Fundición en cámara caliente: Una inmersión profunda en un proceso de fabricación crucial

La fundición a presión en cámara caliente es un proceso de fabricación muy eficaz que se utiliza mucho para producir piezas metálicas de gran precisión y con un excelente acabado superficial. Es especialmente adecuado para la fundición de metales con puntos de fusión bajos, como el zinc, el magnesio y algunas aleaciones que contienen plomo. Se caracteriza por el hecho de que el sistema de inyección se sumerge en metal fundido, por lo que permite ciclos de alta velocidad y una fabricación en serie económica.

Siempre surge un lugar de comparación similar cuando se consideran las fundiciones a presión de cámara fría frente a las de cámara caliente. Aunque ambas son variaciones de la fundición a presión, difieren mucho en cuanto a diseño, aplicaciones y compatibilidad de los materiales utilizados. Un ejemplo es la fundición a presión de cámara caliente, que es una fundición a presión de alta velocidad en la que el horno se ha sustituido por una máquina. Eso conlleva la limitación de los metales de punto de fusión más bajo. Por el contrario, el tipo de máquinas de cámara fría se utiliza más con los líquidos de punto de fusión alto, como el aluminio y el latón, ya que el metal caliente no entra en contacto directo con el equipo.

El proceso de fundición a presión en cámara caliente se caracteriza por un desperdicio mínimo de material, bajos costes de mano de obra y fabricación de formas complejas con altas tolerancias. Es popular en industrias como la automoción, la electrónica, la fontanería y los productos de consumo. No obstante, la decisión de utilizar la fundición a presión en cámara fría o en cámara caliente depende también del tipo de material utilizado y del aspecto del diseño de la pieza.

El artículo examina los detalles importantes de Fundición en cámara calientesus partes, materiales, descripción del proceso, limitaciones y razones por las que es un proceso esencial en la industria manufacturera contemporánea.

¿Qué es la fundición a presión en cámara caliente?

La fundición a presión en cámara caliente es una técnica de fundición de metales en la que el metal fundido se inyecta a alta presión en la cavidad de un molde. La parte única del método dado es donde se coloca el mecanismo de inyección: Va directamente al metal fundido. Los tiempos de ciclo y la eficiencia de producción son elevados con esta configuración, especialmente en metales de bajo punto de fusión como el zinc, el magnesio y algunas aleaciones de plomo.

Cámara caliente. El nombre describe la cámara caliente del sistema, ya que el mecanismo de inyección (un émbolo y un cuello de cisne) está en contacto constante (lleno) con la zona de metal fundido. A medida que el émbolo desciende, comprime el metal fundido a través del cuello de cisne y dentro de la cavidad del molde. Cuando el metal se endurece, el molde se abre y la pieza es expulsada, y este proceso se repite innumerables veces.

Proceso de fundición a presión en cámara caliente

El proceso de fundición a presión en cámara caliente es una tecnología de fabricación de alta precisión y velocidad utilizada en la fabricación de piezas metálicas, donde la precisión de la herramienta es muy importante, con un gran acabado superficial. Es más apropiado en las aleaciones de bajo punto de fusión; el zinc, el magnesio y el plomo son ejemplos de aleaciones de bajo punto de fusión. Sus principales características son tiempos de ciclo cortos y gran eficiencia del material.

El proceso está muy extendido en la fabricación de una gran variedad de productos que se encuentran principalmente en la industria del automóvil, la electrónica, los electrodomésticos y la ferretería debido a su capacidad para crear fácilmente extremos complicados a un precio asequible por pieza. El proceso de fundición a presión en cámara caliente se detalla a continuación de forma escalonada:

Proceso de fundición a presión en cámara caliente - Descripción paso a paso

1. El metal se funde

Comienza con el moldeo del metal fundido (que suele ser zinc o magnesio), en un horno incorporado a la máquina de fundición a presión. El metal fundido se mantiene a una temperatura constante dentro de la olla de metal que está directamente conectada a la máquina de fundición. Este suministro ininterrumpido de calor garantiza que los procesos de fundición sean continuos.

