Un proceso de conformado se refiere a un proceso de dar forma, para obtener piezas útiles a partir de distintos materiales.

El conformado por moldeo es una técnica basada en los fenómenos derivados de las transformaciones de fase, en concreto en la transformación líquido-sólido (L-S).

La fabricación de piezas por moldeo comprende:

  • La fusión de las materias primas.
  • El colado o vertido del líquido resultante en el interior de un contenedor con una forma determinada, a la que denominamos molde.
  • Su solidificación para obtener así un sólido de tamaño y forma adecuados (lingote o pieza fundida)

Etapa de fusión

Para obtener una pieza de fundición el metal o aleación debe calentarse ligeramente por encima de su temperatura de fusión.

La energía calorífica requerida es la suma de:

  • Calor para elevar la temperatura del sólido hasta el punto de fusión
  • Calor para convertir el metal de sólido a líquido (calor latente de fusión)
  • Calor para elevar la temperatura del metal fundido a la temperatura de colado

Etapa de colado (vertido o vaciado)

Es la introducción del metal fundido en el molde.

Los factores que afectan la operación de colado son:

Temperatura de colado: es la temperatura del líquido en el momento del colado. Es una temperatura superior a la de fusión. A la diferencia entre la temperatura de fusión y la temperatura de colado se denomina sobrecalentamiento. Es necesario este sobrecalentamiento para que el metal pueda fluir y llenar el molde sin solidificar antes de tiempo.

Velocidad de colado: se refiere al caudal de metal fundido en el molde. Si la velocidad es muy lenta, puede solidificar antes de llenar el molde y, si es muy rápida, puede producir turbulencias. Estas turbulencias no nos convienen porque se generarían burbujas de aire que quedarían como zonas huecas en el interior de la pieza.

Análisis ingenieril del colado

Saber más: nociones básicas sobre mecánica de fluidos.

Ecuación de Bernouilli

Establece que la suma de las energías (altura, presión dinámica, cinética y de fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye es constante.

Donde: h = altura (m), P = presión en el líquido (Pa), ρ = densidad (kg/m3), g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2), v = velocidad (m/s), F = pérdida de carga por fricción (m). Los subíndices 1 y 2 indican dos puntos cualesquiera del líquido.

Ley de continuidad

La velocidad volumétrica de flujo (caudal) permanece constante a través del líquido.

Donde: Q = caudal (m3/s), v = velocidad (m/s) y A = sección transversal (m2).

Las ecuaciones anteriores indican que el bebedero (conducto vertical de introducción del líquido) debe ser cónico. El área de la sección transversal debe reducirse conforme el metal aumenta de velocidad conforme desciende para no aspirar aire e introducirlo en la cavidad del molde.

Tiempo de llenado

Se determina en función del volumen del molde y del caudal de colado.

Donde: V = volumen del molde (m3) y Q = caudal o gasto (m3/s).

Sistema de alimentación

Para llenar un molde hacen falta una serie de conductos, y es lo que se denomina sistema de alimentación-distribución.

Generalmente el líquido no se introduce de forma directa, sino que va entrando en el molde de forma totalmente controlada.

Etapa de solidificación

Solidificación de una pieza o lingote con tamaño y forma adecuadas (nucleación y crecimiento).

Transformación de fase

La solidificación es una transformación de fase. Como se sabe, una transformación de fase ocurre cuando se forma al menos una nueva fase con propiedades físicas, químicas y/o microestructura diferente a la fase original. Las estructuras cristalinas de los sólidos metálicos se generan a partir transformaciones de fases, las cuales se pueden clasificar de la siguiente forma:

Procesos por difusión (Nucleación y Crecimiento):

  • Precipitación.
  • Coprecipitación (eutéctico o eutectoide).

Procesos sin difusión:

  • Transformación martensítica.

Procesos por difusión

Las transformaciones de fases originadas por el mecanismo de nucleación y crecimiento no suceden de manera instantánea, sino que comienzan con la formación de numerosas partículas de la nueva fase. Estas partículas crecen hasta completar la transformación. De esta forma es posible diferenciar dos etapas bien definidas: la de nucleación y la de crecimiento.

