Fundición en arena – Proceso, propiedades de la arena, pros y contras

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En este artículo, nos sumergiremos en el proceso moderno de fundición en arena, examinando cómo funciona y por qué sigue siendo una de las técnicas de fundición de metales más utilizadas incluso miles de años después de su creación.

¿Qué es el moldeo en arena?

La fundición en arena, o moldeado en arena, es un proceso de fabricación de metales que utiliza matrices hechas de arena para crear productos metálicos. La arena es fácilmente moldeable con objetos comunes. Tras darle la forma deseada, se vierte metal fundido caliente en el molde. Al enfriarse, el metal adopta la forma del molde al solidificarse. A continuación, el producto metálico final se extrae del molde de arena y se somete a un proceso de acabado antes de ponerlo en uso.

Con la técnica de fundición en arena se pueden fabricar productos de todos los tamaños y niveles de complejidad. Puede utilizarse para fundir artículos tan pequeños como alfileres o tan grandes como locomotoras de ferrocarril. Además, es compatible con un amplia gama de metales, incluidos el hierro fundido, el hierro maleable, el acero, las aleaciones de níquel, las aleaciones de cobre, las aleaciones de aluminio y las aleaciones de magnesio.

Su versatilidad hace que la fundición en arena sea el proceso de fundición más utilizado en el mundo, ya que más del 60% de todos los productos metálicos fundidos se fabrican con este método.

Propiedades de la arena de moldeo

Aunque hay muchos tipos diferentes de arenas entre los que elegir, no todas son adecuadas para el proceso de moldeo. Cada una de ellas presenta ciertas características que pueden ajustarse o no a los requisitos del proyecto.

Dependiendo del proceso de fundición y del metal, se necesita la combinación adecuada de propiedades en la arena de moldeo. Para mejorar la cohesión, pueden añadirse aditivos y aglutinantes especiales a la mezcla básica de arena, arcilla y agua.

Estos aglutinantes, que pueden ser orgánicos o inorgánicos, incluyen cereales, brea molida, carbón marino, gilsonita, fuel oil, harina de madera, harina de sílice, óxido de hierro y perlita, entre otros. Algunos de estos aglutinantes tienen efectos contradictorios pero a menudo es necesario hacer concesiones para equilibrar las propiedades para aplicaciones de fundición específicas.

El cuatro tipos más comunes de arena utilizados para la fundición son la arena verde, la arena seca, el silicato sódico y la arena de resina:

1. Arena verde se llama así porque es esencialmente arena bruta mezclada con agua. Presenta una consistencia similar a la arcilla. La arena verde ofrece una opción de bajo coste para la arena de moldeo con una buena reutilización y es compatible con altos índices de producción. Sin embargo, su escasa maleabilidad puede provocar el colapso del molde en determinadas situaciones. También tiene propensión a crear defectos superficiales.
2. Arena seca, en cambio, es una arena de moldeo que utiliza arcilla y contiene muy poca agua como aglutinante. Mantiene bastante bien su forma una vez apisonada en su sitio. Una ventaja de la arena seca es que crea muy poco vapor durante la fase de llenado, que en el caso de arenas más húmedas, puede provocar la fractura del molde si no se controla.
3. Silicato de sodio, también conocido como vidrio de agua, es una arena especial que utiliza un aglutinante de silicato de sodio para integrar la arena. El silicato de sodio puede crear formas más intrincadas o complejas que la arena verde y seca.
4. Arena de resina, también conocida como Arena de furano, es otra arena popular utilizada para la fundición en arena Utiliza una resina de alcohol furfurílico para hacer una masa coherente a partir de la arena. El compuesto, robusto y muy estable, tiene muy poca tendencia a descomponerse y proporciona una precisión dimensional y un acabado superficial excelentes. Sin embargo, es la más cara de todas las arenas. También tiene un plazo de entrega más largo.

Los ingenieros de fundición eligen el tipo de arena en función del metal, la geometría del producto y los límites de tolerancia. Pero sean cuales sean las especificaciones, siempre examinan un tipo de arena en función de las siguientes propiedades:

Refractariedad

La refractariedad es la propiedad de un material que le permite resistir los choques térmicos y la combustión cuando se somete a altas temperaturas. La arena sirve de material refractario para el metal fundido y por ello debe tener un punto de fusión elevado. La selección de la arena para la fundición depende en gran medida de la temperatura del proceso. Si la refractariedad es insuficiente, la arena se fundirá y se fusionará con la pieza fundida.