2. El proceso de llenado del sistema de inyección

En los sistemas de cámara caliente, hay una parte del metal fundido con una parte de un componente conocido como cuello de cisne sumergido. El émbolo, que corre dentro del cilindro de inyección, se tira hacia atrás hasta una posición en la que el metal fundido puede brotar hacia el cuello de cisne en el orificio de entrada de la inyección. El siguiente paso consistirá en inyectar este metal en la cavidad de la matriz.

3. Inyección de metal fundido

Cuando se llena el cuello de cisne, el émbolo es empujado hacia delante por presión hidráulica o neumática, que fuerza el metal fundido a través del canal del cuello de cisne hacia la cavidad del molde (también llamada matriz). Esto se hace a una velocidad y presión elevadas para asegurarse de que la cavidad se llena totalmente antes de que el metal empiece a endurecerse.

4. Colada y solidificación en el molde

El metal caliente de la matriz se enfría rápidamente con el acero relativamente frío del molde. La solidificación tarda varios segundos, en función del tamaño y la complejidad de la pieza. En este paso, los canales de refrigeración de la matriz ayudan a eliminar el calor para garantizar que no se reduce la velocidad del ciclo y se evitan defectos como la contracción o la porosidad.

5. Expulsión y apertura del molde

Una vez solidificado el metal, se abren las mitades del molde. El sistema eyector se coloca en la mitad móvil del molde, y funciona bajo fuerza mediante el uso de pasadores eyectores y fuerza la pieza de fundición terminada a salir de la cavidad. Se garantiza que la pieza pueda salir sin sufrir daños durante la expulsión.

6. Funcionamiento secundario y recorte

Después de ser expulsada, la pieza puede contener un material extra llamado flash, runners o sprues. Estos materiales se recortan a mano o automáticamente. La pieza puede seguir procesándose en función de la aplicación, como el acabado superficial, el mecanizado o el revestimiento.

7. Repetir ciclo

La máquina se limpia para volver a utilizarse. La fundición a presión en cámara caliente se caracteriza por tener un tiempo de ciclo tan rápido, que a veces permite crear algunas piezas acabadas en tan solo 10 o 20 segundos, en función de la complejidad y el tamaño de la pieza.

Duración del ciclo y eficiencia

La rapidez es la mayor ventaja del proceso de cámara caliente. Máquinas de cámara caliente. A diferencia de la fundición a presión en cámara fría, en la que hay que introducir el metal en la cámara, el metal se extrae del horno. Esto ahorra pasos del ciclo y aumenta la eficacia de la producción.

Las ventajas de este proceso

• Tiempos de ciclo más cortos y gran productividad
• Alto rendimiento y repetibilidad reales
• Mejor acabado superficial, que en muchos casos elimina la necesidad de realizar un tratamiento posterior.
• Economía en el uso del material y reducción al mínimo de los residuos
• Amigable con la automatización, que permite la producción a gran escala a un precio razonable.

Materiales de fundición a presión de cámara caliente

El proceso de fundición a presión en cámara caliente es adecuado para metales y aleaciones cuyos puntos de fusión sean de bajos a moderados. Los materiales utilizados no deben poder corroer ningún componente de acero (como el cuello de cisne y el sistema de émbolo), ya que se humedecen continuamente con metal fundido durante el proceso de fundición.

A continuación se presentan los materiales más utilizados en la fundición a presión en cámara caliente, así como sus peculiaridades y aplicación general:

1. Aleaciones de zinc

El material más utilizado en el proceso de fundición a presión (cámara caliente) es el zinc. Tiene buena colabilidad, resistencia y acabado superficial, lo que lo hace muy popular en diversas industrias.

Beneficios clave:

• Punto de fusión muy bajo (~419 °C o 786 o F )
• Gran relación resistencia-peso
• Espléndida fluidez y gran precisión de dimensiones
• Buenas propiedades de resistencia a la corrosión
• Baja temperatura de fusión, por tanto, larga vida útil de la matriz

Aleaciones comunes de Zinc, que incluyen:

• Zamak 2, 3, 5, 7 (Zamak 3 es el más popular)
• Aleaciones ZA (Zinc-Aluminio), pero un mejor contenido metálico de aluminio puede ser más adecuado para la cámara fría.

