Seis métodos de fundición clave: Comparación completa & Perspectivas

Introducción

Fundición, como uno de los primeros procesos de trabajo en caliente de metales dominados por humanos, cuenta con una historia de aproximadamente 6,000 años.

China entró en el apogeo de las fundiciones de bronce entre 1700 antes de Cristo y 1000 ANTES DE CRISTO, con la artesanía de fundición alcanzando un nivel bastante avanzado.

Como proceso central en la fabricación moderna, La fundición permite la formación de componentes metálicos de formas complejas que son difíciles de producir mediante forjado o mecanizado., y se aplica ampliamente en el sector aeroespacial, automotor, maquinaria, e industrias de instrumentos de precisión.

La selección de métodos de fundición determina directamente la calidad de la fundición., eficiencia de producción, y costos de fabricación.

1. Casting de arena verde (Fundición en arena convencional)

Definición central & Principio del proceso

Verde fundición en arena Es el método de fundición más tradicional y más utilizado a nivel mundial..

Su materia prima principal es la arena de fundición. (arena predominantemente de sílice; Se adoptan arenas especiales como arena de circón y arena de corindón cuando la arena de sílice no cumple con los requisitos de alta temperatura.) y aglutinantes de arena (la arcilla es la más común; aceite seco, silicato soluble en agua, fosfato, y las resinas sintéticas son opciones alternativas).

Los moldes externos de arena se clasifican en tres tipos según los aglutinantes y los mecanismos formadores de resistencia.: molde de arena de arcilla verde, molde de arena de arcilla seca, y molde de arena unida químicamente.

El metal fundido se vierte en el molde de arena., que se solidifica para formar piezas fundidas, y el molde se daña después de un solo vertido y no se puede reutilizar.

Ventajas

• Materias primas rentables: La arcilla es abundante en recursos y de bajo precio.; encima 90% de la arena de arcilla verde usada se puede reciclar y reutilizar después del tratamiento de arena, reducir el desperdicio de materiales.
• Alta flexibilidad de proceso: Ciclo de fabricación de moldes corto y alta eficiencia.; La arena de moldeo mixta tiene una larga vida útil.; es adaptable a pequeños, grande, simple, y piezas fundidas complejas, así como de una sola pieza, lote pequeño, y escenarios de producción en masa.
• Umbral de equipo bajo: No requiere equipo especializado de alta gama, adecuado para fundiciones pequeñas y medianas.

Desventajas & Limitaciones

• Baja eficiencia de producción: Cada molde de arena solo se puede utilizar una vez y se debe remodelar para fundiciones posteriores., lo que lleva a una baja eficiencia de producción continua.
• Mala precisión dimensional: La rigidez de los moldes de arena es baja., dando como resultado grados de tolerancia dimensional de fundición de CT10–CT13, que no puede cumplir con los requisitos de alta precisión.
• Alto riesgo de defecto: Las piezas fundidas son propensas a sufrir defectos típicos como el lavado de arena., inclusión de arena, porosidad de gas, y porosidad de contracción debido a la estructura suelta de los moldes de arena.
• Calidad superficial inferior: La superficie de fundición es relativamente rugosa., Requiere mecanizado adicional para mejorar el acabado..

2. Fundición a la cera perdida (Fundición a la cera perdida)

Definición central & Principio del proceso

Fundición a la cera perdida, comúnmente conocido como fundición a la cera perdida, presenta un flujo de proceso sofisticado:

fabricar patrones de cera usando materiales fusibles, recubra múltiples capas de materiales refractarios en la superficie del patrón para formar una capa de cerámica, Derretir y retirar el patrón de cera para obtener un molde sin superficies de separación., y realizar un tostado a alta temperatura antes de verter el metal fundido.

Es aplicable a una amplia gama de aleaciones., incluyendo acero al carbono, acero aleado, aleación resistente al calor, acero inoxidable, aleación de cobre, aleación de aluminio, aleación de titanio, y hierro dúctil, especialmente para materiales difíciles de procesar mediante forja o corte.

