Fundición de piezas para culatas

La culata de un motor determina las propiedades del motor en términos de comportamiento operativo (p. ej.: potencia de salida, comportamiento del par motor y de las emisiones de escape, consumo de combustible y acústica) prácticamente como ningún otro grupo de componentes del motor. Contiene los elementos clave para controlar mecánicamente el intercambio de gases o la combustión. En este caso es de especial importancia el control de las válvulas.

El método de fundición para las culatas debe determinarse desde un principio. Se recomienda tener en cuenta la experiencia en fundición y fabricación de modelos al crear el diseño básico de la culata. No todos los métodos de fundición permiten implementar las geometrías deseadas. La forma y la posición de los conductos de entrada y salida, así como la forma de la cámara de combustión en especial, determinan la geometría global de la culata. Además, el calibre del cilindro y la distancia entre cilindros influyen también en gran medida en la geometría básica.
Puesto que la combustión del carburante genera altas temperaturas (también en la culata) es muy importante contar con un sistema de refrigeración adecuado. Normalmente el fluido refrigerante se introduce por la parte inferior de la culata, por la junta de culata del cárter y por varias aberturas. De todos los sistemas de refrigeración posibles (p. ej.: refrigeración de flujo transversal, refrigeración de flujo longitudinal o una combinación de ambas), el sistema de refrigeración óptimo se determina con ayuda de modelos de simulación adecuados, detectando las posibles áreas críticas en una fase temprana.
Los conductos del sistema de refrigeración por agua y para el suministro de aceite suelen ser muy estrechos y hoy en día suponen el mayor reto para el fundidor en la fabricación de culatas, ya que incluso pequeños cambios en el proceso pueden derivar en el rechazo del componente o en la necesidad de repasarlo.

Los métodos de fundición

Las culatas para motores de combustión plantean grandes exigencias en cuanto a las propiedades mecánicas de los materiales por encima de 150 ºC. La complejidad de su forma, así como el nivel de tensión generado durante su funcionamiento, han aumentado considerablemente en las culatas desarrolladas recientemente, en especial para los motores diésel de inyección directa.
En la producción de culatas se utilizan diferentes materiales en función del perfil requerido por los motores y del método de fundición empleado. Además de aluminio, también se pueden utilizar materiales de hierro fundido para motores grandes y vehículos comerciales. El aluminio es, con algunas excepciones, el material empleado en el sector de los motores para turismos. En el caso de presiones de encendido de 150 bar, se necesitan aleaciones específicas que deben cumplir las más altas exigencias en cuanto a:

  • Alta resistencia a la tracción y alta resistencia a la termofluencia a temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y 250 ºC
  • Alta conductividad térmica
  • Baja porosidad
  • Alta ductilidad y elasticidad con alta resistencia al choque térmico
  • Buenas propiedades de fundición y baja susceptibilidad a las grietas de solidificación

Las herramientas de simulación para analizar, por ejemplo, el comportamiento de llenado del molde y de solidificación durante el proceso de fundición ya se utilizan ampliamente durante la fase de planificación de nuevos componentes para encontrar el parámetro óptimo de entre los distintos parámetros objetivos.
Actualmente están muy extendidos los siguientes métodos de fundición:

  • Fundición en arena
  • Fundición en coquilla
  • Método de moldeo a modelo perdido
  • Método de fundición a presión

En la fundición en arena, tanto el molde como el macho se fabrican a base de arenas de sílice o arenas especiales. En general, el molde tiene una base de aglomerantes con bentonita, mientras que los machos tienen una base de aglomerantes químicos.
Con el método de paquete de machos se pueden obtener fácilmente geometrías de componentes complejas (incluso con rebajes) utilizando materiales para moldes aglomerados químicamente. Además, con este método es posible una producción rentable incluso de pequeñas cantidades y que se pueden implementar cambios con relativa rapidez.
La ventaja del método de paquete de machos, en el que los contornos de todos los componentes están representados por machos de arena, es que la temperatura de las piezas fundidas normalmente no baja de los 500 ºC entre los procesos de fundición y solidificación. Como consecuencia obtenemos una fundición de baja tensión, en la medida de lo posible, lo que supone una alta precisión dimensional.
El método de fundición en arena a baja presión se recomienda para la producción de prototipos y series pequeñas. El material fundido llega hasta el molde a través de un tubo vertical y es sometido a una presión aproximada de 0,1 a 0,5 bar. El resultado es una estructura de excelente calidad, puesto que la presión también se mantiene durante la solidificación.

Las coquillas fabricadas en hierro fundido gris o aceros para trabajo en caliente se utilizan para producir aleaciones de metales ligeros. Al igual que ocurre en la fundición en arena, los machos se colocan en la coquilla. En la fundición en coquilla se distingue entre la fundición por gravedad y a baja presión.

El método de moldeo a modelo perdido es básicamente una forma especial de fundición en arena. Las distintas capas de la culata se forman mediante material de poliestireno expandido y, a continuación, se adhieren entre sí. Con este método se unen dos modelos de culata con el sistema de entrada y las mazarotas para formar lo que se conoce como racimo. A continuación, este racimo de modelos se sumerge varias veces en recubrimientos cerámicos y se seca mediante corriente de aire. La colada del racimo se realiza una vez colocado en la conexión en cuello de cisne y rodeado por arena suelta. Durante el llenado del molde, el poliestireno desaparece y se convierte en gas. Una ventaja de este método es que en este proceso también se moldean los orificios con un espesor de pared de hasta 4 mm. Además, es posible crear conductos de aceite con cualquier forma y obtener tolerancias considerablemente más precisas en la cámara de combustión, al tiempo que se minimizan los esfuerzos de mecanizado necesarios.

