Proceso de fundición a la cera perdida

1. Introducción

Cera perdida (inversión) fundición convierte patrones de sacrificio precisos, tradicionalmente cera, en piezas metálicas a través de una carcasa de cerámica.

Sus principales fortalezas son: excelente acabado superficial, alta precisión dimensional, y la capacidad de fundir geometrías complejas y aleaciones de alto rendimiento.

Variantes de proceso (grados de cera, química de la cáscara y métodos centrales) Permita que los ingenieros intercambien costo versus fidelidad y elijan rutas que funcionen para aceros inoxidables., aleaciones de cobre, hierros, y, con precauciones especiales, superaleaciones de titanio y níquel..

2. Proceso de fundición a la cera perdida

Secuencia típica (alto nivel):

1. Patrón: hacer cera (o resina moldeable) patrón(s) — pieza única o árbol/grupo.
2. Asamblea: adjuntar patrones a los corredores/compuertas para formar un grupo.
3. Invertir / construcción de caparazón: conjunto de inmersión en lodo aglutinante + estuco; repetir para construir shell.
4. Curar / seco: gel y cáscaras parcialmente secas entre capas; secado final.
5. Despeje: quitar la cera (vaporizar o derretir).
6. Agotamiento / disparo: rampa para quemar materia orgánica y estabilizar la cáscara.
7. Derramar: Derretir y verter metal en una carcasa precalentada..
8. Sacudida & limpieza: quitar la concha, cortar puertas, limpio.
9. Postprocesamiento: tratamiento térmico, CADERA (si es necesario), mecanizado, acabado superficial, inspección.

3. Materiales de patrón: bajo-, medio-, y ceras de alta temperatura

Notas & guía

• Elija cera por tamaño de pieza, vida útil de las herramientas y secuencia esperada de estructura/construcción. La cera a baja temperatura es excelente para detalles finos y volúmenes bajos, pero sufre fluencia en ciclos largos o en áreas cálidas del taller..
  La temperatura media es el caballo de batalla para la fundición de ingeniería. Ceras de alta temperatura (y polímeros de patrones diseñados) Se utilizan cuando la manipulación o la construcción de carcasas largas generan riesgo de distorsión..
• Aditivos de patrón: plastificantes, estabilizadores, Los mejoradores de flujo y colorantes afectan el comportamiento de inyección., Residuos de desparafinado y desprendimiento de gases de combustión: especificar formulaciones aprobadas por la fundición..

4. Producción de patrones: estampación, cera inyectable, y patrones aditivos

• moldeo por inyección: matrices de acero/aluminio para cera: bajo costo por pieza en volumen con alta calidad superficial. La escala de costos de herramientas depende de la complejidad.
• 3D patrones moldeables impresos en cera/resina: SLA, DLP, Las impresoras de cera moldeable o de chorro de material eliminan el uso de herramientas para prototipos y tiradas pequeñas..
  Las resinas moldeables modernas desparafinan limpiamente y se acercan a la calidad de la superficie de la cera de inyección.
• Diseño de patrones de arboles y puertas.: Organice patrones en un bebedero central para un vertido y alimentación eficientes.; Incluye elevadores de sacrificio para alimentación retráctil..
  Utilice la simulación para la activación y el equilibrio alimentario de grupos grandes.

5. Sistemas de carcasa: Sola-sol, vaso de agua, y conchas híbridas

El sistema de caparazón es la variable más importante que determina la fidelidad de la superficie., resistencia térmica, permeabilidad/ventilación, compatibilidad al vacío e idoneidad de la aleación en fundición a la cera perdida.

En las tiendas modernas se utilizan tres familias prácticas:

• Sola-sol (cañón coloidal) conchas — la prima, ruta de alta fidelidad.
• vaso de agua (silicato de sodio) conchas — lo económico, ruta robusta para grandes / trabajo de acero/hierro.
• Conchas híbridas — combinar una multa, capa interior químicamente resistente (sol de sílice o circón) con capas exteriores de vidrio soluble para equilibrar costo y rendimiento.

Conchas de sol de sílice (sílice coloidal)

Qué es y cómo funciona

Las cáscaras de sol de sílice utilizan un suspensión coloidal de partículas de sílice submicrónicas como aglutinante.

Las primeras capas (lavado muy fino) Utilice el coloide para transportar estuco ultrafino que registre los detalles.; Las capas posteriores aumentan el espesor y se consolidan mediante secado y cocción a alta temperatura. (sinterización) que produce denso, conchas fuertes.

