Penetración: Defectos y Causas

El fenómeno de la penetración se manifiesta en forma de adherencias de arena en las piezas fundidas que dan lugar a superficies de fundición ásperas y que requieren un intenso trabajo de limpieza o conllevan el rechazo de la pieza fundida. La profundidad en bruto es mayor que el radio medio de los granos de los materiales base del molde empleados (a diferencia de la calcinación, en la que la profundidad en bruto es menor que el radio medio de los granos de los materiales base del molde).

Este defecto puede producirse en todas las piezas fundidas elaboradas mediante el proceso de moldeo en arena (especialmente en el proceso de moldeo en arena verde), independientemente del material. Se observa sobre todo en aquellas zonas de las partes del molde que se han calentado significativamente, puntos calientes, tales como los bordes o las inmediaciones de la entrada, en zonas de baja compactación del material del molde o en piezas fundidas de paredes gruesas. Con frecuencia afecta a partes de piezas fundidas completas. El defecto es visible a simple vista en las piezas fundidas.

Se habla de penetración cuando el material del molde no reacciona químicamente con el metal penetrado. También se conoce como penetración real. En caso de producirse una reacción química del metal penetrado con el material del molde se habla de fritado (arena quemada), sinterización o, por lo general, metalización.


Causas

Las principales causas de la penetración real (mecánica/física) son la presión metalostática, la presión dinámica durante la colada y la presión de cristalización durante la solidificación.

Posibles mecanismos de formación

Los moldes de arena presentan un determinado sistema de poros según su factor de densidad de compactación.  En la capa límite que separa el metal y el material del molde existe un equilibrio entre la presión metalostática, las fuerzas capilares del material del molde, la humectabilidad y la tensión superficial del metal. Durante la colada, la masa fundida entra en contacto con los granos de la superficie del molde y, mientras esté bajo el efecto de la presión metalostática, puede penetrar en los poros de la superficie del molde. Esto se produce hasta que se establece un equilibrio entre la tensión interfacial en la superficie del molde y la presión de penetración (magnitud de presión crítica, en la que la masa fundida penetra a través de la capa de granos superior). El resultado es la formación de rugosidad en la superficie de la pieza fundida.

La tensión interfacial, que contrarresta la presión de penetración, se ve influida por las fuerzas capilares del material del molde (principalmente, por la porosidad), por la humectabilidad de la superficie del molde y por la tensión superficial. La tensión interfacial de los materiales de colada a base de Fe-C alcanza valores bastante elevados. La magnitud de esta tensión se ve influida, sobre todo, por la composición química de los principales elementos de la aleación y por la existencia de elementos tensoactivos, tales como bismuto, plomo, fósforo o silicio, entre otros. Un fuerte aumento de la tensión interfacial se logra también mediante la adición de cerio, sodio o circonio.

La masa fundida reproduce la estructura de arena de la superficie del molde que ella misma ha humedecido con distinta intensidad (rugosidad, profundidad de humectación). La profundidad de humectación alcanzará valores más altos cuanto mayor sea la presión de penetración, el radio de los granos del material del molde, el radio de sus poros, la densidad de los granos y cuanto menor sean las tensiones interfaciales. El ángulo de mojado y, con ello, la humectabilidad de la superficie del molde pueden verse influidos considerablemente por la formación de una capa de carbón brillante.

En el caso de partes del molde compactas, el tamaño del radio de los poros depende principalmente de la estructura del grano (tamaño de los granos y distribución granulométrica), de las adiciones (proporción de aglutinante, sedimentos), de la intensidad de compactación (factor de densidad de compactación) y del comportamiento de sinterización del material del molde.

Se habla de penetración cuando la profundidad en bruto es mayor o igual al radio de los granos del material del molde. Esto significa que sólo es posible hacer una distinción entre rugosidad y penetración en función del tamaño de los granos del material del molde.

La penetración puede aparecer en función de los siguientes factores de influencia

  • Un excesivo tamaño de grano y una distribución granulométrica del material del molde demasiado amplia
  • Contenido escaso de aglutinante
  • Contenido escaso de materiales formadores de carbón brillante
  • Inadecuada composición química del material de colada en combinación con temperaturas de fundición excesivas y una presión metalostática demasiado elevada
  • Compactación insuficiente y desigual de los moldes o de los machos
  • Sistema de llenado inadecuado y, en consecuencia, sobrecalentamiento excesivo de los moldes y de partes de los machos