Rechupes: patrón de formación de defectos y causas

La formación de rechupes se produce en todos los materiales de fundición, independientemente del molde y del proceso de fundición. Sin embargo, la técnica de fundición a presión permite evitar o minimizar la formación de rechupes creando una presión final elevada inmediatamente después del llenado del molde. Ahora bien, esto no evita la porosidad por gases.
En función de cómo se manifiesten los rechupes por solidificación, se distingue entre rechupes cerrados (internos), rechupes abiertos (externos) y depresiones superficiales. La posición de los rechupes resultantes es lógica: los rechupes externos se suelen producir en las zonas superiores de la pieza fundida que solidifican más tarde, en las zonas de pared gruesa de la pieza fundida y cerca del bebedero y de la entrada. Los rechupes internos se producen en zonas con paredes más gruesas y, en especial, en las zonas donde se observan grandes cambios de espesor de pared; las depresiones superficiales se suelen producir en las transiciones transversales y en las superficies exteriores de las piezas fundidas con paredes relativamente gruesas. Suelen ir acompañadas de microporosidad.

Manifestaciones de los rechupes por solidificación

Los materiales con intervalos cortos de solidificación y solidificación de pared lisa, como los metales puros y las aleaciones eutécticas o peritécticas, son especialmente propensos a presentar rechupes por solidificación.


Rechupes por solidificación

Los rechupes externos son cavidades simétricas y profundas que suelen tener una apertura con forma de embudo hacia el exterior y, a veces, continúan hacia el interior formando cavidades cerradas. Las paredes de las cavidades suelen ser ásperas y a menudo dendríticas. Los rechupes externos son claramente apreciables a simple vista.


Rechupes internos

No tienen conexión con el exterior y, por tanto, están situados en el interior de la pieza fundida. Su forma es irregular, las paredes son ásperas y a menudo están cubiertas por dendritas. Se aprecian a simple vista durante una prueba no destructiva o, a más tardar, durante el procesamiento.
Las depresiones superficiales son cavidades con forma de cuenco en la superficie de la pieza fundida que se producen en la zona de mayor acumulación de material. La superficie de una depresión superficial no se distingue de la superficie del resto de la pieza fundida. Las depresiones superficiales también son apreciables a simple vista. Si las medidas relacionadas con la fundición (solidificación direccional, alimentación) no consiguen llevar los rechupes a las zonas exteriores de la pieza fundida, este defecto de fundición hace que se rechace la pieza.


Contracción de los metales de fundición durante la solidificación y el enfriamiento

El volumen específico de los metales de fundición estándar es mayor en estado líquido que en estado sólido. Por este motivo, estos metales se contraen al solidificarse y al enfriarse. Esto provoca un déficit de volumen que se manifiesta en forma de defectos, como rechupes, depresiones superficiales, microporosidad, etc. Por tanto, los rechupes son el resultado de la interacción entre el déficit de volumen físico durante el proceso de solidificación y la posibilidad de compensarlo mediante una alimentación adicional.

El tamaño del déficit de volumen, junto con el volumen específico, depende principalmente del material fundido. En comparación con el déficit de volumen total, su distribución en el cuerpo fundido y en los tipos de defectos de volumen especificados depende del procedimiento de solidificación. Los factores que tienen una especial influencia en este sentido son el contenido de gas de la aleación, el movimiento de la pared del molde en el caso de la fundición en arena y la expansión del grafito durante la solidificación en el caso de las aleaciones de hierro fundido.


Rechupes en aleaciones de hierro fundido

Las diferencias entre los volúmenes específicos de los distintos componentes de la microestructura que se muestran en la siguiente tabla son características del déficit de volumen del hierro fundido gris.

Volúmenes específicos de los distintos componentes de la microestructura del hierro fundido

Componente de
la microestructura
Volumen específico
en m3/g
Ferrita 0.1271
Carburo de hierro 0.1303
Austenita (saturada de carbono) 0.1360
Grafito 0.4475

En la solidificación eutéctica la expansión del grafito precipitado contrarresta la contracción por solidificación de la austenita. Con un determinado contenido de grafito es posible que la contracción que se produce durante la solidificación se compense durante la formación de la austenita. Esto significa que, en función de la composición química, las condiciones de enfriamiento y la nucleación, puede que se produzca una «autoalimentación». Si el volumen del grafito precipitado de forma eutéctica es elevado, la expansión de volumen provocada por la formación del grafito puede ser incluso mayor que la contracción por solidificación de la fase metálica, lo que significa que la expansión se produce en general.


En el caso del hierro fundido con grafito laminar la tendencia a crear rechupes disminuye a medida que aumenta el nivel de saturación cromática hasta el punto eutéctico. Aquí el déficit de volumen es el más bajo. Esto es aplicable tanto al tamaño del rechupe externo como a la proporción de la microcontracción. En el intervalo hipereutéctico la tendencia a crear rechupes aumenta de nuevo.
Con un mismo nivel de saturación cromática, el volumen de rechupes esperado disminuye a medida que aumenta el contenido de carbono. El fósforo aumenta la propensión a formar microporosidad, especialmente debido a la formación de una colada residual rica en fósforo donde el contenido de fósforo es superior al 0,3 %.


Teniendo en cuenta que el hierro no inoculado también se ha solidificado como hierro fundido gris, la inoculación del hierro fundido con grafito laminar también provoca un aumento de la propensión a la aparición de rechupes, porosidad y depresiones. Se produce un mayor «hinchamiento» de la pieza fundida por una mayor expansión debida a la gran precipitación de grafito eutéctico y también cambia el tipo de solidificación a una solidificación de «tipo pasta», lo que significa que el contorno de la pieza fundida sigue más la expansión de la cavidad en función del material del molde.

