Fundición de Metales Explicada: Tipos, Beneficios, Etapas y Aplicaciones

En este artículo, aprenderá qué es la fundición de metales y cómo se hace, sus procesos, etapas de la fundición de metales y tipos del proceso de fundición de metales.

Proceso de Fundición de Metales

El proceso de fundición de metales es el método más antiguo y popular de fabricación para diseñar las formas deseadas. Es el primer paso en la fabricación de la mayoría de los productos.

La fundición se hace de cualquier metal que se pueda fundir y puede tener cualquier forma que el diseñador desee. Las fundiciones pueden producirse en tamaños que van desde unos pocos mm hasta varios metros. Las fundiciones pueden pesar desde unos pocos gramos hasta toneladas.

Productos con formas muy complejas, secciones huecas, cavidades internas complejas y superficies curvas irregulares hechos de metales que son difíciles de mecanizar pueden producirse fácilmente por el proceso de fundición.

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Hay muchos procesos de fundición disponibles y la elección de un proceso para producir piezas particulares depende de factores como coste de producción, tasa de producción, tamaño, forma y acabado superficial. Los procesos de fundición difieren entre sí básicamente en el tipo de material usado para la preparación del molde y el método de vertido del material fundido.

El material del molde es generalmente arena o metal y el método de vertido puede usar gravedad, vacío, baja o alta presión. La fundición se usa más a menudo para hacer formas complejas que serían difíciles o antieconómicas de hacer por otros métodos.

El proceso de fundición moderno se divide en dos categorías principales:

• Expendable (Desechable)
• Non-expendable (No desechable / Permanente)

En la fundición desechable, incluye fundición en arena, fundición en cáscara, fundición en molde de yeso, fundición por inversión y fundición por patrón evaporativo.

En la fundición no desechable, incluye fundición en molde permanente, fundición a presión, fundición de metal semisólido, fundición centrífuga, fundición continua.

Ventajas del Proceso de Fundición de Metales

• El coste involucrado en el proceso de fundición es muy bajo comparado con otros procesos de fabricación.
• Piezas muy pesadas y voluminosas que son difíciles de fabricar por otros métodos de fabricación pueden fabricarse por este proceso.
• La fundición puede emplearse para producción en masa así como para producción por lotes.
• Un producto puede fundirse como una sola pieza y así se elimina el proceso de unión de metales.

Clasificación del Proceso de Fundición de Metales

• El proceso de fundición moderno se subdivide en dos categorías principales: fundición desechable y no desechable (permanente).
• Cuando el molde se usa para una sola fundición, se hace de arena. Estos moldes se llaman moldes desechables ya que se destruyen al sacar la fundición.
• Estos se usan para la producción de cantidades menores.
• Cuando el molde se usa repetidamente, se hace de metal o grafito y se llama molde permanente.

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Tipos de Procesos de Fundición de Metales

Los siguientes son los cuatro diferentes tipos de procesos de fundición de metales usados para producción a gran escala:

1. Fundición en arena
2. Fundición por inversión
3. Fundición en molde permanente
4. Fundición a presión

1. Fundición en Arena

Es el tipo de proceso de fundición de metales más extensamente y ampliamente usado. Este es un proceso de fundición con molde desechable y patrón permanente. El proceso de fundición en arena involucra el uso de un horno, metal, patrón y molde de arena.

El apisonado manual de arena alrededor del patrón se usa para fundiciones simples. Para fundiciones complicadas, la mezcla de arena se compacta con máquinas de moldeo. Las máquinas de moldeo no solo aumentan el coste de producción sino que también mejoran la calidad de la fundición mejorando la aplicación y distribución de fuerzas para el apisonado.

Puede usarse para todo tipo de metales pero el acabado superficial y la precisión dimensional no son buenos comparados con otros procesos de fundición. Es el proceso de producción más económico.

Ventajas de la Fundición en Arena

• Casi cualquier metal puede fundirse.
• No tiene límite en tamaño y forma.
• Bajo coste de equipo.
• Menos costoso para producción de bajo volumen.

Desventajas o Limitaciones de la Fundición en Arena

• Acabado grueso.
• La precisión dimensional no es buena.
• Se requiere acabado adicional para la fundición.
• Tiene una baja tasa de producción.

