Fundición de piezas para bloques de motor

Los motores de última generación y alto rendimiento se guían por el objetivo de reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape. Ahora bien, esta meta debe conseguirse al tiempo que se mantiene la rentabilidad o, lo que es lo mismo, reduciendo costes. Los fabricantes, con el apoyo de los proveedores de la industria de la automoción, desarrollaron e implementaron en la producción en serie innumerables medidas que requirieron grandes esfuerzos a nivel de desarrollo.

He aquí algunos ejemplos excelentes que nos permitirán recordar los logros conseguidos en cuanto a desarrollo:


En general se puede distinguir modificaciones del motor internas y externas. La introducción continua de gas de escape tras su tratamiento en el vehículo mediante un catalizador o un filtro de partículas diésel es una medida importante para mejorar las emisiones de escape. Los bucles de control inteligentes, como el sistema automático de arranque/parada o el sistema de desconexión parcial de cilindros de los motores de 12 cilindros de la gama alta, están muy en consonancia con esta tendencia. Las modificaciones internas del motor pueden provocar cambios en el cárter, que a su vez derivan en cambios en los requisitos aplicables al método de producción de la fundición como proveedor del fabricante de automóviles.
Dado que el cárter es el componente de mayor tamaño del motor, muchos se centran en la idea de reducir el consumo disminuyendo su peso. La regla general es que si se reduce en 100 kg la masa del turismo, el consumo de combustible se reducirá en 0,3 litros por cada 100 km. Por ello, el desarrollo del material del cárter es de especial importancia. Propiedades de los materiales como la densidad y la resiliencia son factores que tienen una gran influencia sobre la masa del componente. El uso de hierro fundido como material para la fabricación de cárteres ha quedado relativamente obsoleto.

Por otra parte, la producción en serie de cárteres realizados a partir de aleaciones de aluminio, que empezó a ponerse en práctica mucho más tarde, supone un punto de inflexión en la fabricación de turismos. En un principio, la desventaja decisiva de la versión estándar fabricada en hierro fundido en comparación con su equivalente en aluminio es su mayor densidad (7,2 g/cm³). A día de hoy, los cárteres para camiones suelen fabricarse en hierro fundido. Ambos materiales compiten actualmente por ser elegidos como el material estándar para el cárter de las grandes series de turismos.
Un punto de inflexión posterior es lo que se conoce como "downsizing", que no es otra cosa que reducir el tamaño. El "downsizing" consiste en sustituir los motores de gran volumen por motores de menor cilindrada, pero con una potencia igual o superior. Es posible reducir los gases de combustión y de escape con un motor de igual peso pero mayor potencia o bien con uno de igual cilindrada y mayor potencia. Así, la relación potencia-peso y la potencia de salida por litro son los valores característicos del "downsizing". Estos valores se mejoran sobrealimentando el motor.
Se puede observar una evolución paulatina desde el motor atmosférico, pasando por la sobrealimentación, hasta la doble alimentación (turbo y compresor). Las unidades asociadas son el sobrealimentador y el turbocompresor. Para el vehículo adecuado, un motor en línea de 4 cilindros y alto rendimiento de doble alimentación es una posible alternativa a un motor atmosférico de 6 cilindros. Esto también se conoce como "downsizing" de cilindros. Un cilindro menos se traduce en menor fricción, un cárter más pequeño, una culata de menor tamaño, un menor número de tapas de cojinetes, etc., lo que deriva en un peso total inferior. Por lo general, al aumentar la presión de encendido mediante sobrealimentación aumenta también la carga sobre el cárter. Para compensarlo, las paredes deberán tener un mayor grosor. Ahora bien, un mayor grosor de pared implica un aumento del peso y un mayor consumo de combustible. Hay una gran demanda de materiales de mayor resistencia, ya que su uso no implica una pérdida de la ventaja de la sobrealimentación.
Así, el "downsizing" ha ampliado su visión limitada de la densidad, incluyendo la resistencia del material. Éste es un extenso campo de trabajo para el desarrollo en las fundiciones y para sus proveedores. ASK también contribuye a ello trabajando para aumentar la resistencia mediante la mejora de la disipación del calor a través del material del molde. Además de por la composición química del material, la resistencia del componente también viene determinada por las propiedades termofísicas del material del molde.