Aplicaciones:

• Piezas de automóviles
• Componentes eléctricos
• Construcciones y fijaciones
• Exactitud de dientes engranajes y cajas

2. Aleaciones de magnesio

El magnesio es el metal estructural más ligero y tiene una mejor relación resistencia-peso. La razón por la que se utiliza en la fundición a presión en cámara caliente es que muchas de las piezas que utilizan aquí necesitan resistencia además de una masa mínima.

Beneficios clave:

• Ligero (aproximadamente un 33% más ligero que el aluminio)
• Están bien trabados y rígidos, Buena resistencia y rigidez
• Excelente apantallamiento EMI/RFI (adecuado para su uso en electrónica)
• Respetuoso con el medio ambiente y reciclable

Aleaciones comunes:

• La aleación de magnesio más utilizada en la fundición a presión es la AZ91D.

Aplicaciones:

• Las carcasas de portátiles y smartphones
• Marcos del salpicadero del automóvil
• Componentes aeroespaciales
• Herramientas eléctricas

Nota: Aunque el magnesio también puede fundirse en una máquina de cámara fría, es preferible utilizar máquinas de cámara caliente cuando el magnesio que se va a fundir es pequeño. Esto se debe a que los tiempos de ciclo son más cortos.

3. Aleaciones de plomo y estaño

Las aleaciones de plomo y estaño se han eliminado en su mayor parte debido a las restricciones sanitarias y medioambientales en la fundición a presión en cámara caliente, pero en el pasado se utilizaban en aplicaciones especiales.

Beneficios clave:

• Puntos de fusión bajos (~327 o C (plomo) y ~232 °C (estaño))
• Alta densidad (más adecuado para usos como contrapesos o escudos contra radiaciones)
• Excelente estabilidad dimensional

Aplicaciones:

• Herrajes de estilo antiguo
• Instrumentos de precisión
• Componentes de munición
• Artículos de decoración

Advertencia: Debido a su toxicidad, las aleaciones con plomo están hoy muy limitadas en muchas industrias y países.

4. Aleaciones a base de cadmio (No tan Com)

Se han aplicado con poca frecuencia por razones de toxicidad y reglamentarias, pero anteriormente se habían seleccionado por su excelente servicio de fundición, así como por su resistencia al desgaste.

La razón por la que no se utilizan aleaciones de alta temperatura.

Una limitación característica de la fundición a presión con cámara caliente como:

• Aluminio
• Latón
• Cobre
• Acero

La máquina de cámara caliente se dañaría o corroería, ya que este tipo de metal tendría una temperatura y una reactividad elevadas frente a las piezas sumergidas de la máquina de cámara caliente, por ejemplo, el émbolo y el cuello de cisne, etc. Se utilizan más bien en la fundición a presión de cámara fría, que aísla el metal fundido y el mecanismo de inyección. 

Tabla resumen: Materiales adecuados para la fundición a presión en cámara caliente

¿Razones por las que las aleaciones de aluminio no son aplicables en la fundición a presión con cámara caliente?

Aunque las aleaciones de aluminio tienen muchas aplicaciones en la industria de la fundición a presión, debido a su resistencia, ligereza y resistencia a la corrosión, no pueden fundirse en caliente. Por el contrario, normalmente se tratan mediante la técnica de fundición a presión en cámara fría.

Para explicarlo, ¿cuáles son las razones técnicas y materiales por las que "las aleaciones de aluminio no se utilizan en la fundición a presión en cámara caliente"?

1. Gran temperatura de fusión

El principal factor que hace que el aluminio no sea compatible con el proceso de cámara caliente es que tiene un punto de fusión elevado. La mayoría de las aleaciones de aluminio se funden a partir de 660 o C (1220 o F).

El cuello de cisne y el émbolo, así como otras piezas de inyección, se sumergen siempre en metal fundido en las máquinas de cámara caliente. Es eficaz en el caso de metales con un punto de fusión relativamente bajo, como el zinc (419 o C), el magnesio (~650 o C). Sin embargo, estos componentes se degradarían o destruirían rápidamente a las temperaturas más elevadas del aluminio y provocarían el fallo del equipo y costosas reparaciones.