Para muchos metales, como el aluminio, la arena sólo necesita soportar una temperatura de 700 grados centígrados. Sin embargo, las arenas para las piezas fundidas de acero deben soportar al menos 1500 grados Celsius, ya que el punto de fusión es más alto.

Permeabilidad

La arena debe evacuar el vapor y otros gases generados durante el proceso de fundición. Cada unidad de agua en el molde produce 1600 unidades de vapor.

Si los gases y el vapor quedan atrapados, pueden causar defectos como sopladuras y agujeros de gas en el producto final. Su eliminación es crucial para obtener un acabado de buena calidad. Así pues, la permeabilidad es una propiedad crucial en la arena para conseguir un producto final de alta calidad.

Las propiedades de la arena de moldeo se ven influidas por el tamaño y la distribución del grano: los granos pequeños aumentan la resistencia del molde pero reducen la permeabilidad, mientras que los granos más grandes aumentan la permeabilidad. Los granos finos proporcionan un acabado superficial liso en las piezas moldeadas pero tienen una permeabilidad baja, mientras que los granos gruesos proporcionan una permeabilidad más alta pero un acabado más rugoso.

Alta conductividad térmica

La conductividad térmica es la propiedad de un material que permite que el calor fluya a través de él. Un flujo de calor eficiente conduce a un enfriamiento más rápido del metal fundido. Se necesitan arenas con una alta conductividad térmica para transferir el calor del metal fundido a la atmósfera.

Baja expansión térmica

La expansión térmica es el aumento o la disminución del volumen de un material cuando se añade o se quita calor, respectivamente. Para el proceso de fundición en arena, se necesita arena con una expansión térmica muy baja. Este tipo de arena mantendrá su forma durante las distintas fases del proceso de fundición, incluido el vertido del metal líquido y el posterior enfriamiento.

Fluidez

La capacidad de la arena para fluir hacia zonas más pequeñas, como cavidades, depresiones y canales profundos del patrón, determina si podemos utilizarla para el moldeo de formas complejas. La arena con mayor fluidez rellenará todas las características de un patrón sin necesidad de presión externa.

Una arena muy fluida no es necesaria para formas sencillas, como una tapa de alcantarilla, pero puede serlo para algo más complejo como una escultura. Por tanto, el nivel de fluidez necesario puede determinarse caso por caso.

Coste

El coste también puede variar significativamente de una arena a otra. La arena de sílice, por ejemplo, tiene una alta disponibilidad, pero también problemas como la inestabilidad dimensional y la tendencia a quemarse o incluso a explotar para formar partículas de tamaño submicrónico en caso de choque térmico. Silicosis es también un tema muy preocupante, ya que los trabajadores están expuestos a la sílice durante largos periodos. El olivino y la arena de cromita, en cambio, son más caros y están menos disponibles, pero no presentan los problemas mencionados.

El proceso de fundición es sencillo para los productos simples. Se crea una cavidad con la forma deseada y se vierte metal fundido en ella a través de un canal vertical. Una vez que el metal se solidifica, se extrae retirando la arena del molde que lo rodea.

Sin embargo, en el caso de formas complejas, hay que tener muy en cuenta aspectos como la forma de llenar el molde, eliminar el exceso de metal, conseguir un acabado superficial de alta calidad y garantizar la temperatura y velocidad óptimas del metal fundido para un llenado uniforme.

Exploremos con más detalle un proceso típico de fundición en arena:

1. Creación del molde

El molde se crea utilizando un patrón, que es una réplica del producto deseado. El patrón puede estar hecho de un material o proceso diferente, como el mecanizado o la fabricación aditiva, pero tiene la misma forma y dimensiones que el producto final. Se pueden crear múltiples moldes utilizando un único patrón.

El patrón se separa en dos partes a lo largo de la línea central de la forma. A continuación, cada mitad se coloca en areneros separados y la mezcla de arena se empaqueta a su alrededor para crear impresiones de los patrones en la arena.

Una vez retirados los patrones de la arena, se colocan las dos cajas de arena una encima de la otra, asegurándolas para formar el molde completo. La mitad superior y la mitad inferior se denominan cope y drag, respectivamente. La cavidad del molde así generada tiene la forma negativa del producto. Por ejemplo, un saliente en el producto final aparece como una depresión en el molde.

2. Creación del sistema de compuerta

El sistema de compuerta proporciona una vía para que el metal fundido fluya hacia la cavidad. Un sistema bien diseñado puede ser crucial para la calidad del producto. Un sistema de compuerta eficaz es simple, eficiente y minimiza las turbulencias. También atrapa cualquier gas o escoria presente en el metal fundido.

