Fundición de metales

La fundición en arena es uno de los tipos de fundición más populares y sencillos, y se ha utilizado durante siglos. Permite la producción de lotes más pequeños que la fundición en molde permanente y a un costo muy razonable. Este método no solo permite a los fabricantes crear productos a bajo costo, sino que también ofrece otras ventajas, como la posibilidad de realizar operaciones a pequeña escala. El proceso permite obtener piezas fundidas lo suficientemente pequeñas como para caber en la palma de la mano o lo suficientemente grandes como para cubrir la plataforma de un vagón de tren (una sola pieza puede cubrir toda la plataforma de un vagón). Además, la fundición en arena permite fundir la mayoría de los metales, dependiendo del tipo de arena utilizada para los moldes. ^{[ 4 ]}

La fundición en arena requiere un tiempo de producción de días, o incluso semanas en ocasiones, para alcanzar altas tasas de producción (1–20 piezas/hora-molde) y es insuperable para la producción de piezas grandes. La arena verde (húmeda), de color negro, prácticamente no tiene límite de peso de las piezas, mientras que la arena seca tiene un límite práctico de masa de las piezas de 2300–2700 kg (5100–6000 lb) . El peso mínimo de las piezas oscila entre 0,075–0,1 kg (0,17–0,22 lb) . La arena se aglutina mediante arcillas, aglutinantes químicos o aceites polimerizados (como el aceite de motor). La arena se puede reciclar muchas veces en la mayoría de las operaciones y requiere poco mantenimiento.    

El moldeo con arcilla se ha utilizado para producir objetos grandes y simétricos, como cañones y campanas de iglesia. La arcilla es una mezcla de arcilla y arena con paja o estiércol. Se forma un modelo del objeto a producir en un material friable (la camisa). El molde se forma alrededor de esta camisa cubriéndola con arcilla. Luego se cuece y se retira la camisa. El molde se coloca en posición vertical en un foso frente al horno para verter el metal fundido. Posteriormente, se rompe el molde. Por lo tanto, los moldes solo se pueden usar una vez, por lo que se prefieren otros métodos para la mayoría de los propósitos.

El moldeo en yeso es similar al moldeo en arena, excepto que se utiliza yeso en lugar de arena como material de molde. Generalmente, la preparación del molde lleva menos de una semana, tras lo cual  se alcanza una tasa de producción de 1 a 10 unidades/hora-molde, con piezas de hasta 45 kg (99 lb) y tan pequeñas como 30 g (1 oz) con un excelente acabado superficial y tolerancias ajustadas . ^{[ 5 ]} El moldeo en yeso es una alternativa económica a otros procesos de moldeo para piezas complejas debido al bajo costo del yeso y su capacidad para producir piezas fundidas con forma casi final . La principal desventaja es que solo se puede utilizar con materiales no ferrosos de bajo punto de fusión, como aluminio , cobre , magnesio y zinc . ^{[ 6 ]}    

El moldeo en cáscara es similar al moldeo en arena, pero la cavidad del molde se forma mediante una cáscara endurecida de arena en lugar de un molde lleno de arena. La arena utilizada es más fina que la arena de moldeo y se mezcla con una resina para que, al calentarse con el modelo, se endurezca formando una cáscara alrededor del mismo. Gracias a la resina y a la arena más fina, se obtiene un acabado superficial mucho más fino. El proceso se automatiza fácilmente y es más preciso que el moldeo en arena. Entre los metales que se suelen fundir se incluyen el hierro fundido , el aluminio, el magnesio y las aleaciones de cobre. Este proceso es ideal para piezas complejas de tamaño pequeño a mediano.

La fundición a la cera perdida (o fundición de precisión en el ámbito artístico) es un proceso que se practica desde hace miles de años, siendo la fundición a la cera perdida una de las técnicas de conformado de metales más antiguas que se conocen. Desde hace 5000 años, cuando la cera de abejas formaba el molde, hasta las ceras de alta tecnología, los materiales refractarios y las aleaciones especiales de hoy en día, las piezas fundidas garantizan la producción de componentes de alta calidad con las ventajas clave de precisión, repetibilidad, versatilidad e integridad.