• Traje SAC compatible con cámara frigorífica
• Cámara caliente demasiado caliente por no decir otra cosa

2. Ataque a piezas de acero

El aluminio es químicamente reactivo y tiende a corroer los metales ferrosos, sobre todo, a altas temperaturas. En los sistemas de cámara caliente, en los que elementos como el cuello de cisne y la boquilla se encuentran en el baño de fusión, el aluminio no sólo se corroería, sino que además corroería las piezas de acero, lo que acortaría drásticamente el ciclo de vida de la máquina.

Esta respuesta no sólo reduce la vida útil del equipo, sino que contamina el metal fundido y provoca una fundición deficiente e imperfecciones en el producto final.

3. Problemas de compatibilidad de los equipos

Las máquinas de cámara caliente son máquinas pequeñas y rápidas, pero adecuadas para realizar coladas repetitivas rápidas de metales de bajo punto de fusión. El horno incorporado está estrechamente interrelacionado con el sistema de inyección. Para utilizar aleaciones con un punto de fusión elevado, como el aluminio, sería necesario:

• Componentes reforzados
• Las aleaciones resistentes a altas temperaturas se fabrican con aleaciones especiales
• Sistemas de aislamiento más complicados

Esto haría ineficaz la simplicidad y la ventaja de velocidad de la fundición a presión en cámara caliente. Esta es la razón por la que los ensambladores optan por utilizar máquinas de cámara fría en las que vierten el aluminio fundido en el exterior, y el sistema de inyección tampoco está sumergido.

4. Riesgo de oxidación y escoria

A altas temperaturas, el aluminio es propenso a oxidarse fácilmente en presencia de aire. Esta oxidación puede provocar la formación de escoria (óxido de aluminio) en una disposición de cámara caliente en la que el metal esté continuamente expuesto:

• Contamina el metal
• Surface defects are caused by causes
• And results in mechanical deficiencies of the finished product

This risk is minimized by the fact that cold chamber die casting reduces the amount of time molten aluminum is exposed.

5. Preocupación por la seguridad

Processing aluminum in a hot chamber machine would pose a great risk of burn injuries, leakage and breakdown of the machine. Further thermal stress associated with working at higher temperatures exposes to further threat of:

• There is bleeding molten metal leakage
• Blowing out reactions of steam
• Pressure components failure

The cold chamber systems enable improved isolation and safety regulation with these high temperatures.

Comparación entre cámara caliente y cámara fría en aluminio

Sistemas de componentes de fundición a presión en cámara caliente

The Hot Chamber Die Casting process is based on a group of well-engineered components that complement each other to produce accurate and repeatable castings. All the parts are very vital when it comes to efficiency, speed, and accuracy. Being aware of these elements contributes to the production, preventive, and quality controls.

The main constituents of a Hot Chamber Die Casting machine are as shown below:

1. Un horno más (olla de metal)

In the core of the system, there is a furnace, or the so-called metal pot, where the molten metal, which will be used in casting, is situated. In hot chamber die casting, an equivalent furnace is incorporated into the machine and maintains the metal at a sufficiently high temperature to use it immediately. As opposed to cold chamber systems, the process of immersion of other components in this molten bath separates it.

2. Cuello de cisne

Gooseneck constitutes a bent metal pipe connecting the furnace with the injection chamber. It is crucial in redirecting hot metal from the pot to the mould. The gooseneck will be composed of strong, heatproof materials because it is constantly in contact with molten metal. The design further assists in sustaining the pressure and makes the metal buttery in injection.

3. Émbolo/Cilindro de inyección

The plunger mechanism or injection cylinder does the task of forcing molten metal into the die cavity. It operates with the gooseneck. When the plunger is pushed down, the molten metal becomes pressurised, causing the melt to force its way through the gooseneck into the mould. This should be done in a fast and forceful manner so that the die cavity will be filled fully.

4. Montaje de matrices/moldes

The die or mould is manufactured as two sections, the cover die (which is stationary) and the ejector die (movable). To get the final product, these well-machined halves will make up the cavity. The mould is frequently water cooled and contains vents and gates, and runners to maintain a desirable flow and cooling effect. To eliminate the solidified part, there are pins at the ejector side following casting.

