¿Cómo se forman las grietas en las piezas fundidas?? Causas, Prevención, Soluciones

Introducción

Fundición Las grietas son uno de los defectos más frecuentes y destructivos en la fabricación de piezas de fundición de metales..

Comprometen gravemente la integridad estructural, estabilidad dimensional, Rendimiento mecánico y seguridad de servicio de componentes fundidos., lo que lleva a altas tasas de desperdicio, aumento de los costos de producción y reducción de la vida útil del equipo.

En la producción de fundición industrial, Las grietas se clasifican científicamente en dos tipos exclusivos según la etapa de formación., mecanismo microscópico, características morfológicas y estado de estrés: grietas calientes (lágrimas calientes) y grietas frías (lágrimas frías).

Se producen grietas en caliente en la etapa final de solidificación del metal fundido., mientras que las grietas en frío se forman después de la solidificación completa durante la fase de enfriamiento elástico a baja temperatura.

Los dos tipos de defectos difieren drásticamente en la morfología macroscópica., modo de expansión microscópica, Causas fundamentales y sistemas de aleaciones susceptibles..

Una comprensión sistemática de sus mecanismos de formación y estrategias de resolución específicas es esencial para que los ingenieros de fundición optimicen los procesos de fundición., eliminar defectos de grietas y mejorar la tasa de rendimiento de piezas fundidas de alta calidad.

Este artículo elabora las características dimensionales completas., principios de formación, factores inductores clave y medidas preventivas estandarizadas & Soluciones correctivas para fundición de grietas en caliente y en frío..

1. Grietas calientes: Mecanismo de formación, Características y Soluciones

Las grietas en caliente son defectos típicos de fundición a alta temperatura que surgen en el etapa de solidificación tardía o inmediatamente después de la solidificación, cuando la aleación de fundición conserva una resistencia extremadamente baja y una tenacidad plástica pobre.

Son comunes en fundiciones de acero., Piezas fundidas de hierro maleable y piezas fundidas de aleaciones ligeras., y están impulsados ​​fundamentalmente por la tensión de contracción no aliviada y la tensión térmica durante la solidificación..

Características morfológicas y estructurales típicas

Las grietas calientes poseen características visuales y microscópicas únicas que las distinguen de las grietas frías.:

forma macro:

Las líneas de grietas son tortuosas, irregular y desigual en espesor, presentando una amplia abertura exterior y una sección interna que se estrecha gradualmente con un típico desgarro, Estado de fractura “parcialmente conectada”.

Características de oxidación superficial.:

Las superficies de las grietas forman distintas capas de óxido sin brillo metálico..
Las grietas calientes de la fundición de acero parecen casi negras, Mientras que las grietas de la aleación de aluminio muestran un tono gris apagado debido a la oxidación a alta temperatura..

Modo de expansión microscópica:

Las grietas calientes germinan y se expanden a lo largo de los límites de los granos., cuál es su principal característica de identificación microscópica.

Clasificación:

Dividido en grietas calientes externas y grietas calientes internas..
Las grietas externas son visibles en la superficie de la pieza fundida., distribuido principalmente en esquinas afiladas, transiciones abruptas del espesor de la pared y áreas concentradas de tensiones con solidificación local lenta, y en casos severos puede incluso penetrar toda la sección transversal de la pieza de fundición..
Se forman grietas internas calientes en la zona de solidificación final dentro de las piezas fundidas., acompañado de estructuras cristalinas dendríticas, y rara vez se extienden a la superficie exterior.

Mecanismo de formación del núcleo

Después de verter el metal fundido en el molde., El calor se disipa hacia afuera a través de la pared del molde., hacer que la solidificación comience desde la superficie de la fundición y se extienda gradualmente hacia adentro.

En la última etapa de solidificación., Los cristales dendríticos se superponen para formar un esqueleto sólido rígido y comienzan la contracción lineal..

En esta etapa, Todavía existe una fina película de metal líquido no solidificado entre las dendritas adyacentes..

Si la contracción del esqueleto dendrítico no tiene ningún obstáculo, no se generará estrés interno.

Sin embargo, Cuando la contracción del sólido está restringida por barreras externas como moldes de arena., núcleos de arena y fricción del molde, La tensión de tracción se acumula dentro de la pieza fundida..

