Filtro de espuma cerámica para fundición (CFF)

17 de marzo Filtro de espuma cerámica para fundición (CFF)

Filtro de espuma cerámica para fundición
Descripción general de los filtros de espuma cerámica
Las espumas cerámicas filtrantes se han desarrollado recientemente como un nuevo tipo de filtros para metal fundido con el fin de reducir los defectos de fundición; desempeñan un papel fundamental en las industrias de la fundición y la metalurgia, donde se utilizan para filtrar las impurezas del metal fundido y mejorar así la calidad y el rendimiento del producto final.
Incluso las más mínimas impurezas no metálicas presentes en el metal fundido pueden tener un efecto devastador sobre el rendimiento y la resistencia de los productos metálicos acabados. Esto puede dar lugar a que los productos finales no cumplan con los estándares de calidad necesarios; los filtros cerámicos desempeñan un papel esencial a la hora de eliminar estas impurezas y garantizar una fundición de alta calidad.

Aplicación de los filtros de espuma cerámica
1. Se descontaminó el metal fundido.
2. Sistema de control de accesos simplificado.
3. Mejorar la estructura metalúrgica de las piezas fundidas.
4. Reducir las inclusiones de escoria en las piezas fundidas.
5. Aumentar el índice de calidad de las piezas fundidas.
6. Reducir los defectos de reoxidación interna en las piezas fundidas.
7. Reducir los defectos superficiales tras el mecanizado de las piezas fundidas.

Ventajas de los filtros de espuma cerámica
1. Alta resistencia, sin partículas cerámicas sueltas ni polvo.
2. Estructura de malla tridimensional interconectada y alta porosidad.
3. Gran superficie de recogida de escoria y gran superficie interior de filtrado.
4. Excelente resistencia al choque térmico.
5. Hay disponibles diversos tamaños, formas y tamaños de poros.
6. Las partículas de tamaño superior al de los poros quedan retenidas en la parte superior del filtro de espuma cerámica.
7. Las partículas más pequeñas quedan retenidas en la capa de filtro formada por las partículas más grandes.
8. Las partículas más finas quedan retenidas en los poros del filtro.

Filtro de espuma cerámica «Dimension»
660 x 660 x 50 (26 pulgadas)
584 x 584 x 50 (23 pulgadas)
508 x 508 x 50 (20 pulgadas)
432 x 432 x 50 (17 pulgadas)
381 x 381 x 50 (15 pulgadas)
305 x 305 x 50 (12 pulgadas)
228 x 228 x 50 (9 pulgadas)
178 x 178 x 50 (7 pulgadas)
Filtro de espuma cerámica. Tamaño de poro (PPI):10/20/30/40/50/60

Paquete de filtros de espuma cerámica
Cada filtro se embala en una caja de cartón individual y, a continuación, se colocan en cajas de cartón grandes o en cajas de madera contrachapada, según el tamaño.
Para obtener más información sobre los paquetes, ponte en contacto con nuestro departamento de ventas.

Más información: Cómo fabricar un filtro de espuma cerámica?

¿Qué es un filtro de espuma cerámica y por qué es necesario para el metal fundido?

Un filtro de espuma cerámica es una estructura cerámica tridimensional y porosa que se fabrica recubriendo un molde de espuma de poliuretano con una pasta cerámica y, a continuación, cociendo la pieza a alta temperatura para eliminar la espuma orgánica y sinterizar la cerámica, de modo que se forme un esqueleto rígido y reticulado. Lo que queda es un bloque ligero plagado de poros interconectados que obligan al metal líquido a recorrer un camino tortuoso en lugar de una línea recta.

Se lo hemos explicado muchas veces a los directores de planta: el metal fundido en bruto, ya sea aluminio A356 o hierro dúctil, contiene partículas en suspensión. Entre ellas se incluyen películas de óxido, escoria, partículas de erosión de los refractarios, granos de arena desprendidos durante el vertido y compuestos intermetálicos. Si estos contaminantes llegan al molde, se convierten en puntos duros, vías de fuga o puntos de inicio de grietas en la pieza acabada. Los talleres de mecanizado posteriores rechazarán las piezas con estos defectos, y los incumplimientos de la garantía en componentes estructurales o a prueba de presión pueden costar mucho más que la propia pieza fundida.

