ES2290316T3 - Procedimiento para fabricar piezas moldeadas metalicas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para fabricar piezas moldeadas metálicas introduciendo cuerpos metálicos en un molde de fundición y llenando seguidamente la cavidad de moldeo restante, por fundición a presión, con un metal o una aleación metálica, caracterizado porque se forma el cuerpo metálico en una máquina de fundición a presión introduciendo rápidamente una mezcla de un agente de expansión generador de espuma y una masa fundida metálica y llenando seguidamente de espuma la cavidad de moldeo, desarrollándose el proceso de espumado "in situ" en la cavidad de moldeo y generándose por el llenado de rociado del metal y su solidificación en las paredes del molde una pared densa y homogénea del cuerpo metálico y presentando ésta así una estructura de espuma integral con superficie cerrada en todos los lados.

Description

Procedimiento para fabricar piezas moldeadas metálicas.

La invención concierne a un procedimiento para fabricar piezas moldeadas metálicas, especialmente piezas moldeadas de metal ligero reducidas en peso.

En vista de los crecientes requisitos ecológicos, pero también para su utilización en aplicaciones de alta tecnología, tales como construcción de aviones, construcción de automóviles o en piezas estáticamente exigentes, es de eminente importancia una reducción del peso en piezas moldeadas metálicas. En este contexto, especialmente los metales ligeros son materiales que aseguran un campo de difusión cada vez mayor. Otra posibilidad de reducción del peso es la utilización de materiales metálicos espumados. Las espumas entonces empleadas se caracterizan por construcción ligera, rigidez, resistencia a la presión, amortiguación mecánica y acústica mejorada y similares. La fabricación de piezas estructurales de materiales metálicos espumados es también conocida.

El documento GB 892934 concierne a la fabricación de estructuras complejas con macho metálico espumado y superficie cerrada no porosa.

El documento DE 198 32 794 C1 describe un procedimiento para fabricar un perfil hueco que está lleno de espuma metálica. Este procedimiento comprende los pasos de prensar el perfil hueco a partir de un material de envoltura con una prensa de extrusión que presenta una herramienta de extrusión con una matriz y un mandril, y alimentar la espuma metálica de un material espumado a través de un canal de alimentación hasta el perfil hueco que está formado en el mandril.

El documento DE 297 23 749 U1 revela una rueda para un vehículo automóvil que comprende al menos un macho de espuma metálica que está dispuesto al descubierto hacia el lado interior de la rueda y que posee una pared de fundición hacia el lado exterior de la rueda. El macho de espuma de aluminio se coloca y posiciona dentro de una coquilla para colar la rueda de modo que se origine durante la colada la piel de fundición exterior entre la coquilla y el macho de espuma.

El documento DE 195 02 307 A1 describe un elemento de deformación en cuya carcasa está previsto un relleno de una espuma de aluminio en calidad de absorbedor de energía. La carcasa puede ser de metal o de plástico. El cuerpo de relleno es una simple pieza de inserción sin acoplamiento de material con la carcasa.

Sin embargo, es de especial interés el empleo de machos de fundición de espuma metálica para fabricar piezas moldeadas metálicas espumadas por dentro.