La nucleación comprende la aparición de numerosas partículas o núcleos de la nueva fase (generalmente de sólo unos cuantos cientos de átomos), que tienen la capacidad de crecer.

Durante la etapa de crecimiento, estos núcleos aumentan su tamaño, lo que conduce a la desaparición de parte (o toda) la fase de partida. La transformación de fase culmina si se permite que el crecimiento de las partículas de la nueva fase prosiga hasta alcanzar la fracción de equilibrio.

Nucleación

Existen dos tipos de nucleación: Homogénea y Heterogénea. La diferencia entre ellas depende del sitio donde tiene lugar la nucleación.

En la nucleación homogénea, los núcleos de la nueva fase se forman uniformemente en toda la fase matriz, mientras que en la nucleación heterogénea los núcleos se forman preferentemente en las heterogeneidades estructurales, tales como en las paredes del molde, impurezas insolubles, límites de grano, dislocaciones, etc.

La nucleación homogénea se produce en el seno del líquido y dependerá en gran medida del grado de subenfriamiento (∆T = Temperatura de solidificación al equilibrio – Temperatura real del líquido).

Debe ser suficiente para formar un núcleo estable.

Mayor número de embriones para formar mayor número de núcleos.

Aumenta la diferencia de energía libre de volumen entre el líquido y el sólido y con ello disminuye el tamaño crítico del núcleo.

A excepción de los experimentos de laboratorio, la nucleación homogénea casi nunca ocurre en los metales líquidos.

La nucleación heterogénea se produce en lugares preferentes como: superficie del molde, impurezas en suspensión e inoculantes.

Es necesario que se agrupen un menor número de átomos para que se alcance el radio crítico (el embrión se convierta en núcleo).

No necesita subenfriamiento, por lo que este tipo de nucleación es más viable. Disminuye la energía superficial entre el líquido y el sólido y con ello se favorece la formación de un núcleo estable.

Crecimiento

La etapa del crecimiento en una transformación de fase comienza una vez que un embrión ha sobrepasado el tamaño crítico y se convierte en un núcleo estable. Claramente, la nucleación continuará ocurriendo de manera simultánea con el crecimiento de las nuevas partículas de fase.

La forma en que se vaya extrayendo el calor latente de fusión determinará el mecanismo de crecimiento y la microestructura final del material solidificado:

Crecimiento planar

Crecimiento bajo condiciones de estabilidad.

Velocidad de enfriamiento “infinitamente” lenta.

Crecimiento dendrítico

Bajo condiciones de inestabilidad.

El crecimiento de las partículas ocurre mediante el proceso de difusión atómica. En los sitios de gradientes térmicos muy acentuados (paredes de moldes, lingoteras, etc.) este crecimiento se hará más velozmente en la dirección del gradiente térmico, dando lugar a granos alargados. En otras condiciones, los granos serán más o menos equiaxiales. El crecimiento se efectúa según determinados ejes cristalográficos en forma arborescente, llamados dendritas.

Cuando dos dendritas se tocan impiden su mutuo crecimiento y forman bordes de grano.

En los metales puros el crecimiento dendrítico normalmente representa sólo una pequeña fracción del crecimiento total.

A mayor subenfriamiento, mayor crecimiento dendrítico.

Mazarotas o alimentadores

Son unos depósitos auxiliares de metal líquido, cuya misión es alimentar aquellas zonas del molde que solidificarían en último lugar y por tanto aparecería en ellas el rechupe.

Las mazarotas se diseñan para que, teniendo volumen suficiente para la compensar la contracción de la pieza, solidifiquen más tarde que ésta.

Su emplazamiento debe ser cuidadosamente estudiado, a fin de garantizar la alimentación natural y continua de material.

Pueden ser abiertas (al aire) o cerradas (ciegas).