Nuevas propuestas para el desarrollo de diseños ligeros

  • Cárteres híbridos fabricados a partir de una estructura compleja de hierro fundido y aleación de aluminio (Gießerei Halberg Guss en colaboración con VAW mandl & berger)
  • Cárteres híbridos fabricados a partir de aleación de aluminio y aleación de magnesio (BMW AG, Gießerei Landshut)
  • Hierro fundido de baja densidad - < 6,8 g/cm³ (Gießerei Halberg Guss)


Soluciones para la fundición de piezas para bloques de motor

La topología superficial de los cuerpos de los cilindros, las roscas, los conductos de aceite especialmente estrechos y las zonas con tolerancias dimensionales muy bajas no se puede procesar en un único paso de producción durante la fundición. Para ello se recurre a la mecanización, si bien el conformado semifinal ("near-net-shape") es un requisito fundamental para este tipo de fundición, para que así los costes de procesamiento se puedan reducir al mínimo. Las tolerancias de fundición estandarizadas, que a su vez dependen del método de fundición, son la base.

  • Flexibilidad en cuanto a tamaño: con el método de fundición en arena se pueden producir todos los tamaños de cárter, desde el cárter pequeño de 3 cilindros para turismos hasta el cárter más grande disponible para camiones.
  • Flexibilidad en cuanto a geometría: la libertad de diseño de las cavidades del cárter es mucho mayor en comparación con el método de fundición a presión.
  • Flexibilidad en cuanto a tiempo: se pueden implementar cambios en la geometría y prototipos con mucha mayor rapidez y de forma más rentable en comparación con el método de fundición a presión.

Si tenemos en cuenta todo el proceso de producción, el "nacimiento" del cárter comienza con el proceso básico de moldeo de la pieza de fundición. Se distingue entre la fundición en coquilla metálica y en moldes desechables. La fundición en moldes desechables fabricados en arena aglomerada (fundición en arena) está muy extendida en la producción de cárteres, ya que este método de fundición aúna el máximo nivel de flexibilidad con una excelente rentabilidad.
El material base de moldeo y el aglomerante son de especial importancia en el método de fundición en arena. Dada su gran importancia, también se adaptó la denominación. En el método de paquete de machos, toda la geometría está representada por machos de arena. Se aplica un recubrimiento a la superficie del macho en función del comportamiento de viscosidad de la masa fundida, la presión de la masa fundida, las velocidades de llenado y el rango de temperaturas de fundición. Los recubrimientos, una dispersión de partículas refractarias y agua, se utilizan para las masas fundidas de hierro, mientras que los recubrimientos para machos en polvo se aplican a las masas fundidas de aluminio.
En el método de moldeo en arena en verde, al menos uno de los contornos principales está representado por arena aglomerada con bentonita. No obstante, esto puede provocar cavidades con rebajes en los equipos auxiliares y secundarios, como es el caso de una carcasa de una bomba de agua, como consecuencia de los machos adicionales introducidos en el molde con bentonita. Ambos tipos de fundición se emplean en la fundición de hierro.

