¿Qué es el proceso de fundición?
- Definición de proceso
La fundición es un proceso de fabricación en el que se vierte material líquido en un molde que contiene una cavidad hueca de la forma deseada, se deja solidificar y luego se retira la pieza terminada. El material solidificado, a menudo metal, toma la forma de la cavidad del molde. La fundición se utiliza más comúnmente para piezas metálicas vertiendo metal fundido en un molde y dejándolo enfriar y solidificar. Este proceso permite la producción económica de componentes metálicos complejos y de alto rendimiento con precisión, versatilidad y propiedades de materiales que a menudo no se pueden lograr con otros métodos de fabricación. Como tal, la fundición es un proceso increíblemente importante en la fabricación industrial.
- Principios del proceso
Los principios de la fundición se centran en la necesidad de contener el material fundido caliente dentro de un molde a medida que se transforma del estado líquido al sólido. El primer paso es crear el molde con una cavidad, núcleos y un sistema de compuertas a partir de materiales resistentes al calor, generalmente arena de moldeo, metal o epoxi. El molde está diseñado para llenarse rápidamente con metal y luego transferir calor para que el metal se solidifique de líquido a sólido con la estructura de grano adecuada.
A continuación, el metal elegido se funde a altas temperaturas en un horno hasta alcanzar el estado fundido. Los metales fundidos comunes son las aleaciones de hierro, aluminio, acero y magnesio. El metal líquido se vierte o inyecta en la cavidad del molde y se deja enfriar y solidificar en la forma. El molde soporta altas fuerzas y calor durante la solidificación mientras el metal se contrae ligeramente. Una vez que el metal y el molde alcanzan la temperatura ambiente, la pieza final se separa del molde. Es posible que se requieran operaciones de acabado secundarias para limpiar e inspeccionar la pieza fundida.
- Equipos y herramientas
La fundición requiere equipos y herramientas especialmente diseñados para manipular metal caliente y resistir las fuerzas de moldeo:
- Los hornos calientan metales hasta el punto de fusión mediante combustible, resistencia eléctrica o inducción. Un recipiente contiene el metal fundido.
- Las herramientas de moldeo forman moldes de arena a partir de patrones reutilizables. Los patrones pueden ser de madera, metal o plástico.
- Los matraces de moldeo contienen y forman la arena de moldeo alrededor de las mitades del patrón.
- Las herramientas para núcleos fabrican núcleos de arena que forman huecos internos en el molde.
- Las máquinas de fundición a presión inyectan metal en moldes metálicos permanentes.
- La fundición a la cera perdida utiliza patrones de cera incrustados en revestimientos cerámicos en suspensión.
- Los elementos de compuerta/ascendente introducen metal fundido en la cavidad del molde.
- Las herramientas de limpieza, como los granalladores, las amoladoras y los cortadores, eliminan las piezas fundidas.
- Las herramientas de inspección verifican las dimensiones y la calidad del molde/fundición.
- Los campos de aplicación
La fundición produce componentes en prácticamente todos los sectores manufactureros debido a su versatilidad, eficiencia y capacidad para crear formas complejas. Algunas áreas de aplicación importantes incluyen:
- Automoción: Los bloques de motor, las culatas de cilindros, las ruedas y las cajas de transmisión son ejemplos de piezas de automóvil fundidas en gran volumen.
- Aeroespacial: palas de turbinas, cajas de cambios, componentes de motores a reacción y accesorios de fuselajes de fundición.
- Defensa: Los principales equipos militares como artillería, armaduras, casquillos de munición, etc. dependen del lanzamiento.
- Infraestructura: Tapas de registro, tuberías, válvulas, bombas y material ferroviario.
- Agricultura: Piezas fundidas de componentes de tractores como carcasas y poleas.
- Bienes de consumo: joyería fundida, instrumentos musicales, herrajes para muebles.
- Médico: Coronas dentales, implantes ortopédicos e instrumentos quirúrgicos.
La fundición permite producir componentes en casi cualquier industria según requisitos de ingeniería precisos a partir de una amplia gama de materiales metálicos.
- Ventajas y limitaciones
- Ventajas:
- Las piezas complejas con forma de red se fabrican fácilmente. No se necesita mecanizado.
- Capacidades de producción en masa para grandes volúmenes a menores costos.
- Muchas aleaciones son difíciles de fabricar, de lo contrario se pueden fundir.
- Control de microestructura más fino que el metal forjado.
- Piezas complejas y de alta precisión fundidas integralmente.
- Consolida piezas/características en un solo componente.
- Limitaciones:
- Altos costos iniciales de herramientas y equipos.
- Restricciones de diseño para permitir la eliminación del moho.
- Los límites de tamaño se basan en la capacidad del equipo.
- A menudo tiene menor resistencia que el metal forjado.
- Se requieren inspecciones y limpiezas posteriores al proceso.
- Defectos comunes como porosidad e inclusiones.
- Parámetros de proceso
Numerosos parámetros interdependientes influyen en la calidad, la productividad y la economía de la fundición. Estos abarcan:
- Material y diseño del molde: afecta el flujo del metal, la transferencia de calor y el acabado de la superficie.
