Procesos de Moldeo y Fundición de Metales: Técnicas, Materiales y Control de Calidad

Moldeo en Arena: Fundamentos y Componentes

Desde tiempos prehistóricos se han usado moldes de arena o mineral. Las operaciones básicas no han cambiado; simplemente se ha aplicado maquinaria para hacer las tareas difíciles. Y aunque se automatice el equipo, los conceptos básicos no han cambiado. Además de ser el método más antiguo, es aún el más usado y el más perjudicial para la salud.

Definición de Molde y Machos

En este proceso, se llama molde a la cavidad que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a fundir. Se obtiene generalmente comprimiendo arena de moldeo sobre el modelo, el cual se retira después. Por tanto, si el molde que con él se obtiene se llena con metal fundido, obtenemos una pieza maciza. Si ha de ser hueca, para obtener las cavidades se necesita colocar otras piezas especiales llamadas machos, noyos o corazones, que no son más que bloques macizos de arena u otro material cuyo exterior es la forma interior que queremos reproducir.

Placas Modelo

Por lo general, consta de un modelo metálico, de madera, yeso o plástico montado sobre una placa metálica. Los metálicos tienen la ventaja de ser más duraderos, de mayor exactitud y suministran superficies más lisas. Son el elemento fundamental del moldeo mecánico.

Cajas de Moldear

Son marcos de madera, aluminio, fundición o acero de formas y dimensiones muy variadas, destinadas a contener la arena del moldeo. Constan de una parte superior y de otra inferior o de fondo, provistas de espigas o clavijas y de orejas, en correspondencia para fijar su posición durante el moldeo. Si hay más de dos, a las otras se les llama intermedias o aros. Las paredes suelen llevar, sobre todo si son grandes, una serie de agujeros o ranuras para facilitar la salida de gases del molde y además los aligeran de peso.

Arenas de Moldeo

Las arenas silicoaluminosas, también llamadas tierras de moldeo, son el material que más se emplea para la fabricación de moldes y machos. Están compuestas químicamente por cuarzo, arcilla, cal y feldespatos. Todas las arenas naturales contienen siempre un porcentaje de agua variable y que suele ser generalmente inferior al 10%. Lo ideal es que esté entre el 5% y el 7%. Si el porcentaje es menor, la resistencia mecánica de la arena disminuye con peligro de arrastre de porciones del molde y formación de inclusiones en la pieza fundida. Si el porcentaje es más alto, el volumen de vapor producido dentro del molde aumentaría el riesgo de poros o sopladuras.

Métodos de Moldeo

Moldeo a Mano

Una primera clasificación sería por la forma de realizarlo, y está el moldeo a mano que, como su nombre indica, todas las operaciones están hechas a mano. Requiere personal muy cualificado y solo es adecuado para obtener un número muy reducido de piezas o cuando las piezas son muy complicadas y no se pueden usar en el moldeo mecánico.

Moldeo Mecánico

En los talleres de fundición de gran producción y producción en serie, para la elaboración de moldes y machos, se sustituyen los métodos manuales por el moldeo mecánico. Sus ventajas son:

• No necesita personal especializado.
• Se puede usar de forma más racional al personal especializado, ya que se libra de una serie de operaciones auxiliares que posibilita que el operario adquiera con rapidez y habilidad la elaboración de los moldes a máquina, mientras que el aprendizaje natural es más lento. Es posible obtener piezas con espesores muy pequeños. Los moldes adquieren una resistencia más alta, con lo cual las piezas quedan mejor terminadas. Se facilita la operación de desmoldeo, sin deteriorar el molde, con el consiguiente ahorro de gastos de reparación, y se disminuye el número de piezas defectuosas, mejorando la calidad.

Moldeo en Moldes Metálicos (Coquillas)

Los moldes metálicos, también llamados coquillas, sustituyen ventajosamente a los de arena cuando se trata de fabricar grandes series de una misma pieza. Se componen de dos partes principales: el cuerpo del molde y los machos para reproducir los huecos o entrantes de las piezas, que pueden ser metálicos o de arena. El material más usado para fabricar el cuerpo del molde es la fundición gris de grano fino.

La duración de las coquillas depende de la clase de material empleado en su fabricación, del material que se moldea y del cuidado que se ponga en su fabricación. Un molde bien usado puede resistir la fundición de 1.000 a 40.000 piezas sin retoques de importancia. Las principales ventajas son:

• Se logra mayor precisión en las cotas de las piezas que con arena.
• Las contracciones lineales también son menores.
• Necesita menos espacio y menos manejo de materiales.
• Siempre que se deseen fabricar series de más de mil piezas, resulta más económico que en arena.

