Pinholes: Características del defecto y causas

Los pinholes o   burbujas de gas, se producen tanto de manera aislada, como ocupando grandes superficies, y pueden afectar a cualquier área de la pieza de fundición. En muchas ocasiones no son visibles hasta después del proceso de tratamiento mecánico, pero en cualquier caso son visibles a simple vista. Se encuentran especialmente en la cara exterior de las piezas de fundición o justo debajo de la superficie de las piezas de fundición de hierro fundido con grafito laminar, nodular y vermicular, fundición maleable y fundición de acero.

Formas de manifestación

Las formas de manifestación de  los pinholes van desde pequeñas burbujas esféricas de metal  limpio o cubiertas por una película de grafito hasta grandes e irregulares cavidades acompañadas de escoria o manifestaciones de oxidación. Se habla de  pinholes de hidrógeno y  pinholes de hidrógeno-nitrógeno, las cuales no pueden diferenciarse entre sí, así como de pinholes originadas por la reacción entre el CO y la escoria. Las posibles causas de la formación de estos defectos son, por un lado, las propiedades específicas del hierro, y por otro lado, las del material del molde. En casos concretos a menudo la formación de  pinholes no tiene una única causa, sino que es debida al efecto de la suma de varias causas superpuestas. Los pinholes producen rechazo cuando las piezas llevan recubrimientos tales como el esmaltado,   galvanizado,  recubrimiento de polvo, etc. La capacidad de resistir carga estática apenas se ve influida por este defecto, especialmente en el caso de   hierro  dúctil  a  bajo nivel de carga. En el caso de las superficies   tratadas que además deben ser estancas, este defecto supone el rechazo de la pieza. Asimismo, una situación inadecuada del defecto menoscaba la resistencia a la fatiga por vibración, de modo que no pueden tolerarse  pinholes en piezas relevantes para la seguridad sometidas a vibración.

Causas

Las principales causas de la formación de  pinholes son, por un lado, las propiedades específicas del hierro, y por otro lado, las del material del molde.

La formación de  pinholes de hidrógeno y de hidrógeno-nitrógeno se produce en tres etapas

  • Reacción del vapor de agua con los elementos que acompañan al hierro. Se forman óxidos de metal e hidrógeno atómico, el cual se difunde en el metal líquido. Del mismo modo, se descomponen los compuestos de nitrógeno-hidrógeno, que también pueden difundirse en el metal líquido.
  • Formación de microburbujas de gas por la reacción de los óxidos de metal con el carbono de la masa fundida.
  • Difusión de hidrógeno y posiblemente de nitrógeno a las microburbujas de gas y aumento del tamaño de las burbujas.

Causas metalúrgicas que provocan la formación de  pinholes

  • Contenido excesivo de hidrógeno en la masa fundida, lo cual puede originarse debido a portadores de hidrógeno como la humedad de  adiciones en general, y en particular las ferroaleaciones de grano fino no protegidas, que con frecuencia se hidratan,  las adiciones muy oxidadas (adición de grupos hidroxilos), los aceites y las emulsiones, que liberan hidrocarburos, y en última instancia, incluso por la influencia de un aumento de la humedad atmosférica.
  • Contenido excesivo de nitrógeno en la masa fundida, el cual puede ser introducido por portadores de nitrógeno tales como la chatarra de acero (hasta 130 ppm N, máx. 200 ppm N), el acero para carriles (hasta 170 ppm N), el arrabio (de 10 a 60 ppm N) o los agentes de carburación (de 0,11 x 104 ppm hasta 1.675 x 104 ppm N).
  • El contenido de nitrógeno en el hierro fundido se encuentra dentro del intervalo 40-140 ppm, de modo que también puede producirse una desgasificación con la estimulación externa de la formación de burbujas, por ejemplo, mediante la agitación electromagnética. El límite crítico para la formación de  pinholes suele situarse entre 80 y 100 ppm, aunque contenidos inferiores en combinación con precipitaciones de CO ya pueden resultar críticos.