- Composición de la aleación: determina las propiedades, el punto de fusión y la fluidez.
- Tratamiento de fusión: los desgasificadores reducen los defectos del gas; los inoculantes refinan el grano.
- Temperatura de vertido: las temperaturas más altas mejoran la fluidez pero aumentan la contracción. Se requiere un sobrecalentamiento adecuado.
- Temperatura del molde: el precalentamiento de los moldes reduce el choque térmico y los defectos.
- Tiempo y velocidad de llenado: un llenado más rápido mejora los moldes.
- Velocidad de enfriamiento: un enfriamiento más rápido produce granos más finos, pero corre el riesgo de desgarrarse y deformarse.
- Diseño de entrada: debe promover el llenado completo del molde evitando al mismo tiempo la turbulencia.
- Los elevadores de cofia ascendente alimentan metal líquido a las piezas fundidas a medida que se encogen para evitar huecos.
Se utilizan pruebas importantes para modelar, predecir y ajustar estos parámetros para lograr una calidad óptima.
- Control de calidad
Los productos fundidos presentan muchos defectos potenciales, lo que requiere un riguroso control de calidad:
- Inspección visual de dimensiones, acabado superficial y defectos evidentes.
- Las pruebas con tintes penetrantes revelan grietas que rompen la superficie.
- Las radiografías y las tomografías computarizadas detectan huecos internos y problemas de porosidad.
- Las pruebas ultrasónicas indican defectos del subsuelo mediante ondas sonoras.
- Las pruebas mecánicas proporcionan propiedades de dureza, tracción e impacto.
- La metalografía muestra la microestructura, el tamaño de grano y las fases.
- El análisis químico verifica la composición adecuada de la aleación.
- Las pruebas de fugas y presión garantizan que las piezas fundidas estén en buen estado.
El control estadístico de procesos rastrea las métricas clave del proceso. Las piezas fundidas se prueban de forma destructiva para correlacionar las piezas probadas de forma no destructiva con la calidad general.
- Desarrollo y Tendencias
La fundición es uno de los procesos de trabajo de metales más antiguos que se conocen y se originó hace más de 6000 años. La fundición de bronce y hierro avanzó la civilización a lo largo de la historia antigua hasta la Edad Media en herramientas, armas y estatuas. Los procesos de fundición modernos se innovaron durante los años 1800 y 1900, lo que permitió la producción en masa.
Las tendencias recientes se centran en:
- El desarrollo de aleaciones livianas y de alta resistencia permite que las piezas fundidas reemplacen las piezas mecanizadas. La industria aeroespacial, los automóviles y los implantes impulsan esta investigación.
- La sofisticada simulación del análisis térmico y del flujo del molde predice con precisión los resultados de la fundición.
- Control de calidad más estricto sobre problemas de integridad de la fundición como la porosidad. Se desarrollaron estándares como ASTM E505.
- Mayor uso de líneas de moldeo automatizadas y robots para lograr resultados más rápidos, más económicos y más consistentes.
- Procesos de fundición continua para mayor producción en acerías, cobre y aluminio.
- Se adoptaron técnicas de fundición a la cera perdida para piezas pequeñas y detalladas, como las palas de las turbinas. Prototipado rápido aplicado a la fundición.
- Se adoptaron procesos secundarios como tratamiento térmico, HIPing y mecanizado para mejorar la precisión y las propiedades.
- Casos Prácticos
- Los fabricantes de automóviles como Ford y GM utilizan bloques de motor de aleación de aluminio fundido porque las piezas fundidas ofrecen geometrías complejas de camisas de agua y características fundidas integralmente difíciles de mecanizar. Otros componentes del motor, como cabezas, pistones y sobrealimentadores, también se benefician de la fundición estratégica.
- Las aleaciones fundidas de cobalto y cromo permiten la producción económica de implantes de reemplazo articular con cualidades biocompatibles, alta resistencia y geometrías de articulación moldeadas directamente. Estos componentes de implantes fundidos se integran con el hueso humano mucho mejor que las alternativas fabricadas.
- Las piezas fundidas de acero forman enormes marcos de turbinas eólicas, cajas de engranajes, generadores, góndolas y otras estructuras donde las piezas fundidas proporcionan las propiedades necesarias de rigidez, amortiguación de vibraciones y resistencia a la carga que las fabricaciones no pueden igualar.
- La fundición a la cera perdida de precisión produce álabes de turbina de superaleación de níquel fundido para motores a reacción con granos equiaxiales y álabes monocristalinos con alta resistencia a la fluencia. Este proceso de fundición logra las complejas formas de perfiles aerodinámicos y los esquemas de enfriamiento necesarios.
- Conclusión
La fundición proporciona una inmensa flexibilidad de materiales, libertad de diseño, precisión y oportunidades de ahorro de costos en comparación con otros métodos de fabricación de piezas metálicas. Como proceso de forma neta que requiere poco mecanizado, la fundición permite altas tasas de producción y características integrales que no son factibles por otros medios. Dado que gran parte del mundo de la ingeniería moderna depende de componentes de metal fundido, la fundición seguirá siendo un proceso industrial esencial junto con los avances en materiales, calidad y automatización.