Fundición en molde permanente

La fundición en molde permanente es un proceso de fundición de metales que emplea moldes reutilizables ("moldes permanentes"), generalmente hechos de metal . El proceso más común utiliza la gravedad para llenar el molde, sin embargo, también se utiliza presión de gas o vacío . Una variación del proceso típico de fundición por gravedad, llamada fundición en masa , produce piezas fundidas huecas. Los metales de fundición comunes son el aluminio , el magnesio y las aleaciones de cobre . Otros materiales incluyen estaño , zinc y aleaciones de plomo , y el hierro y el acero también se vierten en moldes de grafito . ^{[1] [2]}

Los productos típicos son componentes tales como engranajes , estrías , ruedas , carcasas de engranajes , accesorios de tuberías , carcasas de inyección de combustible y pistones de motores de automóviles . ^[1]

Hay cuatro tipos principales de fundición en molde permanente: gravedad, fundición en masa, baja presión y vacío.

El proceso de gravedad comienza con el precalentamiento del molde a 150–200 °C (302–392 °F) para facilitar el flujo y reducir el daño térmico a la pieza fundida. Luego, la cavidad del molde se recubre con un material refractario o un lavado de molde, que evita que la pieza fundida se adhiera al molde y prolonga la vida útil del molde. Luego, se instalan los núcleos de arena o metal y se cierra el molde con abrazaderas. Luego, se vierte el metal fundido en el molde. Poco después de la solidificación, se abre el molde y se retira la pieza fundida para reducir las posibilidades de desgarros por calor . Luego, el proceso comienza de nuevo, pero no se requiere precalentamiento porque el calor de la pieza fundida anterior es adecuado y el revestimiento refractario debería durar varias piezas fundidas. Debido a que este proceso generalmente se lleva a cabo en piezas de trabajo de gran producción, se utiliza un equipo automatizado para recubrir el molde, verter el metal y retirar la pieza fundida. ^{[3] [4] [5]}

El metal se vierte a la temperatura más baja posible para minimizar las grietas y la porosidad. ^[4] La temperatura de vertido puede variar mucho según el material de fundición; por ejemplo, las aleaciones de zinc se vierten a aproximadamente 370 °C (698 °F), mientras que el hierro gris se vierte a aproximadamente 1370 °C (2500 °F). ^[1]

Los moldes para el proceso de fundición constan de dos mitades. Los moldes de fundición suelen estar hechos de fundición gris, ya que es la que tiene la mejor resistencia a la fatiga térmica , pero también se pueden utilizar otros materiales, como acero, bronce y grafito. Estos metales se eligen por su resistencia a la erosión y a la fatiga térmica. Por lo general, no son muy complejos porque el molde no ofrece capacidad de colapso para compensar la contracción. En cambio, el molde se abre tan pronto como se solidifica la fundición, lo que evita los desgarros por calor. Se pueden utilizar núcleos, que suelen estar hechos de arena o metal. ^{[4] [5]}

Como se indicó anteriormente, el molde se calienta antes del primer ciclo de fundición y luego se utiliza de forma continua para mantener una temperatura lo más uniforme posible durante los ciclos. Esto reduce la fatiga térmica, facilita el flujo del metal y ayuda a controlar la velocidad de enfriamiento del metal de fundición. ^[5]

La ventilación suele producirse a través de la pequeña grieta que hay entre las dos mitades del molde, pero si esto no es suficiente, se utilizan orificios de ventilación muy pequeños. Son lo suficientemente pequeños como para dejar escapar el aire, pero no el metal fundido. También se debe incluir un tubo ascendente para compensar la contracción. Esto suele limitar el rendimiento a menos del 60 %. ^[5]

Los expulsores mecánicos en forma de pasadores se utilizan cuando los recubrimientos no son suficientes para retirar las piezas de los moldes. Estos pasadores se colocan a lo largo del molde y suelen dejar pequeñas impresiones redondas en la pieza. ^{[ cita requerida ]}

La fundición en masa es una variante de la fundición por moldeo permanente para crear una fundición hueca o un molde hueco . En el proceso, el material se vierte en el molde y se deja enfriar hasta que se forma una cáscara de material en el molde. Luego, el líquido restante se vierte para dejar una cáscara hueca. La fundición resultante tiene un buen detalle de superficie, pero el espesor de la pared puede variar. El proceso se utiliza generalmente para fundir productos ornamentales , como candelabros , bases de lámparas y estatuas , a partir de materiales de bajo punto de fusión. ^[2] Una técnica similar se utiliza para hacer figuras huecas de chocolate para Pascua y Navidad . ^[6]

El método fue desarrollado por William Britain en 1893 para la producción de soldaditos de plomo . Utiliza menos material que la fundición sólida y da como resultado un producto más liviano y menos costoso. Las figuras de fundición hueca generalmente tienen un pequeño orificio por donde se vierte el exceso de líquido. ^{[ cita requerida ]}

