Fundición de Metales: Moldes, Solidificación y Procesos de Colada Especiales

Moldes para fundición

Los moldes pueden ser abiertos o cerrados, desechables o permanentes. Los moldes permanentes permiten geometrías más limpias.

Calentamiento del metal

Para fundir el metal se deben seguir estas etapas:

1. Temperatura de fusión.
2. Calor de fusión.
3. Calentar hasta elevar el metal fundido a la temperatura adecuada para verter.

Las propiedades mecánicas finales dependen de la microestructura del material, del proceso de solidificación y de los tratamientos térmicos aplicados.

Solidificación

La solidificación comienza cuando se alcanza la temperatura de solidificación. El calor se libera lentamente, desde el interior hacia el exterior.

Solidificación de aleaciones

En las aleaciones se distinguen dos temperaturas:

• T_L: temperatura del líquido.
• T_S: temperatura del sólido.

Entre ambas se forma la zona pastosa (mushy zone o freezing range), donde coexisten líquido y sólido. El sólido crece en forma de dendritas mientras todavía hay líquido presente.

La velocidad de enfriamiento influye en el tamaño de las dendritas y afecta la ductilidad, la resistencia a la deformación y la aparición de microporos y desgarros:

• Velocidad baja: dendritas grandes.
• Velocidad moderada: dendritas más pequeñas.
• Velocidad rápida: estructura amorfa.

Tiempo de solidificación

Ley de Chvorinov: t_s = B (V/A)ⁿ, donde n = 2 normalmente y B es una constante del metal.

SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing): distancia entre los centros de dendritas secundarias adyacentes.

El proceso de solidificación depende de la temperatura del metal y del molde, del tipo de metal, de las propiedades térmicas, de la relación volumen/superficie (V/S) y de la geometría.

Defectos de solidificación

• Microporosidad: aparece una vez solidificado el metal. Se evita con mazarotas.
• Microsegregación: ocurre en solidificaciones rápidas, generando capas con distintas composiciones. Las aleaciones simples o de dos fases no pueden tratarse térmicamente. Las dendritas rotas actúan como núcleos de solidificación.

Molde de colada

Está formado por: cavidad, traza de colada y bebedero, tubo de subida (riser), respiradero de gases y canal de alimentación (runner).

Factores importantes: temperatura de vertido, velocidad de vertido y turbulencia.

Flujo del metal

• Ecuación de Bernoulli: v = √(2gh)
• Ley de continuidad: Q = V·A₁ = V·A₂
• Tiempo de llenado de la cavidad: t_inf = V/Q
• Régimen laminar: Re menor de 200.
• Régimen turbulento: Re mayor de 20.000.

Número de Reynolds: Re = VρD/η

Propiedades del metal que influyen: viscosidad, tensión superficial, partículas oxidantes, sobrecalentamiento, velocidad de vertido, cambios de temperatura, diseño del molde y fluidez.

Contracción (shrinkage)

La contracción se produce en tres etapas:

1. Mientras el metal se enfría en estado líquido.
2. Durante la transformación de líquido a sólido.
3. Mientras el metal solidificado se enfría.

Casi todos los metales presentan reducción de volumen. Para compensarla se usan mazarotas (risers):

• Side riser: al lado de la fundición.
• Top riser: en la superficie superior de la pieza.
• Open riser: expuesto al exterior.
• Blind riser: enterrado dentro del molde.

Tipos de procesos de fundición

Squeeze casting

Combina fundición y forja. Se aplica en metales no ferrosos. El metal líquido se vierte en un molde precalentado; cuando empieza a solidificar, el molde se cierra y se aplica presión.

• Tipos: directo (100 MPa) e indirecto (55-300 MPa).
• Propiedades: grano muy fino, espaciado dendrítico pequeño, porosidad y contracción minimizadas. Propiedades mecánicas similares a la forja.
• Aplicaciones: automoción y construcción naval.
• Ventajas: estructuras complejas, baja microporosidad, buena tolerancia y baja rugosidad.
• Desventajas: requiere mecanizado y acabado, y es costoso.

Tixocasting

Proceso semisólido. La alta viscosidad evita la porosidad. El lingote se preconforma mediante agitación. Se usa con aleaciones no ferrosas como Al, Cu y Mg.

Proceso:

1. Producción del lingote precalentado (micro modular).
2. Recalentamiento por inducción.
3. Fundición del componente (molde y pistón).

• Propiedades: estructura globular (α + eutéctico), excelentes propiedades mecánicas y funcionales, buen acabado.
• Aplicaciones: componentes resistentes al desgaste (compresores) y a la tracción (motores).
• Ventajas: piezas complejas, ausencia de porosidad, excelentes propiedades mecánicas, buenas tolerancias, eficiencia energética, menor impacto ambiental y reducción de gases.
• Desventajas: coste elevado y segregación del líquido.
• Defectos: capa de óxido, porosidad superficial y relleno incompleto.

Shell molding (moldeo en cáscara)

Proceso: molde calentado, resina, volteo, formación de la cáscara, curado y extracción de la cáscara.

• Ventajas: buen acabado, buena tolerancia, maquinaria reducida, poco espacio requerido y piezas mecanizables.
• Desventajas: materias primas caras, generación de humos y tamaño limitado.
• Aplicaciones: tubos moldeados.
• Aleaciones: acero aleado y aluminio.
• Maquinaria: clásica y automática.

Defectos comunes:

• Burbujas detrás de la cáscara: distribuir bien la arena y la resina.
• Defectos de unión: usar una resina de gran viscosidad.
• Incrustaciones: controlar el nivel del lubricante y la temperatura.
• Cáscaras débiles: controlar la humedad.

Plaster mold casting (moldeo en yeso)

Similar al moldeo en arena. Se utiliza para fabricar compresores, componentes eléctricos y bombas de 9 a 34 kg.

• Composición del molde: yeso de escayola. Para moldes complejos pueden usarse caucho, y para producción rápida y más duradera, resina epoxi. También se emplean madera y metal (Al, ZC y bronce).

Proceso:

1. Mezclar los componentes para obtener el compuesto.
2. Verter la mezcla sobre el patrón.
3. Ajustar la temperatura durante unos 15 minutos.
4. Retirar el molde y montar las mitades.
5. Precalentar a unos 120 °C y verter el metal.

• Propiedades: buen acabado y grano uniforme.
• Defectos: baja permeabilidad. Solución: verter el metal en vacío o con presión, o utilizar yeso espumado.
• Aleaciones: Al, Mg y Zn.
• Ventajas: buen acabado, precisión y secciones delgadas.
• Desventajas: coste elevado y sensibilidad a la humedad.

Ceramic mould casting

Similar al moldeo en yeso, pero con mayor resistencia a la temperatura. Permite obtener detalles finos y gran precisión.

• Aplicaciones: fundición de precisión, con moldes grandes de hasta 700 kg, aunque en cantidades limitadas.

Proceso Shaw:

• Se utilizan dos moldes, de una o de dos piezas.
• Modelos de yeso, madera, aluminio o epoxi.
• Bajo coste de materiales refractarios.
• El molde puede tener una capa cara y un relleno barato, o estar hecho íntegramente de material costoso.