El filtro funciona mediante tres mecanismos distintos que se producen simultáneamente. En primer lugar, la filtración mecánica bloquea físicamente las partículas más grandes que las aberturas de los poros. En segundo lugar, la geometría interna tortuosa hace que el flujo turbulento se estabilice en un flujo laminar, lo que permite que las partículas más pequeñas se depositen por gravedad o se adhieran a las paredes cerámicas (un fenómeno que los ingenieros de fundición denominan “filtración en lecho profundo”). En tercer lugar, la propia superficie cerámica tiene una afinidad química por las películas de óxido, lo que hace que estas se adhieran a las paredes de los poros en lugar de pasar a través de ellas con la corriente de metal.

Hemos observado este proceso en las naves de producción mediante cámaras de alta velocidad, y el efecto de suavización del flujo suele ser más importante para la calidad final de la fundición que el mero efecto de filtrado. Una corriente metálica turbulenta que entra en un molde arrastra aire y crea nuevas películas de óxido en el acto; un filtro que suaviza el flujo evita que se produzca esta contaminación secundaria.

¿De qué materiales están hechos los filtros de espuma cerámica y cuál es el adecuado para tu aleación?

LOS TRES MECANISMOS DE FILTRACIÓN EN LOS FILTROS DE ESPUMA CERÁMICA

No todos los materiales cerámicos son adecuados para todos los metales. La compatibilidad química entre el material del filtro y la aleación fundida determina si el filtro resiste el vertido sin disolverse, agrietarse ni contaminar la masa fundida con sus propias partículas.

Hemos tenido clientes que han intentado ahorrar dinero utilizando un filtro de alúmina para el hierro gris porque resultaba más barato por unidad que el de carburo de silicio. El resultado fue que el filtro se disolvió en mitad del vertido, lo que contaminó toda la colada y supuso un coste aproximadamente cuarenta veces superior al que habría tenido el filtro adecuado. La selección de materiales no es un aspecto en el que se deba escatimar, y cualquier proveedor de confianza te lo dirá desde el principio, en lugar de venderte lo primero que tenga en stock.

Los filtros de circonio merecen una mención especial, ya que se han convertido en la opción habitual para las operaciones de fundición de acero en los últimos quince años. La temperatura de colada del acero (normalmente entre 1550 y 1650 °C) ejerce una enorme tensión térmica sobre las estructuras cerámicas, y la superior resistencia al choque térmico de la circonia evita las grietas que afectaban a los antiguos filtros de acero a base de alúmina.

¿Cuántas opciones de densidad de poros hay y cómo se elige la adecuada?

La densidad de poros, medida en poros por pulgada lineal (PPI), es probablemente la especificación que más malentendidos suscita a la hora de seleccionar filtros de espuma cerámica. Cada semana recibimos llamadas de responsables de compras que han pedido un valor de PPI incorrecto simplemente porque nadie les explicó la relación entre el grado de filtración y el caudal.

Elegir un PPI demasiado fino para una sección de fundición grande provoca un atasco prematuro del filtro, y el frente de metal puede solidificarse dentro del sistema de canales antes de que el molde se llene por completo. Hemos visto cómo esto ha provocado fallos totales en el vertido de piezas de fundición de hierro de gran tamaño, en las que un comprador sin experiencia especificó 50 PPI para una pieza que necesitaba 20 PPI.

Contraste de la espuma del filtro: 10-60 PPI

Por el contrario, elegir un PPI demasiado grueso en una pieza de precisión de pared delgada hace que las pequeñas inclusiones pasen directamente, y la pieza fundida no supere la inspección por rayos X o las pruebas de presión posteriores. Nuestra regla general, desarrollada a lo largo de años de pruebas con clientes, consiste en ajustar el PPI en función de la sección de pared más delgada de la pieza fundida y del peso total de la colada en conjunto, y no de uno de estos factores por separado.

¿Qué relación hay entre el tamaño del filtro y el peso de vertido?

