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Colado del metal fundido.
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PROCESO DE FUNDICIÓN
Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.
El proceso más común es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que
posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido. La fundición en
arena consiste en colar un metal fundido, típica mente aleaciones de hierro,
acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y
posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida.
Para la fundición con metales como el hierro o el plomo, que son
significativamente más pesados que el molde de arena, la caja de moldeo es a
menudo cubierta con una chapa gruesa para prevenir un problema conocido como
"flotación del molde", que ocurre cuando la presión del metal
empuja la arena por encima de la cavidad del molde, causando que el proceso no
se lleve a cabo de forma satisfactoria.
También se conoce como fundición al proceso de extraer metales a partir
de sus menas, que suele ser la etapa previa al moldeado metálico.
Etapas del proceso
Diseño
del modelo
La fundición en arena requiere un
modelo a tamaño natural de madera, cristal, plástico y metales que define la
forma externa de la pieza que se pretende reproducir y que formará la cavidad
interna en el molde.
En lo que atañe a los materiales
empleados para la construcción del modelo, se puede emplear desde madera o plásticos como el uretano y el poliestireno expandido (EPS) hasta metales como el aluminio o el hierro fundido
.
Para el diseño del modelo se debe
tener en cuenta una serie de medidas derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:
- Debe ser ligeramente más grande que
la pieza final, ya que se debe tener en cuenta la contracción de la misma
una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. El porcentaje de
reducción depende del material empleado para la fundición.
A esta dimensión se debe dar una sobre medida en los casos en el que se dé un proceso adicional de maquinado o
acabado por arranque de viruta.
- Las superficies del modelo deberán
respetar unos ángulos mínimos con la dirección de
desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no
dañar el molde de arena durante su extracción. Este ángulo se denomina ángulo
de salida. Se recomiendan ángulos entre 0,5º y 2º.
- Incluir todos los canales de
alimentación y mazarotas necesarios para el llenado del molde
con el metal fundido.
- Si es necesario incluirá portadas,
que son prolongaciones que sirven para la colocación del macho.
Los moldes, generalmente, se
encuentran divididos en dos partes, la parte superior denominada cope y
la parte inferior denominada draga que se corresponden a sendas partes
del molde que es necesario fabricar. Los moldes se pueden distinguir:
- Moldes de arena verde: estos moldes
contienen arena húmeda.
- Moldes de arena fría: usa
aglutinantes orgánicos e inorgánicos para fortalecer el molde. Estos
moldes no son cocidos en hornos y tienen como ventaja que son más precisos dimensional mente pero también más caros que los moldes de arena verde.
- Moldes no horneados: estos moldes no
necesitan ser cocidos debido a sus aglutinantes (mezcla de arena y
resina). Las aleaciones metálicas que típica mente se utilizan con estos
moldes son el latón, el hierro y el aluminio.
Las etapas que se diferencian en
la fabricación de una pieza metálica por fundición en
arena comprende:
- Compactación de la arena alrededor del modelo en la caja de moldeo. Para ello primeramente se coloca cada semimodelo en una tabla, dando lugar a las llamadas tablas modelo, que garantizan que posteriormente ambas partes del molde encajara perfectamente
Actualmente se realiza el llamado moldeo mecánico, consistente en la compactación de la arena por medios automáticos, generalmente mediante pistones (uno o varios) hidráulicos o neumáticos.
- Colocación del macho o corazones. Si la pieza que se quiere fabricar
es hueca, será necesario disponer machos, también llamados corazones que
eviten que el metal fundido rellene dichas oquedades. Los machos se
elaboran con arenas especiales debido a que deben ser más resistentes que
el molde, ya que es necesario manipularlos para su colocación en el molde.
Una vez colocado, se juntan ambas caras del molde y se sujetan. Siempre
que sea posible, se debe prescindir del uso de estos corazones ya que
aumentan el tiempo para la fabricación de una pieza y también su costo.
- Colada. Vertido del material fundido. La entrada
del metal fundido hacia la cavidad del molde se realiza a través de la
copa o bebedero de colada y varios canales de alimentación. Estos serán
eliminados una vez solidifique la pieza. Los gases y vapores generados
durante el proceso son eliminados a través de la arena permeable.
Vertido del
material fundido.
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enfriamiento y solidificación. Esta etapa es crítica de todo el proceso, ya que un enfriamiento excesivamente rápido puede provocar tensiones mecánicas en la pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es demasiado lento disminuye la productividad. Además un enfriamiento desigual provoca diferencias de dureza en la pieza. Para controlar la solidificación de la estructura metálica, es posible localizar placas metálicas enfriadas en el molde. También se puede utilizar estas placas metálicas para promover una solidificación direccional. Además, para aumentar la dureza de la pieza que se va a fabricar se pueden aplicar tratamientos térmicos o tratamientos de compresión.
Desmolde.
Variantes
- Rotura del molde y extracción de la pieza.
En el desmolde también debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena
se recicla para la construcción de nuevos moldes.
