Comparando la fundición en molde metálico con la fundición en molde de arena, existen numerosas ventajas técnicas y económicas:
(1) Las piezas fundidas producidas por moldes metálicos tienen propiedades mecánicas superiores a las fundidas en moldes de arena. Para la misma aleación, la resistencia a la tracción puede aumentar en aproximadamente 25%, el límite elástico en unos 20%, y se producen mejoras significativas en la resistencia a la corrosión y la dureza.
(2) La precisión y la suavidad de la superficie de las piezas fundidas son superiores a las realizadas con moldes de arena, y la calidad y las dimensiones son más estables.
(3) El rendimiento del proceso de fundición es mayor, reduciendo el consumo de metal líquido, ahorrando generalmente 15-30%.
(4) Se elimina o minimiza el uso de arena, ahorrando generalmente 80-100% de materiales de moldeo.
Además, la fundición de moldes metálicos tiene una alta eficiencia de producción; las causas de defectos de fundición se reducen; el proceso es sencillo, fácil de mecanizar y automatizar.
A pesar de las ventajas de la fundición de moldes metálicos, también existen inconvenientes, como:
(1) El coste de producción de moldes metálicos es elevado.
(2) Los moldes metálicos no son transpirables y no tienen tolerancia, lo que puede provocar defectos de fundición como un vertido insuficiente, grietas o boca blanca en las piezas de hierro fundido.
(3) Durante la fundición de moldes metálicos, factores como la temperatura de trabajo del molde, la temperatura y la velocidad de vertido de la aleación, el tiempo que la pieza permanece en el molde y el tipo de revestimiento utilizado pueden afectar significativamente a la calidad de la pieza fundida y requieren un control estricto.
Por lo tanto, a la hora de decidirse por la fundición de moldes metálicos, es necesario considerar exhaustivamente los siguientes factores: la forma y el peso de la pieza de fundición deben ser adecuados; debe haber un tamaño de lote suficiente; y el plazo de producción debe permitirlo.
Existen diferencias significativas entre los moldes de metal y los de arena en cuanto a sus propiedades. Por ejemplo, los moldes de arena son transpirables, mientras que los de metal no lo son.
Los moldes de arena tienen poca conductividad térmica, mientras que los moldes de metal destacan en este aspecto. Los moldes de arena son retráctiles, pero los de metal no. Estas características de los moldes metálicos determinan sus principios únicos en el proceso de formación de la colada.
La influencia de los cambios en el estado de los gases dentro de la cavidad del molde en la formación de la colada: Durante el llenado de metal, los gases dentro de la cavidad del molde deben expulsarse rápidamente. Sin embargo, la no transpirabilidad del metal hace que un pequeño descuido en el proceso pueda afectar negativamente a la calidad de la colada.
Características del calor durante la solidificación de la fundición: Una vez que el metal fundido entra en la cavidad del molde, transfiere calor a la pared metálica del molde. El metal líquido pierde calor a través de la pared del molde, lo que provoca la solidificación y la contracción.
Mientras tanto, la pared del molde se expande a medida que se calienta, creando un "hueco" entre la pieza fundida y la pared del molde. Hasta que el sistema "colada-hueco-molde" alcanza una temperatura uniforme, puede considerarse que la colada se enfría dentro del "hueco", mientras que la pared del molde se calienta a través del "hueco".
El impacto del molde metálico que impide la contracción en la pieza fundida: Los moldes metálicos o los moldes de núcleo metálico no se retraen durante el proceso de solidificación de la pieza fundida, lo que dificulta la contracción de la pieza fundida, otra característica única de los mismos.
Los moldes metálicos no precalentados no pueden utilizarse para la fundición debido a su elevada conductividad térmica. Si el metal líquido se enfría demasiado rápido, su fluidez disminuye drásticamente, lo que provoca defectos de fundición como el cierre en frío, inclusiones de colada insuficientes y porosidad.
Los moldes metálicos no precalentados son propensos a sufrir daños por choque térmico y mayor tensión durante la fundición. Por lo tanto, los moldes metálicos deben precalentarse antes de su uso.