Las coquillas fabricadas en acero termotratado para trabajo en caliente se utilizan en el método de fundición a presión. Los moldes deben tratarse con un agente separador antes de cada proceso de "disparo".

Perspectivas de la tecnología de culatas

Los futuros avances en la tecnología de culatas nos permitirán conseguir diseños ligeros, materiales más resistentes y procesos de producción más rentables. El uso de la tecnología multiválvula, también para motores diésel, permitirá optimizar aún más el intercambio de gases y aumentar el rendimiento específico de los cilindros. Las propiedades de los motores también se perfeccionan continuamente en cuanto a consumo adecuado y comportamiento de emisiones. Enfrentarse constantemente a estos nuevos requisitos supone un reto importante para los diseñadores.

Soluciones para la fundición de piezas para culatas

Además de la geometría exacta del componente, también se deben tener en cuenta de antemano los posibles métodos de fundición y moldeo para así obtener piezas fundidas óptimas, también en condiciones de producción en serie. Durante la producción piloto no sólo se consiguen diversos cambios en el diseño, sino también una primera experiencia en cuanto a futuras propiedades de los componentes, rechazos y repasos. Es muy importante tener los rechazos bajo control y, en última instancia, todos los factores que limitan la producción, a más tardar al inicio de la producción en serie. Ésta es la única manera de conseguir una alta productividad a bajo coste para poder mantener el precio indicado para el componente.
Como ya se ha detallado más arriba, la culata es el componente que determina fundamentalmente las propiedades del motor. Reduciendo su tamaño se garantiza una disminución constante del peso de la culata, tanto en las piezas de fundición de hierro como de aluminio. Al mismo tiempo, los requisitos aplicables a los componentes están en continuo aumento. Una estrecha colaboración entre el fabricante de modelos, el fundidor y el diseñador al comienzo de cada nuevo desarrollo es el único modo de contrarrestar este conflicto de objetivos.
Los reactivos que se emplean en el proceso también están cobrando cada vez mayor importancia de cara a garantizar la fiabilidad de los componentes a lo largo de todo el ciclo de vida del vehículo. Hoy en día, los programas de software para simulación de procesos de llenado de molde y de solidificación son de última generación. Además de procesos claramente definidos, la fusión y el tratamiento de la masa fundida requieren los materiales de carga y los agentes de tratamiento más puros.
En la producción de moldes, y especialmente en la producción de machos, es preciso asegurarse sobre todo de que los materiales base de moldeo y los agentes aglomerantes empleados garanticen una buena consistencia dimensional de los machos o de los paquetes de machos. En la fundición de hierro es posible que se empleen también aditivos y pinturas refractarias. El hecho de haber reducido a 4 mm el espesor de la pared de los machos de las camisas de agua, y en especial de los machos de los conductos de aceite, obliga a los aglomerantes de arena de los machos a garantizar una alta resistencia inicial para que el macho pueda manipularse sin riesgo de rotura.
El aglomerante empleado debe presentar una alta resistencia térmica durante los procesos de fundición y solidificación para así poder excluir riesgos como la rotura del macho o la falta de estabilidad dimensional, incluso en este estado especialmente crítico de los machos afiligranados. Ahora bien, al mismo tiempo el aglomerante debe permitir un rendimiento de desmoldeo óptimo durante el proceso de extracción del macho. Este ejercicio de compensación se hace especialmente patente al fundir aleaciones de aluminio. Los defectos de burbuja y la microporosidad presentes en el componente provocan fugas y a menudo rechazos. Para minimizar al máximo este riesgo es importante apostar por procesos de llenado de molde lo más tranquilos posibles. Además, es importante tener en cuenta la extracción de gases de los machos e implementarla de forma adecuada. En general, el agente aglomerante debe diseñarse de tal forma que las emisiones de gas y de otro tipo se reduzcan al mínimo. La emisión de gas procedente del agente aglomerante durante la fundición debe ser adecuada al metal fundido y al intervalo de solidificación. Lo mismo ocurre en el caso de los aditivos. Si se emplean recubrimientos, la permeabilidad a los gases del producto también debe ser adecuada al proceso en este caso.
Además, en la fundición de hierro se pueden formar costras. El comportamiento de expansión de la arena de los materiales base de moldeo, el comportamiento de emisión de gas procedente de los aglomerantes, la permeabilidad a los gases del recubrimiento y el nivel de resistencia de la mezcla de materiales del molde influyen considerablemente en este sentido, pero sólo pueden compensar en cierta medida los defectos producidos durante el proceso de llenado del molde y el correspondiente calentamiento de la sección del molde. Un reto importante en el caso de la fundición de hierro es evitar la metalización y la penetración, así como el veining. La metalización y la penetración pueden evitarse principalmente seleccionando el recubrimiento correcto, que debe adecuarse tanto al material del molde como al metal fundido para evitar reacciones químicas adversas.
El veining, especialmente en los machos de las camisas de agua y de los conductos de aceite, plantea un problema constante en la práctica de la fundición de hierro. En la mayoría de los casos se pueden adoptar medidas correctivas y preventivas para evitar la aparición de este defecto seleccionando un material base de moldeo adecuado o mediante el uso selectivo de aditivos de arena. Se pueden evitar las superficies irregulares en los conductos de entrada y salida mediante la distribución granulométrica del material de molde empleado, o bien utilizando un recubrimiento que selle los huecos existentes entre los poros de los granos de arena.
Además de resolver problemas estrictamente técnicos, los materiales de carga empleados deben ser tan respetuosos con el medio ambiente como sea posible. En la actualidad los empleados, los ciudadanos que residen cerca de las fundiciones y las autoridades están muy interesados en reducir al mínimo las emisiones nocivas, los olores, los humos y los condensados, y en que estas emisiones cumplan con los requisitos de seguridad laboral durante el proceso de producción.