Características clave:

• Fidelidad superficial: mejor disponible: Ra fundido comúnmente ~0,6–3 µm con lavado fino.
• Estabilidad térmica / disparo: Las conchas se pueden consolidar en 600–1,000 ° C (La práctica del taller varía según el estuco.). El disparo a alta temperatura aumenta la resistencia del proyectil y la resistencia al choque térmico..
• Compatibilidad vacío/inerte:excelente — las carcasas de sol de sílice son compatibles con vertidos al vacío y en atmósfera inerte y son la opción habitual para el titanio, superaleaciones de níquel y cobalto.
• control de permeabilidad: Se puede ajustar mediante la clasificación y cocción del estuco para brindar ventilación controlada para productos de alto valor., piezas de fundición apretadas.
• Sensibilidad a la contaminación:alto — la estabilidad coloidal se ve alterada por la contaminación iónica (sales, multas de metal) y organicos; La limpieza del purín y de la planta es fundamental..
• Estuco típico de primera capa: sílice fundida sub-10 µm, circón o circonio para interfaces reactivas.
• Casos de uso típicos: componentes de turbinas aeroespaciales, Superáctil, titanio vertido al vacío, implantes medicos, piezas pequeñas de precisión.

Conchas de vidrio soluble (silicato de sodio)

Qué es y cómo funciona

Las conchas de vidrio soluble utilizan un sodio acuoso (o potasio) solución de silicato como aglutinante.

Recubre el gel hasta formar una red similar a la sílice mediante gasificación con CO₂ o endurecedores químicos. (sales ácidas), produciendo una carcasa de cerámica rígida cuando se combina con estuco refractario graduado.

Características clave:

• Fidelidad superficial: bueno para ingeniería general: normalmente Ra fundido ~2,5–8 µm dependiendo del lavado y estuco.
• Disparo: generalmente estabilizado en ~400–700°C; Las carcasas no se sinterizan en la misma medida que los sistemas de sílice-sol..
• Compatibilidad con vacío:limitado — no es ideal para vaciados al vacío/inertes o las aleaciones más reactivas.
• Permeabilidad / desfogue: generalmente bueno para aceros/hierros; la permeabilidad tiende a ser más gruesa que la de las capas de sol de sílice optimizadas.
• Método de curado:Gasificación de CO₂ (gelificación rápida) o endurecedores ácidos, rápidos, conjunto robusto en el taller.
• Sensibilidad a la contaminación: Moderada: la contaminación iónica afecta el fraguado y la uniformidad del gel, pero el vidrio soluble generalmente es más tolerante que el sol de sílice..
• Estuco típico de primera capa: sílice fundida fina; El circón se puede utilizar para mejorar la protección de la superficie..
• Casos de uso típicos: cuerpos de válvulas, alza de bombas, piezas grandes de acero/hierro, hardware marino, fundiciones industriales en general.

Conchas híbridas (capa interior de sol de sílice o circonio + capas exteriores de vidrio soluble)

Qué es y cómo funciona

Un compromiso económico común: a abrigo interior premium (lavado de sol de sílice o circonio/zirconia) se aplica primero para capturar detalles y crear una barrera químicamente resistente, entonces capas exteriores de vidrio soluble Están construidos para brindar resistencia a granel a un costo menor..

Características clave:

• Fidelidad superficial & barrera química: El sol de sílice/zircón interior proporciona una calidad de superficie cercana al sol de sílice y ayuda a prevenir reacciones de la capa metálica en la interfaz del metal..
• Costo & manejo: Las capas exteriores de vidrio soluble reducen el uso total de sol de sílice y hacen que la carcasa sea más robusta para el manejo y los tamaños grandes..
• Compatibilidad con vacío: vidrio soluble mejorado versus puro (gracias a la capa interior) pero aún no es tan ideal como las carcasas completas de sol de sílice: útiles para muchos aceros inoxidables y algunas aleaciones de níquel si se controlan las atmósferas de fusión/vertido.
• Usos típicos: cuerpos de válvulas con superficies humedecidas de alta calidad, Piezas de turbina de valor medio donde se necesita cierta compatibilidad con el vacío., Aplicaciones donde se debe equilibrar el costo y el rendimiento..

6. Tecnologías centrales

• Núcleos solubles (núcleos de cera o polímero hechos para disolverse): producir pasajes internos (canales de enfriamiento); Eliminado con agua caliente o disolvente..
• Núcleos cerámicos cocidos con aglutinante (sílice, alúmina, circón): estable a altas temperaturas para superaleaciones; Requiere compatibilidad shell-core.
• 3Núcleos impresos en D: Los núcleos cerámicos Binder-Jet o SLA permiten geometrías internas complejas sin necesidad de herramientas..

El diseño de núcleos debe considerar el soporte central, desfogue, expansión térmica y compatibilidad química con metal fundido.

7. Rocío, agotamiento & Disparos de proyectiles: calendarios prácticos y puntos de control.

Rocío

• Desparafinado con vapor/autoclave: común para los árboles de cera convencionales. Temperatura de superficie típica 100–120 °C; ciclo de minutos a horas dependiendo del volumen de cera y el tamaño del árbol.
• desparafinado térmico / fusión de solvente: Se utiliza para algunos polímeros: utilice controles y recuperación de disolventes..