Lo apropiado temperatura de precalentamiento (es decir, la temperatura de funcionamiento) depende del tipo de aleación, la estructura y el tamaño de la pieza fundida, y suele determinarse mediante ensayos. Como regla general, la temperatura de precalentamiento de un molde metálico no debe ser inferior a 1500C.
Los métodos para precalentar moldes metálicos incluyen:
(1) Precalentamiento con soplete o llama de gas.
(2) Utilizando un calentador de resistencia.
(3) Utilizar un horno para calentar, que proporciona una temperatura uniforme pero sólo es adecuado para moldes metálicos pequeños.
(4) Precalentamiento del molde metálico en un horno y, a continuación, colada de metal líquido para calentar el molde. Este método solo es adecuado para moldes pequeños, ya que desperdicia parte del metal líquido y puede disminuir la vida útil del molde.
La temperatura de colada para moldes metálicos suele ser superior a la de la fundición en arena y puede determinarse en función del tipo de aleación, su composición química y el tamaño y grosor de la pieza fundida, mediante ensayos. Los siguientes datos pueden servir de referencia.
Temperaturas de vertido para diversas aleaciones:
Dado el rápido enfriamiento y la naturaleza no porosa de los moldes metálicos, la velocidad de vertido debe ser lenta al principio, luego rápida y finalmente lenta de nuevo. Es esencial mantener un flujo constante de líquido durante el proceso de vertido.
Cuanto más tiempo permanezca un núcleo metálico dentro de una pieza fundida, más fuerte será el agarre del núcleo debido a la contracción de la pieza fundida, por lo que se requerirá una mayor fuerza de extracción del núcleo.
La duración óptima para que un núcleo metálico permanezca dentro de una pieza de fundición es cuando ésta se ha enfriado hasta un rango de temperatura de deformación plástica y tiene suficiente resistencia, momento en el que es el mejor para retirar el núcleo.
Si la colada permanece demasiado tiempo en el troquel metálicoLa temperatura de la pared de la matriz aumenta, lo que requiere más tiempo de enfriamiento y reduce la productividad de la matriz metálica.
El momento más adecuado para la extracción del núcleo y la retirada de la colada suele determinarse mediante métodos experimentales.
Para garantizar la estabilidad de la calidad de las piezas fundidas en moldes metálicos y una producción normal, es crucial mantener un cambio de temperatura constante en el molde metálico durante la producción.
Por lo tanto, después de cada colada, el molde metálico debe abrirse y dejarse durante cierto tiempo hasta que se enfríe a la temperatura especificada antes de la siguiente colada.
Si se confía en la refrigeración natural, el tiempo necesario es mayor, lo que reduce la productividad, por lo que se suele recurrir a la refrigeración forzada. En general, existen varios métodos de refrigeración:
1. Refrigeración por aire: Soplar aire alrededor del exterior del molde metálico para mejorar la disipación convectiva del calor. Aunque la estructura de un molde metálico refrigerado por aire es sencilla, fácil de fabricar y de bajo coste, el efecto de refrigeración no es especialmente ideal.
2. Refrigeración indirecta por agua: Instalación de una camisa de agua en la parte posterior o en una parte específica del molde metálico. Su efecto de refrigeración es mejor que el de la refrigeración por aire y es adecuado para la fundición de piezas de cobre o piezas de fundición forjable. Sin embargo, la refrigeración intensa para la fundición de paredes finas grises fundiciones de hierro o de fundición dúctil podría aumentar los defectos de fundición.
3. Refrigeración directa por agua: Hacer directamente una camisa de agua en la parte posterior o en una parte específica del molde metálico, y enfriarlo con agua que fluye a través de la camisa. Este método se utiliza principalmente para la fundición de piezas de acero u otras fundiciones de aleación, donde se requiere un fuerte enfriamiento del molde. Debido a su elevado coste, solo es aplicable a la producción a gran escala.
Si el grosor de la pared de fundición varía mucho, al utilizar un molde metálico para la producción, un método habitual consiste en calentar una parte del molde metálico mientras se enfría otra parte para ajustar la distribución de la temperatura de la pared del molde.
Durante el proceso de fundición de moldes metálicos, es habitual aplicar un revestimiento sobre la superficie de trabajo del molde metálico.