2. Fundición por Inversión

La secuencia de operaciones en una fundición por inversión de cáscara se da a continuación:

• Fabricación de un patrón maestro: El patrón maestro se hace usando un material como madera o plástico.
• Fabricación de matrices maestras: Una matriz puede fundirse de metal de bajo punto de fusión usando el patrón maestro. Se usan matrices de acero o madera.
• Preparación de patrones de cera: Los patrones de cera se hacen vertiendo cera fundida en la matriz. Después de que la cera se solidifica, se saca de la matriz.
• Ensamblaje de patrones de cera: Dependiendo del tamaño de la fundición, varios patrones de cera se ensamblan juntos en forma de árbol o racimo con canal central y corredores.
• Recubrimiento de un racimo: El racimo ahora se recubre con una capa delgada de material refractario. Este paso se realiza sumergiendo todo el racimo en una lechada fina de material refractario muy fino mezclado con silicato de etilo hidrolizado, alcohol y un agente gelificante.
• Producción de una capa final de material refractario: Aquí el racimo recubierto se sumerge repetidamente en material refractario molido relativamente grueso para lograr el espesor deseado del recubrimiento.
• Endurecimiento del recubrimiento: El racimo recubierto se deja secar y endurecer por algún tiempo (pocas horas).
• Fundición de patrones de cera: El molde se coloca en el horno boca abajo y la cera se deja fluir fuera del molde que se recoge para reutilización.
• Precalentamiento del molde: El molde se cuece a 700-1000°C para dar resistencia al molde y asegurar el flujo de metal fundido a todas las secciones intrincadas y delgadas.
• Llenado del molde caliente: Metal fundido se llena en el molde por gravedad, presión de vacío o fuerza.
• Limpieza de la fundición: Canal y corredores se remueven ahora y la fundición se limpia y termina.

Ventajas de la Fundición por Inversión

• Casi cualquier metal puede fundirse.
• Buen acabado superficial.
• Buena precisión dimensional.
• Tasa de producción bastante alta.
• Formas complejas pueden fundirse.
• Bajo coste de acabado.

Desventajas o limitaciones de la fundición por inversión

• Alto coste de mano de obra.
• Molde y patrón costosos.
• Limitación en el tamaño de la pieza.

3. Fundición en Molde Permanente

Hay muchos procesos de fundición en molde permanente, algunos de ellos se listan a continuación:

1. Fundición en molde permanente por gravedad
2. Fundición en molde permanente a baja presión
3. Fundición a presión
4. Fundición centrífuga
5. Fundición continua

En estos procesos, un molde se usa repetidamente. El molde generalmente está en dos mitades y está diseñado para fácil apertura y cierre. Los pasadores eyectores se proporcionan para la remoción de la fundición solidificada. El molde metálico no es permeable; por lo tanto, el juego a lo largo de los planos de partición y los pasadores eyectores sirven como ventilaciones para la escape de gases.

El recubrimiento refractario en las paredes más delgadas del molde no solo aumenta la vida del molde sino que también previene que la fundición se pegue a las paredes del molde.

El precalentamiento del molde y el enfriamiento controlado del molde a través de circulación de agua mantienen una temperatura uniforme del molde. Los moldes permanentes con otros procesos se usan para fundir materiales no ferrosos de bajo punto de fusión usando moldes de acero aleado.

En comparación con otros procesos, se obtienen mejor acabado superficial y precisión dimensional en este proceso. El coste inicial es alto, por lo que estos procesos son económicos solo cuando se requieren volúmenes de producción más altos.

Ventajas de la fundición en molde permanente

1. Buen acabado superficial.
2. Buena precisión dimensional.
3. Alta tasa de producción.

Desventajas o limitaciones de la fundición en molde permanente

1. Alto coste del molde.
2. Es adecuado para producción de alto volumen.
3. Adecuado para fundición de formas simples.
4. Adecuado para metales de bajo punto de fusión.

4. Fundición a Presión (Die Casting)

La fundición a presión es un tipo muy común de proceso de fundición en molde permanente. Se usa para la producción de muchos componentes de electrodomésticos como estufas, ventiladores, motores y juguetes, etc.

El acabado superficial y la tolerancia de las piezas fundidas a presión son tan buenos que casi no se requiere post-procesamiento. Los moldes de fundición a presión son caros y requieren un tiempo significativo para fabricar; comúnmente se llaman matrices.

Hay dos tipos comunes de fundición a presión:

• Fundición a presión de cámara caliente
• Fundición a presión de cámara fría

4.1 Proceso de Fundición a Presión de Cámara Caliente

En un proceso de cámara caliente (usado para aleaciones de zinc, magnesio) la cámara de presión conectada a la cavidad de la matriz se llena permanentemente con el metal fundido.