Abierta:

Cerrada:

Las mazarotas deben tener suficiente volumen para compensar la contracción de la pieza (criterio de contracción) y deben solidificar más tarde que la pieza (criterio de los módulos) También es importante que estén correctamente situadas, lo más cerca posible de la zona más voluminosa de la pieza.

Moldeo en arena

La fundición en arena es una técnica de molde desechable, consistente en generar la cavidad con la forma de la pieza a obtener a partir de un modelo y mediante la aglomeración y compactación de arena a su alrededor.

La fundición o moldeo en arena consiste en colar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para extraer la pieza fundida.

Cajas de moldeo

Son recipientes huecos de forma generalmente rectangular sin fondos en cuyo interior se introduce el modelo y se rellenan de arena compactada. En el moldeo artesanal suelen estar construidas en madera, mientras que en los sistemas mecanizados suelen ser de fundición o aleaciones de aluminio para ahorrar peso.

Arenas de moldeo

La arena para moldes de fundición es sílice (Si2O) o sílice mezclada con otros minerales.

Características

Refractariedad: Capacidad para resistir altas temperaturas.

Tamaño de partícula: Cuanto más pequeño da lugar a mejor acabado superficial pero disminuyen la permeabilidad a los gases, y viceversa.

Forma de partícula: Partículas irregulares dan mayor resistencia, aunque disminuyen la permeabilidad a los gases, y viceversa.

Aglutinantes: Las partículas de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla (en volumen: 90% arena + 3% agua + 7% arcilla).

Otros aglutinantes: Orgánicos (resinas fenólicas) e inorgánicos (silicato y fosfato sódico). 

Aditivos: Para mejorar la resistencia y permeabilidad.

Modelos

La fundición en arena requiere un patrón o modelo a tamaño natural.

Materiales:

  • Madera
  • Plásticos
  • Metales

Tipos de modelos:

  • Modelo completo (para piezas simples y pequeñas).
  • Modelo dividido (piezas complejas).
  • Placa porta-modelo doble (altos ritmos de producción).
  • Placa porta-modelo superior e inferior (altos ritmos de producción).

Machos o noyos

Son elementos auxiliares que se emplean para generar las partes huecas y/o internas de las piezas y que no se pueden realizar directamente sobre el molde.

Reproducen la parte hueca o caras interiores de la pieza. Necesitan ser más resistentes que el propio molde.

Se realizan en arena especial de mayor refractariedad, aglomerada con resinas termoestables.

Moldeo manual/artesanal

Ventajas:

  • Piezas de geometría compleja o sencilla.
  • Variedad en tamaño de piezas.
  • Amplia gama de materiales de colada.
  • Versátil para pequeñas y medianas series.

Inconvenientes:

  • Baja precisión.
  • Acabados rugosos.
  • Necesidad de mecanizado final en piezas que necesiten precisión.
  • Bajas características mecánicas (solidificación lenta → grano grueso).
  • Proceso complejo con riesgos higiénicos.

Moldeo mecánico

Es un proceso de moldeo en arena en el cual las principales labores del proceso, tales como elaboración y compactación de moldes, colada, desmoldeo y recuperación de arena, están mecanizadas. Solo se usan placas modelo. Apto para series medias y grandes de piezas.

Ventajas:

  • La densidad de los moldes es más uniforme que en el moldeo a mano, lo que se traduce en una mayor uniformidad en el acabado de las piezas.
  • Las dimensiones son más uniformes que en el moldeo a mano.
  • Se pueden moldear casi todos los metales. Existen pocos límites de forma o peso.
  • Los modelos duran más colocados en las placas que si están sueltos.
  • Especialmente indicados para todo tipo de fundiciones de hierro, aunque también se emplea para aluminio, latón y bronce.