El método preferente para la fabricación de cárteres a partir de aleaciones de aluminio es el método de paquete de machos. El mayor contenido de hidrógeno en las masas fundidas de aluminio provoca defectos de fundición. El molde se calienta al enfriarse la masa fundida. El aglomerante que contiene se calienta y emite gas, el cual penetra a través del cuerpo poroso del material del molde hasta llegar a la capa superficial que separa el molde de la masa fundida. Si el gas contiene hidrógeno, éste puede atravesar esta capa superficial y penetrar en el molde. Dado que las masas fundidas de aluminio son sensibles al hidrógeno, uno de los requisitos del aglomerante es que no emita gases que contengan hidrógeno. Puesto que al utilizar moldes con bentonita se libera vapor de agua, para las masas fundidas de aluminio se emplea por precaución el método de paquete de machos.
Además de los requisitos técnicos, como una resistencia suficiente del molde o la resistencia a la abrasión, los requisitos de protección medioambiental cada vez cobran más protagonismo. Así, las emisiones de gas deberán ser más respetuosas con el medio ambiente en cuanto a su composición, cantidad y olor. ASK Chemicals ha sentado las bases para el desarrollo de aglomerantes inorgánicos y aglomerantes altamente reactivos.
Tal y como muestran los siguientes ejemplos, los primeros parámetros aproximados para el proceso de fundición surgen a partir de las características arriba detalladas: diseño, cilindrada, número de cilindros, número de bancadas de cilindros, ángulo de las bancadas de cilindros, "cubierta abierta" o "cubierta cerrada". En el caso de los motores en V con un ángulo de bancada de cilindros de 90º debe emplearse siempre el método de paquete de machos. El problema de los rebajes, que se producirían de no hacerlo, se resuelve incluyendo un "macho de corazón" en el paquete de machos, el cual representaría el espacio entre las bancadas de cilindros. Por el contrario, un motor en V de 6 cilindros con un ángulo extremadamente reducido entre las bancadas de cilindros puede moldearse horizontalmente con hierro fundido y sin utilizar un paquete de machos, ya que este diseño no presenta cavidades entre las bancadas de cilindros. La relación entre la cilindrada y el tamaño del molde debería servir como tercer ejemplo: para producir machos para el cárter de un camión con un motor en V de 12 litros de cilindrada se precisan cajas de molde y herramientas lo suficientemente grandes. En la misma caja de molde se podrían moldear simultáneamente cuatro cárteres para un motor de 1,4 litros de un turismo.
Entre los parámetros aproximados del proceso de fundición se incluye la posición de colada. Si los cuerpos de los cilindros están en su mayor parte paralelos a la sección horizontal del molde, la posición de colada se denomina horizontal. Si los cuerpos de los cilindros están en un ángulo de 90º con respecto a la sección horizontal del molde, la posición de colada se denomina vertical. La posición de colada vertical sólo es posible con el método de paquete de machos.

Requisitos del material

El cárter está sometido a una carga compleja localizada que debe soportar de forma fiable durante varios cientos de miles de kilómetros a lo largo de muchos años. Ésta es consecuencia del complejo de cargas que actúan sobre el componente y que se componen de las fuerzas gaseosas generadas durante el ciclo de combustión, las fuerzas de reacción del ciclo de trabajo, uniones acodadas y uniones roscadas. También están las fuerzas interiores de la expansión térmica, las tensiones internas, la fuerza de masa que ejerce el propio peso del componente, la fuerza de masa de los componentes atornillados, como el cigüeñal y la culata, y las fuerzas de la expansión térmica de las piezas adicionales que se transmiten a través de la unión roscada.
Las tensiones térmicas más altas se encuentran normalmente en la zona de la pared de la placa de cubierta. El hecho de que el agua y los lubricantes circulen por el componente hace que los conductos que transportan el líquido en el cárter deban cumplir una serie de requisitos de estanqueidad a la presión, limpieza y permeabilidad. Debido a su función de guía del pistón, el cuerpo del cilindro debe formar parte de un sistema tribológico: el sistema cuerpo del cilindro/lubricante/aro del pistón. Es por ello que la película superficial del cuerpo del cilindro debe presentar propiedades adecuadas desde el punto de vista tribológico. El objetivo es conseguir que la pérdida por fricción, el desgaste y el consumo de lubricante sean lo más bajos posibles.
Los requisitos del material se derivan de los casos de carga, las operaciones de producción del fabricante de automóviles y los aspectos medioambientales:

