La fundición de metales es la piedra angular de la fabricación. El metal fundido se introduce en un molde, se solidifica dentro del molde para formar una cavidad y permite producir formas complejas. Entre los diversos procesos de fundición de metales, fundición de inversión vs moldeo en arena Son dos métodos destacados y ampliamente utilizados en diversas industrias. Si bien comparten el concepto fundamental de verter metal fundido en cavidades preparadas, sus procesos, capacidades y aplicaciones difieren significativamente.
La fundición a la cera perdida se conoce comúnmente como el método de la cera perdida. Este proceso de precisión comienza con la creación de patrones de cera detallados que se ajustan exactamente a los componentes finales deseados. La cera fundida se inyecta en un molde para crear estos patrones de cera precisos, cada uno de los cuales representa la pieza fundida final. Para componentes más pequeños, se suelen conectar múltiples patrones de cera a un sistema prefabricado de colada de cera, comúnmente conocido como "árbol" o "grupo". Esta disposición maximiza la eficiencia al permitir la fundición simultánea de varias piezas.
Si se requieren cavidades internas en el componente final, se pueden utilizar núcleos hechos de cera soluble o se puede incorporar cerámica en el patrón de cera En esta etapa, estos núcleos crean las geometrías internas que, de otro modo, serían imposibles de lograr en un molde de una sola pieza.
El árbol de cera ensamblado se sumerge repetidamente en una suspensión cerámica y luego se recubre con una capa de material refractario, generalmente arena fina. Este proceso de inmersión y recubrimiento se repite de seis a ocho veces, con períodos de secado entre cada capa, para formar una capa cerámica sólida o "revestimiento" alrededor del modelo de cera. Cada capa sirve para fortalecer el molde y mejorar su capacidad para soportar las altas temperaturas del metal fundido. Posteriormente, la capa se somete a un proceso de secado, que puede durar de 24 a 36 horas, lo que garantiza la solidificación completa del material cerámico.
Una vez que la carcasa de cerámica esté suficientemente seca y endurecida, se debe retirar el patrón de cera. Esto se logra generalmente colocando la carcasa en un autoclave, donde el vapor a alta presión y el calor funden rápidamente la cera, dejando una cavidad de cerámica vacía con la forma exacta del componente deseado. Este paso le da al proceso su nombre alternativo, fundición a la cera perdida, ya que la cera desaparece literalmente del molde.
Antes de verter el metal fundido, el molde cerámico debe precalentarse en un horno de alta temperatura, generalmente entre 1000 y 1100 °C (1832 y 2012 °F). Este paso crucial cumple múltiples funciones: cura y refuerza el material cerámico, quema cualquier residuo de cera restante y previene el choque térmico al introducir el metal fundido. El metal fundido de la aleación especificada se vierte inmediatamente en la cavidad, generalmente mediante gravedad o vacío para asegurar un llenado completo y minimizar la porosidad.
Tras enfriarse y solidificarse el metal fundido dentro del molde cerámico, la frágil capa cerámica se separa con cuidado para revelar la pieza fundida. Este proceso de extracción debe realizarse con precisión para evitar dañar los componentes metálicos recién formados.
Fundición en arena, también conocida como fundición en molde de arenaEs uno de los procesos de fundición más antiguos y utilizados en la fabricación. El proceso comienza con la creación de un patrón, que es una réplica del objeto deseado. El patrón suele estar hecho de madera, metal o plástico e incluye tolerancias para la contracción y el mecanizado.
El modelo se coloca en una caja o matraz de moldeo que consta de dos mitades: la tapa (superior) y el contrafuerte (inferior). La arena de moldeo, una mezcla compuesta principalmente de arena (generalmente sílice), un aglutinante (como arcilla o resina) y humedad, se compacta firmemente alrededor del modelo, tanto en la tapa como en el contrafuerte. La arena se apisona o vibra para asegurar que llene completamente el molde y se ajuste perfectamente a la forma del modelo, creando una impresión en negativo detallada.
Con el molde de arena preparado alrededor del modelo, se instala un sistema de compuertas. Este sistema consta de canales que incluyen una copa de vertido, una mazarota, canales y compuertas, diseñados para facilitar el flujo del metal fundido hacia la cavidad. También se pueden añadir mazarotas para proporcionar depósitos de metal fundido que alimenten la pieza fundida a medida que se contrae durante la solidificación, evitando defectos como las cavidades por contracción.
Con el sistema de colada instalado, el modelo se retira cuidadosamente del molde de arena, dejando una cavidad con la forma deseada. Si se requieren características internas o huecos en la pieza, se insertan machos (normalmente de arena y formados por separado) en la cavidad antes de cerrar el molde. Estos machos crean las geometrías internas de la pieza final y suelen retirarse durante el proceso de limpieza.