En comparación con la fundición de acero, la tendencia del hierro fundido a absorber gases es menor, dado que el carbono y el silicio reducen la solubilidad, y por lo tanto, la disposición a absorber hidrógeno y nitrógeno. Es por ello que una masa fundida de hierro con un grado de saturación bajo es mucho más sensible, lo que se refleja en la frecuencia de aparición de defectos en la fundición maleable, la cual debe tener de por sí un grado de saturación bajo. El cromo, el molibdeno, el manganeso, el vanadio y el titanio aumentan la solubilidad del hidrógeno y del nitrógeno, mientras que ésta se reduce con el aluminio, el fósforo, el silicio y el carbono. Un estudio demostró que, con el mismo contenido gaseoso, las piezas de fundición estaban “sanas” a 70 ppm de Al, mientras que las mismas piezas presentaban una importante formación de  pinholes con 380 ppm de Al. Niveles superiores de aluminio pueden provocar que el aluminio contenido en el hierro se transforme en óxido de aluminio e hidrógeno con el vapor de agua del gas del molde. Este hidrógeno es el causante de la formación de burbujas. Aquí se establece también la frontera entre las burbujas de gas inducidas por causas puramente metalúrgicas y la reacción interfacial entre molde/macho y pieza de fundición.

Causas relacionadas con el material del molde que provocan la formación de pinholes

  • Contenido excesivo de nitrógeno en la arena de moldeo en combinación con niveles excesivos de humedad.
  • Atmósfera de gas inadecuada en la cavidad del molde, cuyas causas hay que buscarlas en el tipo y la cantidad añadida de sustancias formadoras de carbón lustroso.
  • Contenido excesivo de nitrógeno en las arenas para machos o compuestos nitrógeno-hidrógeno demasiado elevados en aglutinantes para materiales de moldeado de machos.
  • Especialmente durante la pirolisis de aglutinantes para machos moldeados en cáscara se liberan grandes cantidades de gas antes de que se forme una costra sólida en el borde.

El mecanismo se explica de la siguiente manera:


El amoníaco se descompone bajo una atmósfera reductora según la ecuación

2NH3 + N2 + 3H2.

A unos 600 °C y con presión atmosférica, el amoníaco está prácticamente disociado por completo. Con ello el volumen gaseoso se duplica y a partir de 2 moles de amoníaco se originan 1 mol de nitrógeno y 3 moles de hidrógeno. Este gas hidrógeno puede reaccionar, dado el caso, con el monóxido de carbono precipitado según la siguiente ecuación:

CO + H2 + H2 O + C

  • Procesamiento insuficiente del material del molde aglomerado con bentonita y, por lo tanto, presencia de agua libre, no ligada a la bentonita (en el mineral de tres capas montmorilonita), lo que incrementa el riesgo de formación de hidrógeno.

Además de la composición del hierro y la naturaleza del material del molde, hay otros factores que influyen en la formación de  pinholes. Una eliminación incompleta de la escoria puede originar inclusiones de escoria, que probablemente actúen como gérmenes para la formación de burbujas de gas. En el hierro fundido nodular están presentes numerosos óxidos, incluso tras eliminar la escoria, y estos óxidos pueden contribuir a la formación de  pinholes. La escoria generada por el tratamiento con magnesio también influye, aunque no está claro si provoca un defecto superficial puramente mecánico o favorece el desarrollo de gas. La técnica de fundición y  llenado también puede influir en la formación de  pinholes. Un sistema de  llenado con un flujo no turbulento y los canales de distribución cortos reducen la formación de  pinholes. Asimismo, las gotas frías pueden ser una causa de formación de picaduras. Estas se oxidan y son envueltas por el flujo de metal. Esto puede llevar a una reacción de la que surge CO, formándose burbujas de gas.