La superficie del filtro debe ser proporcional al volumen total de metal que pasa a través de él, y no solo a la densidad de poros. Un filtro que tenga el tamaño adecuado en cuanto a finura, pero cuya superficie sea demasiado pequeña, se obstruirá independientemente del índice de PPI.

Siempre recomendamos realizar un vertido de prueba al pasar a una nueva geometría de pieza, en lugar de fiarse únicamente de una tabla, ya que tanto el diseño de la entrada de fundición como la velocidad de vertido modifican la demanda efectiva de flujo en el filtro.

¿Qué formas hay disponibles y dónde se utiliza cada una de ellas?

Los filtros de espuma cerámica no se limitan a una única geometría. Las fundiciones eligen la forma en función del diseño del sistema de colada y de cómo se integra el filtro en el molde o en la pieza de filtro.

Filtros cuadrados siguen siendo la forma más producida, ya que se adaptan a las cavidades estándar de los moldes de filtro que se utilizan en todo el sector de la fundición en arena. La mayoría de las fundiciones de aluminio que fabrican piezas de automoción en grandes volúmenes optan por los filtros cuadrados simplemente por la estandarización de las herramientas.

Filtros redondos Son más habituales en la fundición por gravedad y en algunas aplicaciones de fundición a la cera perdida en las que el sistema de bebederos tiene un diseño circular. También son habituales en las fundiciones de hierro dúctil que utilizan un sistema de bebederos verticales.

Filtros rectangulares se especifican cuando el sistema de compuertas tiene una sección transversal ancha y poco profunda, algo habitual en piezas fundidas grandes y planas, como bloques de motor o carcasas de transmisión, en las que el metal debe extenderse a lo largo de un canal ancho antes de entrar en el molde.

Conjuntos de filtros adheridos, en las que se unen dos o más filtros en una sola unidad, permiten gestionar volúmenes de colada extremadamente elevados en piezas grandes de acero o hierro fundido, distribuyendo el flujo a lo largo de una superficie de filtración más amplia sin necesidad de rediseñar todo el sistema de canales de colada.

¿En qué se diferencian los filtros de espuma cerámica de otras tecnologías de filtración?

Las fundiciones disponen de varias opciones de filtración, y creemos que conviene ser sinceros sobre en qué aspectos los filtros de espuma cerámica superan realmente a las alternativas y en cuáles no.

Los filtros cerámicos extruidos, a veces denominados filtros de panal, son más económicos, pero cuentan con canales rectos en lugar de la estructura tortuosa de la espuma. Esto significa que se basan casi exclusivamente en la filtración mecánica y no ofrecen las ventajas de la filtración de lecho profundo. Por lo general, desaconsejamos su uso a los clientes, salvo que las restricciones presupuestarias sean muy estrictas y la criticidad de la pieza sea baja.

Los filtros de tela de fibra de vidrio retienen las partículas grandes, pero no son eficaces contra las películas de óxido ni las inclusiones finas, y en algunos casos pueden desprenderse fibras de vidrio en la masa fundida. Rara vez los recomendamos para nada que no sean piezas decorativas de fundición no críticas.

¿Qué normas y especificaciones de fabricación debes comprobar antes de comprar?

Hemos observado que los equipos de compras suelen centrarse exclusivamente en el precio por unidad y pasan por alto la verificación de la calidad de fabricación, lo que acaba provocando problemas más adelante. Hay algunas especificaciones que son más importantes que otras a la hora de evaluar a un proveedor.

Resistencia a la compresión determina si el filtro resiste la manipulación, la inserción en el molde de filtrado y la presión hidrostática del cabezal metálico durante el vertido. Los rangos aceptados en el sector suelen oscilar entre 0,8 MPa y 2,5 MPa, dependiendo del material del filtro y del PPI; los filtros con un PPI más fino suelen necesitar una mayor resistencia a la compresión para evitar que se aplasten.