Inconvenientes:

  • Costes de adquisición, instalaciones complejas, gran diversidad de máquinas y útiles.
  • Se usan placas modelo metálicas, de mayor coste.
  • Solo apto para series medias y altas de piezas.
  • Necesidad de mecanizado final, (tolerancias del orden del 1.5%).
  • Algunas geometrías son difíciles de obtener sanas.
  • Al igual que en el proceso manual, después de que la fundición ha solidificado y retirado del molde, requiere de trabajos adicionales: Desbarbado o Recorte (retirada de canales de colada, mazarotas, etc). Retirar los machos o noyos. Limpieza superficial: por chorro de arena o perdigones, cepillado o limpieza química.

Procesos alternativos con moldes desechables

Permiten obtener piezas con características difíciles o imposibles de obtener en moldes de arena. Mejor acabado superficial, mayor precisión dimensional, geometrías complejas, piezas de pequeño o medio tamaño, piezas totalmente terminadas, eliminación o simplificación de procesos de acabado, etc.

Clasificación (Atendiendo al material, método o forma de hacer el patrón o modelo):

  • Moldeo en cáscara.
  • Moldeo al vacío.
  • Moldeo con modelo de poliestireno expandido.
  • Moldeo a la cera.

Moldeo en cáscara

El molde es una cáscara delgada (5-10 mm) realizada en arena extra silícea (rica en SiO2) y aglomerada con una resina termoendurecible (aminoresinas, fenólicas, urea-formaldehido, fenol-formaldehido).

Ventajas:

  • Se puede fundir cualquier tipo de aleación.
  • La superficie del molde es más lisa que la de los moldes en arena. Permite un mejor colado.
  • Buen acabado superficial (Ra = 1-5μm) y precisión dimensional (0.1-1.5 mm), mejor que en el moldeo en arena.
  • Es más fácil de automatizar.
  • La inherente deformabilidad del molde puede evitar la fisuración en caliente.

Limitaciones:

  • Baja conductividad térmica de la cáscara que provoca un enfriamiento lento y por tanto estructuras de granos gruesos → empeoramiento de las propiedades mecánicas.
  • Modelo de metal y por tanto costoso.
  • Equipos más caros que en el moldeo en arena tradicional.
  • Todo lo anterior hace que este proceso se restrinja a series grandes de piezas pequeñas (inferior a 50 Kg).

Moldeo a la cera

Ventajas:

  • Se puede fundir cualquier metal incluidos los aceros.
  • Da un excelente acabado y precisión dimensional. Se reproducen muy bien los detalles en piezas complicadas.
  • Es factible reproducir espesores pequeños (0.5-1 mm).
  • Las piezas se obtienen prácticamente acabadas, ahorrándose el gasto de mecanizado posterior.
  • Se obtienen muchas piezas a la vez.

Limitaciones:

  • Hay que realizar un modelo cada vez.
  • No es viable para piezas grandes, quedando el peso limitado en la práctica a menos de 10 Kg.
  • La laboriosidad del proceso lo encarece y dificulta su automatización.

Moldeo al vacío

El Moldeo al vacío es una técnica de moldeo en arena en la que no se emplea aglutinante, ya que la pieza queda suficientemente consistente gracias al vacío creado durante su realización en la caja de moldear.

Equipamiento necesario

Caja de moldeo con un sistema de orificios para posibilitar la creación de vacío en su interior. Además, deberá contar con un sistema de acoplamiento de placa en su parte inferior.

Placas modelo especiales dotadas de cámara de vacío.

Arena seca sin aglutinante.

Películas de termoplástico de un espesor entre 0,076 a 0,20 mm.

Bomba de vacío acoplada a la placa de la parte inferior y a los orificios de los laterales de la caja de moldeo.

Ventajas:

  • No es necesario añadir aglomerantes a la arena.
  • Al no requerir humedad, los acabados son superiores a los del moldeo convencional.
  • Menores posibilidades de aparición de defectos.
  • El reciclado de la arena es muy rápido. No hay que añadir aglutinante.
  • Es automatizable.

Limitaciones:

  • Modelos y equipos de moldeo muy costosos.
  • Requiere un estricto control de la velocidad de llenado.
  • Rentable solo con elevadas producciones.