La fundición a la cera perdida debe su nombre al hecho de que el modelo se recubre con un material refractario. Los modelos de cera requieren un cuidado extremo, ya que no son lo suficientemente resistentes para soportar las fuerzas que se generan durante la fabricación del molde. Una ventaja de la fundición a la cera perdida es que la cera se puede reutilizar. ^{[ 5 ]}

Este proceso es adecuado para la producción repetible de componentes con forma final a partir de diversos metales y aleaciones de alto rendimiento. Si bien se suele utilizar para piezas pequeñas, también se ha empleado para fabricar marcos de puertas de aeronaves completos, con piezas de acero de hasta 300  kg y de aluminio de hasta 30  kg. En comparación con otros procesos de fundición, como la fundición a presión o la fundición en arena , puede resultar costoso. Sin embargo, los componentes que se pueden producir mediante fundición a la cera perdida pueden incorporar contornos complejos y, en la mayoría de los casos, se funden con una forma casi final, por lo que requieren poco o ningún retoque una vez fundidos.

Un yeso resistente se utiliza a menudo como paso previo a la producción de una escultura de bronce o como guía para la creación de una talla en piedra. Una vez terminado el yeso, la obra es más duradera (si se almacena en interiores) que un original de arcilla, que debe mantenerse húmedo para evitar que se agriete. Con el yeso a mano y de bajo costo, el costoso trabajo de fundición de bronce o talla en piedra puede posponerse hasta encontrar un mecenas, y dado que este trabajo se considera un proceso técnico, más que artístico, incluso puede posponerse más allá de la vida del artista.

Un molde de desecho es un molde negativo que se destruye durante el proceso de retirarlo del molde positivo. ^{[ 7 ]} En la creación de un molde de desecho de yeso, se aplican capas delgadas de yeso sobre la escultura de arcilla original. La primera capa se colorea para marcar el final del molde y el comienzo del vaciado. ^{[ 8 ]} Una vez curado, se retira de la arcilla húmeda, destruyendo incidentalmente los detalles finos en las socavaduras presentes en la arcilla, pero que ahora quedan capturados en el molde. El molde puede usarse posteriormente (pero solo una vez) para fundir una imagen positiva de yeso, idéntica a la arcilla original. Este vaciado se denomina comúnmente "yeso original", ya que es la primera y única copia de la escultura de arcilla original. ^{[ 9 ]} La superficie del yeso original puede refinarse aún más y puede pintarse y encerarse para que se asemeje a una fundición de bronce terminada.

Se trata de un tipo de proceso de fundición que utiliza materiales para los modelos que se evaporan durante el vertido, lo que significa que no es necesario retirar el material del molde antes de la fundición. Los dos procesos principales son la fundición a la cera perdida y la fundición en molde completo.

La fundición en molde permanente es un proceso de fundición de metales que emplea moldes reutilizables ("moldes permanentes"), generalmente de metal . El proceso más común utiliza la gravedad para llenar el molde. Sin embargo, también se utiliza presión de gas o vacío . Una variante del proceso típico de fundición por gravedad, llamada fundición en suspensión , produce piezas huecas. Los metales de fundición más comunes son las aleaciones de aluminio , magnesio y cobre . Otros materiales incluyen aleaciones de estaño , zinc y plomo , y también se funden hierro y acero en moldes de grafito . Si bien los moldes permanentes duran más de una fundición, tienen una vida útil limitada antes de desgastarse.

El proceso de fundición a presión fuerza el metal fundido a alta presión dentro de las cavidades del molde (mecanizadas para formar matrices). La mayoría de las piezas fundidas a presión se fabrican con metales no ferrosos , específicamente zinc , cobre y aleaciones de aluminio, aunque también es posible fabricarlas con metales ferrosos . Este método es especialmente adecuado para aplicaciones que requieren numerosas piezas de tamaño pequeño a mediano con buen nivel de detalle, una superficie fina y una gran precisión dimensional.

La fundición en metal semisólido (SSM) es un proceso de fundición a presión modificado que reduce o elimina la porosidad residual presente en la mayoría de las piezas fundidas. En lugar de utilizar metal líquido como material de alimentación, la fundición SSM emplea un material de mayor viscosidad, parcialmente sólido y parcialmente líquido. Se utiliza una máquina de fundición a presión modificada para inyectar la suspensión semisólida en moldes reutilizables de acero endurecido. La alta viscosidad del metal semisólido, junto con el uso de condiciones controladas de llenado del molde, garantiza que el metal semisólido llene el molde de forma no turbulenta, eliminando así prácticamente la porosidad perjudicial.

