Calidad del aluminio fundido: desgasificación, filtración y óxidos
Una máquina de fundición a presión solo puede fundir lo que le suministra la planta de fundición. El hidrógeno disuelto, las películas de óxido y otras inclusiones se desplazan con el metal hasta el cilindro de inyección y acaban en la pieza fundida. Por lo tanto, un metal fundido limpio y bien tratado es un requisito imprescindible para lograr bajos índices de desechos, piezas estancas y un mecanizado, tratamiento térmico o soldadura fiables.
¿Qué determina la calidad del metal fundido de aluminio?
Hay tres factores principales: el hidrógeno disuelto, que puede formar poros de gas durante la solidificación; los óxidos y las inclusiones, que debilitan la pieza fundida y perturban el flujo; y el control de la temperatura, que afecta a ambos. La desgasificación con gas inerte reduce el contenido de hidrógeno, la filtración retiene los óxidos y las partículas, y una manipulación cuidadosa evita nuevas contaminaciones.
La calidad del fundido debe medirse, no darse por sentada. Unas sencillas pruebas en planta permiten detectar los cambios antes de que se traduzcan en chatarra.
Hidrógeno: el contaminante invisible
El hidrógeno es el único gas que se disuelve en cantidades apreciables en el aluminio fundido. Su solubilidad es mucho mayor en el metal líquido que en el sólido y aumenta con la temperatura. Durante la solidificación, el exceso de hidrógeno se expulsa y puede formar poros.
La principal fuente es la humedad. El vapor de agua reacciona con el aluminio fundido, formando óxido y liberando hidrógeno en la masa fundida. La humedad procede del aire húmedo, del material de carga húmedo o contaminado, de herramientas, cucharas y revestimientos refractarios insuficientemente secados, y de los gases de combustión de los hornos alimentados con combustible.
En la fundición a presión, gran parte de la porosidad se debe al aire atrapado y a la contracción por solidificación, más que al hidrógeno. El gas disuelto sigue siendo importante, sobre todo en piezas sometidas a tratamiento térmico, soldadas o que deben ser estancas a la presión, en las que los pequeños poros de gas pueden provocar ampollas o fugas.
Óxidos, escorias y otras inclusiones
El aluminio fundido queda cubierto al instante por una fina capa de óxido. Mientras permanezca en la superficie, es inofensiva. Cuando la superficie se rompe debido a un vertido turbulento, una gran altura de caída o la agitación, las películas de óxido se introducen en la masa fundida. Estas películas pueden actuar como grietas en la pieza fundida y como núcleos de poros.
| Contaminante | Fuente típica | Contramedida |
|---|---|---|
| Hidrógeno disuelto | Humedad del aire, de la carga, de las herramientas, de los refractarios y de la combustión | Secar la carga y las herramientas, desgasificación con gas inerte, temperatura controlada |
| Películas de óxido | Transferencia turbulenta, gran altura de caída, retornos oxidados | Transferencia en calma, alturas de caída cortas, desnatado, filtración |
| Partículas de material refractario | Revestimientos de hornos y cucharas de colada desgastados o dañados | Mantenimiento del revestimiento, filtración |
| Lodos (fases intermetálicas) | Alto contenido en hierro, manganeso y cromo, combinado con una temperatura de mantenimiento baja | Control de la aleación, temperatura de mantenimiento adecuada para la aleación, limpieza periódica del horno |
En el caso de los lodos, se suele utilizar como indicador un factor empírico de lodos: Fe + 2 × Mn + 3 × Cr, cada uno en porcentaje en peso. El valor crítico depende de la temperatura de mantenimiento y debe acordarse con el proveedor de la aleación.
Desgasificación: eliminación del hidrógeno con gas inerte
El método más habitual en las fundiciones de aluminio es la desgasificación rotativa. Un impulsor giratorio de grafito dispersa un gas inerte, normalmente argón o nitrógeno, en finas burbujas. El hidrógeno se difunde desde la masa fundida hacia las burbujas y sale con ellas hacia la superficie. Las burbujas ascendentes también arrastran los óxidos hacia arriba, donde pueden separarse junto con la escoria.
Preparación
Precalentar el rotor y el eje, comprobar el desgaste del rotor y ajustar la masa fundida a la temperatura de tratamiento.
Tratamiento
Aplicar el caudal de gas, la velocidad del rotor y la duración definidos; evitar que se forme un vórtice que arrastre óxidos hacia la masa fundida.
Retirar la escoria y verificar
Retirar la escoria con cuidado y confirmar el resultado mediante un ensayo de calidad de la masa fundida.