Resistencia al choque térmico Esto es importante porque el filtro pasa de la temperatura ambiente a más de 700 °C (aluminio) o más de 1500 °C (hierro/acero) en cuestión de segundos tras el contacto con el metal. Un filtro con poca resistencia al choque térmico se agrietará al entrar en contacto con el metal, lo que provocará que se proyecten fragmentos de cerámica directamente hacia la pieza fundida, lo cual podría decirse que es peor que no tener ningún filtro.

Tolerancia dimensional Esto influye en que el filtro se asiente correctamente en la carcasa del filtro, sin huecos que permitan que el metal sin filtrar pase por completo por encima del filtro. Solicitamos a los proveedores los datos de tolerancia por escrito; por lo general, esperamos una tolerancia de +/- 0,5 mm en los tamaños estándar.

Uniformidad de la porosidad La distribución uniforme del flujo a lo largo de la superficie del filtro evita la formación de canales localizados de alto caudal que reducen la eficacia global de la filtración. Los fabricantes de prestigio realizan ensayos por lotes y pueden facilitar certificados de ensayo previa solicitud; si un proveedor no puede presentar esta documentación, lo consideramos una señal de alerta.

¿Cómo deben instalarse y manipularse los filtros de espuma cerámica en la planta de fundición?

Hemos pasado suficiente tiempo en las plantas de producción como para saber que incluso un filtro fabricado a la perfección falla si se maneja de forma incorrecta. Hay una serie de prácticas que distinguen a las fundiciones que obtienen resultados constantes de aquellas que se enfrentan a índices de defectos inexplicables.

En la mayoría de las operaciones, especialmente en la fundición de hierro y acero, es necesario precalentar los filtros antes de que entren en contacto con el metal. Un filtro frío absorbe el calor del flujo inicial de metal, lo que puede provocar una congelación localizada justo en la superficie del filtro y restringir el flujo durante el resto de la colada. El precalentamiento a una temperatura comprendida entre 150 °C y 300 °C (dependiendo de la aleación y del material del filtro) evita este problema de choque térmico y consigue que el filtro alcance la estabilidad térmica antes de que llegue la mayor parte del metal.

El filtro debe encajar completamente en la cavidad del molde del filtro, sin dejar huecos en los bordes. Hemos detectado que numerosas reclamaciones de clientes por defectos se debían a que el filtro se había desplazado ligeramente durante el montaje del molde, lo que provocó la apertura de un canal de derivación a lo largo de uno de los bordes que permitía el paso directo de metal sin filtrar. Algunas fundiciones utilizan ahora una junta fina de fibra cerámica alrededor del perímetro del filtro para garantizar un sellado completo.

Las condiciones de almacenamiento antes de su uso son más importantes de lo que se suele pensar. Los filtros de espuma cerámica absorben la humedad ambiental con el paso del tiempo, y verter metal sobre un filtro húmedo provoca una explosión de vapor en el interior de la estructura porosa, lo que puede agrietar el filtro o, lo que es peor, provocar una violenta salpicadura de metal. Recomendamos almacenar los filtros en un lugar seco y con temperatura controlada, y realizar un ciclo de recocido a baja temperatura si los filtros han estado almacenados durante largos periodos de tiempo o en condiciones de humedad.

El control de la velocidad de vertido también es importante. Verter demasiado rápido desborda la capacidad de flujo del filtro y provoca un desbordamiento turbulento alrededor de la huella del filtro, lo que anula por completo el propósito de la filtración. Verter demasiado despacio permite que la parte frontal metálica del filtro se enfríe y se congele parcialmente, lo que restringe el flujo durante el resto del vertido. Las fundiciones que mantienen velocidades de vertido constantes, ya sea mediante operarios cualificados o sistemas de vertido automatizados, obtienen un rendimiento del filtro notablemente mejor que aquellas en las que el vertido manual es variable.

Certificado de certificación de calidad del filtro de espuma cerámica AdTech

¿Qué problemas suelen surgir y cómo se pueden diagnosticar?

Todas las fundiciones con las que hemos trabajado acaban enfrentándose a alguno de estos problemas. Detectar rápidamente los síntomas permite evitar que se desperdicien las coladas.

Mantenemos esta tabla expuesta en las oficinas de calidad de más de un cliente, ya que estos siete problemas abarcan aproximadamente el 90% de las reclamaciones relacionadas con los filtros que recibimos en un año determinado.

