Fundición en coquilla por gravedad – Solidificación optimizada mediante sonicación
Los ultrasonidos ofrecen una vía escalable y energéticamente eficiente para optimizar la microestructura de los metales colados por gravedad – conciliando la economía de la fundición con las exigencias de alto rendimiento. En la fundición en coquilla por gravedad, el control de la solidificación es esencial para obtener componentes metálicos de alto rendimiento. La sonicación de metales fundidos durante la solidificación constituye un potente método de afinado sin agentes químicos que mejora la calidad de las piezas fundidas a nivel microestructural. La solidificación asistida por ultrasonidos favorece la nucleación heterogénea, rompe las estructuras dendríticas y homogeneiza la temperatura y la distribución de solutos en el metal fundido.
Solidificación de metales fundidos favorecida por ultrasonidos
El procesamiento ultrasónico de metales fundidos durante la solidificación constituye un potente método de afinado sin agentes químicos que mejora la calidad de las piezas fundidas a nivel microestructural. Al introducir vibraciones ultrasónicas de alta intensidad en el metal fundido, se inducen cavitación acústica y corrientes acústicas. Estos fenómenos favorecen la nucleación heterogénea, rompen las estructuras dendríticas y homogeneizan la temperatura y la distribución de solutos en el metal fundido.
Como resultado, la solidificación asistida por ultrasonidos produce una estructura de grano significativamente más fina y uniforme, reduce la segregación y mejora propiedades mecánicas como la resistencia, la ductilidad y la resistencia a la fatiga. Especialmente en la fundición en coquilla por gravedad, donde las zonas de las mazarotas son propensas a la solidificación tardía y a los defectos asociados, la aplicación localizada de ultrasonidos puede mejorar la cinética de solidificación en esas zonas y generar componentes con una estructura superior.
Los sonicadores de Hielscher mejoran la solidificación de los metales fundidos en la fundición en molde metálico
Retos metalúrgicos y solidificación ultrasónica como solución
Las investigaciones recientes de Riedel et al. (2019) han demostrado que incorporar ultrasonidos durante la fase de solidificación de la fundición de aluminio afina significativamente la estructura de grano y mejora las propiedades mecánicas locales. Con las sondas ultrasónicas de Hielscher, diseñadas específicamente para su inmersión en metal fundido, la solidificación ultrasónica es una solución robusta para mejorar la fundición en molde metálico.
La fundición en coquilla por gravedad de aleaciones de aluminio – en particular AlSi7Mg0.3 (A356) – se utiliza ampliamente en los sectores de la automoción y aeroespacial. Sin embargo, las zonas cercanas a las mazarotas suelen ser las últimas en solidificarse, lo que genera microestructuras más gruesas debido a las menores velocidades de enfriamiento. Esto da lugar a propiedades mecánicas inferiores en estas zonas, reduce la integridad global del componente y dificulta el mecanizado posterior.
Los métodos tradicionales para mitigar este problema – como los afinadores químicos de grano (p. ej., aleaciones madre Al-Ti-B), la intensificación del enfriamiento y la optimización del diseño del molde – presentan limitaciones. A menudo no logran una microestructura uniforme en toda la pieza fundida y pueden introducir impurezas o requerir un elevado aporte de energía.
La solidificación asistida por ultrasonidos del aluminio fundido produce una mejora gradual y una distribución más homogénea de las propiedades mecánicas, así como un aumento global de la resistencia a la tracción.
Solidificación ultrasónica
- Reducción de hasta 30% en el espaciado entre brazos dendríticos (DAS) en las zonas adyacentes a las mazarotas.
- Aumento significativo de la dureza y de la resistencia a la tracción, especialmente en las regiones que antes presentaban menor resistencia.
- Mejora de la isotropía de las propiedades mecánicas, lo que permite diseños con paredes más delgadas sin sacrificar el rendimiento.
Sonda ultrasónica de Hielscher para el procesamiento de aluminio líquido
Sondas ultrasónicas de alto rendimiento para la fundición en molde metálico
Hielscher ofrece procesadores ultrasónicos de alto rendimiento equipados con sonotrodos cerámicos desarrollados específicamente. Las sondas ultrasónicas cerámicas de diseño especial son adecuadas para la sonicación continua a alta temperatura, y una extensión refrigerada protege el transductor frente a daños térmicos.
Estos sonotrodos son:
- Térmicamente estables por encima de 700 °C
- Resistentes a la cavitación, lo que minimiza la erosión y la contaminación
- Personalizables para su integración en la mazarota o en el macho de los moldes de fundición
Su diseño compacto permite incorporarlos a instalaciones existentes de fundición en molde metálico, abriendo la puerta a un nuevo nivel de control del proceso y repetibilidad en la fundición de aluminio.