5. Unidad de sujeción

The clamping unit ensures that the die halves are well bonded together during the injection of molten metal. It has to resist the casting pressure that arises when casting. When the metal cooled and solidified, the clamping unit opens the mould, and the finished part comes out of it. The clamping should also be strong in order to avoid metal leakages and to maintain the quality of parts.

6. Sistema eyector

Once the part solidifies, the ejector system is used. A part is ejected out of a mould cavity by ejector pins, which are usually found in the moving half of the die. This system has to be well coordinated such that the final product is not affected and the mould is not damaged.

7. 7. Sistema de refrigeración

Cooling is vital in order to control the cycle times and avoid defects. The circulating cooling system makes use of water or oil channels in the die in such a manner that the circulating fluid cools the metal in a short period as well as in a fast and uniform manner. A faster cooling also prolongs the life of the mould, and enables the parts to be handled at an increased rate.

8. Sistema de lubricación

Between cycles, die casting moulds are lubricated to avoid sticking and wear. Lubricants are sprayed on the die to help in releasing the parts as well as ensure a long life of the tools and stability of casting conditions. There is usually automated application to facilitate the even and timed application.

9. 9. Panel de control

Hot chamber die casting systems are also available in the modern system and are fitted with a digital control panel enabling management of temperature, injection speed, cycle time, and clamping force, among others. Such systems enhance uniformity in the processes, reduce the level of human error and ease the setting of parameters to suit various part designs.

10. Seguridad

Safety features have been incorporated in the machine because of the temperature and pressure when it is hot. They comprise shut-offs, shields, interlocks and temperature monitors to safeguard the operators as well as the equipment.

Ventajas de la fundición a presión en cámara caliente

The Hot Chamber Die Casting process has many advantages, such that many manufacturers are always willing to engage in the process:

1. Producción a alta velocidad

The injection system forms part of the molten metal reservoir system, and so metal does not have to be ladled into the chamber. The combination of this system yields higher injection speeds and low cycle time- hot chambers systems are therefore suitable in homes mass production.

2. Economía de materiales

Very little wastes are generated through this process. The leftover material can be used again most of the time, and thereby the total cost of the material reduces considerably. This aspect of sustainability is an increasing problem in contemporary production.

3. Mejor acabado superficial

Surface finishes of parts manufactured by the hot chamber casting are usually of good quality. In many cases, this saves on extra machining or finishing operations.

4. Larga vida útil del molde

As the metals used in the process of Hot Chamber Die Casting have lower melting points, those metals are less aggressive on moulded materials. This causes increased diesel life and lower maintenance charges.

Deficiencias de la fundición a presión en cámara caliente

One cannot argue with the fact that “Hot Chamber Die Casting” is not without limitations:

Material Limitations: It does not go well with the metals that have high melting temperatures, such as aluminium and copper. The internal components of the machine can be harmed by either corrosive or heating effects of these.

Equipment Wear: The equipment wear can be a factor, even though less severe than the cold chamber casting, whereby the apparatus is constantly exposed to melted metal.

Size Limitation: It can be applied to smaller and medium components since further expansion of the system can be inefficient and complicated.

Aplicaciones de fundición a presión en cámara caliente

This is a widely applied technique in all sorts of industries, particularly where precision and large-scale parts are required:

• Automóvil: Pieces such as carburettor houses, fuel system units and transmission components.
• Consumer Electronics: Portable cases, multi-functional parts of devices and equipment.
• Hardware and Tools: Hardware material based on Zinc, hinges, handles, locks, etc.
• Medical devices: Miniature, highly precise and tough devices.

The hot chamber process is fast and consistent, which is a quality that is advantageous to these industries. With most of these products being models that need detailed designs, the dimensional stability that is given by the Hot Chamber Die Casting comes as a big plus.

Fundición a presión en cámara fría frente a fundición en cámara caliente: Comprenda la diferencia

In the comparison between cold chamber die casting and hot chamber, there are various aspects which will need to be put into consideration, such as the compatibility of the materials, rates of production, cycle and the design of the equipment.