Así, por ejemplo, en el documento DE 195 01 508 C1 se reivindican una pieza estructural para el mecanismo de rodadura de un vehículo automóvil y un procedimiento para fabricar esta pieza estructural. A este fin, se introduce en un molde de fundición a presión un macho de espuma de aluminio que, después de la inyección del aluminio en el útil de moldeo, permanece en la pieza estructural de fundición a presión de aluminio (principio del macho perdido). La espuma de aluminio empleada se obtiene de una mezcla de polvo de aluminio con un agente de expansión y se fabrica de manera en sí conocida en un procedimiento de múltiples etapas (un procedimiento de esta clase está descrito, por ejemplo, en el artículo "Wirtschaftliche Fertigungstechniken für die Herstellung von Aluminiumschäumen", Aluminium, número 76 2000, páginas 491 y siguientes). Según el documento DE 195 01 508 C1, se colocan luego dentro de un molde de fundición los cuerpos de espuma de aluminio fabricados de esta manera con una densidad de 0,6 a 0,7 g por cm^{3}, con porosidad cerrada, apoyándose o fijándose el macho de aluminio espumado en los sitios menos cargados de la pared interior del útil de fundición para que quede entre el macho y el útil una distancia uniforme con un espesor de pared deseado. Únicamente por la conservación de esta distancia entre la pieza de macho y el útil queda garantizada la formación de una pared cerrada y suficientemente robusta en la pieza moldeada obtenida. El procedimiento empleado para aplicar apoyos de macho como sostén de machos en cavidades de moldeo es una práctica corriente desde hace ya mucho tiempo en procedimientos de fundición (véase Giessereilexikon, 17^{a} edición 1997, Stephan Hasse, página 658 y páginas 640 y siguientes). Resulta en conjunto como exigencia impuesta a los machos que se han de emplear no sólo que éstos han de ser suficientemente estables frente a la presión para su empleo en el procedimiento de fundición a presión o bien, cuando se emplean en procesos de llenado para fundición con pequeña velocidad, han de ser correspondientemente resistentes a la temperatura frente a metal líquido o semilíquido para no variar su posición en el molde o liberar nuevamente una parte del volumen requerido por ellos durante el proceso de llenado, sino que también hay que satisfacer la exigencia impuesta al apoyo exactamente ajustado dentro de la cavidad de moldeo y esta exigencia se configura en parte como muy complicada. Esto se puede apreciar, por ejemplo, en el amplio abanico de apoyos de macho comercialmente producidos (véase, por ejemplo, el abanico de suministro de la compañía Phoebus Kernstützen GmbH & Co. KG, Dortmund) y también en el empleo de aparatos de pegado de apoyos de macho como medios auxiliares para inmovilizar el cuerpo de macho en un molde de fundición. Sin embargo, precisamente la utilización de apoyos de macho para el posicionamiento exacto de un macho en un molde de fundición conduce a presiones puntualmente muy altas en la piel exterior de los cuerpos de macho correspondientes durante el proceso de llenado del molde. Especialmente en el caso de cuerpos de espuma reducidos en peso, esto constituye un problema cuando tales cuerpos de espuma no pueden fabricarse con ajuste exacto y no se forma al mismo tiempo una piel exterior de estabilidad correspondiente que pueda aguantar las cargas de temperatura y presión descritas durante el proceso de llenado con independencia de que se empleen o no apoyos de macho. Por tanto, el cometido de la invención consiste en resolver el problema del vertido seguro de material fundido alrededor de un cuerpo de espuma reducido en peso y hacer posible un procedimiento de transformación de tales cuerpos metálicos en piezas moldeadas metálicas reducidas en peso por elaboración adicional en un procedimiento de fundición.

Por consiguiente, es objeto de la invención un procedimiento para fabricar piezas moldeadas metálicas según el preámbulo de la reivindicación 1 que se caracteriza porque se colocan dentro de un molde cuerpos metálicos según la parte caracterizadora de la reivindicación 1 con superficie cerrada en todos los lados y con una estructura hueca en su interior y se llena a continuación la cavidad de moldeo restante con un metal o una aleación metálica.

La zona de la superficie del cuerpo metálico tiene aquí preferiblemente una densidad media que es más alta que la del interior del cuerpo metálico en el factor 1,5 a 20, preferiblemente 3 a 15 y de manera especialmente preferida 5
a 10.

En caso de que la estructura metálica que envuelve el cuerpo metálico (macho) tenga una densidad más alta que la densidad media del cuerpo metálico empleado, se reduce correspondientemente en peso la pieza moldeada fabricada a partir de la misma. En caso de que ésta tenga una densidad sustancialmente igual, no está ligada a esto, naturalmente, ninguna reducción del peso, pero se puede obtener a más bajo coste un material eventualmente más caro por incrustación de un cuerpo moldeado más barato.

Como cuerpo metálico es adecuado un macho de espuma metálica que presente una estructura de espuma integral. Habitualmente, se recubre el cuerpo metálico con una masa metálica fundida líquida, lo que puede realizarse, por ejemplo, en una máquina de fundición a presión.

Es posible también recubrir el cuerpo metálico con metal en estado parcialmente solidificado de conformidad con el procedimiento de fundición semisólida.

Según la geometría y la propiedad mecánica deseada o pretendida de las piezas moldeadas metálicas, es posible también, naturalmente, recubrir varios cuerpos metálicos del mismo tipo o diferentes.

Especialmente adecuados para el procedimiento según la invención son metales ligeros, especialmente aluminio o aleaciones de aluminio, pudiendo ser los metales o aleaciones empleados para fabricar las piezas moldeadas distintos de los utilizados para los cuerpos moldeados.