Agotamiento / horario de agotamiento (ejemplo típico de ingeniería)

• Rampa: reducir la velocidad hasta 100–200 °C para eliminar los residuos de humedad/cera (Se recomienda ≤3–5 °C/min para conchas gruesas para evitar ampollas de vapor).
• Sostener 1: 150–250 ° C (1–4 horas) para ahuyentar los compuestos orgánicos de bajo punto de ebullición.
• Rampa 2: ~3 °C/min a 350–500 °C.
• espera final: 4–8 horas a 350–700 °C dependiendo del sistema de carcasa y la aleación. Las carcasas de sol de sílice se pueden cocer a 600-1000 °C para sinterizar/reforzar; cáscaras de vidrio soluble comúnmente estabilizadas a 400-700 °C.
• Controles clave: tasa de rampa, disponibilidad de oxígeno (Evite la oxidación excesiva de las carcasas metálicas reactivas.), y eliminación completa de compuestos orgánicos para evitar la evolución de gas durante el vertido..

Precalentar la cáscara antes de verterla.: Precaliente la carcasa a 200–800 °C dependiendo de la aleación para minimizar el choque térmico y mejorar el flujo del metal.; p.ej., El acero inoxidable se vierte comúnmente a 200–450 °C y se precalienta.; las superaleaciones requieren más dependiendo de la carcasa.

8. Torrencial: práctica de derretir, opciones de vacío/inerte y parámetros de vertido

• Hornos de fusión: inducción o resistencia; Desgasificación/filtración y fundente para limpieza..
• Para temperaturas (típico):

• • Aleaciones de aluminio: 650–720°C
  • Aleaciones de cobre: 1000–1200 ° C
  • Aceros: 1450–1650°C
  • superaleaciones de níquel: 1400–1600+°C (dependiente de la aleación)

• Vacío y vertido inerte.: Obligatorio para titanio y aleaciones altamente reactivas.; El vacío reduce la oxidación y las reacciones de la capa metálica..
• Para la moda: vertido por gravedad versus cuchara de vertido por el fondo versus asistido por vacío: elija minimizar la turbulencia y los gases arrastrados. Utilice filtros en las puertas para el control de inclusión..

9. Materiales comúnmente fundidos & consideraciones especiales

• Aceros inoxidables (300/400, dúplex): bueno con ambos vasos de agua & Sola-sol; Controlar la permeabilidad de la carcasa y el precalentamiento final..
• Carbón & aceros de baja aleación, hierro dúctil: muy adecuado para conchas de vidrio soluble; Esté atento a las incrustaciones y la erosión de la cáscara a altas energías de vertido..
• Aleaciones de cobre (bronce, Con nosotros): común; controlar el sobrecalentamiento para evitar el lavado de la cáscara.
• Aleaciones de aluminio: posible pero a menudo más barato con otros métodos de fundición; asegurar ventilación/permeabilidad.
• Titanio & Tus aleaciones: reactivo: prefiera las cubiertas de sol de sílice, primeras capas de circonio/alúmina, el vacío se derrite, y atmósferas inertes. Evite el vidrio soluble a menos que se utilicen capas de barrera y controles especializados..
• Níquel & superaleaciones de cobalto: utilizar cáscaras de sol de sílice, Cocción a alta temperatura y manipulación al vacío/inerte cuando sea necesario..

10. Dimensional típica, capacidades de superficie y tolerancia

• Tolerancia dimensional (típico como elenco): ±0,1–0,3 % de la dimensión nominal (p.ej., ±0,1–0,3 mm encendido 100 característica mm).
• Acabado superficial (Ra como elenco): sol de sílice ~0,6–3,2 µm; vidrio soluble ~2,5–8 µm.
• Margen de contracción lineal: ~1,2–1,8% (aleación & fundición especificar exactamente).
• Espesor de pared mínimo práctico: joyería/micropiezas: <0.5 milímetros; piezas de ingenieria: 1.0–1,5 mm típico; secciones estructurales más gruesas comunes.
• Repetibilidad: las buenas prácticas de fundición producen ±0,05–0,15% entre ejecuciones en datos críticos.