Entre los componentes clave del sistema de inyección que requieren un diseño cuidadoso se incluyen:

• Cubeta de vertido y bebedero – La cubeta de colada sirve como punto de entrada en forma de embudo para el metal fundido. El metal fluye hacia el bebedero desde la cubeta de vertido, moviéndose por gravedad hacia la cavidad.
• Correderas – Las canaletas son canales horizontales para que el metal fundido llegue a la cavidad de la matriz desde el bebedero.
• Compuertas – Las compuertas son los puntos de entrada de la cavidad de la matriz, garantizan un flujo suave del metal fundido en la cavidad de la matriz, mantienen la presión y evitan las rebabas. También ayudan a restringir la entrada de escoria en la cavidad de la matriz.
• Risers – Para contrarrestar la contracción a medida que el metal se enfría, los elevadores sirven como depósitos en el sistema de inyección, almacenando metal fundido adicional. Cuando el metal empieza a encogerse, los elevadores aportan material adicional a la cavidad, evitando la escasez de metal.
• Machos – Cuando un producto requiere una sección hueca o una cavidad, se coloca un inserto de arena maciza llamado núcleo dentro de la matriz para formar la cavidad prevista. El metal fundido se llena alrededor del núcleo, creando la cavidad en la colada final. Las chapas mantienen el núcleo en su sitio durante la colada.

3. Vertido del metal fundido

El metal fundido se vierte desde la parte superior en la cavidad. El volumen de metal utilizado supera ligeramente el del producto para garantizar que se almacena algo de material sobrante en los tubos ascendentes.

4. Solidificación en colada

Una vez llena la cavidad de la matriz, se deja enfriar la pieza fundida. Dependiendo del metal y del proceso, puede aplicarse un enfriamiento natural o forzado. Un enfriamiento adecuado es esencial para conseguir las propiedades deseadas y mantener la precisión dimensional en el producto final.

5. Sacudido y recuperación de la arena

El sacudido es el proceso de extracción de las piezas moldeadas de arena del molde. La arena se sacude y se desplaza para separar la colada solidificada, que se envía a las operaciones finales de acabado, mientras comienza la recuperación de la arena.

Dado que no toda la arena puede recuperarse, parte de la arena vieja se sustituye por arena fresca para futuros procesos de fundición en arena. Para restaurar las propiedades de la arena para su reutilización, pueden aplicarse tratamientos mecánicos, químicos y térmicos, junto con ajustes en su composición compensando la humedad y los aditivos perdidos.

Ventajas de la fundición en arena

A pesar del desarrollo de muchas tecnologías avanzadas en las últimas décadas, la fundición en arena sigue siendo uno de los procesos de fabricación de metales más populares. Sus ventajas únicas lo hacen indispensable en el panorama de la fabricación moderna. Hoy en día, la fundición en arena suele automatizarse, lo que aumenta su adaptabilidad y eficacia para satisfacer las demandas de los entornos de producción contemporáneos. He aquí algunas ventajas clave que hacen de la fundición en arena un proceso tan valioso.

Adecuado para todo tipo de producción

La fundición en arena es compatible con diversos montajes de producción, permitiendo la fabricación de una sola pieza, por lotes o en masa. Este método se utiliza ampliamente en industrias como la automoción, defensa, agricultura, minería, construcción, sanidad y energías renovables.

En la industria del automóvil, la fundición en arena se utiliza para desarrollar prototipos, bloques de motor, culatas y diversas piezas de motores de combustión interna. Su aplicación también se ha extendido a la fabricación de vehículos eléctricos, donde la fundición en arena se emplea para producir componentes estructurales, carcasas de motores, carcasas de baterías, etc.

Existe casi ninguna limitación de tamaño también. Se pueden moldear con precisión matemática productos cuya masa oscile entre unos gramos y unas toneladas.

Rentabilidad

Uno de los principales factores que impulsan a diversos sectores a adoptar la tecnología de fundición en arena es el coste. La fundición en arena es significativamente más rentable en comparación con otros procesos de fundición. La arena puede reutilizarse para futuras piezas fundidas con un procesamiento mínimo.

El automatización en la producción de gran volumen también reduce el coste por pieza al tiempo que garantiza una calidad constante y fiable. La fundición en arena también incurre bajos costes de utillaje en comparación con otros métodos de fundición.

Apto para todos los metales

La fundición en arena puede funcionar con casi cualquier aleación de metales ferrosos o no ferrosos. Algunos ejemplos son el oro, el hierro, el plomo y el titanio. El único requisito es que se funda y fluya como metal líquido en el molde. Esta flexibilidad permite a las fundiciones trabajar con una amplia gama de metales sin necesidad de realizar modificaciones significativas en el proceso o el equipo.