Una vez que la tensión de tracción excede la resistencia última de la aleación a altas temperaturas, El agrietamiento intergranular ocurre entre las dendritas..

La aparición de grietas en caliente depende de la reposición del metal líquido después de la fisuración..

Si suficiente metal fundido llena los huecos agrietados a tiempo, los defectos no se formarán; si las grietas no se pueden reponer, Se desarrollarán grietas calientes permanentes..

Las aleaciones con un amplio rango de temperaturas de solidificación y características de solidificación tipo pasta esponjosa son altamente susceptibles al craqueo en caliente.,

mientras que las aleaciones eutécticas con solidificación a temperatura constante tienen la menor tendencia a agrietarse en caliente..

Factores inductores clave

La formación de grietas calientes es el resultado combinado del diseño estructural., Calidad de fundición y parámetros del proceso de fundición.:

1. Defectos estructurales: Espesor de pared desigual, filetes interiores excesivamente pequeños, ramificación excesiva de partes superpuestas, y estructuras rígidas de marco o nervaduras que bloquean la contracción sólida libre de las piezas fundidas..
2. Irracionalidades del proceso: Tamaño y posición inadecuados de los sistemas de compuertas y elevadores que restringen la contracción.;
   Sacudida prematura del molde que conduce a un enfriamiento rápido y desigual.; Resistencia excesiva del molde con poca deformabilidad..
3. Problemas de composición química y de materiales.: Aleaciones con altas tasas de contracción lineal.; elementos excesivos de impurezas de bajo punto de fusión;
   Contenido excesivo de azufre y fósforo en piezas fundidas de acero y hierro que deterioran la tenacidad a altas temperaturas..

Resolución sistemática y medidas preventivas

Optimice el diseño estructural de fundición

Estandarizar el diseño estructural para eliminar los riesgos inherentes de concentración de tensiones.: Garantizar un espesor de pared uniforme de las piezas fundidas., establezca filetes de transición redondeados en todas las esquinas afiladas para amortiguar la tensión de contracción,

y adoptar estructuras de radios curvos para las piezas fundidas de las ruedas para liberar la resistencia a la contracción de manera efectiva.

Mejorar la calidad de fundición de aleaciones fundidas

Adoptar procesos de refinación y desgasificación para eliminar inclusiones de óxido y gases disueltos en el metal fundido., purificar la microestructura de la aleación.

Controlar estrictamente el contenido de impurezas nocivas como azufre y fósforo., y evitar fases excesivas de bajo punto de fusión para estabilizar la resistencia a altas temperaturas y la plasticidad de la aleación..

Optimice los parámetros del proceso de fundición

Implementar el principio de solidificación simultánea para equilibrar la velocidad de enfriamiento de todas las piezas de fundición y minimizar las diferencias de estrés térmico.

Diseñe dimensiones y disposición razonables de compuertas y contrahuellas para evitar obstrucciones por contracción.

Amplíe el tiempo de retención de las piezas fundidas en el molde de arena para lograr una distribución uniforme de la temperatura y reducir el estrés térmico interno..

Mejorar la deformabilidad de moldes y núcleos de arena., Retire previamente los pesos de sujeción del molde y los dispositivos de fijación.,

y excavar parcialmente arena de moldeo redundante para piezas fundidas grandes para reducir la resistencia a la contracción.

Estandarizar la operación posterior a la fundición

evitar colisión, extrusión y vibración violenta durante la sacudida, limpieza y manipulación para evitar el desgarro secundario de piezas fundidas a alta temperatura.

2. Grietas frías: Mecanismo de formación, Características y Soluciones

Las grietas en frío son defectos estructurales de baja temperatura que se forman después de que la pieza fundida se solidifica por completo y se enfría a un estado elástico..

Ocurren cuando la tensión de tracción local de la fundición excede la resistencia última de la aleación a temperatura ambiente., y se distribuyen principalmente en zonas de tensión concentradas durante el proceso de enfriamiento..

