C A P I T U L O Tecnologa de la fundicin de metales

Los procesos de fundicin estn entre los procesos de fabricacin ms antiguos que se conocen (se tiene constancia de su utilizacin desde el ao 4000 a. C. para fabricar piezas de ornamentacin, puntas de flechas, etc.) y aunque desde su origen hasta fechas relativamente recientes su uso ha estado limitado al mundo de los metales, actualmente sigue amplindose su aplicacin a otras familias de materiales. Los procesos de fundicin de metales consisten bsicamente en la introduccin de un metal fundido en el interior de un molde y la posterior solidificacin del metal reproduciendo la geometra de la superficie interna del molde (en la Figura 1.1 puede verse una seccin de un molde de arena en el momento en el que se inicia el vertido del metal fundido). Estos procesos son, en general, capaces de reproducir geometras muy complejas, permitiendo tambin generar cavidades o superficies internas en las piezas de cierta complejidad. Por otra parte, tienen una gran versatilidad, permitiendo fabricar a bajo coste piezas de una gran diversidad de tamaos y formas, que no puede conseguirse con otros procesos de fabricacin, y pro-cesar determinados materiales de difcil tratamiento mediante procesos de otros tipos.

Son diversas las tecnologas que hasta la fecha se han desarrollado en el mbito de los procesos de fundicin de metales. Aunque obviamente las distintas tecnologas tienen sus propias caractersticas, aplicaciones, ventajas y limitaciones, para garantizar un adecuado nivel de calidad en el producto existen aspectos comunes a todas ellas cuyo conocimiento es indispensable para controlar el proceso. Estos aspectos, tratados brevemente en los captulos los 2 y 4, son los relativos a la transferencia de calor, la solidificacin y el flujo del metal fundido, que a su vez estn influenciados por otros factores tales como el material y el diseo del molde, el material de la pieza que se va a fabricar o la mquina empleada.

Las caractersticas generales de cualquier proceso de fundicin estn fuertemente influenciadas por el material del molde. Bsicamente, los moldes en fundicin se suelen clasificar en funcin del material empleado para su construccin. As, los moldes denominados desechables estn formados por arena, yeso, cermicas o materiales similares que deben disgregarse para facilitar la evacuacin de la pieza solidificada1. Los moldes denominados permanentes estn construidos por materiales como el acero o el grafito que mantienen sus propiedades a altas temperaturas por lo que se pueden utilizar repetidamente para obtener un gran nmero de piezas. Los moldes permanentes son mejores conductores que los desechables, por lo que las velocidades de enfriamiento son mayores en los primeros, afectando este hecho a la microestructura o al tamao de grano y por tanto a las propiedades mecnicas de las piezas fabricadas. En lo que sigue se realiza una breve descripcin de las principales tcnicas empleadas en fundicin destacando las caractersticas generales de cada una as como sus ventajas e inconvenientes.

Cuchara de

vertido

Cavidad del moldeMetal

fundido

Molde

Mazarota

Caja de

moldeo

Canal de colada

Figura 1.1: Seccin de un molde de arena en el momento en el que se inicia el vertido del metal fundido.

1Estos materiales se suelen mezclar habitualmente con agentes compactantes, como las arcillas, el cemento o resinas termoestables, que aumentan la resistencia del molde, y con otros aditivos especiales que mejoran propiedades como la permeabilidad o la refractariedad del molde. Los moldes ms econmicos estn construidos con arena, arcilla y agua sin secar y se denominan comnmente como moldes de arena verde.

1.1. Fundicin en molde desechable3

Caja de moldeo superior

Macho

Modelo superior

MazarotaBebedero

Arena de moldeoPieza desmoldeada

CompactadaModelo inferior

Proceso de

desbarbado

Caja de moldeo

inferior

Pieza acabada

Figura 1.2: Esquema de un proceso de fundicin en molde de arena.

1.1. Fundicin en molde desechable

La arena es el material ms empleado para la construccin de moldes desechables ya que es econmica y posee una elevada resistencia a las altas temperaturas. Las arenas ms empleadas son las de slice, aunque tambin se utilizan frecuentemente arenas de circonio, olivnicas o silicato de hierro para fabricar piezas de acero. En la Figura 1.2 se muestra un esquema tpico de un proceso de fundicin en molde de arena. El molde suele estar soportado por una caja dividida generalmente en dos partes (superior e inferior). La unin entre ambas partes se suele denotar como lnea de particin. Para la construccin del molde se suelen utilizar modelos de madera o de metal que reproducen, con ciertas modificaciones, la geometra de la pieza que se desea fabricar. Habitualmente los modelos se construyen divididos en varias partes para que se puedan extraer con facilidad una vez que la arena haya sido compactada. Estos modelos se deben sobredimensionar para compensar la posible contraccin que experimenta el metal durante todo el proceso de solidificacin y enfriamiento en el interior del molde o para aplicar, en los casos que sean necesarios, un proceso adicional de conformacin por eliminacin de material. El sobredimensionamiento mencionado en segundo lugar se denomina demasa de mecanizado y su valor suele venir especificado en normas como las DIN (1683-1) para piezas de acero fundido, las DIN (1684-1)

Figura 1.3: Extraccin del modelo en un molde de arena.

Para piezas de fundicin maleable o las DIN (1685-1) para piezas de hierro fundido con grafito esferoidal (vase tambin las referencias DIN (1686-1, 1687-1,3,4, 1688-1,3,4)). As mismo, para facilitar que el modelo pueda retirarse con facilidad sin daar el molde, sus caras se construyen con una cierta inclinacin llamada salida o despulla (Figura 1.3b). Esta inclinacin se suele valorar a travs del ngulo que forma la pared del modelo con la direccin de extraccin. Su valor se puede encontrar en normas como la ISO (1511). Por ejemplo, para modelos de madera su valor se debe encontrar, aproximadamente, entre 1 y 3 y para modelos metlicos entre 0,5 y 1.

Los machos o noyos son los elementos del molde que permiten generar cavidades internas (vase la Figura 1.2). Estos se construyen de arena, de un modo anlogo al descrito mediante modelos especiales denominados cajas de machos, u otros materiales adecuados. Tngase en cuenta que los machos se encontraran completamente rodeados de metal fundido, por lo que deben poseer una mayor permeabilidad, refractariedad y resistencia que el resto del molde. Adems deben disgregarse con facilidad para favorecer el desmoldeo una vez que la pieza se haya solidificado. Un estudio detallado de la preparacin de arenas para moldes y machos se puede encontrar en Coca y Rosique (1989).

Existen procesos de fundicin en arena que utilizan tcnicas especiales para la construccin de moldes. Por ejemplo, en el moldeo en cscara, empleado desde la mitad del siglo XX, se utilizan resinas sintticas especiales que cohesionan la arena por accin del calor. En estos casos el modelo, que debe ser metlico, se calienta a una temperatura aproximada de 200 C.