de contracción más limpios.
Elementos de aleaciónCiertos elementos específicos afectan la contracción. El silicio presente en el aluminio reduce la contracción, mientras que el azufre presente en el acero puede aumentar la tendencia al desgarro en caliente.
Parámetros de proceso
La forma en que se vierte y se enfría el metal afecta significativamente la formación de defectos de contracción:
Temperatura de vertidoLas temperaturas de vertido más altas aumentan la contracción total causada por el enfriamiento líquido. El sobrecalentamiento excesivo también ralentiza la solidificación, dando más tiempo para la formación de cavidades por contracción.
Tasa de vertidoEl vertido rápido mantiene la temperatura, pero puede causar turbulencias. El vertido lento permite una solidificación prematura que bloquea las vías de alimentación.
Velocidad de enfriamientoEl enfriamiento rápido reduce el tiempo de alimentación líquida, pero puede aumentar los gradientes térmicos. El enfriamiento lento permite una alimentación más completa, pero puede generar estructuras de grano más grandes.
Diseño de moldes y elevadores
El diseño adecuado del sistema de moldeo evita la contracción mediante:
Diseño de moldeLa correcta colocación de las compuertas y los canales promueve patrones de solidificación favorables. El llenado inferior reduce la turbulencia, mientras que una ventilación adecuada evita la acumulación de gas que agrava los problemas de contracción.
Diseño de elevadorLas mazarotas deben solidificarse después de las secciones de fundición que alimentan. El volumen de la mazarota debe ser de 1.2 a 2 veces el volumen de contracción de la sección alimentada. Unas dimensiones adecuadas del cuello garantizan un flujo continuo de líquido y facilitan la extracción de las mazarotas.
Velocidad de enfriamiento y escalofríos
El enfriamiento controlado gestiona los patrones de solidificación a través de:
Velocidad de enfriamiento:Una velocidad de enfriamiento más rápida (que se logra mediante el uso de disipadores de calor colocados en el molde o el uso de moldes de metal en la fundición en molde permanente) hará que el metal se congele más rápido y de manera más uniforme, lo que puede reducir el tamaño de las cavidades de contracción o eliminarlas al forzar la solidificación direccional hacia los alimentadores.
Escalofríos refrescantesEl enfriamiento desplaza eficazmente los puntos calientes extrayendo calor en puntos estratégicos, lo que favorece su congelación temprana (y, por lo tanto, su alimentación desde regiones aún fundidas en otros lugares). Por el contrario, un enfriamiento muy lento (como en moldes aislantes o piezas fundidas de gran tamaño) puede permitir una segregación significativa de líquido y promover grandes vacíos de contracción.
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