La fundición por gravedad se utiliza ampliamente para fabricar componentes de aluminio y otros metales no ferrosos. Resulta especialmente adecuada para aplicaciones que requieren dimensiones estables, buenas propiedades mecánicas y una calidad constante en series de producción repetidas. Los diseñadores suelen tener en cuenta este proceso cuando necesitan una mayor precisión y rendimiento que los que ofrece la fundición en arena, pero no desean asumir los elevados costes de utillaje asociados a la fundición a alta presión.
En lugar de inyectar metal fundido en un troquel a gran velocidad, la fundición por gravedad permite que el metal fluya de forma natural hacia un molde metálico reutilizable. Este método de llenado, más lento y controlado, permite producir piezas fundidas densas y aptas para el tratamiento térmico, con una calidad constante, en volúmenes de producción medios.
En este artículo se explica qué es la fundición por gravedad, cómo funciona el proceso, dónde se utiliza habitualmente y en qué se diferencia de otros métodos de fundición.
¿Qué es la fundición por gravedad?
La fundición por gravedad, también conocida como GDC, es un proceso de fundición en molde permanente en el que el metal fundido se vierte desde una cuchara o recipiente en un molde metálico reutilizable. El molde suele estar fabricado en hierro fundido o acero resistente al calor.
A diferencia de la fundición a presión, la fundición por gravedad no utiliza presión externa para introducir el metal fundido en la cavidad. El metal llena el molde principalmente por su propio peso.
Dado que el metal fluye a una velocidad relativamente controlada y se solidifica contra un molde metálico, este proceso permite obtener piezas de fundición con una estructura interna densa, dimensiones estables y buenas propiedades mecánicas. Se utiliza habitualmente para piezas industriales que requieren una producción repetitiva y una mayor uniformidad que las piezas fundidas en arena.
¿Cómo funciona la fundición por gravedad?
El proceso de fundición por gravedad sigue varios pasos básicos. Los parámetros exactos dependen de la aleación, la geometría de la pieza, el espesor de las paredes, el diseño del molde y los requisitos de producción.
1. Precalentamiento de los troqueles
Antes de comenzar la fundición, se precalienta el molde metálico. La temperatura de funcionamiento suele oscilar entre los 150 °C y los 300 °C, aunque el rango real depende de la aleación y del diseño del molde.
El precalentamiento evita que el metal fundido se enfríe demasiado rápido al entrar en la cavidad. Si el molde está demasiado frío, el metal puede solidificarse antes de que la cavidad se haya llenado por completo, lo que provocaría defectos como soldaduras frías o fallos de inyección.
El precalentamiento también reduce el choque térmico y contribuye a mantener unas condiciones de fundición más estables durante toda la producción.
2. Recubrimiento con matriz
Se aplica un recubrimiento refractario o un agente desmoldeante a la superficie interna del molde.
El recubrimiento cumple varias funciones. Protege el troquel del contacto directo con el metal fundido, ayuda a controlar la velocidad de enfriamiento local y facilita la extracción de la pieza fundida solidificada sin que se pegue.
También se pueden utilizar diferentes espesores de recubrimiento para influir en la solidificación en zonas concretas de la pieza fundida.
3. Vertido y llenado
El metal fundido se vierte en el molde a través de un sistema de canalización. La cavidad se llena principalmente por el peso del metal fundido, más que por una fuerza de inyección externa.
Este proceso de llenado, relativamente tranquilo, puede reducir la turbulencia y la formación de burbujas de aire en comparación con la fundición a presión a alta velocidad. Sin embargo, es necesario controlar el sistema de entrada de metal, la velocidad de vertido, la temperatura del metal y la ventilación para evitar un llenado incompleto, la formación de películas de óxido y otros defectos de fundición.
4. Solidificación y alimentación
Una vez rellenada la cavidad, el metal fundido comienza a enfriarse y a solidificarse desde las paredes del molde hacia el interior.
Los conductos de alimentación y otras zonas de alimentación aportan metal fundido adicional a medida que la pieza de fundición se contrae durante la solidificación. Una alimentación adecuada ayuda a reducir las cavidades por contracción y la porosidad interna, especialmente en torno a las secciones más gruesas y otros puntos calientes.