Características morfológicas y microscópicas distintivas

Las grietas en frío tienen características completamente diferentes a las de las grietas en caliente., permitiendo una identificación visual y microscópica precisa:

• Macromorfología: Las grietas son rectas o en forma de pliegue con uniforme., ancho delgado y consistente, con líneas de fractura suaves y ordenadas.
• Estado de fractura: La superficie de la fractura está limpia con un brillo metálico evidente o un ligero color de oxidación a baja temperatura., sin la capa rugosa oxidada de las grietas calientes.
• Modo microscópico: Las grietas frías se expanden de forma transgranular., Penetrando toda la sección transversal de la fundición en lugar de extenderse a lo largo de los límites de los granos., ¿Cuál es la diferencia más esencial con respecto a las grietas calientes?.

Mecanismo de formación

Después de la solidificación completa, La pieza fundida entra en la etapa de enfriamiento elástico..

La velocidad de enfriamiento desigual en diferentes partes estructurales genera gradientes de temperatura significativos, resultando en una deformación por contracción desequilibrada.

Restringido por la propia estructura rígida de la fundición y la resistencia del molde externo., Se acumula una enorme tensión de tracción residual dentro del componente..

Cuando la tensión de tracción local excede el límite elástico a baja temperatura y la resistencia a la tracción del material de aleación., se produce fractura transgranular, formando grietas frías.

Principales factores inductores

Estructura de fundición irrazonable

Un espesor de pared muy desigual provoca una contracción por enfriamiento inconsistente; Estructuras cerradas rígidas y de paredes delgadas. & Las estructuras de núcleo grande son propensas a sufrir tensiones de contracción limitadas., que excede fácilmente la resistencia a la tracción de la aleación y provoca grietas.

Diseño defectuoso del sistema de compuerta y elevador

Colocación inadecuada de la entrada (dispuestos en posiciones de paredes gruesas) agrava las diferencias de velocidad de enfriamiento y la concentración de estrés térmico.

Los elevadores de tamaño insuficiente o mal colocados bloquean la contracción libre de las piezas fundidas..

Una resistencia excesivamente alta a altas temperaturas y una deformabilidad deficiente de la arena de moldeo y la arena para núcleos aumentan aún más la resistencia a la contracción y la tensión de tracción..

Composición química de aleación no calificada

Un contenido excesivamente alto de elementos de aleación y carbono aumenta la fragilidad de la aleación y reduce la tenacidad a bajas temperaturas..

Contenido excesivo de fósforo (encima 0.05%) Mejora significativamente la fragilidad en frío de las piezas fundidas de acero..

El exceso de elementos antigrafitización en las piezas fundidas de hierro gris aumenta el volumen de contracción e induce grietas en frío..

Procesos posteriores a la fundición no estándar

La sacudida prematura del molde y la sacudida a alta temperatura provocan un enfriamiento rápido y un fuerte aumento de tensión.; colisión mecánica y extrusión durante la limpieza y manipulación agrietan directamente piezas fundidas de baja tenacidad.

Estrategias específicas de resolución y prevención

Optimice el diseño estructural y de procesos

Optimice la uniformidad del espesor de la pared, agregar estructuras de transición para partes cerradas rígidas, y eliminar la concentración de tensiones estructurales.

Rediseñar el sistema de compuerta y elevador para evitar bloquear la contracción de la fundición y equilibrar la velocidad de enfriamiento de secciones gruesas y delgadas..

Controle estrictamente la composición de la aleación

Ajuste con precisión las proporciones de los elementos de aleación, limitar estrictamente el contenido de impurezas frágiles como el fósforo, y reducir la fragilidad en frío del material para mejorar la tenacidad al impacto a baja temperatura.

Estandarizar las especificaciones de manipulación y desmoldeo

Extender adecuadamente el tiempo de retención del molde para lograr un enfriamiento lento y uniforme de las piezas fundidas y liberar la tensión residual gradualmente..

Evite el impacto mecánico y la extrusión en los procedimientos de posprocesamiento..

Implementar un tratamiento térmico para aliviar el estrés

Realice un tratamiento térmico de envejecimiento de manera oportuna para piezas fundidas con gran tensión residual de fundición para eliminar la tensión interna..

Realizar un tratamiento de envejecimiento secundario después del corte de la contrahuella y la reparación de soldadura para evitar el agrietamiento en frío retardado..

3. El principio de ingeniería detrás de la prevención de grietas

La prevención de grietas en las piezas fundidas no es cuestión de suerte ni de prueba y error. Es una cuestión de equilibrio de ingeniería..

