La fundición en arena, una técnica de fundición antigua y muy utilizada, es el proceso de verter metal fundido en un molde de arena, seguido de enfriamiento y solidificación para obtener una pieza fundida con una forma, tamaño y rendimiento predeterminados. La historia de este método se remonta al antiguo Egipto, en el año 3000 a.C., y sigue utilizándose ampliamente en todo el mundo.
El principio de funcionamiento de la fundición en arena es relativamente sencillo. En primer lugar, se crea un molde de arena con la forma deseada y, a continuación, se vierte el metal fundido en el molde. Una vez que el metal se enfría y solidifica, se retira el molde y se obtiene la pieza de fundición deseada. En este artículo se detallan el proceso, los materiales, las aplicaciones y las ventajas de la fundición en arena, entre otros aspectos.
Molde de fundición en arena
En la fundición en arena, el molde es una pieza crucial para dar forma geométrica a la pieza fundida; su composición es compleja y multifuncional. Mediante un diseño y una fabricación precisos, el molde no solo garantiza el tamaño y la forma de la pieza fundida, sino que también evita eficazmente diversos defectos de fundición.
A continuación presentaremos los componentes de un molde de fundición en arena, comprender y dominar los componentes básicos puede ayudar a entender más a fondo el proceso de fundición en arena.
Composición del molde de fundición en arena
El molde de fundición en arena consta principalmente de las siguientes partes:
- Cavidad: La cavidad es la parte central del molde, y su forma geométrica corresponde a la forma de la pieza fundida deseada. La cavidad debe diseñarse y fabricarse con precisión para garantizar el tamaño y la forma de la pieza fundida.
- Sistema de inyección: El sistema de inyección es un canal que guía el metal líquido hacia el interior de la cavidad y suele incluir la inyección principal, el bebedero, las correderas, etc. Su diseño es crucial para garantizar un llenado completo y evitar defectos.
- Ventilación: Los respiraderos se utilizan para descargar los gases producidos durante el proceso de fundición, evitando defectos de porosidad y atrapamiento de gases.
- Sistema de soporte: El sistema de soporte mantiene la integridad y estabilidad del molde, normalmente incluye arena de apoyo, nervios de refuerzo, etc.
- Núcleo de arena: Para piezas de fundición con cavidades internas o formas geométricas complejas, se necesita un núcleo de arena. El núcleo de arena se coloca dentro de la cavidad para formar la cavidad interna u otras partes complejas de la pieza fundida.
El diseño y la fabricación de un molde de fundición en arena requieren precisión y atención al detalle, especialmente en el diseño de la cavidad y el sistema de compuertas, teniendo en cuenta diversos factores del proceso de fundición.
Molde de fundición en arena Materiales de arena
La arena de fundición es el material básico para la fundición en arena, y su selección y uso afectan directamente a la calidad y el coste de la fundición. A continuación se indican los tipos más comunes de arena de moldeo.
- Arena verde: Una de las arenas de moldeo más utilizadas, compuesta por arcilla, agua y partículas de arena. Tiene las ventajas de su bajo coste y su gran adaptabilidad, pero su resistencia y sus propiedades refractarias son menores.
- Arena de resina: Arena de fundición que utiliza resinas orgánicas como aglutinantes. La arena de resina tiene mayor fuerza y resistencia al fuego y es adecuada para la fundición de precisión. Sin embargo, es más costosa y algunas resinas pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.
- Arena de vidrio al agua: Arena de colada con vidrio al agua como aglutinante. Tiene una buena resistencia y un coste moderado, adecuada para fabricar grandes piezas de fundición. El inconveniente es su elevada contracción, que puede causar deformaciones en la fundición.
- Arena de cuarzo: Sus ventajas incluyen resistencia a altas temperaturas, estabilidad dimensional, estabilidad química, idoneidad para diversos metales y no reactividad con metales. Tiene buena fluidez y resistencia a la abrasión. Sin embargo, es pesada y consume mucha energía, por lo que puede plantear problemas medioambientales y tener un coste más elevado.
- Arena endurecida químicamente: Arena de fundición endurecida por reacciones químicas, como la arena endurecida por CO2, la arena de resina fenólica, etc. Estas arenas de fundición suelen tener una gran resistencia y precisión dimensional, adecuadas para la fabricación de piezas de fundición complejas, pero con un coste y un impacto medioambiental relativamente elevados.
- Arenas de fundición especiales: Algunas arenas de fundición especiales, como la arena de circón, la arena de cromita, etc., se utilizan bajo requisitos especiales para la fundición de alta temperatura y alta precisión.