Ventajas

• Excelente precisión dimensional: Tolerancia de fundición las calificaciones alcanzan CT4 – CT6, mucho más alto que el moldeado en arena verde (CT10 - CT13) y comparable a la fundición a presión (CT5-CT7), minimizando el mecanizado posterior a la fundición.
• Alta utilización de materiales: Reduce significativamente el volumen de mecanizado de superficies formadas y de contacto., ahorro de tiempo de mecanizado y consumo de herramientas de corte, con una tasa de utilización de material superior 90%.
• Fuerte adaptabilidad de forma: Puede fundir componentes extremadamente complejos., piezas de paredes delgadas (espesor mínimo de pared 0,5 mm), y piezas fundidas de tamaño micro (peso mínimo 1g);
  también admite la fundición integrada de piezas ensambladas, simplificando los procesos de montaje posteriores.
• Amplia compatibilidad con aleaciones: Apto para casi todos los materiales metálicos., incluyendo aleaciones de alta temperatura, aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio, y metales preciosos que son difíciles de procesar por otros métodos.
• Escala de producción flexible: Se adapta a la producción en masa, producción en lotes pequeños, e incluso personalización de una sola pieza, con fuerte escalabilidad.

Desventajas & Limitaciones

• Flujo de proceso complejo: Tiene el proceso más complejo entre todos los métodos de fundición., que implica la creación de patrones de cera, revestimiento de cáscara, rocío, asado, y vertiendo, Requiriendo un estricto control del proceso..
• Tamaño de fundición limitado: No apto para piezas fundidas grandes.; El peso máximo de las piezas de fundición a la cera perdida convencionales suele estar dentro de los 50 kg., ya que las cáscaras grandes son propensas a agrietarse durante el asado y el vertido.
• Velocidad de enfriamiento lenta: La carcasa de cerámica tiene baja conductividad térmica., lo que lleva a una lenta solidificación del metal fundido., que puede causar estructuras de grano grueso en algunas aleaciones.
• Alto coste de fabricación: El costo de los patrones de cera., materiales refractarios, y el control del proceso es relativamente alto; Es económicamente viable sólo cuando se combina con un menor mecanizado y ahorro de material..

3. fundición a presión

Definición central & Principio del proceso

fundición a presión Es un método de fundición a alta presión que implica inyectar metal fundido en una cavidad de molde de metal de precisión a alta velocidad. (10–50 m/s) bajo alta presión (20–150MPa), y solidificar el metal bajo presión para formar piezas fundidas..

Tiene dos procesos básicos.: Casting de died de la cámara caliente (El metal fundido fluye automáticamente hacia la cámara de presión.) y fundición a presión en cámara fría (El metal fundido se vierte manual o automáticamente en la cámara de presión.).

El molde está hecho de acero de alta resistencia., asegurando el uso repetido.

Ventajas

• Calidad superior del producto: La precisión dimensional de la fundición alcanza los grados 6-7 (grado parejo 4 para productos de precisión) con rugosidad superficial Ra 5–8μm;
  La resistencia y la dureza son entre un 25% y un 30% más altas que las piezas fundidas en arena verde debido a la solidificación por presión., aunque el alargamiento disminuye aproximadamente 70%.
• Eficiencia de producción ultraalta: Una máquina de fundición a presión de cámara fría horizontal puede completar entre 600 y 700 ciclos por 8 horas,
  mientras que una pequeña máquina de fundición a presión con cámara caliente puede alcanzar entre 3.000 y 7.000 ciclos, superando con creces otros métodos de fundición.
• Larga vida útil del molde: Los moldes para fundición a presión de aleaciones de zinc pueden durar cientos de miles o incluso millones de veces., Reducir los costos de producción a largo plazo..
• Fácil automatización: El proceso es altamente compatible con la mecanización y la automatización., Reducir los costos laborales y mejorar la estabilidad de la producción..
• Excelentes beneficios económicos.: Las piezas fundidas requieren un mecanizado mínimo o nulo., Mejorar la utilización del metal y reducir la inversión en equipos de procesamiento.;
  La fundición a presión combinada de materiales metálicos y no metálicos ahorra tiempo de montaje y materias primas..

Desventajas & Limitaciones

• Alto riesgo de defectos por porosidad del gas: El llenado a alta velocidad provoca un flujo inestable de metal fundido,
  atrapa fácilmente el gas para formar porosidad interna, lo que hace que las piezas fundidas no puedan someterse a un tratamiento térmico (El tratamiento térmico provoca la expansión del gas y el agrietamiento.).
• Poca adaptabilidad a piezas cóncavas internas complejas.: Es difícil desmoldar estructuras complejas cóncavas internas., Limitar el diseño de formas de fundición..
• Corta vida útil del molde para aleaciones de alto punto de fusión: Para aleaciones de alto punto de fusión, como aleaciones de cobre y metales ferrosos., el molde es propenso a la fatiga térmica y al desgaste, reduciendo significativamente la vida útil.
• No apto para producción en lotes pequeños.: El costo de fabricación del molde es alto., y la alta eficiencia de las máquinas de fundición a presión hace que la producción en lotes pequeños sea económicamente inviable.