El revestimiento sirve para regular la velocidad de enfriamiento de las piezas fundidas, proteger el molde metálico de la erosión y el choque térmico provocados por el líquido metálico a alta temperatura y facilitar la liberación de gases a través de la capa de revestimiento.
Dependiendo de la aleación, el revestimiento puede tener diversas fórmulas y suele estar compuesto por tres tipos de sustancias:
1. Materiales refractarios en polvo (como óxido de zinc, polvo de talco, polvo de arena de circón, polvo de tierra de diatomeas, etc.);
2. 2. Aglutinantes (por lo general, vidrio de agua, jarabe o líquido residual de la pasta de papel, etc.);
3. Disolvente (agua). Las fórmulas específicas pueden consultarse en los manuales correspondientes. El revestimiento debe cumplir los siguientes requisitos técnicos: debe tener una cierta viscosidad para facilitar la pulverización, ser capaz de formar una capa fina uniforme sobre la superficie del molde metálico; después del secado, el revestimiento no debe agrietarse ni desprenderse y debe ser fácil de eliminar; debe tener una alta refractariedad; no debe generar una gran cantidad de gas a altas temperaturas; no debe reaccionar químicamente con la aleación (excepciones para requisitos especiales).
Aunque el revestimiento puede reducir la velocidad de enfriamiento de las piezas fundidas en el molde metálico, sigue habiendo cierta dificultad para producir piezas de fundición dúctil (como cigüeñales) con moldes metálicos que utilizan revestimientos, porque la velocidad de enfriamiento de las piezas fundidas sigue siendo demasiado rápida, y las piezas fundidas son propensas a la boca blanca.
Si se utiliza un molde de arena, la colada tiene una velocidad de enfriamiento más lenta, pero es fácil que se produzcan contracciones o porosidad en la unión caliente.
La aplicación de una capa de arena de 4-8 mm en la superficie del molde metálico puede dar lugar a piezas de fundición de hierro dúctil satisfactorias.
La capa de arena regula eficazmente la velocidad de enfriamiento de la pieza fundida, por un lado, evitando la aparición de una boca blanca en el cuerpo de fundición y, por otro, haciendo que la velocidad de enfriamiento sea más rápida que en la fundición en arena.
Los moldes metálicos no se desintegran, pero una fina capa de arena de resina puede reducir adecuadamente la resistencia a la contracción de las piezas fundidas. Además, los moldes metálicos tienen una buena rigidez, limitan eficazmente la expansión del grafito esferoidal, logran una fundición sin riser, eliminan la holgura y mejoran la compacidad de las piezas fundidas.
Si la capa de arena del molde de metal está hecha de arena de resina, generalmente se puede cubrir con chorro de arena. La temperatura del molde de metal debe estar entre 180-200℃. Los moldes de metal de arena de resina pueden utilizarse para producir piezas fundidas de hierro dúctil, hierro gris o acero, y sus efectos técnicos son significativos.
Entre las formas de mejorar la vida útil de los moldes metálicos se incluyen:
1. Elegir materiales de alta conductividad térmica, bajo coeficiente de dilatación térmica y alta resistencia para fabricar moldes metálicos;
2. Tecnología de revestimiento adecuada, siguiendo estrictamente las especificaciones del proceso;
3. La estructura del molde metálico debe ser razonable, y las tensiones residuales deben eliminarse durante el proceso de fabricación;
4. Los granos del material del molde metálico deben ser pequeños.
Para garantizar la calidad de la fundición, simplificar la estructura del molde metálico y aprovechar plenamente sus ventajas técnicas y económicas, es necesario realizar un análisis inicial de la estructura de la fundición, y un razonable proceso de fundición debe establecerse.
La calidad del diseño del proceso de una estructura de fundición de moldes metálicos es un requisito previo para garantizar la calidad de la fundición y aprovechar las ventajas de la fundición de moldes metálicos. Una estructura de fundición razonable debe adherirse a los siguientes principios:
(1) La estructura de fundición no debe impedir el desmoldeo ni la contracción;
(2) La variación de espesor no debe ser demasiado grande para evitar diferencias de temperatura significativas, que provoquen grietas por contracción y porosidad en la pieza fundida;
(3) Debe restringirse el grosor mínimo de las paredes de los moldes metálicos.