El diseño del troquel y las condiciones de refrigeración deben favorecer la solidificación direccional hacia los conductos de alimentación.
5. Apertura del troquel y expulsión
Una vez que el metal se ha solidificado y ha alcanzado la resistencia suficiente, la matriz se abre mecánicamente.
Los pasadores de expulsión u otro sistema de expulsión extraen la pieza fundida de la cavidad. Es necesario controlar cuidadosamente la sincronización. Abrir el molde demasiado pronto puede deformar la pieza fundida, mientras que esperar demasiado tiempo puede alargar la duración del ciclo y dificultar la extracción.
6. Recorte e inspección
Normalmente, la pieza fundida presenta canales de colada, canales de distribución, coladas ascendentes y pequeñas cantidades de rebaba tras su extracción del molde. Estas partes se eliminan mediante corte, serrado, esmerilado o recorte.
En función de los requisitos de la pieza, la pieza fundida puede someterse posteriormente a una inspección dimensional, pruebas de presión, inspección por rayos X, mecanizado, tratamiento térmico u otras operaciones de acabado.
¿Qué materiales son adecuados para la fundición por gravedad?
La fundición por gravedad se utiliza principalmente para aleaciones no ferrosas cuyas temperaturas de fusión permiten el uso de moldes metálicos reutilizables.
Aleaciones de aluminio
Aluminio Es el material más utilizado para la fundición a presión por gravedad. Aleaciones como la A356 y la AC4C ofrecen una buena fundibilidad, resistencia a la corrosión, maquinabilidad y una buena relación resistencia-peso.
Algunas piezas de aluminio fundidas por gravedad también pueden someterse a un tratamiento térmico T6 cuando se requieren propiedades mecánicas más elevadas.
Aleaciones de cobre
Determinadas aleaciones de cobre, como el latón y el bronce, pueden fundirse por gravedad para fabricar piezas que requieran resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste o conductividad eléctrica y térmica.
Sus temperaturas de colada más elevadas exigen el uso de materiales adecuados para los moldes y un control minucioso de las condiciones de fundición.
Aleaciones de magnesio
Las aleaciones de magnesio pueden utilizarse para fabricar componentes ligeros en los sectores de la automoción, la industria aeroespacial y los equipos industriales. Sin embargo, la manipulación del magnesio fundido requiere controles de proceso especializados debido a su elevada reactividad química.
Ventajas de la fundición por gravedad
Buenas propiedades mecánicas
El molde metálico disipa el calor más rápidamente que un molde de arena, lo que da lugar a una estructura de grano más fino en muchas aplicaciones. Esto puede proporcionar mejores propiedades mecánicas que las piezas de fundición en arena comparables.
Las aleaciones de aluminio adecuadas también pueden someterse a un tratamiento térmico para conseguir la combinación necesaria de resistencia, dureza y ductilidad.
Buena estanqueidad a la presión
El proceso de llenado controlado puede reducir la retención de gas en comparación con los procesos de inyección a alta velocidad. Cuando los sistemas de entrada, alimentación y solidificación están bien diseñados, fundición a presión por gravedad puede producir piezas relativamente densas adecuadas para aplicaciones en las que se trabaja a presión.
Entre los ejemplos típicos se incluyen las carcasas de bombas, los cuerpos de válvulas, los componentes hidráulicos y las carcasas neumáticas.
Matrices metálicas reutilizables
Un molde por gravedad puede utilizarse repetidamente, lo que hace que el proceso sea adecuado para proyectos de volumen medio y de producción en serie.
Aunque el coste inicial de los moldes es superior al de la fundición en arena, el molde reutilizable permite reducir el coste de los moldes por pieza a medida que aumenta el volumen de producción.
Compatibilidad con elementos internos complejos
Los núcleos de arena pueden colocarse dentro del molde metálico para crear conductos internos, secciones huecas y otras características que no pueden formarse únicamente con el molde.
Esta característica hace que la fundición a presión por gravedad sea adecuada para componentes como colectores, cuerpos de bomba, culatas y carcasas para el manejo de fluidos.
Dimensiones y calidad de superficie uniformes
Los moldes metálicos reutilizables proporcionan unas dimensiones de cavidad más estables que los moldes de arena desechables. Como resultado, las piezas fundidas por gravedad suelen ofrecer una mayor repetibilidad, una superficie más limpia y unos márgenes de mecanizado más predecibles que las piezas fundidas en arena.