Utilizar sin demora
La masa fundida tratada puede volver a absorber hidrógeno con el paso del tiempo, especialmente en condiciones de humedad.
El lugar donde se lleva a cabo la desgasificación depende de la disposición de la planta de fundición: en una cuchara de transferencia, en una estación de tratamiento independiente o en el horno. Las funciones de los diferentes tipos de hornos se explican en nuestro artículo ¿Horno de dosificación, de fusión o de mantenimiento?
Filtración: retención de óxidos y partículas
Los filtros retienen mecánicamente las películas de óxido y las partículas sólidas. Los filtros de espuma cerámica , clasificados según el tamaño de los poros, se utilizan ampliamente en los canales de vertido, en las salidas de los hornos o en los hornos de dosificación. Un filtro más fino retiene inclusiones más pequeñas, pero ofrece mayor resistencia al flujo y se obstruye antes, por lo que la selección del filtro debe ajustarse al rendimiento y a los intervalos de sustitución.
La filtración no elimina el hidrógeno disuelto, y la desgasificación por sí sola tampoco elimina todas las inclusiones. Ambos tratamientos se complementan entre sí. Ambos solo son eficaces si el metal no se contamina de nuevo posteriormente, por ejemplo, debido a un vertido turbulento en el manguito de colada. El efecto de las condiciones de llenado sobre la porosidad se trata en nuestro artículo sobre el llenado de moldes y el vacío.
Cómo se comprueba la calidad del metal fundido
Prueba a presión reducida
Una muestra se solidifica a presión atmosférica y otra bajo un vacío definido. El gas y los óxidos hacen que la muestra sometida al vacío forme más poros y, por lo tanto, tenga una densidad menor. El índice de densidad compara ambos valores.
Pruebas de inclusiones
Los ensayos de fractura en muestras simples permiten visualizar las películas de óxido en la superficie de fractura. Para un análisis más detallado, los métodos de laboratorio cuantifican las inclusiones en una muestra de metal filtrada.
Índice de densidad [%] = (ρatm −ρvac) /ρatm × 100
ρatm = densidad de la muestra solidificada a presión atmosférica, ρvac = densidad de la muestra solidificada a presión reducida, ambas en g/cm³. Los resultados solo son comparables si el tamaño de la muestra, la presión y el procedimiento son idénticos.
Lista de comprobación de la calidad de la fusión para el funcionamiento diario
- El material de carga y los retornos deben estar secos, limpios y almacenados a cubierto
- Las cucharas, herramientas y espumaderas deben estar recubiertas y precalentadas antes de entrar en contacto con el metal fundido
- Revisar los revestimientos del horno y las cucharas para detectar daños y acumulaciones
- La temperatura del metal fundido debe estar dentro del intervalo definido para la aleación y el proceso
- Parámetros de desgasificación documentados y estado del rotor comprobado
- La escoria se retira con cuidado, sin volver a introducir óxidos en el metal fundido
- Se seleccionan los filtros en función del rendimiento y se cambian a intervalos definidos
- La transferencia y el vertido se realizan con baja turbulencia y alturas de caída reducidas
- Se realiza y registra periódicamente el índice de densidad o un ensayo equivalente
Preguntas frecuentes
¿Es necesario el desgasificado en la fundición a presión?
Depende de los requisitos de la pieza. En el caso de piezas sometidas a tratamiento térmico, soldadas o que deben ser estancas a la presión, suele ser importante controlar el contenido de hidrógeno y disponer de una masa fundida limpia. El nivel requerido debe definirse para cada producto.
¿Sustituye la filtración a la desgasificación?
No. Los filtros retienen las inclusiones sólidas y las películas de óxido, pero no eliminan el hidrógeno disuelto. El desgasificado y la filtración abordan problemas diferentes.
¿Por qué varía la calidad del metal fundido en función del tiempo?
La humedad es una fuente de hidrógeno. En días húmedos, la masa fundida puede absorber más hidrógeno al entrar en contacto con el aire, las herramientas y los materiales, por lo que resulta útil realizar pruebas periódicas.
¿Una temperatura de fusión más alta mejora la calidad?
No necesariamente. Las temperaturas más altas aumentan la solubilidad del hidrógeno y la oxidación. La temperatura debe ser tan alta como requiera el proceso, pero no más.
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Una calidad constante de la fundición comienza con una tecnología de hornos adecuada. FISS ofrece hornos de segunda mano para fundiciones y moldeo a presión, y puede ayudarle a evaluar qué equipo se adapta mejor a su aleación, rendimiento y distribución de la célula.