Además, la precisión y la suavidad de las superficies no mecanizadas de la pieza moldeada deben exigirse adecuadamente.
La posición de vertido de la colada está directamente relacionada con el número de núcleos y superficies de separación, la posición de introducción del metal líquido, el efecto de alimentación del elevador, el grado de suavidad del escape y la complejidad del molde metálico.
Los principios para seleccionar la posición de vertido son los siguientes:
1. Asegúrese de que el líquido metálico fluye suavemente durante el llenado, permitiendo una fácil ventilación y evitando el arrastre de aire y la oxidación del metal;
2. Promover la solidificación secuencial y una buena contracción para garantizar la obtención de piezas moldeadas de estructura densa;
3. El número de núcleos debe reducirse al mínimo, y deben ser fáciles de colocar, estables y fáciles de desmoldar;
4. Facilitar la simplificación del metal estructura del molde y la facilidad para desmoldar la pieza fundida.
Las formas de la superficie de separación suelen ser vertical, horizontal y combinada (separación vertical, horizontal mixta o curvada). Los principios para seleccionar la superficie de separación son los siguientes:
1. Para simplificar la estructura del molde metálico y mejorar la precisión de la colada, la forma de la colada más simple debe disponerse dentro del medio molde, o la mayor parte debe disponerse dentro del medio molde;
2. El número de superficies de separación debe reducirse al mínimo para garantizar el aspecto estético de la pieza moldeada y facilitar el desmoldeo y la colocación del núcleo;
3. La superficie de separación seleccionada debe asegurar que el ajuste de la compuerta y las bandas sea conveniente, permitiendo un flujo suave del metal durante el llenado y facilitando la expulsión del gas de la cavidad del molde;
4. La superficie de separación no debe seleccionarse en la superficie de referencia de mecanizado;
5. Evite en la medida de lo posible las superficies de separación curvas para reducir el número de piezas desmontadas y los componentes móviles del molde.
Debido a las características específicas de la fundición en moldes metálicos, deben tenerse en cuenta los siguientes factores a la hora de diseñar el sistema de fundición: la velocidad de la fundición en moldes metálicos es elevada, superando a la de los moldes de arena en unos 20%.
Además, el gas en la cavidad del molde debe poder ser expulsado suavemente cuando el metal líquido llene el molde. Su dirección de flujo debe ser lo más coherente posible con la dirección de flujo del líquido, empujando eficazmente el gas hacia el tubo ascendente o el tubo ascendente de ventilación.
Además, debe procurarse que el metal líquido fluya suavemente durante el proceso de llenado, sin crear turbulencias, impactar contra la pared del molde o los machos, ni provocar salpicaduras.
El sistema de vaciado de los moldes metálicos suele dividirse en tres categorías: vaciado superior, vaciado inferior y vaciado lateral.
(1) Inyección superior: Este método tiene una distribución razonable del calor, lo que es beneficioso para la solidificación secuencial y puede reducir el consumo de metal líquido. Sin embargo, el flujo de metal líquido es inestable, lo que puede causar inclusiones. Cuando la altura de colada es elevada, puede impactar en el fondo del molde o en los machos. Si se utiliza para la fundición de piezas de aleación de aluminio, generalmente sólo es adecuado para piezas sencillas con una altura inferior a 100 milímetros.
(2) Compuerta inferior: El metal líquido fluye más suavemente, lo que es beneficioso para el vaciado. Sin embargo, la distribución de la temperatura no es razonable, lo que no favorece la solidificación suave de la colada.
(3) Rejas laterales: Este método presenta las ventajas de los dos anteriores. El metal líquido fluye suavemente, lo que facilita la recogida de escoria y el venteo. Sin embargo, el consumo de metal líquido es elevado y la limpieza de las compuertas requiere mucho trabajo.
La estructura del sistema de fundición de moldes metálicos es básicamente similar a la de la fundición de moldes de arena.
