Materiales para fundición a presión: Elegir el metal adecuado para su producción

¿Qué es la fundición a presión?

La fundición a presión es un proceso de fabricación de metal altamente preciso y eficiente para bienes industriales, comerciales y de consumo. Con utillaje que dura mucho tiempo, la fundición a presión es adecuada para la fabricación de piezas metálicas complejas, ofreciendo gran valor en producción en masa.

Varios metales pueden ser materiales adecuados para fundición a presión. Estos son principalmente metales no ferrosos (metales que no contienen una cantidad significativa de hierro), aunque ocasionalmente también pueden usarse metales ferrosos. Los principales materiales de fundición a presión son aleaciones de aluminio, magnesio y zinc, todos los cuales tienen ventajas particulares y aplicaciones adecuadas.

Este artículo examina los mejores materiales de fundición a presión, listando sus respectivos beneficios y aplicaciones comunes en el mundo de la fabricación.

El proceso de fundición a presión

La fundición a presión tiene algunas variantes (discutidas en la siguiente sección) pero el proceso generalmente sigue una rutina establecida.

Antes de que comience la fundición a presión, un fabricante debe obtener dos matrices metálicas: la mitad de la matriz de cubierta y la mitad de la matriz eyectora. Juntas, estas dos matrices forman el utillaje para fundición a presión, y el hueco entre las dos mitades funciona como cavidad del molde. Las matrices se mecanizan típicamente de acero para herramientas endurecido, que es altamente duradero.

La primera etapa propiamente dicha del proceso de fundición a presión implica preparar las matrices para la fundición. Esto implica aplicar lubricante (generalmente a base de agua) a las paredes de la cavidad, asegurando que las fundiciones no se peguen al interior de las matrices. El lubricante también ayuda con el control de temperatura.

La siguiente etapa es la entrega de material. En la mayoría de configuraciones de fundición a presión, la máquina inyecta metal fundido en la cavidad del molde bajo alta presión —aunque el grado exacto de presión depende del tipo de material y si es una máquina de fundición a presión de cámara caliente o fría. La presión asegura que el material se fuerce incluso en las grietas más pequeñas, y esta presión se mantiene mientras el metal fundido se enfría y solidifica para mitigar la contracción.

Después de que el metal se ha enfriado y solidificado dentro de la cavidad del molde, la fundición es eyectada abriendo las matrices y empujando suavemente las fundiciones fuera de las matrices con pasadores eyectores. Otro ciclo puede prepararse inmediatamente después de la eyección, permitiendo la fabricación rápida en masa de piezas idénticas.

La etapa final del proceso de fundición a presión es la etapa de limpieza (shakeout), que implica cortar (manualmente o mediante maquinaria especial) los trozos de metal sobrantes adheridos a la fundición, incluyendo rebaba de la línea de partición y cualquier entrada, canal y canal de alimentación (partes del diseño de la matriz que permiten que el metal fundido entre en la cavidad del molde).

La fundición a presión produce un excelente acabado superficial que no requiere el mismo nivel de post-procesado que, por ejemplo, piezas mecanizadas o impresas en 3D.

Fundición a presión de cámara caliente vs cámara fría

La fundición a presión se divide en dos subtipos principales: fundición a presión de cámara caliente y fundición a presión de cámara fría. Estos subtipos difieren en términos de dónde se funde el metal y cómo se inyecta. Crucialmente, solo ciertos materiales son adecuados para fundición a presión de cámara caliente. (Tenga en cuenta que la fundición a presión de cámara fría aún requiere metal completamente fundido; no procesa metal en su forma sólida.)

La característica principal de una fundición a presión de cámara caliente es la capacidad de calentar el metal dentro de la máquina de fundición a presión. A veces llamadas máquinas de cuello de cisne, estos sistemas contienen una cámara de combustión interna y un recipiente para el metal fundido. Un pistón (hidráulico o neumático) fuerza el metal fundido desde la cámara hacia la matriz, tras lo cual la cámara puede recargarse inmediatamente en preparación para el siguiente ciclo.

La fundición a presión de cámara fría requiere el calentamiento externo de los materiales de fundición a presión, y el metal fundido debe transferirse a la máquina de fundición a presión con un tubo de transferencia o cuchara. Un ariete fuerza el metal fundido desde la cámara hacia la matriz (a una presión más alta que la usada para fundición a presión de cámara caliente). Este proceso es más lento, ya que el metal necesita transferirse desde la fuente externa para cada ciclo.

Aunque la fundición a presión de cámara caliente es más rápida, es más limitada en su compatibilidad de materiales. Típicamente solo funciona para metales con punto de fusión bajo como zinc, magnesio y aleaciones de plomo. No puede procesar aleaciones de aluminio, ya que estas pueden recoger hierro de la cámara.

Consideraciones de materiales para fundición a presión

Los fabricantes deben considerar ciertos factores y variables al elegir materiales de fundición a presión. Estos incluyen:

• Si el material es adecuado para fundición a presión de cámara caliente
• Costes de material
• Costes indirectos de materiales (ej. cualquier post-procesado extra requerido)
• Propiedades estructurales del material
• Resistencia
• Peso
• Acabado superficial
• Mecanizabilidad

Todos estos factores deben considerarse al elegir un material de fundición a presión para piezas o prototipos.