4. Fundición en molde permanente (Fundición en molde duro)

Definición central & Principio del proceso

Fundición en molde permanente, también llamado fundición en molde duro, Implica verter metal fundido en un molde de metal para formar piezas fundidas..

El molde está hecho de hierro fundido o acero fundido y puede reutilizarse cientos o miles de veces., de ahí el nombre “molde permanente”.

La cavidad interior de las piezas fundidas puede utilizar núcleos metálicos o núcleos de arena., y las estructuras del molde se dividen en separación horizontal, despedida vertical, y partición compuesta para adaptarse a diferentes formas de fundición:

La separación vertical facilita el compuerta y el desmolde., La separación horizontal es para piezas con forma de rueda de paredes delgadas., y la partición compuesta es para componentes complejos.

Ventajas

• Excelente reutilización del molde: “Un molde para múltiples piezas fundidas” elimina la necesidad de fabricar moldes repetidamente, ahorro de tiempo y materiales de moldeo, y mejorar la eficiencia de la producción.
• Alto rendimiento de fundición: El molde de metal tiene una gran capacidad de enfriamiento., Lo que lleva a una estructura de fundición densa y propiedades mecánicas superiores en comparación con las piezas fundidas en arena..
• Buena precisión dimensional y calidad superficial.: Los grados de tolerancia de fundición alcanzan IT12–IT14, rugosidad superficial Ra ≤6.3μm, reducir la carga de trabajo de posprocesamiento.
• Mejores condiciones de trabajo: Utiliza poca o ninguna arena., Evitar la contaminación por polvo y optimizar el entorno operativo para los trabajadores..

Desventajas & Limitaciones

• Alto coste del molde y largo ciclo de fabricación.: El molde de metal requiere materiales de alta resistencia y procesamiento de precisión.,
  con una alta inversión inicial y un largo plazo de entrega, inadecuado para la producción de una sola pieza y de lotes pequeños.
• Aleaciones y tamaños de fundición aplicables limitados: Principalmente adecuado para la producción en masa de piezas fundidas de aleaciones no ferrosas. (pistones de aluminio, bloques de cilindros, culatas, bujes de aleación de cobre, etc.) para automóviles, aeronave, y motores de combustión interna;
  para piezas fundidas de aleaciones ferrosas, solo es aplicable a piezas pequeñas y medianas con formas simples.
• Requisitos de proceso estrictos: El molde necesita precalentamiento y control de temperatura para evitar cierres en frío y agrietamiento del molde.; es propenso a la fatiga térmica después de un uso prolongado, afectando la calidad de la fundición.

5. Fundición a baja presión

Definición central & Principio del proceso

La fundición a baja presión es un método de fundición que llena el molde y solidifica el metal fundido a baja presión. (0.02-0,06 MPa).

El proceso central incluye: Verter metal fundido en un crisol aislado., sellando el crisol, conectar el tubo ascendente al molde, Introducir aire comprimido seco en el crisol para impulsar el metal fundido hacia arriba a través del tubo ascendente para llenar la cavidad del molde.,
solidificar el metal bajo presión constante, Liberar la presión para permitir que el metal fundido residual regrese al crisol., y finalmente abriendo el molde para sacar la pieza fundida..

Ventajas

• Control de procesos flexible: La velocidad de aumento del metal fundido y la presión de solidificación son ajustables., adecuado para varios moldes (moldes de metal, moldes de arena) y aleaciones, así como piezas fundidas de diferentes tamaños.
• Relleno estable y baja tasa de defectos: El llenado ascendente garantiza un flujo suave del metal fundido sin salpicaduras., evitando el atrapamiento de gas y la erosión de las paredes y núcleos del molde;
  Los defectos de fundición como la porosidad del gas y la inclusión de escoria se reducen significativamente., con tasa de calificación superior 95%.
• Piezas fundidas de alta calidad: La solidificación por presión realiza una solidificación direccional desde el exterior hacia el interior., dando como resultado una estructura de fundición densa,
  contornos claros, superficies lisas, y excelentes propiedades mecánicas, especialmente adecuado para piezas grandes de paredes delgadas.
• Alta utilización de materiales: No se requiere elevador de alimentación, con una tasa de utilización de material que alcanza entre el 90% y el 98%, reducción de residuos metálicos.
• Ambiente de trabajo amigable: Baja intensidad laboral, equipo simple, y fácil realización de mecanización y automatización., conforme a los requisitos de producción modernos.

