Cajas de metal para fundición Guía técnica y práctica

Introducción

Las cajas de metal son elementos fundamentales en la fabricación de moldes para fundición. Sirven como contenedor rígido que soporta la tierra de fundición (arena y aglutinantes), mantiene la geometría del molde durante la colada y facilita la repetibilidad y la precisión en piezas fundidas. Esta guía técnica describe diseño, materiales, preparación, técnicas de moldeo, colada, control de calidad, resolución de defectos y buenas prácticas para talleres caseros y pequeñas fundiciones.

Diseño y materiales de las cajas de fundición

Tipos y configuraciones

Caja partida (two‑part flask): compuesta por cope (mitad superior) y drag (mitad inferior); permite moldear piezas con parting line horizontal.
Caja monolítica: para moldes simples o piezas pequeñas; menos flexible para desmoldeo.
Caja con marco y tapa: usada para moldes con núcleo o para procesos COP (clean out of place).
Caja de madera vs caja metálica: la madera es económica y adecuada para prototipos; la caja metálica (acero o hierro fundido) ofrece rigidez, durabilidad, tolerancias repetibles y mejor disipación térmica.

Materiales y tolerancias

Acero estructural o hierro fundido para marcos: elegir acero con buena resistencia a deformación térmica; espesor mínimo según tamaño para evitar flexión.
Guías y espigas de alineación: pasadores de acero endurecido para garantizar el encaje preciso entre cope y drag; tolerancia H7/g6 recomendada para repetibilidad.
Ojales y orificios de sujeción: diseñar para pernos de apriete y para extracción de moldes; prever holguras para expansión térmica.

Características de diseño

Planicidad de las caras de cierre: garantizar superficies planas y paralelas para evitar fugas de arena y desalineación.
Canales de ventilación y orificios para espigas: integrar orificios para varillas de colada, respiraderos y chapas de escape.
Refuerzos y nervaduras: añadir refuerzos en marcos grandes para evitar deformaciones por presión de compactado.
Accesibilidad: diseño que facilite desmontaje, limpieza y mantenimiento.

Tierra de fundición y preparación del molde

Composición y propiedades requeridas

Base sílico‑arcillosa con sílice predominante (~60–80 %), arcilla (bentonita u otras) y aditivos.
Propiedades críticas: refractariedad, plasticidad, permeabilidad, cohesión, baja expansión térmica y humedad controlada.
Aditivos comunes: carbón vegetal en polvo (para mejorar acabado superficial), resinas orgánicas o fenólicas para moldeo en frío, agentes desmoldantes.

Preparación y control de la mezcla

Proporciones: ajustar arena:bentonita:agua según especificación; ejemplo típico para moldeo manual 100:5:2–4 (porcentaje en peso).
Humedad óptima: suficiente para cohesión pero no excesiva para evitar vapores y defectos por gas; medir con medidor de humedad o ensayo de compactación.
Tamizado y homogeneización: tamizar la arena para eliminar grumos y partículas grandes; mezclar en mezcladora hasta homogeneidad.

Propiedades medibles y control de calidad

Permeabilidad: ensayo de permeabilidad para asegurar evacuación de gases.
Resistencia a compresión: medir resistencia del núcleo o molde para soportar colada.
Expansión térmica: conocer coeficiente de expansión para compensar contracción del metal.

Técnicas de moldeo con cajas de metal

Preparación del cope y drag

Colocación de la mitad inferior sobre superficie plana y fijación de guías.
Relleno y compactado: añadir arena en capas, compactar con martillo de mano o prensa vibratoria para lograr densidad uniforme.
Nivelado: pasar regla para obtener superficie plana; espolvorear carbón vegetal en polvo para mejorar acabado.
Posicionamiento del patrón: colocar el patrón (modelo) centrado y hundir hasta la línea de partición; usar lubricante en patrones metálicos para facilitar extracción.
Colocación de varillas de colada y respiraderos: insertar canales y agujas para permitir entrada de metal y escape de gases.

Cierre, extracción y secado

Cierre de la caja: montar la mitad superior alineando espigas; rellenar y compactar la segunda mitad.
Extracción del patrón: aflojar con golpes controlados y extraer con torsión para evitar desmoronamiento; reparar defectos con espátula.
Secado: dejar secar a temperatura moderada o usar horno de secado para acelerar; evitar humedad residual.

Núcleos y chapas internas

Núcleos de arena: fabricar con arena de núcleo y aglutinante; curado térmico o químico según sistema.
Chaplets y soportes: usar chaplets metálicos para sostener núcleos en posición durante la colada; diseñar para fácil extracción o fusión.

Diseño de sistema de colada y consideraciones metalúrgicas

Sistema de alimentación

Canal de alimentación (sprue): dimensionar sección para evitar turbulencia; relación altura/área para mantener flujo estable.
Canales de distribución (runners) y puertas (gates): diseñar para flujo laminar y control de velocidad.
Pozos de alimentación (risers): ubicar para compensar contracción y alimentar zonas críticas; calcular volumen y ubicación según metal y geometría.

