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FABRICACIÓN POR 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 y adopta la forma geométrica del mismo.

Las características de este proceso son las siguientes:

  • Es relativamente barato y fácil de ejecutar
  • Las piezas quedan con una calidad aceptable
  • Se pueden elaborar gran cantidad de piezas y se puede trabajar con superficies con cierto grado de complejidad
  • Reduce o elimina los costes de otros procesos de fabricación, como el mecanizado, deformación plástica, etc.
  • Rentable para bajos volúmenes de producción
  • Pueden utilizarse un gran número de aleaciones y materiales (fundiciones, aceros, aleaciones de aluminio, bronce, latón, aleaciones de magnesio, aleaciones de zinc, …)
  • Se reducen los desperdicios generados en el proceso, que en cualquier caso se vuelven a fundir

Una característica muy importante de los materiales para la fundición es la fusibilidad. Esta es la capacidad que tienen los materiales para fundirse y así ser moldeados. Esta propiedad está estrechamente relacionada con el punto de fusión, el cual es el valor de temperatura a partir del cual el material comienza a fundir. Esta es una propiedad inherente a cada material.

Para efectuar el proceso de fundición, el material se calienta a una temperatura ligeramente superior a la temperatura de fusión.

Cosas a tener en cuenta:

  • El molde ha de ser suficientemente bajo para que se llene antes de empezar la solidificación
  • El molde ha de ser suficientemente bajo para que el calor radiante del metal no origine defectos superficiales debidos a la dilatación de la arena
  • El régimen de circulación del fluido dentro del molde debe corresponder a un flujo lamiar (número de Reynolds inferior a 2000)

Del proceso de solidificación depende en gran parte la estructura metalográfica y por lo tanto las propiedades de las piezas moldeadas, así como la aparición de diferentes tipos de defectos. Durante la solidificación tenemos dos etapas, la de nucleación y la de crecimiento de los granos.

Debemos tener en cuenta que cuando fabricamos piezas por fundición estas se contraen. Para compensar estos efectos de las contracciones, debemos prever el volumen supletorio de material para compensar la contracción por enfriamiento del líquido y de la solidificación, sobredimensionar el molde para compensar la contracción por enfriamiento del sólido e introducir mazarotas para que mantengan la alimentación de material fundido a la cavidad de la pieza durante la solidificación del material.

Las mazarotas son depósitos de material que se colocan en sitios del molde que son críticos que tienden a generar rechupes. Se trata de emplear la cantidad mínima de material para que cumplan su función. Estas mazarotas se pueden calcular con relativa precisión y posición y se eliminan después del desmolde por medio de tenazas o limado.

Molde fundición

Para la fundición se utilizan diferentes hornos; el de reverbero, el de fundición centrífuga, el de leña, el eléctrico, el estacionario con coque y el bascular con gas entre otros.

Los moldes se fabrican de materiales como arena, metal u otros materiales. Y los métodos de vertido del material fundido son por gravedad, vacío, a presión por un embolo, a presión centrífuga, etc.

El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser esta 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. Es un procedimiento de molde perdido y de vertido por gravedad. La arena está formada por sílice (88%), arcilla (9%) como aglutinante, agua (3%) y algún material orgánico.

Para poder hacer un molde primero necesitamos crear un modelo de la pieza que pretendemos reproducir, los cuales son de madera, metal o plástico, deben fabricarse sobredimensionados por las contracciones de la pieza en el periodo de enfriamiento y con ángulos de salida para evitar derrumbes o arrastres de material en la dirección de desmoldeo. También lo deberemos sobredimensionar para los posteriores mecanizados si son necesarios. Este molde también incluirá los canales de alimentación y mazarotas necesarios para el llenado del molde con el metal fundido y si es necesario incluirá portadas, que son prolongaciones que sirven para la colocación del macho.

En el moldeo por arena, usualmente se fabrican dos semimodelos correspondientes a sendas partes del molde que es necesario fabricar. La arena se tiene que compactar, 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 encajarán perfectamente. Actualmente se realiza el llamado molde mecánico, consistente en la compactación de la arena por medios automáticos, generalmente mediante pistones hidráulicos o neumáticos.

Etapas en el proceso de fabricación por fundición:

  • Colocación del macho: si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será necesario disponer machos 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.
  • Colada: vertido del material fundido.
  • 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.
  • Desmoldeo: rotura del molde y extracción de la pieza. En el desmoldeo también debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena se recicla para la construcción de nuevos moldes.
  • Desbarbado: consiste en la eliminación de los conductos de alimentación, mazarota y rebabas 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, etc.

Cuando una pieza tiene superficie irregular, su enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de la pieza. Estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los modelos.

Variantes en los procesos de fabricación por moldeo:

  • Moldeo en arena verde: 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 seca: antes de la colada, el molde se seca a elevada temperatura (entre 200 y 300ºC). 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.
  • 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 proporcionen 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.
    Este método tiene la ventaja de que no necesitamos machos y no deja superficies de junta, con lo que se logran fieles reproducciones del modelo original sin defectos superficiales (líneas de junta y rebabas) que luego haya que pulir.
  • Fundición en coquilla: el molde puede estar hecho en fundición gris, acero refractario o grafito. El vertido se hace por gravedad. Las ventajas de este método es que es reutilizable, tiene un índice de producción rápido, un buen acabado superficial, una buena precisión dimensional, baja cantidad de desperdicios, direccionamiento de la solidificación y permite un rápido enfriamiento de las piezas, lo que les confiere una mayor resistencia.
    Los inconvenientes son que no se pueden moldear piezas complejas, tiene un coste elevado y el tiempo de construcción del molde también es elevado.
  • Moldeo a presión: en este proceso el metal líquido se inyecta a presión en un molde metálico (matriz). La inyección se hace a una presión entre 10 y 14 Mpa. Las piezas logradas con este procedimiento son de gran calidad en lo que se refiere a su acabado y a sus dimensiones. Es uno de los procedimientos más utilizados para la producción de grandes cantidades de piezas fundidas. La presión permite conseguir paredes muy finas y detalles pequeños. Se utiliza en aleaciones de cobre, aluminio y zinc. necesita un ciclo tiempo-presión para cada etapa del proceso.
  • Fundición por inyección:
  • Fundición prensada: este procedimiento combina las características de la fundición y de la forja, de forma que no se hace necesario el uso de canales de alimentación ni de mazarotas. La fundición prensada se basa en el principio de la solidificación prensada del metal fundido usando un juego de utillajes y una prensa hidráulica.
    Se coloca el juego de utillajes en la prensa hidráulica y se precalientan hasta la temperatura de trabajo. Se introduce una cantidad exacta de metal fundido en la parte inferior del troquel, el utillaje obliga al metal a rellenar las cavidades definidas por el juego de troqueles y el metal es presionado. La presión se mantiene hasta la completa solidificación de las piezas. Ello fuerza al metal a tener un contacto muy estrecho con las superficies del troquel, obteniendo una reproducción exacta de la superficie.
  • Fundición a baja presión: consiste en la colocación de 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/m^2. 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.
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