Utilizadas comercialmente principalmente para aleaciones de aluminio y magnesio, las piezas fundidas SSM pueden someterse a tratamiento térmico para obtener los templetes T4, T5 o T6. La combinación del tratamiento térmico, las rápidas velocidades de enfriamiento (gracias al uso de moldes de acero sin recubrimiento) y la mínima porosidad proporciona excelentes combinaciones de resistencia y ductilidad. Otras ventajas de la fundición SSM incluyen la capacidad de producir piezas de formas complejas con forma final, estanqueidad a la presión, tolerancias dimensionales estrictas y la capacidad de fundir paredes delgadas. ^{[ 10 ]}

En este proceso, el metal fundido se vierte en el molde y se deja solidificar mientras este gira. El metal se vierte en el centro del molde, sobre su eje de rotación. Debido a la fuerza de inercia, el metal líquido es expulsado hacia la periferia.

La fundición centrífuga es independiente de la gravedad y la presión, ya que genera su propia fuerza de alimentación mediante un molde de arena temporal alojado en una cámara giratoria. El tiempo de producción varía según la aplicación. Los procesos semicentrífugos y centrífugos permiten producir entre 30 y 50 piezas por molde y hora, con un límite práctico para el procesamiento por lotes de aproximadamente 9000  kg de masa total y un límite típico por pieza de entre 2,3 y 4,5  kg.

Industrialmente, la fundición centrífuga ^{[ 11 ]} de ruedas de ferrocarril fue una aplicación temprana del método desarrollado por la empresa industrial alemana Krupp y esta capacidad permitió el rápido crecimiento de la empresa.

Las piezas de arte pequeñas, como las joyas, suelen fundirse mediante este método utilizando el proceso de cera perdida, ya que las fuerzas que ejerce permiten que los metales líquidos, bastante viscosos, fluyan a través de conductos muy pequeños y se integren en detalles finos como hojas y pétalos. Este efecto es similar a las ventajas de la fundición al vacío, que también se aplica a la fundición de joyas.

La colada continua es un perfeccionamiento del proceso de colada para la producción continua y en grandes volúmenes de perfiles metálicos con una sección transversal constante. Se utiliza principalmente para producir productos semiacabados para su posterior procesamiento. ^{[ 12 ] : 339} El metal fundido se vierte en un molde abierto refrigerado por agua, lo que permite que se forme una "piel" de metal sólido sobre el centro aún líquido, solidificando gradualmente el metal de afuera hacia adentro. Después de la solidificación, la tira, como a veces se la llama, se retira continuamente del molde. Se pueden cortar longitudes predeterminadas de la tira mediante cizallas mecánicas o sopletes de oxiacetileno móviles y transferirlas a otros procesos de conformado o a una pila de almacenamiento. Los tamaños de colada pueden variar desde tiras (de unos pocos milímetros de espesor por unos cinco metros de ancho) hasta lingotes (de 90 a 160  mm cuadrados) y planchas (1,25 m de ancho por 230  mm de espesor). A veces, la tira puede someterse a un proceso inicial de laminación en caliente antes de ser cortada.

La colada continua se utiliza debido a los menores costos asociados con la producción continua de un producto estándar, así como a la mayor calidad del producto final. Metales como el acero, el cobre, el aluminio y el plomo se funden de forma continua, siendo el acero el metal del que se funden mayores cantidades mediante este método.

Las curvas de enfriamiento son importantes para controlar la calidad de una pieza fundida. La parte más importante de la curva de enfriamiento es la velocidad de enfriamiento , que afecta la microestructura y las propiedades. En general, una zona de la pieza fundida que se enfría rápidamente tendrá una estructura de grano fino, mientras que una zona que se enfría lentamente tendrá una estructura de grano grueso. A continuación se muestra un ejemplo de curva de enfriamiento de un metal puro o una aleación eutéctica , con la terminología correspondiente. ^{[ 17 ]}

Antes del bloqueo térmico, el material es líquido y después es sólido; durante el bloqueo térmico, el material se transforma de líquido a sólido. Además, cuanto mayor sea el sobrecalentamiento, más tiempo tendrá el material líquido para fluir y formar detalles complejos. ^{[ 18 ]}

La curva de enfriamiento anterior representa una situación básica con un metal puro; sin embargo, la mayoría de las piezas fundidas son de aleaciones, cuya curva de enfriamiento tiene la forma que se muestra a continuación.