Los principales inconvenientes son el elevado coste de la puesta a punto de la fabricación de cada pieza.

Moldeo en Coquilla por Presión

Difiere del moldeo en coquilla por gravedad en que el metal en estado líquido o pastoso se introduce en el hueco del molde bajo presión. Esto favorece el rápido llenado del molde y la reproducción fiel de sus más finos detalles. También asegura la eliminación de la porosidad en las secciones macizas de la pieza. La presión debe ser tanto más elevada cuanto mayor sea la tendencia de la aleación a presentar sopladuras. Las piezas, después de eliminar el bebedero (por donde entra el metal fundido), quedan totalmente terminadas y no necesitan mecanizado posterior. La estructura del metal es de grano fino y las características mecánicas muy elevadas.

Moldeos Especiales

Moldeo en Cáscara (Shell Molding)

Consiste, en esencia, en obtener un molde con una delgada cáscara de arena de sílice aglomerada con resinas sintéticas termoestables, depositándola sobre una placa modelo metálica calentada a temperatura conveniente. Este proceso se realiza en máquinas que ejecutan las siguientes operaciones:

1. Calientan la placa modelo a 200ºC. Pulverizan sobre la placa un agente de desmoldeado a base de siliconas para facilitar el desmoldeo.
2. Colocan la placa modelo sobre un dispositivo parcialmente lleno de la mezcla de arena y resinas. Se invierte el depósito, cayendo la arena sobre la placa modelo y empezando a formarse la cáscara.
3. Se vuelve a girar el depósito con la placa modelo hasta colocarlo en su posición original, con lo cual la arena no aglomerada cae otra vez al depósito, quedando en contacto con la placa modelo la cáscara.
4. Se lleva la placa con la cáscara pegada a ella a una estufa donde se termina el endurecimiento de la misma, calentándola a una temperatura entre 350 y 450 ºC durante 2 minutos.

Moldeo a la Cera Perdida (Fundición a la Cera Perdida)

Se realiza de la manera siguiente: se hace un modelo en cera del objeto que se ha de moldear. Se recubre este modelo con una capa gruesa de yeso y arena de sílice mezclados. Después de secarse al aire, el modelo de cera con su envoltura se cuece en un horno. La cera entonces se funde y queda el recubrimiento formando el verdadero molde que reproduce con gran exactitud el modelo de cera. Se emplea mucho este proceso para la fabricación de piezas pequeñas en serie, que se obtienen con un excelente acabado superficial y gran precisión, lo que hace innecesario su mecanizado posterior. Se pueden fabricar fresas y brocas de acero de corte rápido, álabes para turbinas de gas y motores de reacción con aceros inoxidables y aleaciones refractarias (tijeras, instrumental quirúrgico) con aceros martensíticos, pequeños imanes de forma complicada, piezas de maquinaria textil, armas automáticas, motores de combustión, herramientas calibradas, piezas de electrodomésticos, etc. Las limitaciones de este proceso se deben a un elevado coste y a la limitación del tamaño de las piezas, que suelen ser menores de 500 gramos (la mayoría no sobrepasa los 30 gramos), aunque se han llegado a obtener piezas de 20 kg.

Colabilidad

Aun cuando los conductos del sistema de distribución estén perfectamente diseñados, existe la posibilidad de que el metal comience a solidificar antes de haber llenado por completo el molde, sobre todo en sus partes más delgadas. Para que esto no suceda, la aleación debe tener colabilidad adecuada, entendiéndose por tal, como su mayor o menor aptitud para llenar por completo la cavidad del molde. Será función de la cantidad de calor que pueda perder el metal antes de solidificar y, en consecuencia, de la temperatura. Depende también de las condiciones de enfriamiento del molde y de la velocidad de la colada.

Inspección de las Piezas Fundidas

Los métodos más comunes son:

• Examen visual: Se debe realizar inmediatamente después del desmoldeo para evitar gastos de limpieza en piezas con defectos visibles.
• Control de dimensiones: Con calibres especiales, si la serie es grande, o en una mesa de trazado, si es pequeña.
• Prueba de sonoridad: Se efectúa golpeando con un mazo de madera la pieza colgada de un gancho y, por el sonido que emite, se sabe si la pieza está rota o no.
• Ensayos no destructivos: Se utilizan métodos de partículas magnéticas, líquidos penetrantes, rayos X y ultrasonidos. Examen metalográfico para determinar el tamaño de grano y las micropropiedades. Ensayos mecánicos como puede ser dureza, tracción, flexión, fatiga, etc. Análisis químico para ver si la composición se ha mantenido dentro de los límites deseados. Y acabado superficial, valorando el mismo con un rugosímetro.