¿Cómo se evalúa y se elige a un proveedor de filtros de espuma cerámica?

Aquí es donde nuestra experiencia en compras resulta útil, ya que las decisiones de compra relacionadas con este producto suelen salir mal por motivos que no tienen nada que ver con el filtro en sí.

Recomendamos a los compradores que soliciten a los proveedores un certificado de análisis de cada lote, no solo del primer pedido de muestra. La fabricación de cerámica a base de espuma presenta variaciones naturales entre lotes, y un proveedor que confíe en su proceso lo facilitará sin dudarlo. Si un proveedor se muestra evasivo o retrasa la entrega de la documentación solicitada, conviene tenerlo en cuenta.

En la mayoría de los casos, la consistencia en los plazos de entrega es más importante que el precio de venta. Un filtro que sea 10% más barato, pero que llegue con dos semanas de retraso durante una fase de aumento de la producción, supone un coste mucho mayor en tiempo de inactividad que el ahorro por unidad. Hemos visto cómo los compradores persiguen el precio más bajo de la oferta y luego se ven en apuros cuando el rendimiento real del proveedor en cuanto a entregas no se ajusta a lo prometido por el departamento de ventas.

Las cantidades mínimas de pedido varían enormemente de un fabricante a otro, lo que repercute en el capital circulante inmovilizado en existencias. Las fundiciones más pequeñas que trabajan por encargo deberían buscar proveedores dispuestos a aceptar cantidades mínimas de pedido más bajas, incluso a cambio de un ligero recargo en el precio, en lugar de acumular un exceso de existencias de un tamaño de filtro que podría cambiar con la próxima revisión de las herramientas.

La disponibilidad de asistencia técnica es lo que distingue a los simples proveedores de productos básicos de los socios. Cuando nos hemos encontrado con defectos de fundición inusuales que podrían deberse a la filtración, los proveedores que envían a un ingeniero para revisar el proceso (en lugar de limitarse a enviar un producto de sustitución) son aquellos con los que merece la pena establecer una relación a largo plazo.

¿Cómo es la estructura de costes de los filtros de espuma cerámica y cuál es el retorno real de la inversión?

Los precios de los filtros de espuma cerámica varían en función del material, el tamaño y el PPI, pero podemos ofrecer rangos generales basados en las condiciones actuales del mercado en las distintas regiones en las que nos abastecemos.

Estas cifras varían en función de los costes de las materias primas (en particular, los precios del circonio y del carburo de silicio) y del volumen de pedidos, pero constituyen una referencia útil para la elaboración de presupuestos.

El cálculo del retorno de la inversión (ROI) que explicamos a nuestros clientes se centra en la reducción de los desechos, más que únicamente en el coste de los filtros. Si una fundición produce 1.000 piezas fundidas al mes con un valor medio de $50 por unidad, y la filtración reduce la tasa de desechos de 8% a 3%, eso supone 50 piezas fundidas menos desechadas al mes, lo que equivale a un valor de $2.500. Frente a un aumento del coste de los filtros de quizás entre $500 y 800 al mes por la mejora necesaria para corregir el PPI o el material, la amortización es inmediata y se repite cada mes a partir de entonces. Hemos realizado este mismo cálculo para clientes que han pasado de filtros de tela a filtros de espuma cerámica debidamente especificados, y las cifras justifican sistemáticamente el cambio ya en el primer mes de producción.

Preguntas frecuentes

1. ¿Se puede reutilizar un filtro de espuma cerámica tras un ciclo de fundición?
No. Los filtros de espuma cerámica son consumibles de un solo uso. La estructura porosa se satura de impurezas atrapadas durante el primer vertido, y si se intentara reutilizarlos, se restringiría gravemente el flujo o se liberarían los contaminantes previamente atrapados de nuevo en una nueva masa fundida.

