Procesos de Fundición de Metales: Moldeo en Arena y a Presión

Moldeo en Arena

Consiste en compactar arena alrededor de un modelo para crear la cavidad del molde.

Componentes del Molde

• Sistema de llenado: Conductos por donde fluye el metal fundido.
• Tubo ascendente (Mazarota o Riser): Depósito para compensar la contracción del metal al solidificar y asegurar el llenado completo.

La superficie interna del molde define la forma externa de la pieza. Se utilizan núcleos (o machos) para crear cavidades internas en la pieza. Se requiere un nuevo molde de arena para cada pieza fundida, ya que el molde se destruye para extraerla.

Modelos

Los modelos se utilizan para crear la cavidad en la arena y pueden ser de:

• Madera
• Metálicos
• Plástico

La elección del material depende del número de piezas a fundir (Nº de fundiciones) y la complejidad de la pieza.

Línea de Partición

Es la superficie donde se separan las dos (o más) partes del molde. Su diseño es crucial; a veces es necesario adaptarla con curvaturas para facilitar la extracción del modelo y de la pieza fundida, y evitar daños en el molde.

Propiedades Deseadas del Molde de Arena

• Resistencia: Debe mantener su forma y resistir la erosión del metal fundido.
• Estabilidad térmica: Capacidad para resistir el agrietamiento debido al calor del metal fundido.
• Capacidad de colapso (Colapsibilidad): Debe ceder y permitir que la fundición se contraiga libremente durante la solidificación para evitar tensiones o roturas en la pieza.
• Permeabilidad: Debe permitir la evacuación de los gases generados durante la colada y la solidificación.
• Reutilización (de la arena): La arena debe poder ser reacondicionada y reutilizada en la medida de lo posible.

Arenas y Aglutinantes

Arenas

Principalmente se utiliza arena de sílice debido a sus buenas propiedades refractarias y bajo coste.

• Grano pequeño: Proporciona un mejor acabado superficial a la pieza.
• Grano grande: Aumenta la permeabilidad del molde.
• Granos angulares o irregulares: Contribuyen a una mayor resistencia mecánica del molde (mejor trabazón).

Aglutinantes

Unen los granos de arena. Los más comunes son:

• Arcilla + Agua: Una mezcla típica puede ser ~90% arena, ~3% agua, ~7% arcilla (como bentonita).
• Otros: Aglutinantes químicos como resinas orgánicas (fenólicas, furánicas, uretano) o inorgánicas (silicato de sodio).

Aditivos

Se añaden en pequeñas cantidades para mejorar propiedades específicas como la resistencia, la permeabilidad, el acabado superficial o la colapsibilidad (ej. polvo de carbón, serrín, dextrina).

Tipos de Moldes de Arena

• Molde en Arena Verde: Se fabrica con arena, arcilla (bentonita) y agua. Se utiliza en estado húmedo ("verde"). Es el más económico y común.
• Molde en Arena Seca: Utiliza aglutinantes (orgánicos o inorgánicos). El molde se hornea o seca completamente antes de la colada, lo que aumenta su resistencia y estabilidad dimensional, siendo adecuado para fundiciones grandes y complejas.
• Molde con Superficie Seca: Similar al de arena verde, pero la superficie de la cavidad y zonas cercanas se secan (por ejemplo, con una antorcha o lámparas) para aumentar su resistencia superficial y reducir defectos relacionados con la humedad.

Núcleos (Machos)

Son insertos de arena (u otro material refractario) que se colocan en la cavidad del molde para crear las formas internas huecas de las piezas. A veces requieren soportes metálicos (apoyos) para mantener su posición dentro del molde durante la colada.

Tipos de Procesos para Núcleos:

• Arena Verde: Similar a la del molde, para formas sencillas.
• Procesos en Caja Caliente (Hot Box): Se usa arena mezclada con un aglutinante termoendurecible (ej. resinas furánicas, fenólicas) que cura con calor dentro de la caja de machos metálica calentada.
• Procesos en Caja Fría (Cold Box): Se emplean aglutinantes químicos que curan a temperatura ambiente mediante la acción de un catalizador gaseoso (ej. aminas para resinas uretánicas, SO₂ para furánicas) o líquido. La arena preparada se introduce en la caja (embala), se sella y se inyecta el catalizador para el curado rápido.

Ventajas y Desventajas del Moldeo en Arena

Ventajas (Pros):

• Permite crear geometrías muy complejas, tanto externas como internas.
• Posibilidad de obtener formas cercanas a la final (forma neta o casi neta), reduciendo el mecanizado posterior.
• Amplia gama de metales y aleaciones que se pueden fundir (ferrosos y no ferrosos).
• Adecuado para producción de lotes pequeños, medianos y grandes, y para piezas de prácticamente cualquier tamaño y peso.
• Coste relativamente bajo de herramientas y materiales, especialmente para series cortas.

Desventajas (Contras):

• Posible porosidad (por gas o contracción) en la pieza.
• Acabado superficial generalmente rugoso y menor precisión dimensional en comparación con otros procesos como el die casting.
• Propiedades mecánicas pueden ser inferiores a las obtenidas por forja u otros procesos.
• Proceso destructivo del molde (baja tasa de producción comparado con moldes permanentes).
• Generación de residuos y necesidad de sistemas de tratamiento y recuperación de arenas.