Limitaciones de la fundición por gravedad
Limitaciones relativas al espesor de las paredes
Dado que el metal fundido llena la cavidad principalmente por efecto de la gravedad, es posible que algunas secciones muy delgadas se solidifiquen antes de que se llene por completo.
Es habitual que el espesor mínimo de la pared sea de unos 3 mm o más, pero el valor que se puede alcanzar depende de la aleación, la longitud de flujo, la geometría de la pieza, la temperatura de colada y el diseño del molde.
Producción más lenta
La fundición por gravedad suele tener ciclos de llenado y solidificación más largos que la fundición a alta presión. Esto se traduce en un menor ritmo de producción por hora.
Por lo tanto, resulta más adecuado para la producción de volúmenes medios que para piezas de volúmenes extremadamente elevados, en las que el principal requisito son los tiempos de ciclo cortos.
Coste de utillaje superior al de la fundición en arena
El diseño y la fabricación de un molde metálico resultan más caros que los de un modelo convencional para fundición en arena.
En el caso de prototipos, series muy pequeñas, piezas de gran tamaño o diseños que cambian con frecuencia, es posible que la inversión en utillaje no resulte rentable.
Detalle superficial limitado
La fundición por gravedad suele ofrecer un mejor acabado superficial que la fundición en arena, pero no siempre permite reproducir las paredes muy finas y los detalles externos precisos que se consiguen con la fundición a alta presión.
Es posible que aún sea necesario realizar un mecanizado adicional en las superficies de estanqueidad, los asientos de los cojinetes, las roscas, los orificios y otros elementos funcionales.
Aplicaciones habituales de la fundición por gravedad
La fundición por gravedad se utiliza habitualmente para piezas que requieren dimensiones repetibles, buenas propiedades mecánicas y volúmenes de producción medios.
Componentes de automoción
Entre las aplicaciones típicas en el sector de la automoción se incluyen:
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Culatas
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Pistones
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Pinzas de freno
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Rótulas de dirección
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Componentes de la suspensión
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Cajas de cambio
Estos componentes suelen requerir una combinación de resistencia, estabilidad dimensional, maquinabilidad y calidad interna controlada.
Maquinaria y equipos energéticos
La fundición por gravedad también se utiliza para fabricar:
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Carcasas de bombas e impulsores
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Cuerpos de válvulas hidráulicas
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Componentes neumáticos
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Cajas eléctricas
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Cajas para aparatos de distribución eléctrica
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Disipadores de calor
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Soportes y cubiertas industriales
Muchas de estas piezas requieren superficies de montaje mecanizadas, secciones estancas a la presión o conductos internos de flujo.
Productos de consumo y comerciales
Otras aplicaciones son los utensilios de cocina de aluminio fundido, las carcasas de iluminación, las cajas de equipos y los componentes de ferretería de larga duración.
Este proceso suele elegirse cuando el producto requiere una mayor uniformidad y una mejor calidad superficial de las que puede ofrecer la fundición en arena.
Fundición por gravedad frente a fundición en arena
En la fundición por gravedad se utiliza un molde metálico reutilizable, mientras que en la fundición en arena se emplea un molde de arena desechable para cada pieza fundida.
El troquel metálico suele ofrecer una mayor precisión dimensional, un acabado superficial más limpio y unas propiedades mecánicas más uniformes. Estas características facilitan el control del margen de mecanizado y permiten mantener una calidad estable en series de producción repetidas.
La fundición en arena presenta un menor coste inicial de utillaje y una mayor flexibilidad para componentes de gran tamaño, conductos internos complejos y diseños que cambian con frecuencia. Suele ser la opción preferida para prototipos, pequeñas series de producción y piezas fundidas de gran tamaño.
La fundición por gravedad suele ser más adecuada cuando los volúmenes de producción justifican el uso de moldes metálicos y el proyecto requiere una mayor repetibilidad, calidad superficial y control dimensional.
Fundición por gravedad frente a fundición a alta presión
En la fundición por gravedad, la cavidad se llena principalmente gracias al peso del metal fundido. En la fundición a alta presión, el metal se inyecta en el molde a gran velocidad y a alta presión.