De manera similar, en la fabricación de tableros de instrumentos de automóviles se utiliza un proceso denominado moldeo por soplado para interiores de paneles blandos con cuero artificial, en el que se vierte un compuesto plástico en polvo de flujo libre (que se comporta como un líquido), ya sea PVC o TPU, en un molde hueco caliente y se forma una película viscosa. Luego se drena el exceso de material fundido, se enfría el molde y se retira el producto moldeado. ^[7]

El moldeo permanente a baja presión ( LPPM ) utiliza un gas a baja presión, generalmente entre 3 y 15 psi (20 a 100 kPa) para empujar el metal fundido hacia la cavidad del molde. La presión se aplica a la parte superior del depósito de líquido, lo que empuja el metal fundido hacia arriba por un tubo de vertido refractario y finalmente hacia el fondo del molde. El tubo de vertido se extiende hasta el fondo de la cuchara de modo que el material que se empuja hacia el molde está excepcionalmente limpio. No se requieren elevadores porque la presión aplicada empuja el metal fundido hacia adentro para compensar la contracción. Los rendimientos suelen ser superiores al 85% porque no hay elevador y cualquier metal en el tubo de vertido simplemente cae de nuevo en la cuchara para su reutilización. ^{[2] [8]}

La gran mayoría de las piezas fundidas en LPPM son de aluminio y magnesio, pero algunas son de aleaciones de cobre. Las ventajas incluyen muy poca turbulencia al llenar el molde debido a la presión constante, lo que minimiza la porosidad del gas y la formación de escoria . Las propiedades mecánicas son aproximadamente un 5% mejores que las piezas fundidas en molde permanente por gravedad. La desventaja es que los tiempos de ciclo son más largos que los de las piezas fundidas en molde permanente por gravedad. ^[8]

La fundición en molde permanente al vacío conserva todas las ventajas de la fundición LPPM, además de que se minimizan los gases disueltos en el metal fundido y la limpieza del metal fundido es aún mejor. El proceso puede manejar perfiles de paredes delgadas y proporciona un excelente acabado superficial . Las propiedades mecánicas suelen ser entre un 10 y un 15 % mejores que las de las fundiciones en molde permanente por gravedad. El proceso está limitado en peso a entre 0,2 y 5 kg (0,44 y 11,02 lb). ^[8]

Las principales ventajas son el molde reutilizable, buen acabado superficial, buena precisión dimensional y altas tasas de producción. Las tolerancias típicas son 0,4 mm para los primeros 25 mm (0,98 pulgadas) para la primera pulgada) y 0,02 mm por cada centímetro adicional (0,002 pulgadas por pulgada); si la dimensión cruza la línea de partición, agregue 0,25 mm adicionales (0,0098 pulgadas). Los acabados superficiales típicos son de 2,5 a 7,5 μm (100–250 μin) RMS . Se requiere un ángulo de inclinación de 2 a 3°. Los espesores de pared están limitados a 3 a 50 mm (0,12 a 1,97 pulgadas). Los tamaños típicos de las piezas varían de 100 g a 75 kg (varias onzas a 150 lb). Otras ventajas incluyen la facilidad de inducir la solidificación direccional cambiando el espesor de la pared del molde o calentando o enfriando partes del molde. Las velocidades de enfriamiento rápidas que se generan al utilizar un molde de metal dan como resultado una estructura de grano más fina que la del moldeo en arena. Se pueden utilizar núcleos de metal retráctiles para crear socavaduras y, al mismo tiempo, mantener un molde de acción rápida. ^{[2] [3]}

Existen tres desventajas principales: el alto costo de las herramientas, la limitación a metales con bajo punto de fusión y la corta vida útil del molde. Los altos costos de las herramientas hacen que este proceso no sea económico para pequeñas producciones. Cuando el proceso se utiliza para fundir acero o hierro, la vida útil del molde es extremadamente corta. Para metales con un punto de fusión más bajo, la vida útil del molde es más larga, pero la fatiga térmica y la erosión generalmente limitan la vida útil a 10.000 a 120.000 ciclos. La vida útil del molde depende de cuatro factores: el material del molde, la temperatura de vertido, la temperatura del molde y la configuración del molde. Los moldes hechos de hierro fundido gris pueden ser más económicos de producir, pero tienen una vida útil corta. Por otro lado, los moldes hechos de acero para herramientas H13 pueden tener una vida útil varias veces mayor. La temperatura de vertido depende del metal de fundición, pero cuanto más alta sea la temperatura de vertido, más corta será la vida útil del molde. Una temperatura de vertido alta también puede inducir problemas de contracción y crear tiempos de ciclo más largos. Si la temperatura del molde es demasiado baja , se producen fallas en el funcionamiento , pero si la temperatura del molde es demasiado alta, el tiempo del ciclo se prolonga y aumenta la erosión del molde. Las grandes diferencias en el espesor de la sección del molde o de la pieza fundida también pueden reducir la vida útil del molde. ^[5]

• Degarmo, E. Paul; Black, JT; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (novena edición), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Ingeniería y tecnología de fabricación (5.ª ed.), Pearson, ISBN 0-13-148965-8.
• Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994), Guía de referencia de procesos de fabricación, Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.

• Efunda: Fundamentos de ingeniería
• Artículo sobre el proceso de moldeo permanente