Una pieza fundida se agrieta cuando el metal se ve obligado a soportar esfuerzos de tracción en una etapa en la que su resistencia es demasiado baja., o cuando la tensión residual se acumula más rápido de lo que el material puede relajarla..

Desde esta perspectiva, cada grieta es el resultado visible de un desajuste invisible entre comportamiento térmico, comportamiento de solidificación, restricción mecánica, y capacidad material.

El principio fundamental es sencillo.: Se debe permitir que una pieza fundida se encoja y se enfríe de forma controlada., manera de baja resistencia, manteniendo suficiente alimentación y soporte estructural durante las etapas vulnerables de solidificación y enfriamiento..

Si se pierde alguna parte de ese saldo, es probable que se produzca agrietamiento.

La formación de grietas es un problema de tensión., no es sólo un problema de defecto

En la práctica de la fundición, Las grietas a menudo se describen como grietas calientes o grietas frías., pero debajo de estas clasificaciones superficiales se encuentra la misma verdad mecánica: La pieza fundida experimenta una tensión que excede su resistencia instantánea..

Durante la solidificación, El metal es parcialmente sólido y parcialmente líquido.. Esta es la etapa más frágil de todas..

Se ha formado el esqueleto dendrítico., pero aún no ha desarrollado suficiente ductilidad para tolerar grandes deformaciones..

Si el moho circundante, centro, sistema elevador, o la geometría impide la libre contracción, La tensión de tracción se concentra en la zona débil.. Ese es el origen del craqueo en caliente..

Después de la solidificación, el casting puede parecer completamente sano, pero todavía existen grandes gradientes de temperatura entre la superficie y el interior.

Mientras la pieza se enfría, las capas exteriores se contraen primero mientras que el interior más caliente resiste esa contracción. Esto genera tensión residual..

Si el estrés no se alivia gradualmente, Puede exceder la resistencia del material a temperatura ambiente o temperatura intermedia y producir agrietamiento en frío..

Entonces, la verdadera pregunta de ingeniería no es simplemente "¿Cómo detenemos las grietas?"?" sino más bien: ¿Cómo diseñamos el proceso para que el estrés nunca supere la resistencia temporal del molde??

La pieza fundida debe diseñarse como un sistema de contracción.

Una pieza fundida no es un objeto rígido durante la producción.. Es un cuerpo que debe cambiar de forma ligera y continuamente a medida que se enfría..

Un buen diseño reconoce esto y trabaja con la contracción térmica en lugar de contra ella..

Es por eso que el diseño resistente a las grietas comienza con la simplicidad geométrica y la uniformidad estructural.:

• El espesor de la pared debe ser lo más uniforme posible..
• Se deben evitar cambios bruscos de sección..
• Las esquinas internas afiladas deben sustituirse por radios generosos..
• Intersecciones de costillas, jefe, y las bridas deben suavizarse en lugar de ser abruptas..
• Los marcos largos y rígidos deben romperse o rediseñarse para permitir la contracción..
• Las secciones pesadas no deben aislarse de las secciones más delgadas sin una estrategia de transición..

Cuando la geometría es rígida e irregular., la fundición se comporta como una estructura con concentradores de tensión incorporados.

El resultado no es sólo un mayor riesgo de agrietamiento, pero también solidificación desigual, puntos calientes localizados, dificultad para alimentarse, y acumulación de tensiones residuales.

En otras palabras, La mala geometría crea una cascada de fallas..

Por lo tanto, un diseño de fundición resistente a las grietas considera la contracción como un requisito funcional., no es una molestia. Se debe permitir que la pieza se contraiga de manera predecible..

La solidificación debe ser controlada., no simplemente acelerado

Muchos problemas de proceso surgen de una mala comprensión de la velocidad de enfriamiento.. Más rápido no siempre es mejor. Lo que importa no es la velocidad máxima de enfriamiento, pero enfriamiento uniforme y coordinado.

Si un área se solidifica mucho antes que otra, La región solidificada tempranamente se convierte en una capa rígida mientras que la sección restante todavía se contrae o se alimenta..

Ese desequilibrio crea tensión de tracción.. Si se bloquea la alimentación o se restringe el caparazón, sigue el agrietamiento.