Sin embargo, dado que la pared metálica del molde no es transpirable y tiene una fuerte conductividad térmica, la estructura del sistema de colada debe facilitar la reducción de la velocidad de flujo del metal líquido, garantizar un flujo suave y reducir su impacto en la pared del molde.
Además de garantizar que el gas de la cavidad del molde tenga tiempo suficiente para ser expulsado, también debe garantizar que no se produzcan salpicaduras durante el proceso de llenado.
En la colada de metales ferrosos con moldes metálicos, debido a la elevada velocidad de enfriamiento de la colada y al rápido aumento de la viscosidad del flujo de líquido, se suele utilizar un sistema de compuertas cerrado. La relación entre las áreas transversales de sus distintas partes es: F_interior : F_transversal : F_vertical = 1 : 1,15 : 1,25
Las bandas de los moldes metálicos cumplen las mismas funciones que las de los moldes de arena: compensan la contracción, recogen la escoria y ventilan. Los principios de diseño de las bandas de los moldes metálicos son los mismos que los de las bandas de los moldes de arena.
Como los moldes metálicos se enfrían más rápido y las bandas suelen utilizar revestimientos aislantes o capas de arena, el tamaño de las bandas de los moldes metálicos puede ser menor que el de las de los moldes de arena.
Sección Editorial: Parámetros del proceso de fundición de moldes metálicos
Debido a las características del proceso del molde metálico, los parámetros de proceso de sus piezas fundidas son ligeramente diferentes de los de las piezas fundidas en molde de arena.
El índice de contracción lineal de las piezas fundidas en moldes metálicos no sólo está relacionado con la contracción lineal de la aleación, sino también con la estructura de la pieza fundida, la obstrucción de la contracción en el molde metálico, la temperatura de desmoldeo de la pieza fundida, la expansión y el cambio de tamaño del molde metálico tras el calentamiento, etc. Su valor también debe tener en cuenta la posibilidad de modificar el tamaño durante el proceso de fundición de prueba.
Para extraer el núcleo metálico del molde y la pieza fundida, debe tomarse un calado adecuado en la dirección de extracción del núcleo y desmoldeo de la pieza fundida. Consulte los manuales correspondientes para conocer el ángulo de desmoldeo de diferentes aleaciones de fundición.
La precisión de los moldes metálicos es generalmente mayor que la de los moldes de arena, por lo que la tolerancia de mecanizado puede ser menor, generalmente entre 0,5 y 4 mm.
Una vez determinados los parámetros del proceso de fundición, se puede dibujar el plano de proceso de la fundición en molde metálico. Este dibujo es básicamente el mismo que el dibujo del proceso de fundición en molde de arena.
Una vez dibujado el diagrama del proceso de fundición, se puede proceder al diseño del molde metálico. El diseño consiste principalmente en determinar la estructura, las dimensiones, el núcleo, el sistema de escape y el mecanismo de expulsión del molde metálico.
El diseño del molde metálico debe tener como objetivo la simplicidad en la estructura, la comodidad en el mecanizado, la adecuada selección de materialesy garantizar la seguridad y la fiabilidad.
La estructura del molde metálico depende de la forma y el tamaño de la pieza fundida, el número de superficies de separación, el tipo de aleación y el volumen de producción. En función de la posición de la superficie de separación, existen varias formas de estructuras de moldes metálicos:
1. Molde de metal integral: Este molde no tiene superficie de separación y tiene una estructura simple, adecuada para piezas fundidas de forma simple sin superficie de separación.
2. Molde de metal de separación horizontal: Este molde es adecuado para piezas de fundición de ruedas de pared delgada.
3. Molde de metal de separación vertical: Este tipo de molde es conveniente para establecer sistemas de compuerta y escape, fácil de abrir y cerrar, y adecuado para la producción mecanizada. Se utiliza a menudo para la producción de pequeñas piezas de fundición simples.
4. Molde de metal de separación compuesto: Consiste en dos o más superficies de separación, o incluso bloques móviles, generalmente utilizados para la producción de piezas fundidas complejas. Es cómodo de manejar y muy utilizado en la producción.
El cuerpo principal de un molde metálico es la parte que forma la cavidad del molde y se utiliza para dar forma al exterior de la pieza fundida. La estructura del cuerpo principal está relacionada con el tamaño de la pieza fundida, su posición de vertido en el molde, la superficie de separación y el tipo de aleación.