Aleaciones de aluminio para fundición a presión

El aluminio es uno de los principales metales de fundición a presión, y las aleaciones de aluminio se usan en fundición a presión de cámara fría. Estas aleaciones típicamente contienen silicio, cobre y magnesio.

Las aleaciones de aluminio para fundición a presión son ligeras y ofrecen buena estabilidad dimensional, lo que las hace una buena opción para piezas complejas y de detalles finos. Otras ventajas incluyen buena resistencia a la corrosión, resistencia a la temperatura y conductividad térmica y eléctrica.

Aleaciones comunes de aluminio para fundición a presión incluyen:

• 380: Aleación de aluminio de propósito general que equilibra fundibilidad con buenas propiedades mecánicas. Se usa en una gran variedad de productos, incluyendo soportes de motor, muebles, envolventes electrónicas, marcos, mangos, cajas de cambios y herramientas eléctricas.
• 390: Aleación con excelente resistencia al desgaste y vibración. Se desarrolló específicamente para fundición a presión de bloques de motor de automoción y también es adecuada para cuerpos de válvula, impulsores y carcasas de bomba.
• 413: Aleación de aluminio con excelentes propiedades de fundición. Tiene buena estanqueidad a la presión y por tanto se usa para productos como cilindros hidráulicos, así como piezas arquitectónicas y equipos de industria alimentaria y láctea.
• 443: La más dúctil de las aleaciones de aluminio para fundición a presión, esta aleación es adecuada para bienes de consumo, especialmente aquellos que requieren deformación plástica después de la fundición.
• 518: Aleación de aluminio dúctil con buena resistencia a la corrosión. Se usa en variedad de productos, incluyendo herrajes de aeronaves, herrajes ornamentales y componentes de escaleras mecánicas.

Aleaciones de magnesio para fundición a presión

El magnesio es otro material de fundición a presión muy popular. Es incluso más ligero que el aluminio, con la ventaja añadida de ser altamente mecanizable —lo que lo hace adecuado para piezas fundidas que requieren detalles mecanizados adicionales o acabado superficial mecanizado.

Una ventaja importante de las aleaciones de magnesio para fundición a presión es su idoneidad para fundición a presión de cámara caliente, lo que las hace más fáciles de usar que metales de fundición a presión como el aluminio. Otros elementos en aleaciones de magnesio incluyen aluminio, zinc, manganeso y silicio.

Aleaciones comunes de magnesio para fundición a presión incluyen:

• AZ91D: Aleación de propósito general con buena fundibilidad, resistencia a la corrosión y relación resistencia-peso. Aplicaciones incluyen componentes mecánicos y de tren de potencia.
• AM60: Aleación con buena fundibilidad, resistencia, amortiguación de vibraciones y ductilidad. Se usa en componentes de automoción como marcos y paneles de asientos.
• Aleaciones de tierras raras AS41B y AE42: Aleaciones con resistencia a la temperatura superior, así como buena resistencia a la fluencia, corrosión y ductilidad. Ambas aleaciones se encuentran en piezas de motor.

Aleaciones de zinc para fundición a presión

Otra categoría importante de metales de fundición a presión son las aleaciones de zinc. Fundibles en máquina de fundición a presión de cámara caliente, el zinc es el más amigable para el fabricante de materiales de fundición a presión y ofrece otros beneficios como resistencia al impacto, ductilidad e idoneidad para chapado. Debido a su fundibilidad, también resulta en desgaste mínimo de la matriz.

El zinc es más pesado que el aluminio y magnesio y generalmente se alea con aluminio, cobre y magnesio.

Aleaciones comunes de zinc para fundición a presión incluyen:

• Zamak 3: Aleación de zinc de propósito general fácil de fundir y que ofrece excelente estabilidad dimensional. En Norteamérica, más de dos tercios de fundiciones a presión de zinc usan Zamak 3. Usos de ejemplo incluyen ventiladores de techo y componentes de fontanería.
• Zamak 2: Aleación ligeramente más fuerte y más cara con contenido de cobre añadido. A menudo se usa para producir utillaje para moldeo por inyección de plástico.
• Zamak 5: Aleación de zinc cercana en composición a Zamak 3 pero con mayor resistencia a la tracción y menor ductilidad. Popular para productos como piezas de automoción y pesos de equilibrado de ruedas.

Otras aleaciones de fundición a presión

Otros materiales de fundición a presión incluyen cobre, tombac de silicio, plomo y aleaciones de estaño, además de aleaciones zinc-aluminio.

Las aleaciones de cobre exhiben alta resistencia, dureza y resistencia a la corrosión, además de excelente estabilidad dimensional. Mientras tanto, las aleaciones de plomo y estaño son muy densas y pueden ser resistentes a la corrosión. Las aleaciones zinc-aluminio son reconocibles por el prefijo ZA; aquellas con menor contenido de aluminio pueden fundirse a presión en cámara caliente, pero las que tienen 11% o más típicamente no pueden.