Por esta razón, El diseñador debe comprender el patrón de solidificación de la pieza fundida.:

• ¿Dónde están las últimas regiones en congelarse??
• ¿Dónde se formará el centro termal??
• ¿Qué zonas experimentarán la mayor moderación??
• ¿Dónde puede el metal líquido todavía alimentar la contracción??
• ¿Dónde estará la cáscara delgada y débil durante la etapa final??

Un proceso de fundición sólido intenta crear un patrón de solidificación que sea deliberado y predecible..

Dependiendo de la aleación y la geometría., esto puede significar solidificación direccional hacia las bandas, o en algunos casos solidificación casi simultánea para reducir la tensión diferencial.

La clave es la coherencia.. La solidificación incontrolada crea gradientes de tensión.; la solidificación controlada los gestiona.

El molde y el núcleo deben soportar la forma., no oponerse a la contracción

Un molde debe mantener la forma de la pieza durante el vertido y la solidificación inicial., pero después de eso no debería comportarse como una abrazadera rígida..

Si el molde de arena o el núcleo tiene una resistencia excesiva, mala colapsabilidad, o comportamiento de fluencia insuficiente a altas temperaturas, Resiste la contracción y transforma la contracción térmica en tensión de tracción..

Esta es una de las fuentes de cracking que más se pasa por alto.. Un molde “demasiado bueno” en el sentido de demasiado rígido puede ser perjudicial.

El sistema de molde ideal proporciona una combinación equilibrada de:

• estabilidad dimensional durante el vertido,
• adecuada resistencia a la erosión,
• suficiente colapsabilidad después de la solidificación,
• y baja restricción durante la contracción.

El diseño del núcleo es especialmente importante en piezas fundidas huecas o en forma de caja..

Un núcleo demasiado grande, demasiado duro, o demasiado fuerte puede convertirse en una abrazadera mecánica dentro de la pieza..

A medida que el metal se contrae a su alrededor, El estrés se concentra en las paredes.. Si la tensión resultante excede la resistencia de la aleación, las grietas de fundición, a menudo de una manera aparentemente inexplicable.

Por lo tanto, la prevención de grietas de ingeniería no requiere solo una especificación del metal., pero una especificación de comportamiento del molde. El molde es parte del sistema mecánico..

La alimentación y la sujeción deben equilibrarse juntas

Las contrahuellas a menudo se analizan únicamente en términos de compensación de contracción., pero su función es más sutil.

Un tubo ascendente debe alimentar metal a las zonas de contracción., pero si el diseño de compuertas y contrahuellas crea restricción local, También puede convertirse en parte del problema del agrietamiento..

Un buen sistema de alimentación debe:

• suministrar metal líquido a las últimas zonas en solidificación,
• Evite atrapar puntos calientes aislados,
• evitar el congelamiento prematuro de la entrada,
• y no bloquear la pieza fundida en un campo de tensión rígido.

Si una puerta se congela demasiado pronto, Puede bloquear la contracción natural del yeso..

Si un elevador o alimentador está colocado de manera que restrinja mecánicamente la contracción, la pieza fundida puede romperse cerca de la región de conexión.

Esto es especialmente común cuando existe un gran desajuste de rigidez entre el cuerpo de fundición y el sistema de alimentación adjunto..

El principio aquí es crítico.: Es necesario alimentar el metal y liberar la tensión de contracción., pero no son lo mismo.

Un proceso que se alimenta bien pero restringe la contracción aún puede agrietarse. El diseño debe cumplir ambas funciones a la vez..

La tensión residual debe reducirse antes de que se convierta en una grieta.

No todas las grietas aparecen inmediatamente. Algunas piezas fundidas salen intactas del molde y se agrietan más tarde durante el desmoldeo., limpieza, mecanizado, o manipulación.

Eso significa que la fundición contenía tensión residual que aún no se había liberado por completo..

El estrés residual es inevitable hasta cierto punto., pero su magnitud se puede controlar. Las principales herramientas de ingeniería son:

• diseño de sección uniforme,
• colapsabilidad adecuada del molde,
• enfriamiento controlado en el molde,
• momento apropiado de sacudida,
• tratamiento térmico para aliviar el estrés,
• y manipulación cuidadosa después de la solidificación.