  • CO2 equivalente de la producción de material: bajo
  • Procesabilidad: alta
  • Resistencia a la fatiga bajo tensiones de flexión inversas: alta
  • Resistencia a la fatiga bajo tensiones sensibles a temperatura de trabajo: alta
  • Densidad: baja
  • Estanqueidad a la presión: alta
  • Resistencia a la compresión: alta
  • Amortiguación de las vibraciones naturales: alta
  • Módulo de elasticidad: alto
  • Presión superficial admisible: alta
  • Coste total del proceso de producción: bajo
  • Resistencia a la corrosión: alta
  • Resistencia a la termofluencia: alta
  • Tendencia a los rechupes y a las inclusiones: baja
  • Reciclabilidad: alta
  • Coeficiente de expansión térmica: tan parecido al del material del cigüeñal como sea posible
  • Resistencia al desgaste: alta
  • Conductividad térmica: alta

No hay ningún material que cumpla al 100 % los requisitos arriba mencionados. Es por ello que las aleaciones de aluminio y las aleaciones de hierro fundido compiten entre sí; una competición que se ve intensificada por la continua aparición de nuevas propuestas para el desarrollo de diseños ligeros.

Defectos de fundición típicos y medidas correctivas aplicables

Estos son algunos ejemplos representativos:
Pueden surgir problemas en la zona del contorno del cilindro si se diseña el cárter de tal forma que queden huecos de menor tamaño entre los cilindros. Las cavidades no deseadas quedan al descubierto una vez se ha procesado el cuerpo del cilindro. En el caso de la colada horizontal, esto ocurre principalmente a nivel de la sujeción del macho de la camisa de agua. En combinación con un flujo desfavorable de la masa fundida, la sujeción del macho probablemente actúa favoreciendo la formación y obstaculizando la burbuja de gas, compuesta por gases del macho o por aire atrapado durante el llenado del molde. Una posible solución sería definir de antemano la posición y el tipo de sujeciones del macho, ya desde la fase de desarrollo del producto. La cuestión radica en si es posible mover la sujeción del macho hacia abajo en el cuerpo del cilindro para que el defecto se sitúe por debajo de la zona crítica de desplazamiento del pistón. Otra cuestión que se plantea es si sería posible aplicar el método de paquete de machos en la posición de colada vertical durante la fase de desarrollo del componente. En esta posición de colada no son necesarias sujeciones del macho en la camisa de agua. Otra ventaja del método de paquete de machos es su trazabilidad gracias al etiquetado automatizado del macho, que se transmite a la pieza fundida. El control del proceso y el análisis de las causas del defecto de fundición pueden realizarse a un nivel más amplio y profundo en los parámetros de producción del macho. Ahora bien, se debe comprobar si la filtración incontrolada está contenida en la fundición de hierro en el método de paquete de machos.

Algunos defectos de fundición típicos en los conductos son:

  • El conducto no es lo suficientemente permeable
  • El contenido de suciedad residual es excesivo
  • El conducto de aceite y la camisa de agua presentan una estanqueidad a la presión insuficiente

Las deformaciones no deseadas, tales como el veining en los conductos de aceite, pueden ir desde una permeabilidad limitada fuera de los límites admisibles hasta la obstrucción total del conducto. Los conductos de aceite con geometrías cada vez más complejas son la tendencia actual cuando hablamos de "downsizing", por lo que cada vez resulta más difícil comprobar y repasar los conductos en la sala de limpieza de piezas de fundición. Entre las medidas correctivas que podrían aplicarse se incluyen: cambiar las características del grano para el macho, aditivos y recubrimientos adaptados.
El proceso de fundición no finaliza con la solidificación. No se deberían pasar por alto el proceso de desmoldeo y la extracción del macho. Así, por ejemplo, en caso de que las camisas de agua sean muy finas y profundas puede que se precise de aberturas para extraer la arena. Una vez finalizado el procesamiento mecánico, éstas se cierran con cubiertas de chapa en un siguiente paso de producción. El tamaño de las aberturas de la placa de cubierta debería plantearse también en el momento de desarrollar el concepto para así tener en cuenta la capacidad de extracción del macho en el diseño. Precisamente la capacidad de extracción de machos es un área de desarrollo importante en los sistemas de aglomerantes. A ésta se le suma el cumplimiento de los límites de suciedad residual admisibles, los cuales hacen referencia al porcentaje de material del proceso básico de moldeo terminado que queda en las cavidades del cuerpo metálico tras pasar por todo el proceso. Las partículas sueltas de suciedad residual podrían llegar hasta el aceite mientras el motor está en marcha o, en el peor de los casos, las partículas de gran tamaño podrían reducir la vida útil de los cojinetes. Es por ello que, por precaución, se establece un límite de 500 mg en el caso de los cárteres para motores de 2,0 litros de turismos. ASK Chemicals contribuye a esto produciendo pinturas con menor formación de compuestos que desarrolla en colaboración con las respectivas fundiciones.