Desventajas & Limitaciones

• Corta vida útil del tubo ascendente: El tubo ascendente está en contacto directo con metal fundido a alta temperatura durante mucho tiempo., propenso a la oxidación y el desgaste, requiriendo reemplazo regular.
• Riesgo de contaminación por metales fundidos: Durante la preservación del calor, El metal fundido se oxida fácilmente y se mezcla con escoria., Requiriendo un control estricto del ambiente de preservación del calor y la purificación del metal fundido..
• Ámbito de aplicación limitado: Se utiliza principalmente para fundir piezas fundidas de aleaciones de aluminio y magnesio de alta calidad., como bloques de cilindros, culatas, cárteres, y pistones de aluminio de motor de combustión interna de alta velocidad; Rara vez se utiliza para aleaciones ferrosas debido a los requisitos de alta temperatura..

6. Fundición centrífuga

Definición central & Principio del proceso

La fundición centrífuga consiste en verter metal fundido en un molde giratorio., donde el metal llena el molde y se solidifica bajo la fuerza centrífuga.

Según la orientación del eje de rotación del molde., se divide en tres tipos: fundición centrífuga horizontal (eje horizontal o <4° a horizontal, adecuado para piezas cilíndricas largas),

fundición centrífuga vertical (eje vertical, adecuado para piezas cilíndricas o anulares cortas), y fundición centrífuga de eje inclinado (rara vez se usa debido a su operación compleja).

La fuerza centrífuga impulsa el movimiento direccional del metal fundido., optimización de la estructura de fundición.

Ventajas

• Estructura de molde simplificada: Para piezas giratorias huecas, sin núcleo, sistema de activación, o se necesita elevador, simplificar el diseño de moldes y reducir los costos de fabricación.
• Piezas fundidas de alta calidad: La fuerza centrífuga separa gases y escorias de baja densidad en la superficie interior.,
  y promueve la solidificación direccional desde el exterior hacia el interior., dando como resultado una estructura de fundición densa, pocos defectos, y excelentes propiedades mecánicas.
• Ahorro de costes para piezas bimetálicas: Componentes bimetálicos fáciles de fundir, como casquillos y cojinetes. (p.ej., manguitos de acero con un fino revestimiento de cobre), Ahorrando costosos metales no ferrosos y garantizando al mismo tiempo el rendimiento..
• Fuerte capacidad de llenado: La fuerza centrífuga mejora la fluidez del metal fundido, adecuado para fundir piezas de paredes delgadas y aleaciones con poca fluidez.
• Reducción del desperdicio de material: Elimina sistemas de compuertas y elevadores., Mejorar aún más la utilización del material..

Desventajas & Limitaciones

• Mala calidad de la superficie interior.: La superficie interior libre de las piezas fundidas es rugosa., con grandes errores dimensionales y poca uniformidad, Requiere mecanizado posterior para cumplir con los requisitos dimensionales..
• No apto para determinadas aleaciones.: No aplicable a aleaciones con segregación de densidad severa. (p.ej., bronce de plomo), ya que la fuerza centrífuga exacerbará la segregación;
  Tampoco es adecuado para aleaciones de aluminio y magnesio debido a su baja densidad y su pobre efecto de separación centrífuga..
• Formas de fundición limitadas: Sólo apto para piezas simétricas giratorias. (cilindros, anillos, mangas); no puede fundir piezas de formas complejas con contornos irregulares.
• Altos requisitos de equipamiento.: Requiere máquinas de fundición centrífugas especializadas con control de velocidad de rotación estable, aumento de la inversión en equipos.

7. Tabla comparativa de métodos de fundición comúnmente utilizados.

8. Conclusión

Cada método de fundición ofrece ventajas y limitaciones únicas que lo hacen adecuado para aplicaciones específicas..

La fundición en arena sigue siendo el método más versátil y económico para grandes, piñones complejos, mientras que la fundición a la cera perdida proporciona una precisión excepcional para componentes de alto valor.

La fundición a presión destaca en la producción de grandes volúmenes de piezas de paredes delgadas, y la fundición en molde permanente ofrece una calidad constante para la producción de materiales no ferrosos de volumen medio.

La fundición a baja presión es ideal para componentes de aluminio y magnesio de alta integridad., y la fundición centrífuga no tiene rival para piezas huecas simétricas.

La selección de un método de fundición apropiado depende de factores que incluyen la geometría de la pieza., precisión dimensional requerida, acabado superficial, tipo de material, volumen de producción, y consideraciones de costos.

La fabricación moderna combina cada vez más estas técnicas para aprovechar sus ventajas complementarias., Impulsar la innovación en la producción de componentes complejos en el sector aeroespacial., automotor, y sectores industriales.