Temperaturas y metales recomendados para taller casero

Metales blandos: plomo, estaño, aleaciones de bajo punto de fusión (fusible), latón de baja temperatura; puntos de fusión típicos 180–900 °C.
Fusibles y aleaciones de baja fusión: útiles para prototipos; menor exigencia de refractariedad en arena.
Control de temperatura de colada: mantener sobretemperatura adecuada para evitar misruns y cold shuts; registrar con termopar.

Fundición y limpieza del metal

Furnaces y crisoles: elegir crisol compatible (grafito, arcilla‑grafito) y horno (gas, eléctrico, resistencia).
Desoxidación y desgasificación: usar fundentes y degasificantes para eliminar óxidos y gases disueltos.
Escoria y limpieza de superficie: retirar escoria antes de verter; filtrar metal con coladores refractarios si procede.

Colada, solidificación y extracción

Procedimiento de colada

Precalentamiento del molde: en algunos casos calentar ligeramente para reducir choque térmico y evitar grietas en la arena.
Vertido controlado: verter desde altura mínima para evitar oxidación y salpicaduras; mantener velocidad constante.
Monitoreo: observar flujo, nivel en riser y posibles fugas por juntas.

Solidificación y enfriamiento

Tiempo de enfriamiento: calcular según volumen y conductividad térmica del metal; evitar extracción prematura.
Control de contracción: diseñar alimentadores y chaplets para compensar contracción volumétrica del metal.

Desmoldeo y limpieza

Apertura de la caja: separar cope y drag con herramientas adecuadas; retirar arena con soplado o cepillado.
Corte de canales y risers: seccionarlos con sierra o corte térmico; dejar margen para mecanizado posterior.
Desbaste y acabado: limado, rectificado, pulido y tratamiento térmico si procede.

Defectos comunes y soluciones técnicas

Defectos por arena y moldeo

Inclusion de arena: mejorar tamizado, compactado y limpieza del molde; reducir vibraciones durante colada.
Sand blow / gas porosidad: aumentar permeabilidad, reducir humedad, mejorar ventilación y usar desgasificantes.
Burn‑on y fusionado de arena: reducir temperatura de colada, usar revestimientos refractarios o revestimientos de barrera.

Defectos de solidificación

Porosidad por contracción: reubicar risers, aumentar tamaño de alimentadores, mejorar conductividad térmica local.
Hot tears y grietas: rediseñar geometría para evitar tensiones térmicas, usar coladas con gradientes de enfriamiento controlados.
Cold shut y misrun: aumentar temperatura de colada, mejorar diseño de gates para flujo completo.

Defectos metalúrgicos

Segregación y inclusiones: controlar velocidad de enfriamiento y limpieza del metal; usar filtros.
Oxidación y escoria: desoxidación adecuada y control de atmósfera de fundición.

Seguridad, salud y medio ambiente

Equipamiento de protección personal

EPP obligatorio: careta facial, gafas de seguridad, guantes resistentes al calor, delantal de cuero, botas con puntera y suela antideslizante, protección auditiva.
Protección respiratoria: mascarillas o respiradores cuando haya humos, polvo o gases.

Procedimientos de seguridad

Zona de trabajo delimitada y señalizada; extintores y mantas ignífugas accesibles.
Manejo de crisoles y metales fundidos: usar pinzas y herramientas diseñadas; evitar contacto con humedad en moldes.
Ventilación: extracción localizada para humos y polvo; control de emisiones.

Gestión de residuos

Arena usada: clasificación, regeneración y almacenamiento; evitar vertido sin tratamiento.
Escorias y residuos metálicos: recuperación y reciclaje; disposición conforme a normativa local.
Control de emisiones: minimizar humos y partículas mediante filtros y prácticas de limpieza.

Buenas prácticas para talleres caseros y pequeños talleres

Comenzar con aleaciones de bajo punto de fusión para reducir riesgos térmicos.
Documentar parámetros: mezcla de arena, humedad, temperatura de colada, tiempos de enfriamiento para reproducibilidad.
Realizar pruebas piloto con piezas de prueba para ajustar gating y risers.
Mantenimiento de cajas: inspección periódica de planicidad, limpieza de guías y reparación de bordes dañados.
Formación continua: capacitar en seguridad, técnicas de moldeo y diagnóstico de defectos.

Conclusión y checklist técnico rápido

La caja de metal es una herramienta que, bien diseñada y utilizada, eleva la calidad y repetibilidad de las piezas fundidas. Dominar la selección de arena, el diseño del sistema de colada, el control térmico y las prácticas de seguridad permite pasar de prototipos caseros a piezas funcionales con tolerancias y acabados adecuados.

Checklist técnico rápido

Caja: planicidad y guías alineadas.
Arena: composición, humedad y permeabilidad controladas.
Patrón: acabado y lubricación adecuados.
Sistema de colada: sprue, runners y risers dimensionados.
Temperatura de colada: registrada y estable.
Ventilación y seguridad: EPP y extracción en sitio.
Control de calidad: inspección visual, pruebas de dureza y, si procede, análisis metalográfico.