1. Uso del material

The type of metal is also one of the most significant differences between cold chamber die casting vs hot chamber. Hot chamber process only takes on metals which have low melting points, and cold chamber process takes on aluminium, brass and copper alloys which have high melting points.

2. Sistema de inyección

The injection mechanism in the hot chamber method is immersed in molten metal. Cold chamber casting, on the other hand, involves ladle feeding molten metal to the shot chamber by hand and injecting it into the die. This further action delays the process.

3. El tiempo de ciclo y la eficiencia 

Cycle time and efficiency denote the time it takes to turn over the sample or input of data in a cycle. There is also a big difference between cold chamber die casting vs hot chamber, with regards to cycle time. Hot chamber process is quick and hence suitable for large volume runs. Although cold chamber casting is slower, it can be eased with more aggressive metals and hotter temperatures.

4. El tamaño y la complejidad de los componentes

Sections or parts that are larger or need materials that are more permanent are usually cast using the cold chamber method. Comparatively, the hot chamber casting is suitable for smaller and complex parts where a cycle speed is vital.

When choosing a decision between hot chamber and cold chamber die casting, the manufacturer will have to look at the tradeoffs in the speed and material properties and wear on the equipment.

Consideraciones de diseño en la fundición a presión en cámara caliente

To design a part suitable for a hot chamber die casting part, the following issues need to be looked after: mould flow, parting lines, wall thickness, and ejector location. Since the molten metal is injected at high levels, the venting and cooling system plays an important role in preventing defects such as entrapment of air, shrinkage or incomplete fills.

The tolerances of the Hot Chamber Die Casting Process are usually smaller than those required by all the other casting processes, hence the reason why it is always used in manufacturing parts that need precision and have little machining.

Efectos medioambientales y económicos

Sustainable manufacturing is drawing more and more attention from modern foundries. Hot Chamber Die Casting is ideal in achieving this objective in that it shows a low scrap level and energy savings. The total carbon footprint of a part is much less than in other methods to produce metal parts because the metal being processed is recycled (no new metal is extracted), and cycle times are short.

The process is more economical when it involves a large output. Its cost of setting up the first die and machine may be high, but as the unit production scale increases, the costs involved drop tremendously.

Conclusión

Hot Chamber Die Casting has a very critical place in the industries that require speed, accuracy, and efficiency in their production. Knowing of its operation and in making the comparison of cold chamber die casting and hot chamber connections, an engineer will be able to make informed decisions on the choice of the most suitable process in line with the needs of their product.

Whether to use one or the other, the metal nature, the needed production volume, and the final usage should be taken into consideration. Hot chamber casting is unrivalled in efficiency and quality with respect to making small to medium components of low-melting-point metals.

All in all, despite the existence of the two methods of casting, Hot Chamber Die Casting will always be the first solution to the problem of manufacturing quality components in time and dependably. With the manufacturing process becoming more efficient and sustainable, the need for such optimised and sustainable processes, such as the hot chamber casting, will only increase, which makes this method more applicable than ever before.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cómo funciona la fundición a presión en cámara fría y la fundición principal en cámara caliente?

The injection system is the chief difference. The injection mechanism in hot chamber die casting is immersed in molten metal. The temperature is greater in the cold chamber, and the metal is ladled outside.

2. ¿Cuáles son los metales más adecuados para la fundición a presión en cámara caliente?

The metals that are commonly used are zinc and magnesium alloy since they have low melting temperatures, and they suit the immersed injection system in which they are used to make.

3. El aluminio no es aplicable en la fundición a presión en cámara caliente, ¿por qué?

Aluminium is known to have a high melting point and is corrosive to the steel parts in the machine. The cold chamber method is used in its processing to prevent damage to its equipment.

4. ¿Cuáles son las ventajas de la fundición a presión en cámara caliente?

It provides short cycle times, low labour costs, small tolerances, and high surface finishes of small and medium-sized parts.

5. ¿Es adecuada la fundición a presión en cámara caliente para piezas de gran tamaño?

Generally, no. It is minimized when the parts are small and detailed. Too large dimensions usually mean a need for cold chamber die casting because of the size and material restraint.