2. ¿Qué provoca que un filtro de espuma cerámica se agriete durante el vertido?
El choque térmico es la causa principal, que suele producirse cuando un filtro sin precalentar entra en contacto con metal fundido a temperatura máxima de vertido. También contribuyen a ello la incompatibilidad de materiales (el uso de alúmina en una aplicación que requiere una mayor resistencia al choque térmico) y los daños físicos sufridos durante la manipulación antes de la instalación.

3. ¿Cuánto tiempo se pueden almacenar los filtros de espuma cerámica antes de su uso?
La mayoría de los fabricantes estiman que la vida útil es de entre 12 y 24 meses cuando se almacenan en condiciones secas y con temperatura controlada. Pasado ese plazo, la absorción de humedad se convierte en un riesgo real, por lo que recomendamos realizar un ciclo de secado en horno para cualquier filtro que se haya almacenado durante más de seis meses en condiciones de almacén que no sean las ideales.

4. ¿Influye el PPI del filtro en el acabado superficial de la fundición?
Indirectamente, sí. Los filtros PPI de mayor precisión eliminan las inclusiones más pequeñas y producen un flujo de metal más uniforme, lo que reduce la probabilidad de que se produzcan defectos superficiales como las uniones en frío o las picaduras relacionadas con las inclusiones. Sin embargo, el PPI por sí solo no determina el acabado superficial; el diseño de los canales de inyección y el recubrimiento del molde desempeñan un papel igualmente importante.

5. ¿Puede un mismo tipo de filtro utilizarse tanto para el aluminio como para el hierro y el acero?
No hay ningún material que ofrezca un rendimiento óptimo en los tres casos. La alúmina funciona bien con el aluminio, pero se degrada a las temperaturas de servicio del hierro y el acero. El carburo de silicio es adecuado para el hierro. La circonia soporta las mayores exigencias térmicas del acero. El uso de un filtro inadecuado conlleva el riesgo de contaminación y de fallo estructural del propio filtro durante el vertido.

6. ¿Cuál es la diferencia entre una copia de filtro y el propio filtro?
La huella del filtro es la cavidad moldeada en el molde de arena o en la matriz que mantiene el filtro de espuma cerámica en su posición durante el vertido. El filtro en sí es el componente cerámico. Las dimensiones de la huella del filtro deben coincidir lo más posible con las del filtro para evitar huecos por los que pueda pasar el material sin filtrar.

7. ¿Afectan los filtros de espuma cerámica a la composición química de los metales?
Un filtro correctamente adaptado presenta una interacción química insignificante con la masa fundida. Sin embargo, un filtro inadecuado puede disolverse parcialmente e introducir contaminación cerámica en la aleación, por lo que es fundamental verificar la compatibilidad de los materiales antes de iniciar cualquier ciclo de producción a gran escala.

8. ¿Es siempre necesario precalentar?
En la fundición de hierro y acero, el precalentamiento es una práctica habitual y se recomienda encarecidamente. En la fundición de aluminio a baja temperatura, algunas fundiciones prescinden del precalentamiento con buenos resultados, aunque seguimos recomendándolo para filtros de mayor tamaño o coladas de gran volumen, en las que el riesgo de choque térmico aumenta con la masa del filtro.

9. ¿Cómo puedo saber si el PPI de mi filtro actual no es el adecuado para mi proceso?
Entre los indicios de una especificación incorrecta del PPI se incluyen la congelación prematura frecuente (PPI demasiado fino), la presencia de inclusiones visibles en las piezas fundidas acabadas a pesar de la filtración (PPI demasiado grueso) o tiempos de llenado inconsistentes en coladas supuestamente idénticas (variación en el tamaño del filtro o en el PPI). La realización de una prueba controlada con grados de PPI adyacentes suele permitir identificar la especificación correcta en el plazo de dos o tres lotes de prueba.

10. ¿Qué documentación debo solicitar al proveedor de filtros de espuma cerámica?
Como mínimo, solicita datos sobre la composición de los materiales, los resultados de los ensayos de resistencia a la compresión, las temperaturas máximas de servicio y los certificados de calidad específicos de cada lote. Para la producción de grado aeroespacial o automovilístico, solicita también registros completos de trazabilidad de los materiales y cualquier certificación de terceros de la que disponga el proveedor.

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