Los tipos de arenas de moldeo son diversos, y las diferentes arenas de moldeo tienen varios pros y contras, adecuados para diferentes escenarios de aplicación. La elección de la arena de moldeo en la fundición en arena también debe tener en cuenta los siguientes factores:
- La arena de moldeo adecuada depende del tipo, el tamaño, la complejidad y la cantidad de producción necesaria de la pieza. Por ejemplo, para grandes piezas de fundición, pueden elegirse arenas de fundición de alta resistencia, como la arena de vidrio al agua, mientras que para piezas de fundición de precisión puede optarse por la arena de resina.
- La manipulación de los materiales, incluida la clasificación adecuada del grano de arena, la selección y adición de aglutinante, el secado y el endurecimiento del molde, etc. Los diferentes métodos de manipulación afectarán directamente a la calidad del molde y al efecto de la colada.
El proceso de fundición en arena
El proceso de fundición en arena incluye la preparación del molde, la fusión del metal, el vertido, el enfriamiento y el desmoldeo, y el tratamiento posterior. La preparación del molde es el proceso de fabricación del molde de arena, que debe diseñarse en función de la forma y el tamaño de la pieza de fundición.
La fusión del metal es el proceso de calentar el metal seleccionado hasta su estado líquido. El vertido consiste en llenar el molde de arena con metal fundido. El enfriamiento y el desmoldeo permiten que el metal se enfríe y solidifique en el molde de arena, que se retira a continuación. El postprocesado incluye la limpieza, el esmerilado y la inspección.
Creación del modelo
- Creación de un modelo del producto deseado: Este proceso utiliza un modelo reutilizable que posee los mismos detalles que el producto final deseado. El modelo debe tener en cuenta factores como la contracción térmica.
- Creación de modelos para el bebedero y las bandas: Este es el sistema de suministro de metal. El modelo creado en el paso A también incluye el guiado del metal hasta el bebedero y los tubos verticales adecuados. Esto canaliza la inevitable contracción térmica hacia regiones aceptables y gestiona el flujo de metal y la necesaria ventilación de gas.
Hacer el molde de arena
- Creación del molde de arena: Alrededor del modelo se forma un material refractario resistente a altas temperaturas, como la arena. Este material debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar el peso del metal fundido durante la fundición, estable frente a la reacción con el metal, pero también lo suficientemente quebradizo como para desprenderse fácilmente del metal solidificado una vez enfriado.
- Preparación del molde de arena: Los moldes de arena suelen hacerse en dos mitades, la superior o "cope" y la inferior o "drag". Una vez que la arena fragua (utilizando métodos tradicionales/no mecanizados), se separan las mitades y se extrae el modelo. Se aplica un revestimiento refractario para mejorar el acabado de la superficie y proteger el molde del impacto del metal vertido. A continuación, se vuelven a unir las dos mitades, dejando una cavidad con la forma del modelo.
Verter
Vertido del metal fundido en el molde de arena: El metal fundido se vierte directamente en el molde estacionario. Llena las cavidades que definen la pieza acabada y las bandas. Las bandas suministran metal líquido utilizable a la pieza fundida y están diseñadas para enfriarse y solidificarse en último lugar, garantizando que la contracción y los posibles huecos se concentren en las bandas y no en la pieza deseada.
Desmoldeo por vibración
La pieza moldeada (incluida la pieza deseada y cualquier exceso de metal necesario para su creación) se solidifica y enfría. En el proceso de desmoldeo por vibración, el molde de arena se rompe. La mayor parte de la arena utilizada para crear el molde se captura, reacondiciona y reutiliza.
Operaciones finales
- Se cortan los bebederos, los patines y las contrahuellas de la pieza fundida. Si es necesario, se llevan a cabo postprocesos finales, como chorro de arena o rectificado, para finalizar las dimensiones de la pieza fundida. Las piezas de fundición en arena suelen requerir algún mecanizado adicional para conseguir las dimensiones o tolerancias finales.
- La pieza puede someterse a un tratamiento térmico para mejorar la estabilidad dimensional o el rendimiento.
- Puede ser necesario realizar pruebas no destructivas. Esto podría incluir inspecciones con líquidos penetrantes fluorescentes, partículas magnéticas, radiográficas u otras. Los controles dimensionales finales, los resultados de los ensayos de aleación y los ensayos no destructivos se verifican antes del envío.
Materiales de fundición en arena
Aleaciones a base de hierro
Las aleaciones a base de hierro son materiales habituales para la fundición en arena, como la fundición gris, la fundición dúctil, la fundición blanca y la fundición aleada. Estos materiales se utilizan mucho en los sectores de la automoción, la maquinaria y la construcción.