Ya no existe una detención térmica, sino un rango de congelación. Este rango de congelación se corresponde directamente con el liquidus y el solidus que se encuentran en el diagrama de fases de la aleación específica.

El tiempo de solidificación local se puede calcular utilizando la regla de Chvorinov, que es:

${\displaystyle t=B\left({\frac {V}{A}}\right)^{n}}$

Donde t es el tiempo de solidificación, V es el volumen de la pieza fundida, A es el área de la superficie de la pieza fundida que entra en contacto con el molde , n es una constante y B es la constante del molde. Es muy útil para determinar si una mazarota se solidificará antes que la pieza fundida, ya que si la mazarota se solidifica primero, entonces es inútil. ^{[ 19 ]}

El sistema de alimentación cumple múltiples funciones, siendo la más importante la de transportar el material líquido al molde, además de controlar la contracción, la velocidad del líquido, la turbulencia y la retención de escoria . Las compuertas suelen estar fijadas a la parte más gruesa de la pieza fundida para ayudar a controlar la contracción. En piezas fundidas especialmente grandes, pueden ser necesarias varias compuertas o canales para introducir el metal en más de un punto de la cavidad del molde. La velocidad del material es importante porque, si se desplaza demasiado lento, puede enfriarse antes de llenar completamente el molde, lo que provoca fallos de llenado y cierres en frío. Si el material se mueve demasiado rápido, el material líquido puede erosionar el molde y contaminar la pieza fundida final. La forma y la longitud del sistema de alimentación también pueden controlar la velocidad de enfriamiento del material; los canales cortos, redondos o cuadrados minimizan la pérdida de calor. ^{[ 20 ]}

El sistema de alimentación puede diseñarse para minimizar la turbulencia, dependiendo del material que se esté fundiendo. Por ejemplo, el acero, el hierro fundido y la mayoría de las aleaciones de cobre son insensibles a la turbulencia, pero las aleaciones de aluminio y magnesio son sensibles a ella. Los materiales insensibles a la turbulencia suelen tener un sistema de alimentación corto y abierto para llenar el molde lo más rápido posible. Sin embargo, para los materiales sensibles a la turbulencia se utilizan bebederos cortos para minimizar la distancia que debe recorrer el material al entrar en el molde. Se utilizan copas de vertido rectangulares y bebederos cónicos para evitar la formación de un vórtice a medida que el material fluye hacia el molde; estos vórtices tienden a succionar gases y óxidos hacia el molde. Se utiliza un pozo de bebedero grande para disipar la energía cinética del material líquido a medida que cae por el bebedero, disminuyendo la turbulencia. El estrangulador , que es la sección transversal más pequeña del sistema de alimentación utilizada para controlar el flujo, puede colocarse cerca del pozo de bebedero para ralentizar y suavizar el flujo. En algunos moldes, el estrangulador todavía se coloca en las compuertas para facilitar la separación de la pieza, pero induce una turbulencia extrema. ^{[ 21 ]} Las compuertas generalmente se fijan al fondo de la pieza fundida para minimizar la turbulencia y las salpicaduras. ^{[ 20 ]}

El sistema de compuertas también puede diseñarse para atrapar la escoria. Un método consiste en aprovechar que parte de la escoria tiene una densidad menor que el material base, por lo que flota hasta la parte superior del sistema de compuertas. Por lo tanto, los canales planos largos con compuertas que salen por la parte inferior pueden atrapar la escoria; estos canales enfrían el material más rápidamente que los canales redondos o cuadrados. Para materiales donde la escoria tiene una densidad similar a la del material base, como el aluminio, las extensiones y los pozos de los canales pueden resultar ventajosos. Estos aprovechan que la escoria suele estar ubicada al inicio del vertido, por lo que el canal se extiende más allá de la(s) última(s) compuerta(s) y los contaminantes quedan contenidos en los pozos. También se pueden utilizar cribas o filtros para atrapar los contaminantes. ^{[ 21 ]}