El tratamiento de solidificación por ultrasonidos con equipos industriales de Hielscher convierte este método en una potente herramienta para:
- Reducir los defectos de fundición
- Mejorar la fiabilidad mecánica
- Reducir los costes de procesamiento posterior
La siguiente tabla presenta nuestros procesadores ultrasónicos adecuados para la fundición en coquilla por gravedad:
| Modelo de sonicador | Potencia nominal | Frecuencia de ultrasonidos |
|---|---|---|
| UIP1000hdT | 10.000 vatios | 20 kilohercios |
| UIP1500hdT | 1500 vatios | 20 kilohercios |
| UIP2000hdT | 2000 vatios | 20 kilohercios |
| UIP4000hdT | 4000 vatios | 20 kilohercios |
Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania
Los ultrasonicadores de Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores de Hielscher afrontan con facilidad condiciones adversas y entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y concede especial importancia a los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y ofrecen facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
Instalación ultrasónica: Sonicador UIP1000hdT para mejorar la solidificación de metales fundidos
Estudio e imagen: ©Riedel et al. 2019
Bibliografía / Referencias
- E. Riedel, I. Horn, N. Stein, H. Stein, R. Bähr, S. Scharf (2019): Ultrasonic treatment: a clean technology that supports sustainability in casting processes. Procedia CIRP, Volume 80, 2019. 101-107.
- E. Riedel, P. Köhler, M. Ahmed, B. Hellmann, I. Horn, S. Scharf (2021): Industrial suitable and digitally recordable application of ultrasound for the enviromentally friendly degassing of aluminium melts before tilt casting. Procedia CIRP, Volume 98, 2021. 589-594.
- Riedel, Eric (2020): Numerisch gestützte Untersuchung einer erstarrungsbegleitenden Ultraschallbehandlung der Legierung AlSi7Mg0,3. PhDThesis Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau 2020.
- Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
Preguntas frecuentes
¿Qué es la fundición en molde metálico?
La fundición en molde metálico es un proceso de conformado de metales en el que se inyecta o vierte metal fundido en un molde de acero, normalmente por gravedad o a alta presión. En la fundición en coquilla por gravedad, el metal fundido fluye hacia la cavidad del molde únicamente por la fuerza de la gravedad. Este proceso permite producir componentes con una forma próxima a la final, alta precisión dimensional, buen acabado superficial y propiedades mecánicas constantes – especialmente con aleaciones no ferrosas como las de aluminio.
¿Para qué se utiliza el aluminio fundido?
El aluminio fundido hace referencia a una aleación de aluminio en estado líquido, normalmente a temperaturas superiores a ~660 °C (aluminio puro) o más elevadas en el caso de las aleaciones. En la fundición, el aluminio fundido se utiliza para fabricar componentes que requieren una combinación favorable de baja densidad, resistencia a la corrosión, conductividad térmica y resistencia mecánica. Entre las aplicaciones habituales se incluyen piezas de automoción (p. ej., bloques de motor y ruedas), estructuras aeroespaciales y componentes estructurales de maquinaria y bienes de consumo.
¿Qué son las dendritas?
Las dendritas son estructuras cristalinas con forma de árbol que se forman durante la solidificación de las aleaciones metálicas. Surgen a partir de los puntos iniciales de nucleación y crecen en el metal fundido siguiendo direcciones cristalográficas preferentes. La morfología dendrítica está influida por el gradiente térmico y la velocidad de solidificación. Las estructuras dendríticas gruesas suelen asociarse con propiedades mecánicas deficientes y, por tanto, son indeseables en piezas fundidas de alto rendimiento. Las técnicas de afinado de grano, como el tratamiento ultrasónico, tienen como objetivo limitar el crecimiento dendrítico excesivo.
¿Qué significa solidificación?
La solidificación es la transición de fase en la que un metal líquido se transforma en sólido al enfriarse por debajo de su temperatura de liquidus. Durante este proceso, los átomos se organizan en una red cristalina y forman granos. La cinética y la termodinámica de la solidificación determinan la microestructura resultante – tamaño de grano, morfología y segregación –, que a su vez determina las propiedades mecánicas y físicas de la pieza fundida final. La solidificación controlada es fundamental para minimizar los defectos y optimizar la microestructura de los materiales fundidos.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento, desde equipos de laboratorio hasta equipos de escala industrial.