Hierro gris: Es el tipo de fundición más común, con un contenido de carbono de 2-4%. Se prefiere por su buena colabilidad y bajo coste, aunque ofrece menor resistencia y tenacidad.
Hierro dúctil: Se trata de una fundición de alta resistencia en la que el carbono existe en forma de grafito esférico. Es más resistente y tenaz que la fundición gris, pero menos moldeable y más cara.
Hierro fundido blanco: Este tipo de fundición es dura pero muy quebradiza, con carbono presente en forma de cementita. Suele utilizarse en aplicaciones que requieren una gran resistencia al desgaste, como placas de rectificado y herramientas de corte.
Hierro aleado: Este tipo de hierro se alea con otros elementos como níquel, cromo y molibdeno para mejorar sus propiedades. Posee mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste que la fundición normal, pero a un coste más elevado.
Acero
Se trata de acero al carbono, acero aleado y acero inoxidable. El acero es más fuerte y resistente al desgaste, pero plantea mayores problemas de fundición.
Acero al carbono: Es el tipo de acero más común y puede clasificarse en acero con bajo contenido en carbono, acero con contenido medio en carbono y acero con alto contenido en carbono. La resistencia y la dureza del acero al carbono aumentan con el contenido de carbono, pero su tenacidad y colabilidad disminuyen.
Acero aleado: Este acero se alea con elementos como níquel, cromo y molibdeno para mejorar sus propiedades. El acero aleado ofrece mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste que el acero al carbono, pero a un coste mayor.
Acero inoxidable: Aleado con cromo o níquel, este acero ofrece una excelente resistencia a la corrosión. El acero inoxidable tiene peor colabilidad y es más caro.
Aluminio y aleaciones de aluminio
El aluminio y las aleaciones de aluminio tienen baja densidad, peso ligero, alta conductividad térmica y buena moldeabilidad. Se utilizan mucho en la industria aeronáutica, automovilística y electrónica. Las aleaciones de aluminio pueden aumentar su resistencia, dureza y resistencia al desgaste añadiendo elementos como magnesio, silicio, zinc y cobre.
Cobre y aleaciones de cobre
Esto incluye el bronce, el latón y las aleaciones de cobre y níquel. El cobre y sus aleaciones tienen una buena conductividad eléctrica y térmica y son resistentes a la corrosión, por lo que son adecuados para las industrias eléctrica, marítima y química.
Bronce: El bronce, una aleación de cobre y estaño, presenta una buena resistencia a la corrosión y una buena moldeabilidad. Se utiliza en esculturas y obras de arte.
De latón: Aleación de cobre y zinc, el latón es reconocido por su conductividad eléctrica y térmica. Se suele usar para componentes eléctricos y adornos.
Aleación de cobre y níquel: Conocida por su resistencia a la corrosión y al calor, esta aleación se utiliza a menudo en los sectores marítimo y químico.
Magnesio y aleaciones de magnesio
El magnesio y las aleaciones de magnesio tienen una densidad aún menor y un peso más ligero, con una buena colabilidad. Se utilizan con frecuencia en los sectores de la aviación y la automoción para reducir peso.
Zinc y aleaciones de zinc
El zinc y sus aleaciones tienen buena fluidez, lo que permite moldear formas intrincadas, pero poseen menor resistencia y resistencia al calor. Suelen utilizarse en la fundición a presión de juguetes, adornos y componentes eléctricos.
Aleaciones de alta temperatura
Empleadas principalmente en motores de aviación y turbinas de gas que funcionan a altas temperaturas, estas aleaciones suelen contener elementos como níquel, cromo, cobalto y molibdeno. Son apreciadas por su excelente resistencia al calor y sus propiedades antioxidantes.
Aplicaciones de la fundición en arena
La fundición en arena se utiliza ampliamente en diversas industrias, como la automovilística, la aeroespacial, la de la construcción y la de fabricación mecánica, entre otras. A continuación se indican las aplicaciones de la fundición en arena en distintos campos:
Industria del automóvil
La fundición en arena se utiliza ampliamente en la industria del automóvil, incluyendo piezas de motor (como cuerpos de cilindros, culatas, cigüeñales, volantes, etc.), componentes del sistema de suspensión, piezas del sistema de frenos, etc. Como la fundición en arena puede crear piezas de gran tamaño y formas complejas, es muy adecuada para la fabricación de piezas de automoción.