- . Consiste en la eliminación de los conductos
de alimentación, mazarota y rebarbas procedentes de la junta de ambas
caras del molde.
- Acabado y limpieza de los restos de arena adheridos. Posteriormente la pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico.
Variantes
La precisión de la pieza fundida
está limitada por el tipo de arena y el proceso de moldeo utilizado. La
fundición hecha con arena verde gruesa proporcionará una textura áspera en la
superficie de la pieza. Sin embargo, el moldeo con arena seca produce piezas
con superficies mucho más lisas.
Para un mejor acabado de la
superficie de las piezas, estas pueden ser pulidas o recubiertas con un residuo
de óxidos, silicatos y otros compuestos que posteriormente se eliminarían
mediante distintos procesos, entre ellos el granallado.
- Moldeo en arena verde. La arena verde es una mezcla de arena
de sílice, arcilla, humedad y otros aditivos. Este moldeo consiste en la
elaboración del molde con arena húmeda y colada directa del metal fundido.
Es el método más empleado en la actualidad, con todo tipo de metales, y
para piezas de tamaño pequeño y medio.
No es adecuado para piezas grandes o de geometrías complejas, ni para
obtener buenos acabados superficiales o tolerancias reducidas.
- Moldeo en arena químico. Consiste en la elaboración del
molde con arena preparada con una mezcla de resinas, el fraguado de estas
resinas puede ser por un tercer componente líquido o gaseoso, o por
autofraguado. De este modo se incrementa la rigidez del molde, lo que
permite fundir piezas de mayor tamaño y mejor acabado superficial.
- Moldeo en arena seca. La arena seca es una mezcla de
arena de sílice seca, fijada con otros materiales que no sea la arcilla
usando adhesivos de curado rápido. Antes de la colada, el molde se seca a
elevada temperatura (entre 200 y 300 °C). De este modo se incrementa la
rigidez del molde, lo que permite fundir piezas de mayor tamaño,
geometrías más complejas y con mayor precisión dimensional y mejor acabado
superficial.
- Moldeo mecánico. Consiste en la automatización del
moldeo en arena verde. La generación del molde mediante prensas
mecánicas o
hidráulicas, permite obtener moldes densos y resistentes que subsanan las
deficiencias del moldeo tradicional en arena verde. Se distingue:
- Moldeo Horizontal. A finales de los años 50 los
sistemas de pistones alimentados hidráulicamente fueron usados para la compactación de
la arena en los moldes. Estos métodos proporcionaban mayor estabilidad y
precisión en los moldes. A finales de los años '60 se desarrolló la
compactación de los moldes con aire a presión lanzado sobre el molde de
arena precompactado.
La mayor desventaja de estos
sistemas es la gran cantidad de piezas de repuesto que se consumen debido a la
multitud de partes móviles, además de la producción limitada unos 90-120 moldes
por hora.
- Moldeo vertical. En 1962 la compañía danesa Dansk
Industri Syndikat (DISA) implementó una ingeniosa idea de moldeo sin
caja aplicando verticalmente presión. Las primeras líneas de este tipo
podrían producir 240 moldes por hora y hoy en día las más modernas llegan
a unos 550 moldes por hora. Aparte de la alta productividad, de los bajos
requerimientos de mano de obra y de las precisiones en las dimensiones,
este método es muy eficiente.
- Moldeo en arena “matchplate”. Este método fue desarrollado y
patentado en 1910. Sin embargo, no fue hasta principio de los años '60
cuando la compañía americana Hunter Automated Machinery Corporation
lanzó su primera línea basada en esta tecnología. El método es similar al
método vertical. El principal proveedor es DISA y actualmente este método
es amplia mente utilizado, particularmente en Estados Unidos, China y la
India. Una gran ventaja es el bajo precio de los modelos, facilidad para
cambiar las piezas de los moldes y además, la idoneidad para la
fabricación de series cortas de piezas en la fundición.
- Moldeo a la cera perdida o microfusión. En este caso, el modelo se fabrica en cera o plástico. Una vez obtenido, se recubre de una serie
de dos capas, la primera de un material que garantice un buen acabado
superficial, y la segunda de un material refractario que proporciones
rigidez al conjunto. Una vez que se ha completado el molde, se calienta
para endurecer el recubrimiento y derretir la cera o el plástico para
extraerla del molde en el que se verterá posteriormente el metal fundido.
- Fundición en coquilla. En este caso, el molde es metálico.
- Fundición por inyección
- Fundición
prensada
- Fundición a baja presión
Es un sistema de fundición que consiste colocar un crisol de metal fundido en un recipiente a presión. Un tubo de alimentación conecta el metal de crisol con la entrada del molde. Se inyecta aire
comprimido o un gas inerte en el recipiente a una presión de 20-105 kN/m².
Al inyectarlo la única salida del metal será el tubo por lo que se genera el
flujo de metal, que llena la matriz y forma la pieza. La presión se mantiene
durante la solidificación para compensar la contracción volumétrica. No son
necesarias ni mazarotas ni alimentación de colada.