Las dos mitades del molde de arena (cope y drag) se alinean cuidadosamente y se sujetan firmemente para evitar que se separen durante el proceso de fundición. El metal fundido de la aleación elegida, que puede incluir hierro, acero, aluminio o bronce, se vierte en la copa de colada. Desde allí, el metal fundido fluye a través de la mazarota, los canales y las compuertas hacia la cavidad del molde, llenando el espacio dejado por el modelo retirado y los machos insertados.
Tras introducir el metal fundido en la cavidad, se deja enfriar y solidificar dentro del molde de arena. La velocidad de enfriamiento se puede controlar para influir en la microestructura y las propiedades de la pieza final. Una vez solidificado el metal, el molde de arena se desmonta o se extrae para recuperar la pieza fundida en bruto. La arena suele recuperarse y reutilizarse para futuras piezas fundidas, lo que hace que el proceso sea económicamente eficiente.
La fundición de precisión destaca por la producción de componentes con una precisión dimensional excepcional. Este proceso suele lograr una precisión que no requiere operaciones de mecanizado adicionales para muchas aplicaciones. El proceso permite alcanzar tolerancias ajustadas de ±0.005 pulgadas por pulgada.
La fundición en arena no suele exigir tolerancias tan estrictas, y las piezas producidas mediante este método suelen requerir mecanizado posterior para lograr las dimensiones precisas deseadas. La precisión dimensional general oscila entre ±0.01 y ±0.03 pulgadas por pulgada, suficiente para muchas aplicaciones industriales.
La fundición a la cera perdida se caracteriza por superficies lisas y de alta calidad que a menudo minimizan o incluso eliminan la necesidad de un posprocesamiento extenso. El típico acabado de la superficie Los rangos de fundición de inversión que se logran van desde Ra 3.2 a 12.5 μm, aproximadamente equivalentes a 125 Ra en estado bruto de fundición.
La fundición en arena suele dar como resultado acabados superficiales más rugosos y menos uniformes, lo que a menudo requiere pasos de posprocesamiento adicionales para lograr texturas más suaves. El acabado superficial típico de la fundición en arena oscila entre 25 y 250 μm, o aproximadamente 250 Ra en estado bruto de fundición.
El precio típico por pieza costo de la fundición de inversión El costo varía entre $10 y más de $500, dependiendo de la complejidad, el material y la cantidad. Si bien el costo de cada pieza puede ser mayor que con otros métodos, la reducción en los requisitos de mecanizado puede compensar estos costos en el caso de componentes complejos.
El costo típico por pieza para la fundición en arena oscila entre $5 y más de $200, lo que la hace generalmente más económica para piezas más grandes y menos intrincadas. Los costos de herramientas para la fundición en arena suelen ser menores, y la creación de patrones es más económica que las herramientas necesarias para la fundición a la cera perdida. Esto hace que la fundición en arena sea especialmente rentable para prototipos o series de producción limitadas.
La fundición a la cera perdida es especialmente reconocida por su capacidad para manipular aleaciones especializadas de alto rendimiento, como las superaleaciones a base de níquel y cobalto. Estos materiales suelen ser difíciles de mecanizar, lo que convierte a la fundición a la cera perdida en un método de producción ideal para componentes fabricados con ellos. El proceso también admite una amplia gama de otros metales, como acero inoxidable, acero para herramientas, aluminio y bronce.
La fundición en arena suele ser más adecuada para aleaciones con un punto de fusión más bajo, como el hierro fundido y el bronce, aunque también puede utilizarse con acero, aluminio y otros metales. La capacidad del molde de arena para soportar altas temperaturas puede ser un factor limitante para ciertas aleaciones con un punto de fusión alto, aunque las mezclas de arena especializadas pueden ampliar esta capacidad.
El proceso de fundición de inversión Es más complejo y cuenta con más pasos, lo que a menudo resulta en plazos de producción más largos. Desde la creación de los patrones de cera hasta la construcción de la carcasa, el desparafinado, la cocción y la fundición final, cada paso requiere un control preciso y equipo especializado.
En cuanto al tamaño de los componentes, la fundición a la cera perdida suele procesar componentes con un peso de entre 100 y 150 kg o menos, y la mayoría de las aplicaciones se centran en piezas pequeñas y medianas con geometrías complejas. En cambio, la fundición en arena puede utilizarse para componentes de hasta varias toneladas, lo que la hace adecuada para componentes industriales de gran tamaño, como bloques de motor, bases de máquinas y elementos estructurales.