Proceso rápido

Aunque procesos como la fundición centrífuga pueden ser más eficaces para formas específicas, la fundición en arena ofrece plazos de entrega rápidos tanto para la creación de prototipos como para aplicaciones a gran escala.

Limitaciones del moldeo en arena

Todos los procesos de fabricación implican compensaciones. En el caso del moldeo en arena, sin embargo, estas compensaciones son mínimas en comparación con los beneficios. Examinemos algunas de esas limitaciones:

Acabado superficial deficiente

La mala calidad de la arena y las desviaciones del proceso pueden provocar a veces un mal acabado superficial en las piezas moldeadas en arena. Cualquier avería en el molde de arena puede dar lugar a una superficie rugosa. Para los productos que necesitan un acabado superficial de alta calidad sin un postprocesado exhaustivo, suelen preferirse la fundición a presión y la fundición a la cera perdida, pero la fundición en arena también puede producir acabados refinados con la arena y los procesos adecuados.

El uso de arena más fina y de alta calidad proporciona un acabado superficial mucho mejor, pero aumenta el coste del proceso. Un apisonado o empaquetado adecuado de las partículas de arena también ayuda a mejorar el acabado superficial. Para rectificar defectos superficiales como un acabado demasiado rugoso, las piezas moldeadas en arena suelen someterse a operaciones de mecanizado como torneado, rectificado y granallado.

Control flojo de las velocidades de enfriamiento

Mientras que las velocidades de enfriamiento pueden controlarse más eficazmente en muchos procesos de fabricación de metales, no puede decirse lo mismo de la fundición en arena. La arena, al ser un aislante, agrava los problemas relacionados con la etapa de enfriamiento. La etapa de enfriamiento se prolonga considerablemente en la fundición en arena, lo que repercute en los plazos de entrega y las tasas de producción.

Puede producirse cierta variación en la anisotropía de la microestructura debido a las distintas velocidades de enfriamiento. La anisotropía se refiere a los cambios en las propiedades mecánicas resultantes de las alteraciones en la orientación del grano del material.

La formación de cavidades internas puede ser difícil

El método de fundición en arena requiere la colocación de machos en la cavidad del molde para formar cavidades internas. Por ejemplo, al fabricar un bloque de motor, es necesario crear cavidades vacías para los cilindros del motor durante el proceso de fundición.

Crear cámaras internas, agujeros o espacios dentro de la cavidad del molde es todo un reto, ya que deben colocarse correctamente y tener el soporte adecuado para soportar el proceso de fundición. Cuanto más complejas son estas cavidades, más retos hay que superar.

Se requiere mano de obra cualificada si el proceso no está automatizado

Los procesos automatizados pueden ser costosos. Sin embargo, sin automatización, el proceso depende de expertos en fundición en arena que elaboren patrones, moldes y supervisen el proceso para garantizar un producto de alta calidad. Sin mano de obra cualificada, los resultados pueden quedar muy por debajo de los estándares aceptables, con las consiguientes pérdidas materiales y de reputación.

La eliminación de la arena puede ser un reto

Las fundiciones reciclan la arena de moldeo en la medida de lo posible, pero tras un número determinado de ciclos, ya no es apta para su reutilización. Sin embargo, la arena de desecho de las fundiciones es un contaminante nocivo que puede provocar problemas medioambientales.

La construcción es uno de los sectores en los que actualmente se están desviando los residuos de arena de fundición para su eliminación. Se está utilizando como sustituto del árido fino (arena) en el hormigón. Esta práctica no sólo resuelve el problema de la eliminación de la arena, sino que también reduce el coste y las emisiones de carbono vinculadas a la producción de hormigón.

Pero aparte de esto, la mayor parte de los residuos de arena de fundición acaban en un vertedero, lo que desde luego no es lo ideal. Las opciones para reciclar la arena de fundición son limitadas.

Conclusión

A pesar de que la fundición en arena tradicional es un proceso antiguo, ha experimentado notables refinamientos que la hacen muy relevante y útil en el panorama actual de la fabricación. Su popularidad se atribuye en parte a su versatilidad en diversos tipos de metal y tamaños de producto, y en parte a la rentabilidad en comparación con otros procesos de fundición.

Las continuas innovaciones en la ciencia de los materiales y la automatización de los procesos amplían aún más la importancia de la fundición en arena en industrias que van desde la automoción a la construcción. A medida que las industrias evolucionen, la fundición en arena persistirá en dar forma al paisaje industrial, mezclando tradición e innovación en las técnicas de trabajo del metal.

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