Es importante analizar las causas para poder determinar medidas correctivas. Para ello, ASK Chemicals cuenta con su propio software interno de simulación. La simulación de procesos de solidificación permite analizar las causas de los rechupes. Pero, ¿qué pasa con los defectos de fundición ocasionados por las burbujas de gas? ASK Chemicals está desarrollando un exhaustivo trabajo pionero en este sentido. La clave en este caso está en introducir un software de simulación adecuado que sirva de orientación en cuestiones relativas a la cantidad de gas que se genera localmente y la presión de gas localizada en la capa superficial. Además, cabe mencionar la evolución hacia sistemas de aglomerantes altamente reactivos. Como consecuencia de esta alta reactividad, se reduce la cantidad necesaria de aglomerante, y un menor contenido de aglomerante se traduce en menor presión de gas en la capa superficial que separa el molde de la masa fundida. Las herramientas de simulación y las condiciones favorables de los sistemas de aglomerantes modernos ayudan a la hora de tomar decisiones sin tener que dejarlas al azar. Si se aplican desde un principio en la fase de desarrollo del producto pueden ayudar a evitar arrastrar defectos en fases posteriores. Cuanto más tarde se elimine el defecto, mayor será el perjuicio económico.

La topología superficial de los cuerpos de los cilindros, las roscas, los conductos de aceite especialmente estrechos y las zonas con tolerancias dimensionales muy bajas no se puede procesar en un único paso de producción durante la fundición. Para ello se recurre al procesamiento mecánico, si bien el conformado semifinal ("near-net-shape") es un requisito fundamental para este tipo de fundición, para que así los costes de procesamiento se puedan reducir al mínimo. Las tolerancias de fundición estandarizadas, que a su vez dependen del método de fundición, son la base. Son un requisito para el molde, el macho, el material y el tipo de fundición.

En el caso del cárter, el sistema de gestión de calidad de la fundición ofrece datos acerca de los defectos de fundición internos, los detectados externamente, los evidentes y los ocultos. Por norma general se consideran defectos aquellas cavidades y deformaciones no deseadas que impiden un funcionamiento fiable por parte del componente. En el método de fundición en arena, la atención se centra en los grupos funcionales del cuerpo del cilindro, del conducto de aceite y de la camisa de agua. Ahorrar material reduciendo el tamaño ("downsizing") y minimizando el espacio necesario para la instalación del motor implica un aumento de los requisitos para las fundiciones. A menudo se recurre a dos explicaciones para analizar las causas de las cavidades no deseadas, explicaciones que se resumen a continuación de forma muy simplificada. El primer tipo de cavidad no deseada es la provocada por efecto de la contracción, también conocida como rechupe, que se origina como consecuencia de la falta de volumen que se produce durante el proceso de solidificación del metal. La segunda cavidad no deseada es la burbuja de gas que se forma al quedar atrapado por el metal durante la solidificación. El molde se calienta al enfriarse la masa fundida. El aglomerante que contiene se calienta y emite gas, el cual penetra a través del cuerpo poroso del material del molde hasta llegar a la capa superficial que separa el molde de la masa fundida. Si la presión de los gases es suficientemente alta, pueden llegar hasta la masa fundida y formar una burbuja de gas. En la práctica existen muchas formas a medio camino entre los rechupes y las burbujas de gas.