Es importante mantener pequeño el tamaño del sistema de alimentación, porque todo debe cortarse de la fundición y volver a fundirse para ser reutilizado. La eficiencia, oEl rendimiento de un sistema de colada se puede calcular dividiendo el peso de la pieza fundida entre el peso del metal vertido. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número, más eficiente será el sistema de alimentación/mazarotas. ^{[ 22 ]}

Existen tres tipos de contracción: contracción del líquido , contracción por solidificación y contracción del modelista . La contracción del líquido rara vez representa un problema, ya que fluye más material hacia el molde. La contracción por solidificación se produce porque los metales son menos densos en estado líquido que en estado sólido, por lo que durante la solidificación su densidad aumenta drásticamente. La contracción del modelista se refiere a la contracción que se produce cuando el material se enfría desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente, debido a la contracción térmica . ^{[ 23 ]}

Elevadores y ayudas para elevadores

Los bebederos, también conocidos como alimentadores , son la forma más común de lograr la solidificación direccional. Suministran metal líquido a la pieza fundida en proceso de solidificación para compensar la contracción. Para que un bebedero funcione correctamente, debe solidificarse después de la fundición; de lo contrario, no puede suministrar metal líquido para compensar la contracción dentro de la pieza. Los bebederos aumentan el costo de la fundición porque reducen el rendimiento de cada pieza; es decir, se pierde más metal como chatarra en cada fundición. Otra forma de promover la solidificación direccional es mediante la adición de enfriadores al molde. Un enfriador es cualquier material que conduce el calor fuera de la pieza fundida más rápidamente que el material utilizado para el moldeo. ^{[ 28 ]}

Los bebederos se clasifican según tres criterios. El primero es si el bebedero está abierto a la atmósfera; si lo está, se denomina bebedero abierto , de lo contrario, se conoce como bebedero ciego . El segundo criterio es su ubicación: si se encuentra en la pieza fundida, se denomina bebedero superior , y si se encuentra junto a ella, se denomina bebedero lateral . Finalmente, si el bebedero se encuentra en el sistema de alimentación, de modo que se llena después de la cavidad de moldeo, se denomina bebedero vivo o bebedero caliente ; pero si se llena con materiales que ya han fluido a través de la cavidad de moldeo, se denomina bebedero muerto o bebedero frío . ^{[ 22 ]}

Los elementos auxiliares para mazarotas son componentes que ayudan a las mazarotas a lograr una solidificación direccional o a reducir la cantidad de mazarotas necesarias. Uno de estos componentes son los enfriadores , que aceleran el enfriamiento en una parte específica del molde. Existen dos tipos: enfriadores externos e internos. Los enfriadores externos son masas de material con alta capacidad calorífica y alta conductividad térmica que se colocan en un borde de la cavidad del molde. Los enfriadores internos son piezas del mismo metal que se está vertiendo, que se colocan dentro de la cavidad del molde y se integran a la pieza fundida. También se pueden instalar manguitos y tapas aislantes alrededor de la cavidad de la mazarota para ralentizar su solidificación. Asimismo, se pueden instalar serpentines calefactores alrededor o encima de la cavidad de la mazarota para ralentizar la solidificación. ^{[ 29 ]}

La cavidad del molde de una pieza fundida no refleja las dimensiones exactas de la pieza terminada debido a varias razones. Estas modificaciones en la cavidad del molde se conocen como tolerancias y tienen en cuenta la contracción del modelista, el desmoldeo, el mecanizado y la distorsión. En los procesos de moldeo permanente, estas tolerancias se incorporan directamente al molde permanente, pero en los procesos de moldeo desechable se incorporan a los modelos, que posteriormente forman la cavidad del molde. ^{[ 30 ]} Para los moldes permanentes, se requiere una tolerancia para el cambio dimensional del molde debido al calentamiento a las temperaturas de operación. ^{[ 31 ]}