11. Defectos comunes, causas fundamentales y remedios

12. Procesos posteriores al casting

• Sacudida & eliminación de cerámica: métodos mecánicos o químicos.
• Tratamiento térmico: tratamiento de solución, envejecimiento (T6), recocido - dependiente de la aleación. Temperaturas de solución típicas: Aleaciones de aluminio ~520–540 °C; aceros superiores.
• Prensado isostático caliente (CADERA): Reduce la porosidad de contracción interna para piezas sensibles a la fatiga.; Los ciclos HIP típicos dependen de la aleación. (p.ej., 100–200 MPa y 450–900 °C).
• Mecanizado & refinamiento: orificios críticos, Caras de sellado mecanizadas según tolerancia.; pulido, pasivación o recubrimiento aplicado según sea necesario.
• END & pruebas: hidrostático, presión, pruebas de fugas, rayos X/TC, ultrasónico, tinte penetrante, pruebas mecánicas según especificaciones.

13. Control de procesos, inspección & calificación

• Comprar métricas de control de calidad: sólidos en suspensión, viscosidad, tiempo de gel, curvas del horno, troncos desparafinados, gráficos de rampa de agotamiento, Derretir registros de química y desgasificación..
• Cupones de muestra: de tensión, dureza & Cupones de metalografía moldeados en puertas para microestructura representativa y propiedades mecánicas..
• muestreo de END: radiografía y tomografía computarizada para componentes críticos; especificar niveles de aceptación para la porosidad (% vol o tamaño máximo del defecto).
• Control estadístico de procesos (proceso estadístico): aplicar a entradas críticas (lavar sólidos, espesor de la cáscara, derretir hidrógeno) y salidas (variación dimensional, la porosidad cuenta).

14. Conceptos erróneos comunes & Aclaraciones

“La fundición a la cera perdida es sólo para piezas de alta precisión”

FALSO. La fundición a la cera perdida a base de vidrio soluble es rentable para piezas de precisión media (± 0.3–0.5 mm) - 40% de las piezas fundidas a la cera perdida de automóviles utilizan esta variante.

“La cera de baja temperatura es inferior a la cera de temperatura media”

Dependiente del contexto. La cera a baja temperatura es más barata y adecuada para trabajos de baja precisión., piezas de alto volumen (p.ej., hardware) — la cera a temperatura media solo es necesaria para tolerancias más estrictas.

"El sol de sílice siempre es mejor que el vidrio de agua"

FALSO. El vidrio soluble es entre un 50% y un 70% más barato y más rápido para aplicaciones de precisión media; el sol de sílice solo está justificado para piezas aeroespaciales/médicas que requieren una tolerancia de ±0,1 mm..

“La fundición a la cera perdida tiene altas tasas de desperdicio”

FALSO. La fundición a la cera perdida con sol de sílice tiene una tasa de desperdicio del 2 al 5% (comparable a la fundición a presión) — el vaso de agua tiene entre un 5% y un 10% (aún más bajo que el 10-15% de la fundición en arena).

“La impresión 3D hace obsoleta la fundición a la cera perdida”

FALSO. AM es ideal para prototipos/bajo volumen, pero la fundición a la cera perdida es entre 5 y 10 veces más barata para un volumen medio a alto (>1,000 regiones) y maneja piezas más grandes (arriba a 500 kg).

15. Conclusión

El proceso de fundición a la cera perdida sigue siendo un método principal para producir complejos, componentes metálicos de alta fidelidad.

Cuando emparejas el derecho material del patrón, química de la cáscara y práctica de fusión/atmósfera con control de proceso disciplinado, La fundición a la cera perdida crea de manera confiable piezas que serían difíciles o imposibles por otros medios..

Mejoras modernas (3D patrones impresos, conchas híbridas, vertido al vacío y HIP) ampliar el proceso a nuevas aleaciones y aplicaciones, pero también plantean la necesidad de una especificación cuidadosa, pruebas y control de calidad.

 

Preguntas frecuentes

¿Qué sistema de carcasa debo elegir para el titanio??

Sola-sol (con primera capa de circonio/alúmina) + fusión y vertido al vacío/inerte. El vidrio soluble generalmente no es adecuado sin medidas de barrera importantes.

¿Qué tan finos pueden ser los rasgos con la fundición a la cera perdida??

Características <0.5 milímetros son posibles (joyería/precisión); en piezas de ingeniería apuntan a ≥1 milímetro para robustez a menos que se demuestre mediante ensayos.

Acabado superficial típico que puedo esperar?

Sola-sol: ~0,6–3,2 µm Ra; vaso de agua: ~2,5–8 µm Ra. Los lavados finos y el pulido de matrices de cera mejoran el acabado..

¿Cuándo se recomienda HIP??

Para fatiga crítica, que contiene presión, o piezas aeroespaciales donde se debe minimizar la porosidad interna: HIP puede mejorar drásticamente la vida útil a la fatiga.

¿Puedo utilizar patrones impresos en 3D en lugar de herramientas de cera??

Sí - resinas moldeables y la cera impresa reducen el tiempo y el costo de las herramientas para prototipos/volúmenes bajos. Asegúrese de que las características de desparafinado de la resina y la compatibilidad de la carcasa estén validadas.