El hierro fundido con grafito nodular muestra una mayor tendencia a la creación de rechupes que el hierro fundido con grafito laminar. Si se trata con magnesio una colada de hierro gris, el volumen de rechupes aumenta de 0,5 cm3 a 5 cm3.
A diferencia de la solidificación endógena con formación de costras del hierro fundido con grafito laminar, la solidificación del hierro fundido con grafito nodular es endógena y pastosa. Además de la contracción del líquido, que se puede controlar mediante el sistema de alimentación y de entrada, y de una contracción secundaria, también se produce una expansión durante el proceso de solidificación.
En función de las diferentes fases temporales de la solidificación, el grafito puede hacer efecto durante su precipitación en la costra periférica y sobresalir o expandirla si éste y el material del molde ceden a la presión desde dentro. Si a medida que el metal líquido que se contrae en el cuerpo fundido no se rellena, pueden aparecer rechupes. Más tarde durante la solidificación el grafito se precipita en una zona más amplia del cuerpo fundido.
Ya que la costra periférica se puede contraer, las condiciones para la autoalimentación se vuelven más favorables. Si la costra periférica también está en un estado de solidificación eutéctica, cabe esperar una mayor expansión.
Siempre y cuando el molde sea rígido, la explotación de esta fase de expansión conlleva una compensación de la contracción secundaria y, por tanto, la creación de piezas fundidas sin rechupes y con mejores resultados.
Las composiciones significativamente hipo e hipereutécticas, la falta de inoculación, los tiempos de fundición excesivos a temperaturas demasiado elevadas y los contenidos demasiado elevados de magnesio favorecen una mayor propensión a la formación de rechupes en el hierro fundido con grafito nodular. Los tipos de hierro fundido aleado también suelen mostrar una mayor tendencia a la formación de rechupes, al igual que ocurre si se aumenta la cantidad de aditivos de arrabio al preparar la carga. No obstante, este último impacto siempre se puede ver junto con el proceso de fusión.

Rechupes en aleaciones de aluminio


Aquí el déficit de volumen total también depende principalmente de la composición de la aleación y de las temperaturas de referencia (condiciones de enfriamiento), y su formación está controlada en gran medida por el proceso de solidificación.
La capacidad de carga de la costra periférica y la capacidad de alimentación, es decir, las condiciones para el transporte de la colada en el cuerpo fundido en proceso de solidificación, desempeñan un papel importante.
En general se puede especificar la siguiente progresión del comportamiento de contracción en función del contenido del elemento de aleación: a partir de material puro, el volumen de rechupes externos disminuye bruscamente hasta la aleación con el mayor intervalo de temperaturas de solidificación y aumenta de nuevo hasta la eutéctica. Lo contrario sucede con los volúmenes de depresiones superficiales y microporosidad. Esta situación corresponde al cambio del proceso de solidificación. A medida que se añade más cobre, magnesio y silicio, el volumen total de rechupes disminuye en comparación con el aluminio; el silicio es el que ejerce la mayor influencia. A medida que aumenta el contenido de Cu o Si, disminuye la contracción por solidificación de las aleaciones Al-Cu y Al-Si. Sin embargo, la formación de rechupes aumenta significativamente en presencia de contaminación por hierro, por ejemplo.
Los rechupes externos y las depresiones superficiales en aleaciones de aluminio también pueden estar provocados por un molde de arena que no se ha compactado adecuadamente o, en la fundición en coquilla, por unas temperaturas de la lingotera demasiado elevadas. Puesto que el déficit de volumen total puede ser de entre el 2 % y el 7 %, en función de la composición, siempre es necesario aplicar medidas para la solidificación direccional y una alimentación suficiente en la pieza fundida.

El refinado con sodio o estroncio hace que la cantidad de rechupes externos aumente significativamente en la fundición en arena y en coquilla; las depresiones superficiales y los rechupes internos (microporosidad) disminuyen. En piezas fundidas reales esto puede provocar un cambio en el proceso de solidificación, de exógeno a endógeno, en determinadas zonas transversales. En este caso los efectos se solapan, es decir, las proporciones por volumen de rechupes externos y porosidades se encuentran en las zonas centrales.
Durante el refinado se debe tener en cuenta que la eutéctica de aluminio-silicio se puede autoajustar tanto a laminar como a granular en función del contenido de fósforo. En la fundición en coquilla ambas modificaciones muestran prácticamente el mismo déficit de volumen total; en la fundición en arena el material granular está ligeramente por debajo del material laminar.

En ambos casos la distribución del déficit de volumen cambia un 0,02 % cuando se añade sodio. En el caso del material granular y laminar el volumen de rechupes externos aumenta, mientras que el número de depresiones superficiales disminuye. A partir de aquí añadir más sodio únicamente puede provocar ligeros cambios en el volumen de rechupes externos. En el caso de la fundición en coquilla el sodio no tiene apenas influencia en el tipo laminar. En la aleación granular la tendencia a formar rechupes externos es considerablemente menor. A medida que se añade más sodio, el volumen de rechupes externos aumenta y el volumen de depresiones superficiales disminuye. Además, si se añade más sodio en la fundición en arena, aumenta la ramificación del rechupe por solidificación externo.

 

Fuente: "Guss- und Gefügefehler" (casting and structural defects) de Stephan Hasse