Como ya se ha indicado, se utiliza como cuerpo metálico una espuma moldeada integral metálica que, en contraste con los cuerpos de espuma usualmente descritos en la bibliografía, no presenta una morfología uniforme de la espuma a lo largo de su sección transversal. (La fabricación de un cuerpo metálico de esta clase se describe en el documento DE 101 04 339.2.) Por el contrario, se trata de un cuerpo de espuma moldeada que puede fabricarse con fidelidad del contorno en las zonas exteriores y cuya envoltura exterior está cerca de la densidad del metal utilizado o de la aleación metálica utilizada. Por tanto, esta espuma integral metálica representa un auténtico material de gradiente. No obstante, en el interior del cuerpo moldeado se reduce la densidad por la aparición de burbujas de gas, de modo que la densidad media del cuerpo moldeado completo está por debajo de la densidad teórica del metal empleado o de la aleación metálica empleada (figura). La densidad media por milímetro cúbico de la capa milimétrica exterior del cuerpo moldeado es entonces más alta que la densidad media en el interior de dicho cuerpo moldeado en el factor 1,5 a 20, preferiblemente 3 a 15 y de manera especialmente preferida 5 a 10. Tales cuerpos moldeados se pueden fabricar directamente por un procedimiento de fundición a presión a partir de la masa fundida con adición de un agente de expansión. Mediante una variación adecuada de los parámetros del procedimiento se pueden adaptar el espesor de la piel exterior del cuerpo moldeado y, por tanto, la estabilidad a la temperatura y la presión de conformidad con el respectivo empleo, haciendo posible al mismo tiempo la fidelidad del contorno del cuerpo moldeado obtenido un posicionamiento exacto durante la elaboración ulterior. Así, por ejemplo, los cuerpos metálicos a emplear según la invención pueden aprovecharse para reducir el peso de una pieza de fundición metálica complicada utilizándolos para ello como machos que quedan en el producto final. Sin embargo, es posible también utilizar tales machos para una reducción del coste de los cuerpos finales debido a su proceso de fabricación industrial, ya que, en primer lugar, dichos machos se pueden fabricar en forma favorable y, en segundo lugar, pueden estar hechos enteramente de un material más barato que el de la envoltura metálica que los rodee posteriormente. Debido a su especial estabilidad a la presión y la temperatura, tales machos se pueden utilizar no sólo para procedimientos muy rápidos, como el proceso de fundición inyectada, sino también, naturalmente, para procedimientos lentos y, por tanto, muy exigentes respecto de la carga de temperatura sobre el cuerpo del macho. Se obtiene así un amplio abanico de campos de aplicación, como, por ejemplo, fundición por compresión, e incluso el empleo en procedimientos de fundición que trabajen con metales o aleaciones metálicas que no estén completamente líquidos, como, por ejemplo, la tixofundición (fundición de metal
semisólido).

La piel exterior prácticamente cerrada de los cuerpos de espuma moldeada integral a emplear según la invención hace posible también su aplicación en procesos de fundición en vacío, dado que, para la calidad de la superficie obtenida, es posible someter a vacío el molde de fundición en el procedimiento de fabricación de cuerpos finales según la invención, sin que se observen continuamente en medida perturbadora fugas de gas del interior del cuerpo del macho ni una reducción acompañante del vacío.

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La introducción del macho de espuma moldeada integral en el molde de fundición empleado puede efectuarse manualmente o según procedimientos industriales por lo demás usuales, por ejemplo por medio de robots. Debido a la estabilidad a la temperatura y a la presión de la piel exterior del cuerpo de macho, el vertido subsiguiente de material fundido y, por tanto, la formación de la pieza objetivo reducida en peso pueden efectuarse enteramente también con metales o aleaciones metálicas de un punto de fusión más alto o a una temperatura de elaboración más alta que el punto de fusión del material del macho. Este procedimiento, que prevé la utilización de materiales de envoltura de más alto punto de fusión, tiene incluso la ventaja de que la superficie exterior del cuerpo del macho comienza a fundirse parcialmente y, por tanto, durante el proceso de solidificación subsiguiente del cuerpo final se forma una íntima unión metálica entre el material del macho y el material de cáscara envolvente de la pieza de trabajo final. Tal como es usual en los procedimientos de fundición industriales, se tiene que, entre otras razones por la excelente estabilidad a la presión de los cuerpos de macho empleados, no es en general necesario un tratamiento posterior de la pieza de trabajo definitiva. Se describe seguidamente la invención con más detalle ayudándose de un ejemplo de realización. La única figura muestra un fragmento de una espuma moldeada integral adecuada como macho.