El ciclo básico de operación es el siguiente:

• La matriz se cierra y el cilindro de cuello de ganso se llena con metal fundido.
• El émbolo empuja el metal fundido a través del pasaje de cuello de ganso y la boquilla hacia la cavidad de la matriz: el metal se mantiene bajo presión hasta que se solidifica.
• La matriz se abre y los núcleos, si los hay, se retraen; la fundición se queda en la matriz eyectora; el émbolo regresa, jalando el metal fundido de vuelta a través de la boquilla y el cuello de ganso.
• Los pasadores eyectores empujan la fundición fuera de la matriz eyectora. Al descubrir el émbolo el orificio de entrada, el metal fundido vuelve a llenar el cilindro de cuello de ganso.

El proceso de cámara caliente se usa para metales que (a) tienen puntos de fusión bajos y (b) no alean con el material de la matriz, acero; ejemplos comunes son estaño, zinc y plomo.

4.2 Proceso de Fundición a Presión de Cámara Fría

En un proceso de cámara fría, el metal fundido se vierte en la cámara fría en cada ciclo. El ciclo de operación es:

• La matriz se cierra y el metal fundido se vierte en el cilindro de la cámara fría.
• El émbolo empuja el metal fundido en la cavidad de la matriz; el metal se mantiene bajo alta presión hasta que se solidifica.
• La matriz se abre y el émbolo sigue para empujar la pieza solidificada del cilindro si hay núcleos, se retraen.
• Los pasadores eyectores empujan la fundición fuera de la matriz eyectora y el émbolo regresa a la posición original.

Este proceso es particularmente útil para metales de alto punto de fusión como Aluminio y Cobre (y sus aleaciones).

Ventajas de la fundición a presión

1. Excelente acabado superficial.
2. Excelente precisión dimensional.
3. Alta tasa de producción.
4. Formas complejas pueden fundirse.
5. Poco o ningún coste de acabado.

Desventajas o limitaciones de la fundición a presión

1. Alto coste de la matriz.
2. Limitado a la fundición de metales no ferrosos.
3. Limitación en el tamaño de la pieza.

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Etapas del Proceso de Fundición de Metales

Las siguientes son las etapas del proceso de fundición de metales para producir fundiciones:

1. Fabricación de patrón
2. Moldeo y fabricación de núcleos
3. Fundición y vertido
4. Limpieza y acabado (Fettling)
5. Pruebas e inspección.

La primera etapa se realiza fuera de la fundición y las cuatro etapas restantes dentro de la fundición.

1. Fabricación de Patrón

• En la fabricación de patrones, los patrones se diseñan y preparan según el dibujo de la fundición recibido de la sección de planificación y según el proceso de moldeo.
• Los materiales del patrón se seleccionan basándose en factores como el número de fundiciones requeridas y el acabado superficial deseado en la fundición.
• Es un oficio especializado relacionado con los oficios de herramientas y matrices y fabricación de moldes, pero también incorpora a menudo elementos de ebanistería fina.
• Los materiales usados para la fabricación de patrones son madera, metal o plásticos.

2. Moldeo y fabricación de núcleos

• Los patrones se envían a la etapa de moldeo, en la cual los moldes se preparan ya sea en arena o un material con la ayuda del patrón para que se produzca una cavidad de la forma deseada.
• Para obtener una porción hueca, los núcleos se preparan en cajas de núcleos. Los moldes y núcleos se hornean para dar resistencia y finalmente se ensamblan para el vertido.
• El moldeo puede hacerse ya sea a mano o con la ayuda de máquinas.
• El diseño adecuado del molde y la disposición para el flujo de metal fundido es muy importante para la producción de fundiciones sanas.

3. Fundición y vertido

• El metal de composición correcta se funde en un horno adecuado.
• El metal fundido se toma ahora en cucharones y se vierte en los moldes.
• Los moldes se dejan enfriar para que el metal fundido en el molde se solidifique.
• La fundición se saca rompiendo los moldes y se envían a la sección de limpieza.

4. Limpieza y acabado (Fettling)

• La fundición se envía a la sección de fettling donde se eliminan las proyecciones innecesarias, la arena adherida, y toda la superficie se deja limpia y uniforme.
• Algunas fundiciones requieren tratamiento térmico también, lo cual se hace durante esta etapa solamente.

5. Pruebas e Inspección

• El inspector prueba e inspecciona la fundición antes de despachar desde la fundición para asegurar que está libre de defectos y cumple con las especificaciones deseadas.
• Si se encuentran defectos en la fundición, entonces han sido completamente rechazados.

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