Defectos Comunes en Fundición en Arena

• Rechupado o Falta de Llenado (Misruns): Regiones del molde no llenadas completamente por el metal (causado por baja temperatura del metal, baja fluidez, llenado demasiado lento o sección muy delgada).
• Junta Fría (Cold Shut): Fusión incompleta donde dos corrientes de metal líquido se encuentran pero están demasiado frías para unirse correctamente, creando una discontinuidad.
• Gotas Frías (Cold Shots): Pequeñas partículas de metal solidificado (salpicaduras) atrapadas en la fundición durante el vertido. (Solución: rediseño del sistema de llenado).
• Contracción (Shrinkage Cavity): Cavidades internas o depresiones superficiales debidas a la contracción volumétrica del metal al solidificar. (Solución: diseño adecuado de la mazarota o riser).
• Microporosidad: Red de pequeños poros distribuidos, a menudo causados por la solidificación de la aleación en un amplio rango de temperaturas o por falta de alimentación local.
• Desgarro en Caliente (Hot Tearing): Fisuras o grietas que se forman en la pieza mientras aún está caliente y mecánicamente débil, debido a tensiones de contracción restringidas por el molde o el macho.
• Contracción Direccional: Para controlarla y asegurar que la contracción ocurra en la mazarota, se pueden usar enfriadores externos (external chills) o internos.
• Sopladura (Sand Blow): Cavidad lisa, generalmente bajo la superficie superior de la pieza, causada por gases atrapados provenientes de una baja permeabilidad del molde o del macho, o alta humedad.
• Porosidad por Gases (Pin Holes): Pequeños poros esféricos, generalmente agrupados cerca de la superficie, causados por gases disueltos en el metal (ej. hidrógeno en aluminio) que se liberan durante la solidificación.
• Penetración: El metal líquido penetra en los espacios entre los granos de arena de la superficie del molde, resultando en una superficie rugosa con arena adherida.
• Arrastre de Arena (Sand Wash): Erosión de la arena del molde o del macho por el flujo del metal, quedando partículas de arena incluidas en la pieza.
• Costras (Scabs): Desprendimiento de una fina capa superficial del molde que se levanta y queda embebida o deja una marca en la pieza.
• Desalineación del Molde (Mold Shift): Desplazamiento relativo entre la parte superior (cope) y la inferior (drag) del molde, causando un escalón en la pieza en la línea de partición.
• Grieta del Molde (Mold Crack): Fisura en el molde que se llena de metal durante la colada, creando una protuberancia fina (vena) en la superficie de la pieza. (Causa: expansión térmica o resistencia insuficiente del molde).

Fundición a Presión (Die Casting)

Proceso de fundición en molde permanente donde el metal fundido se inyecta a alta presión en la cavidad de un molde metálico (matriz o troquel).

Cámara Fría (Cold Chamber)

Utilizada principalmente con aleaciones de aluminio, magnesio y latón (metales con puntos de fusión relativamente altos).

• El sistema de inyección (cámara o manguito de inyección) no está sumergido en el metal fundido.
• El metal líquido se vierte (con una cuchara o sistema automático) en la cámara de inyección para cada ciclo (disparo).
• Un émbolo hidráulico empuja el metal hacia la cavidad del molde a alta velocidad y presión.
• El tiempo de contacto entre el sistema de inyección y el metal fundido es corto, minimizando el ataque químico.
• Para protección, desmoldeo y refrigeración, la cavidad del molde (troquel) y la punta del émbolo se rocían con un lubricante/desmoldeante específico antes de cada ciclo.

Cámara Caliente (Hot Chamber)

Utilizada para metales de bajo punto de fusión como aleaciones de zinc, estaño y plomo.

• Parte del sistema de inyección (cilindro y pistón, a menudo llamado "cuello de cisne") está sumergido permanentemente en el metal fundido dentro del crisol integrado en la máquina.
• Permite tiempos de ciclo muy cortos, ya que el metal fundido entra directamente en el sistema de inyección al retraerse el pistón, recorriendo una distancia menor para llenar la cavidad.
• No es adecuada para metales de punto de fusión más alto (como aluminio o latón), ya que atacarían y degradarían rápidamente los componentes sumergidos del sistema de inyección.

Fundición a Baja Presión (Low Pressure Die Casting - LPDC / LPPM)

Es un proceso que utiliza moldes permanentes (metálicos), pero con un método de llenado diferente al de alta presión.

• Utiliza una presión de gas baja y controlada (típicamente 0.15 - 1 bar o ~2-15 psig, aunque puede variar) aplicada sobre la superficie del metal fundido en un crisol hermético situado debajo del molde.
• Esta presión empuja el metal fundido hacia arriba a través de un tubo de alimentación refractario (tubo de colada) hasta llenar la cavidad del molde de forma tranquila y controlada, generalmente desde el fondo.
• El llenado lento y no turbulento minimiza la porosidad por gases y óxidos atrapados.
• El tubo de alimentación se extiende cerca del fondo del crisol para asegurar que el metal introducido en el molde esté más limpio (libre de escoria superficial).
• Generalmente, no se requieren mazarotas (risers) convencionales, ya que la presión mantenida durante la solidificación ayuda a alimentar la contracción de la pieza directamente desde el crisol a través del tubo de alimentación.
• Se utiliza comúnmente para producir piezas de alta integridad, como llantas de automóvil y otros componentes estructurales, principalmente en aleaciones de aluminio y magnesio, y también para algunas aleaciones de cobre.