En una máquina de fundición a presión usual en el mercado se debía fabricar una pieza de vehículo a base de un material de aluminio como cuerpo metálico integralmente espumado. A este fin, se llenó en un primer paso una cámara de fundición de una máquina de fundición a presión con una cantidad correspondiente de masa fundida metálica. En la cámara de fundición cerrada se añadió al metal líquido hidruro de magnesio en forma de polvo en calidad de medio de expansión generador de espuma. Casi al mismo tiempo comenzó una introducción rápida de la mezcla de agente de expansión y masa fundida metálica en la cavidad del molde. Se llenó la cavidad de moldeo hasta un volumen definido. Debido a la turbulencia producida se efectúa un buen mezclado a fondo en la cavidad de moldeo y llenado con espuma de dicha cavidad. Mediante el llenado por rociado se solidificó el metal en las paredes del molde y se formó una pared densa y homogénea del cuerpo metálico, siendo ajustables tanto los espesores de pared como la porosidad y su gradiente por variación de parámetros del procedimiento.

El "disparo de inyección" se efectuó antes de la formación de espuma y el proceso de espumado se desarrolló "in situ" en la cavidad de moldeo. El material se espumó rápidamente hasta la forma fría. La pieza estructural presentaba una masa de sólo aproximadamente un 40% en comparación con piezas de fundición a presión convencionales hechas del mismo material. El cuerpo metálico fabricado según el ejemplo fue colocado luego como macho dentro de un molde de fundición de mayor tamaño y se cerró el molde de fundición. Según el procedimiento de fundición a presión usual, se expulsó después una masa fundida metálica de la cámara de fundición de la máquina de fundición a presión hacia la cavidad de moldeo. En esta operación de llenado se llenó completamente la cavidad de moldeo y, después del enfriamiento del cuerpo moldeado, se retiró el metal sobrante del canal de inyección por disparo y del extremo de la cámara de fundición. El resultado de este proceso fue una pieza moldeada reducida en peso que presentaba cavidades en la zona del cuerpo de macho introducido, pero que correspondía a una pieza de fundición maciza en la zona de las estructuras no ocupadas por el macho.

En la sección del cuerpo metálico dado a título de ejemplo (figura) se puede apreciar claramente la fidelidad del contorno correspondiente al molde empleado y se pueden apreciar también la morfología diferente en el borde y en el interior del cuerpo moldeado, así como la estabilidad a la presión del macho con ayuda de la huella de impresión plana del expulsor.

El cuerpo moldeado fabricado según el ejemplo presentaba una densidad más pequeña y un comportamiento de absorción de vibraciones mejor que el cuerpo de comparación de material macizo correspondiente.

Claims (9)

1. Procedimiento para fabricar piezas moldeadas metálicas introduciendo cuerpos metálicos en un molde de fundición y llenando seguidamente la cavidad de moldeo restante, por fundición a presión, con un metal o una aleación metálica, caracterizado porque se forma el cuerpo metálico en una máquina de fundición a presión introduciendo rápidamente una mezcla de un agente de expansión generador de espuma y una masa fundida metálica y llenando seguidamente de espuma la cavidad de moldeo, desarrollándose el proceso de espumado "in situ" en la cavidad de moldeo y generándose por el llenado de rociado del metal y su solidificación en las paredes del molde una pared densa y homogénea del cuerpo metálico y presentando ésta así una estructura de espuma integral con superficie cerrada en todos los lados.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona de la superficie del cuerpo metálico tiene una densidad media más alta que la del interior del cuerpo metálico en el factor 1,5 a 20, preferiblemente 3 a 15 y de manera especialmente preferida 5 a 10.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la estructura metálica que envuelve al cuerpo metálico (macho) tiene una densidad más alta que la densidad media del cuerpo metálico empleado.

4. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se recubre el cuerpo metálico con una masa fundida metálica líquida.

5. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el recubrimiento del cuerpo metálico se efectúa con metal en estado parcialmente solidificado de conformidad con el proceso de fundición de metal semisólido.

6. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque, después de la introducción del cuerpo metálico en el molde de fundición y antes de la entrada del metal en dicho molde de fundición, se aplica un vacío al molde y únicamente después se realiza el llenado del molde.

7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se colocan varios cuerpos metálicos del mismo tipo o diferentes dentro de un molde y a continuación se recubren éstos con material fundido.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se utiliza para rellenar el molde una masa fundida de metal ligero, especialmente de aluminio o una aleación de aluminio.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se emplea un cuerpo metálico hecho de metal ligero.