El diseño debe procurar que las dimensiones de la cavidad del molde sean exactas; facilitar el establecimiento de sistemas de compuerta y escape, facilitar la expulsión de la pieza fundida y ofrecer suficiente resistencia y rigidez.
En función de la complejidad de la colada y del tipo de aleación, pueden utilizarse distintos materiales para el núcleo del molde.
Por lo general, los machos de arena se utilizan para colar piezas complejas de paredes finas o aleaciones de alto punto de fusión (como acero inoxidable o hierro fundido), mientras que los machos metálicos se utilizan sobre todo para colar aleaciones de bajo punto de fusión (como aluminio o aleaciones de magnesio). Los machos de arena y los machos metálicos también pueden utilizarse juntos en la misma fundición.
Cuando se diseña un molde metálico, es esencial disponer de un sistema de escape. Para el escape se pueden utilizar los siguientes métodos:
(1) Utilice el espacio entre la superficie de separación o la superficie combinada de la cavidad del molde para el escape.
(2) Crear una ranura de escape en la superficie de separación o en la superficie combinada de la cavidad del molde, en el asiento del núcleo o en la superficie de la varilla eyectora.
(3) Instale los orificios de escape, que suelen estar situados en el punto más alto del molde metálico.
(4) Los tapones de escape suelen utilizarse en moldes metálicos.
Las partes desiguales de la cavidad del molde metálico pueden dificultar la contracción de la pieza fundida, provocando resistencia cuando se desmoldea la pieza. Debe utilizarse un mecanismo eyector para expulsar la pieza fundida.
Al diseñar el mecanismo eyector, deben tenerse en cuenta los siguientes puntos: evitar que se dañe la pieza fundida, es decir, evitar que la pieza fundida se deforme o se abolla por la eyección; evitar que la varilla eyectora se atasque.
La holgura entre la varilla de expulsión y el orificio de expulsión debe ser la adecuada. Si la holgura es demasiado grande, puede entrar metal fácilmente; si es demasiado pequeña, puede provocar atascos. La experiencia aconseja utilizar una coincidencia de nivel D4/dC4.
Cuando se ensambla un molde metálico, es necesario posicionar con precisión las dos mitades. Por lo general, esto se consigue de dos formas: posicionamiento de pasador y posicionamiento de "tope". Para la separación vertical con una superficie de separación circular, se puede utilizar el posicionamiento de "tope", mientras que el posicionamiento de pasador se utiliza principalmente para superficies de separación rectangulares.
El pasador de posicionamiento debe situarse dentro del contorno de la superficie de separación. Cuando el propio molde metálico es grande y pesado, para garantizar un posicionamiento cómodo durante la apertura y el cierre del molde, se puede adoptar un formato de guía.
A partir del análisis de las causas del fallo de los moldes metálicos, los materiales utilizados para fabricar moldes metálicos deben cumplir los siguientes requisitos: buena resistencia al calor y conductividad térmica; sin deformaciones ni daños cuando se calientan repetidamente; cierta resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste; buena mecanizabilidad.
El hierro fundido es el material más utilizado para los moldes metálicos. Tiene buena maquinabilidad, es barato y puede fabricarse en fábricas generales. Además, es resistente al calor y al desgaste, lo que lo convierte en un material adecuado para moldes metálicos. El acero al carbono y el acero de baja aleación sólo se utilizan cuando se necesitan requisitos elevados.
El uso de aleaciones de aluminio en la fabricación de moldes metálicos ha llamado la atención en el extranjero. La superficie de los moldes de aluminio puede someterse a un tratamiento de oxidación anódica, lo que da lugar a una película de óxido compuesta por Al2O3 y Al2O3-H2O.
Esta película tiene un punto de fusión y una dureza elevados, y es resistente al calor y al desgaste. Se ha informado de que este tipo de moldes de aluminio metálico, cuando se utilizan medidas de refrigeración por agua, no sólo pueden aluminio fundido y piezas de cobre, sino que también puede utilizarse para fundir piezas de metales ferrosos.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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