Fabricación mecánica
La fundición en arena también se utiliza ampliamente en la fabricación de diversos dispositivos mecánicos, como bombas, válvulas, engranajes, cojinetes, turbinas, etc. Estos componentes suelen tener que soportar presiones y temperaturas elevadas, por lo que requieren materiales de fundición de alta resistencia y resistentes al desgaste.
Industria aeroespacial
En el sector aeroespacial, la fundición en arena se utiliza para fabricar componentes de motores, piezas estructurales, componentes de misiles, etc. Estos componentes suelen tener que funcionar en condiciones extremas, por lo que requieren materiales de fundición de alto rendimiento, como aleaciones de alta temperatura.
Industria de la construcción
En la industria de la construcción, la fundición en arena se utiliza para fabricar diversos herrajes arquitectónicos, como accesorios para puertas y ventanas, accesorios para tuberías, adornos, etc. Estos componentes suelen necesitar una buena resistencia a la corrosión y estética, por lo que a menudo se utilizan metales no ferrosos como el cobre y la aleación de aluminio
Industria energética
En la industria energética, la fundición en arena se utiliza para fabricar diversos componentes de equipos de generación de energía, como palas de turbinas eólicas, turbinas de gas, recipientes a presión de centrales nucleares, etc. Estos componentes suelen tener que soportar altas presiones y altas temperaturas, por lo que requieren materiales de fundición de alta resistencia y termorresistentes.
Ferrocarriles y barcos
En los sectores ferroviario y naval, la fundición en arena se utiliza para fabricar diversos componentes de equipos de transporte, como ruedas, cojinetes, cigüeñales, hélices, etc. Por lo general, estos componentes deben soportar altas presiones y cargas de impacto, por lo que requieren materiales de fundición resistentes y de alta resistencia.
Fundición en arena VS Fundición a la cera perdida
La fundición en arena y la fundición a la cera perdida tienen muchas similitudes, y la tabla siguiente resume la adaptabilidad de la fundición en arena y la fundición a la cera perdida en diferentes aspectos.
Fundición en arena | Fundición a la cera perdida | |
Tamaño del molde | Adecuado para piezas moldeadas de gran tamaño | Adecuado para piezas moldeadas pequeñas y medianas |
Forma y complejidad | Adecuado para formas sencillas | Adecuado para formas complejas y detalles finos |
Requisitos de precisión | Menor precisión y calidad superficial | Mayor precisión dimensional y calidad superficial |
Cantidad | Mayor eficiencia de producción para grandes cantidades | Adecuado para pequeñas cantidades o piezas sueltas |
Material | Apto para varios metales | Adecuado para acero inoxidable, aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio, etc. |
Costes y plazos | Menores costes de equipos y materiales, ciclo de producción más corto | Mayores costes de equipos y materiales, ciclo de producción más largo |
Ventajas y desventajas de la fundición en arena
Como método común de fundición, la fundición en arena tiene muchas ventajas, adecuadas para diversas aplicaciones industriales. He aquí algunas de las principales ventajas:
- Gran flexibilidad: La fundición en arena puede utilizarse para piezas fundidas de diversos tamaños y formas, desde unos pocos gramos hasta varias toneladas, tanto para la producción a pequeña como a gran escala.
- Rentable: En comparación con otros procesos de fundición, la fundición en arena tiene unos costes iniciales de equipos y moldes relativamente más bajos, lo que la hace más económica para piezas personalizadas y producción de lotes pequeños.
- Amplia compatibilidad de materiales: Casi todas las aleaciones pueden fundirse con el método de fundición en arena, incluidos el hierro, el acero, el aluminio, el cobre, etc.
- Gran libertad de diseño: La fundición en arena puede conseguir formas geométricas complejas, incluidos canales internos y estructuras externas, que pueden resultar difíciles en otros procesos de fundición.
- Gran adaptabilidad: El proceso de fundición en arena puede ajustarse y optimizarse según las necesidades del producto, con una excelente adaptabilidad.
- Eficacia de la producción: En comparación con otros procesos de fundición, la fundición en arena suele ser más fácil de implementar y más propicia para la automatización, mejorando así la eficiencia de la producción.
- Reciclabilidad: Los moldes de arena utilizados en la fundición pueden reciclarse y reutilizarse, reduciendo así los costes de material y el impacto medioambiental.
- Madurez tecnológica: La fundición en arena tiene una larga historia y una amplia aplicación industrial, por lo que existe una gran cantidad de experiencia y conocimientos disponibles como referencia y aprendizaje.
Sin embargo, la fundición en arena también presenta algunos inconvenientes, como posibles porosidades, inclusiones, rugosidades superficiales, etc. Pero con un control adecuado del proceso y una inspección de calidad, estos problemas suelen resolverse.