El propósito del tratamiento térmico para aliviar tensiones no es cambiar la forma de la pieza., sino para reducir el estrés interno a un nivel más seguro.

Para piezas fundidas sometidas a altas tensiones, Esta es a menudo la diferencia entre una pieza estable y una grieta retardada..

En piezas fundidas grandes o complejas, El alivio de tensiones es especialmente importante porque los gradientes de temperatura y la variación de la sección suelen ser mayores..

En tales casos, La pieza fundida puede parecer dimensionalmente estable y al mismo tiempo soportar una tensión interna peligrosa..

Una vez mecanizado, se elimina una superficie de soporte o se abre una ruta de tensión bloqueada., la grieta puede aparecer repentinamente.

La selección del material debe coincidir con la geometría y el proceso.

Un proceso resistente al agrietamiento sólo es posible cuando el comportamiento de la aleación es compatible con el diseño de la pieza y el proceso de fundición..

Algunas aleaciones tienen rangos de solidificación más amplios., menor ductilidad en caliente, o mayor sensibilidad a la contracción.

Estas aleaciones pueden ser perfectamente adecuadas en una geometría y muy propensas a agrietarse en otra..

Eso significa que la selección de la aleación no puede separarse del diseño.. El ingeniero debe considerar:

• rango de solidificación,
• sensibilidad al desgarro en caliente,
• contracción lineal,
• ductilidad durante la etapa semisólida,
• tenacidad después de la solidificación,
• susceptibilidad a elementos fragilizantes,
• y el efecto de impurezas como azufre o fósforo.

Una geometría con transiciones pronunciadas y una fuerte restricción exige una aleación más tolerante a las grietas que una simple., parte seccionada uniformemente.

Asimismo, una aleación con sensibilidad conocida al craqueo en caliente puede requerir una modificación de la entrada, restricción inferior, colapsabilidad mejorada del molde, o enfriamiento controlado más lento.

En la práctica, Muchos problemas de crack no se resuelven únicamente con el ajuste del proceso.. A veces el material debe cambiar., o el diseño debe ser relajado para adaptarse al comportamiento real de la aleación..

La manipulación después de la solidificación forma parte del sistema de prevención de grietas

La prevención de grietas no termina cuando el metal se congela. Un casting todavía puede fallar durante el shakeout, corte, molienda, disparo, o transporte.

Una vez solidificada la pieza, todavía puede ser frágil debido a la alta tensión residual, dureza a baja temperatura, o microfisuras ocultas.

Por esa razón, Las operaciones posteriores a la solidificación deben tratarse como parte del proceso metalúrgico.:

• la sacudida no debería ser demasiado pronto,
• Las piezas no se deben dejar caer ni golpear.,
• Se debe controlar la retirada de la puerta.,
• El mecanizado debe evitar la aplicación de fuerza abrupta.,
• y el almacenamiento debe evitar el apilamiento de cargas o la tensión de flexión..

Esto es particularmente importante para piezas fundidas grandes de paredes delgadas y piezas fundidas rígidas con luces largas.. Estas piezas pueden parecer robustas, pero pueden ser sorprendentemente sensibles al impacto local o a la flexión..

4. Diferencias fundamentales entre grietas calientes y grietas frías

5. Conclusión

Se forman grietas en las piezas fundidas porque se le pide al metal que se encoja., solidificar, y refrescarse bajo control. Cuando esa restricción crea una tensión mayor de la que la aleación puede tolerar., el casting se desgarra.

Grietas calientes aparecer durante la solidificación, generalmente con irregular, oxidado, características intergranulares.

Grietas frías aparecen durante el enfriamiento posterior, generalmente tan recto, limpiador, Fracturas en todo el espesor provocadas por tensiones residuales..

El remedio es igualmente sistemático.: mejorar el diseño de fundición, reducir la concentración de estrés, optimizar la solidificación, elegir la química de aleación adecuada, mejorar la colapsabilidad del molde, controlar el tiempo de sacudida, y aplicar un tratamiento térmico para aliviar el estrés cuando sea necesario.

En la práctica, La mejor pieza fundida sin grietas no es la que es "más fuerte" en el molde., pero el que se le permite encogerse de forma controlada, equilibrado, y manera predecible.