El proceso de llenado más lento de la fundición por gravedad puede reducir la turbulencia y la retención de gases. Esto lo hace adecuado para piezas que requieren tratamiento térmico, estanqueidad a la presión o estructuras internas relativamente densas.
La fundición a presión de alta presión es más rápida y permite obtener paredes más finas, detalles superficiales precisos y formas externas complejas. Se suele optar por este método para la fabricación de componentes en grandes volúmenes, en los que son prioritarios los tiempos de ciclo cortos y los bajos costes unitarios.
Sin embargo, la fundición a presión a alta presión suele requerir utillaje y equipamiento más costosos. El rápido proceso de llenado también puede aumentar el riesgo de que queden gases atrapados, lo que puede limitar algunas opciones de tratamiento térmico y soldadura.
¿Cuáles son las alternativas a la fundición por gravedad?
El proceso de fundición más adecuado depende de la aleación, el tamaño de la pieza, el espesor de la pared, el volumen anual, el presupuesto para utillaje y los requisitos internos de calidad.
Moldeo por compresión
En la fundición por compresión se aplica presión mientras el metal se solidifica. Esto permite obtener una estructura densa y unas propiedades mecánicas elevadas.
Este proceso puede utilizarse para componentes críticos para la seguridad o sometidos a grandes cargas, pero los requisitos en cuanto a utillaje, equipamiento y control del proceso suelen ser más exigentes que los de la fundición por gravedad.
Fundición a la cera perdida
La fundición por inversión utiliza modelos de cera y moldes de cerámica para producir formas complejas y detalles precisos.
Es adecuado para piezas relativamente pequeñas y complejas, pero los ciclos de producción son más largos y los costes unitarios suelen ser más elevados que los de la fundición por gravedad.
Fundición en arena
La fundición en arena ofrece unos bajos costes de utillaje y una considerable flexibilidad de diseño. Resulta práctica para piezas de gran tamaño, prototipos, pequeñas series de producción y piezas fundidas con conductos internos complejos.
Sus principales inconvenientes son una menor precisión dimensional, superficies más rugosas y propiedades mecánicas menos uniformes en comparación con la fundición en molde metálico.
Fundición a alta presión
La fundición a presión a alta presión es adecuada para piezas de paredes delgadas, formas externas complejas y grandes volúmenes de producción anuales.
Ofrece tiempos de ciclo cortos, pero requiere una inversión considerable en utillaje y maquinaria. La porosidad gaseosa también puede limitar el tratamiento térmico, la soldadura y las aplicaciones en las que se requiere estanqueidad a la presión.
Fundición a baja presión
Fundición a baja presión utiliza una presión de gas controlada para impulsar el metal fundido hacia arriba, dentro del molde.
El proceso garantiza un llenado uniforme y controlado, así como una buena calidad interna. Se utiliza habitualmente para llantas de aluminio, piezas de suspensión y otros componentes estructurales.
En comparación con la fundición a presión por gravedad, la fundición a presión a baja presión requiere un equipamiento más especializado y suele conllevar unos costes de proceso más elevados. Por lo general, se opta por ella cuando el volumen de producción y los requisitos de calidad justifican la inversión adicional.
Conclusión
La fundición a presión por gravedad ofrece un equilibrio práctico entre el rendimiento de las piezas, la consistencia dimensional, la inversión en utillaje y el volumen de producción. Resulta especialmente adecuada para piezas de metales no ferrosos que requieren una mayor repetibilidad y calidad superficial que la fundición en arena, pero que no exigen la velocidad de producción ni la capacidad para fabricar piezas de paredes delgadas que ofrece la fundición a presión de alta presión.
El resultado final sigue dependiendo de la selección de la aleación, el diseño del molde, el sistema de colada y alimentación, el control de la solidificación, el tratamiento térmico, el mecanizado y la inspección.
Si tienes un proyecto de fundición por gravedad, puedes Envíanos tus dibujos, los requisitos de materiales, la cantidad de producción prevista y los detalles de la aplicación. Nuestro equipo puede analizar la pieza y ayudarle a determinar si la fundición a presión por gravedad es adecuada para el proyecto.