Para las superficies de la pieza fundida perpendiculares a la línea de separación del molde, se debe incluir un ángulo de desmoldeo. Esto permite el desmoldeo en procesos no desechables o el desmoldeo sin dañar el molde en procesos desechables. El ángulo de desmoldeo requerido depende del tamaño y la forma de la pieza, la profundidad de la cavidad del molde, el método de extracción, el material de la pieza, el material del molde y el tipo de proceso. Generalmente, el ángulo de desmoldeo no es inferior al 1 %. ^{[ 30 ]}

El margen de mecanizado varía drásticamente de un proceso a otro. Las piezas fundidas en arena generalmente tienen un acabado superficial rugoso, por lo que requieren un mayor margen de mecanizado, mientras que las piezas fundidas a presión tienen un acabado superficial muy fino, que puede no requerir ninguna tolerancia de mecanizado. Además, el ángulo de desmoldeo puede proporcionar un margen de mecanizado suficiente desde el principio. ^{[ 31 ]}

La tolerancia de distorsión solo es necesaria para ciertas geometrías. Por ejemplo, las piezas fundidas en forma de U tienden a distorsionarse con las patas hacia afuera, ya que la base de la forma puede contraerse mientras las patas están restringidas por el molde. Esto se puede solucionar diseñando la cavidad del molde con una pendiente hacia adentro desde el principio. Asimismo, las secciones horizontales largas tienden a combarse en el centro si no se incorporan nervaduras, por lo que puede ser necesario un margen de distorsión. ^{[ 31 ]}

Los machos pueden utilizarse en procesos de moldeo desechables para producir características internas. El macho puede ser de metal, pero generalmente se fabrica en arena.

Existen algunos métodos comunes para llenar la cavidad del molde: gravedad , baja presión , alta presión y vacío . ^{[ 32 ]}

El llenado al vacío, también conocido como llenado por contragravedad , es más eficiente en el uso del metal que el vertido por gravedad, ya que se solidifica menos material en el sistema de alimentación. El vertido por gravedad solo tiene un rendimiento de metal del 15 al 50%, en comparación con el 60 al 95% del vertido al vacío. También hay menos turbulencia, por lo que el sistema de alimentación se puede simplificar, ya que no tiene que controlarla. Además, como el metal se extrae desde debajo de la parte superior del baño, está libre de escoria y residuos, ya que estos tienen menor densidad (son más ligeros) y flotan en la superficie. El diferencial de presión ayuda a que el metal fluya hacia cada detalle del molde. Finalmente, se pueden usar temperaturas más bajas, lo que mejora la estructura del grano. ^{[ 32 ]} La primera máquina y proceso de fundición al vacío patentados datan de 1879. ^{[ 33 ]}

El llenado a baja presión utiliza una presión de aire de 5 a 15  psig (35 a 100  kPag) para forzar el metal líquido a través de un tubo de alimentación hacia la cavidad del molde. Esto elimina la turbulencia presente en la fundición por gravedad y aumenta la densidad, la repetibilidad, las tolerancias y la uniformidad del grano. Una vez solidificada la pieza fundida, se libera la presión y el líquido restante regresa al crisol, lo que aumenta el rendimiento. ^{[ 34 ]}

La macroestructura del grano en los lingotes y la mayoría de las piezas fundidas presenta tres regiones o zonas diferenciadas: la zona de enfriamiento, la zona columnar y la zona equiaxial. La siguiente imagen muestra estas zonas.

La zona de enfriamiento se denomina así porque se produce en las paredes del molde, donde la pared enfría el material. Aquí es donde tiene lugar la fase de nucleación del proceso de solidificación. A medida que se elimina más calor, los granos crecen hacia el centro de la pieza fundida. Estos son columnas delgadas y largas, perpendiculares a la superficie de la pieza fundida, que son indeseables debido a sus propiedades anisotrópicas . Finalmente, en el centro, la zona equiaxial contiene cristales esféricos orientados aleatoriamente. Estos son deseables debido a sus propiedades isotrópicas . La creación de esta zona puede promoverse mediante el uso de una temperatura de vertido baja, inclusiones de aleación o inoculantes . ^{[ 19 ]}

Los métodos de inspección comunes para piezas fundidas de acero son el ensayo de partículas magnéticas y el ensayo de líquidos penetrantes . ^{[ 36 ]} Los métodos de inspección comunes para piezas fundidas de aluminio son la radiografía , el ensayo ultrasónico y el ensayo de líquidos penetrantes . ^{[ 37 ]}

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