Moldeo con poliestireno

Ventajas:

  • Al poder ser el molde de arena, es posible conformar todos los metales.
  • No es necesaria la operación de desmodelado y la fabricación del molde se simplifica notablemente.
  • Es un proceso fácilmente automatizable. Muy rentable para grandes volúmenes de
  • producción, p.e. en la industria de automoción.
  • Bajo coste del modelo, dado que el poliestireno es un material económico.
  • Recomendable para la obtención de piezas muy complejas.

Limitaciones:

  • Para piezas complejas, es necesario un molde patrón metálico para inyectar el poliestireno.
  • Es necesario realizar un modelo para cada pieza.
  • Es imprescindible un preciso control de la velocidad de colada.

Moldeo por gravedad

Moldes o Coquillas: Dependiendo de la complejidad de la pieza, se construyen en dos o más partes desmontables.

Ventajas:

  • Se logra mayor precisión de cotas, lo que permite reducir las sobredimensiones para mecanizado. Se alcanzan con frecuencia tolerancias entre 0.50 al 1%.
  • Es posible controlar la solidificación para alcanzar las propiedades deseadas, por calentamiento selectivo o refrigerando determinadas partes del molde.
  • Se necesita menos espacio y menos materiales que la fundición en arena.
  • Con series superiores a las 1000 piezas resulta más económico.

Inconvenientes:

  • Elevado coste de las coquillas, núcleos y elementos de fijación y extracción.
  • Queda restringido normalmente a las aleaciones de bajo punto de fusión.
  • Mayor coste y tiempo en la puesta a punto de la fabricación.
  • El costo de los moldes justifica el proceso sólo en caso de grandes producciones.

Moldeo a baja presión

Se utiliza una corriente de aire comprimido para impulsar el metal al interior del molde.

Ventajas:

  • El proceso de llenado es más rápido que en el moldeo en coquilla por gravedad.
  • La solidificación bajo presión mejora la compacidad de la estructura interna del material.
  • Mejor reproducibilidad de detalles y menores espesores.
  • Equipos relativamente económicos.
  • Proceso económico de llenado.

Inconvenientes:

  • Baja presión de llenado, limitada a 6 ~ 8 kg/cm2.
  • Limitado a aleaciones de bajo punto de fusión con poca o nula reactividad con los gases atmosféricos.
  • Las aleaciones tienen que tener una elevada fluidez.
  • Elevada tendencia de las piezas a presentar porosidad.
  • No aplicable con las aleaciones de aluminio.
  • Piezas de peores características que en el llenado a alta presión.
  • Más lento que el llenado a alta presión.

Moldeo a alta presión

Ventajas:

  • Pueden fundirse piezas de forma complicada y aristas vivas.
  • Se obtienen piezas sin defecto con gran precisión de medidas. (Tolerancias de 0.5% y espesores de 0,5 mm).
  • Las propiedades mecánicas de las piezas obtenidas son un 20% superiores a las del mismo metal obtenidas por otros procedimientos (menor tamaño de grano).
  • Buena calidad superficial.
  • Gastos de fabricación más reducidos.
  • Mínima mano de obra. Todas las fases son automatizables.
  • Rendimientos muy altos.
  • Proceso adecuado para producciones elevadas a muy elevadas.

Inconvenientes:

  • Máquinas y equipos muy costosos. Matrices muy complejas por lo que este procedimiento sólo se usa para grandes series.
  • El tamaño de las piezas está limitado. No suele sobrepasar los 10 Kg de peso.
  • Riesgo de porosidades interiores (Baja permeabilidad de las matrices).
  • Como consecuencia de la gran velocidad de entrada del metal, los moldes sufren por erosión; además tienen una vida relativamente corta, debido a las elevadas temperaturas del metal.
  • Tendencia a la fragilidad de la pieza fundida por rápido enfriamiento.
  • Sólo aplicable a aleaciones con buena fluidez y punto de fusión medio-bajo.
  • Formas geométricas limitadas.