Metales Ferrosos y No Ferrosos: Optimizando el Diseño de Fundición para Rendimiento y Eficiencia

Características y composición de metales para diseño de fundición

Cualquier metal sólido que pueda fundirse puede ser fundido. Las fundiciones son las fábricas que hacen este trabajo de fundición, desarrollando experiencia con un puñado de metales y métodos, y diseñando productos estándar para maximizar valor y eficiencia en producción.

Los metales y métodos de fundición se influyen mutuamente: la mejor elección de fundición para un producto está influenciada por cómo su metal se comportará en estados fundido, enfriamiento y sólido. Por estas dependencias, las especialidades de una fundición son parte de la determinación de qué tipo de productos hacen. La fundición que hace juguetes para niños por fundición a presión no es generalmente la misma fundición que produce piezas de motor de alta calidad.

Una de las distinciones principales en especialización es si las fundiciones trabajan con metales ferrosos, no ferrosos, o ambos. La definición de un metal ferroso es cualquier metal que contiene hierro; los metales no ferrosos no lo contienen. La metalurgia ferrosa representa aproximadamente el 90% de la producción mundial de metal. El hierro gris es el metal más común fundido en fundiciones. Fuera de la fundición, el acero es la aleación ferrosa más usada en industria, construcción y transporte.

Las fundiciones que se especializan en métodos de fundición comunes como fundición en arena usualmente trabajan en metales elegidos por cualidades específicas como facilidad de fundición y vertido, captura de detalle dentro del molde, comportamiento predecible durante el enfriamiento y preparación para mecanizado o acabado.

Metales ferrosos y sus propiedades

Los atributos característicos del hierro son que es denso, fuerte cuando se mezcla con carbono, abundante y fácil de refinar, altamente propenso a la corrosión y magnético. Alear hierro con otros elementos en diferentes proporciones puede mitigar o eliminar uno o más de estos factores.

Cientos de aleaciones ferrosas son bien conocidas. Se especifican por las proporciones de cada elemento en su composición, así como instrucciones sobre su fundición y acabado. Las aleaciones ferrosas con carbono usualmente se llaman hierro o acero, y pueden contener cualquier número de otros elementos, desde aluminio a vanadio, basados en su especificación. Estos metales usualmente se eligen por sus propiedades mecánicas. Ingenieros y diseñadores podrían estar interesados en su límite elástico, tenacidad, ductilidad, soldabilidad, elasticidad, corte y expansión térmica, todos los cuales describen cómo un material se comportará bajo tensiones específicas.

Estos aspectos distintivos del hierro pueden cambiarse en aleaciones, que mezclan hierro con otros elementos. El acero inoxidable es un buen ejemplo, con algunas aleaciones de acero inoxidable siendo tanto no magnéticas como no corrosivas. Una forma común de saber si un metal es acero es poner un imán contra él, ya que el hierro en la aleación hará que el imán se pegue; sin embargo, la gente que ha intentado pegar imanes a su nevera de acero inoxidable sabe que esto no es una prueba infalible. Aunque el hierro sigue presente en esta aleación ferrosa, un alto porcentaje de níquel cambia la microestructura del acero lo suficiente para prevenir una reacción magnética. El acero inoxidable puede oxidarse, aunque es mucho más resistente a la corrosión que otros tipos de aleaciones de hierro. Esto se debe a la adición de cromo. El cromo protege contra el óxido a través de un proceso llamado pasivación, en el que las moléculas superiores del metal se oxidan pero permanecen fuertemente unidas al metal de abajo, formando una capa impenetrable.

En metales ferrosos, el hierro y el acero son los materiales de fundición más comunes.

Hierro

Hierros fundidos son una categoría de aleaciones de hierro con contenido de carbono mayor al 2%. Son hierros relativamente económicos y densos. Cuando se calientan y funden, tienen una fluidez mucho mayor a temperaturas más bajas que el acero, lo que significa que pueden fluir y llenar partes de un molde complejo con mayor eficiencia. Los hierros fundidos también se contraen a la mitad de la tasa del acero durante el enfriamiento.

Los hierros fundidos básicos tienen buenas propiedades de compresión, pero son frágiles: se fracturarán antes de doblarse o distorsionarse. Esta vulnerabilidad puede significar que grados frágiles de hierro fundido no se usen para diseños con detalles salientes o elaborados, o con bordes muy afilados, ya que estas características pueden astillarse.

Hierro gris es el tipo más común de hierro fundido producido actualmente, presente en todo desde tapas de alcantarilla hasta frenos de disco en autos. Obtiene su nombre del color que toma al fracturarse, que es gris debido a la presencia de grafito como aditivo de carbono. El hierro gris es 2,5–4% carbono en peso, y adicionalmente contiene 1–3% silicio, que estabiliza el grafito. Tiene muchos de los atributos del hierro fundido básico, en que es económico y tiene alta fluidez comparado con el acero cuando está fundido, pero la presencia del grafito permite que el hierro sea algo menos frágil, permitiendo mecanizado más fácil. El hierro gris sigue siendo inflexible: se dobla muy poco antes de romperse.

Hierro dúctil es una forma de hierro fundido en la que el carbono añadido es grafito esférico (nodular). El hierro dúctil usualmente es 3,2–3,6% carbono en peso, y tiene silicio y otros elementos. Niveles de ferrita más altos significan que se acumula en herramientas de corte durante el mecanizado, por lo que a menudo se usa en fabricación principalmente por fundición, donde la muy alta fluidez lo hace una gran opción para trabajo finamente detallado. La forma esférica del grafito que da al hierro dúctil mayor resistencia a impacto y resistencia a la tracción que el hierro fundido o gris, haciendo diseños detallados o con bordes factibles. El hierro dúctil es un recién llegado relativo en la especificación de hierros, ya que fue descubierto por primera vez en 1943.

Acero

Aceros de todo tipo también se funden a veces. En general, el acero tiene un contenido de carbono de menos del 2,14% en peso, y a menudo se alea con otros elementos. El acero tiene propiedades mecánicas más fuertes que los hierros fundidos, pero lo que se gana en tenacidad se pierde en fluidez. El acero fundido necesita estar mucho más caliente que el hierro fundido para fluir en moldes detallados, y las altas temperaturas requeridas para trabajar con acero son desafiantes de manejar y pueden obstaculizar el diseño y acabado del objeto que sale del molde. Como con todas las fundiciones, diferentes partes de una pieza pueden enfriarse a diferentes tasas, y esta diferencial causa estrés dentro del producto: porque el acero se contrae más extensamente y rápidamente que los hierros fundidos, estos esfuerzos necesitan mayor gestión en acero fundido.

Estos desafíos significan que el acero puede ser mucho más intensivo en mano de obra para fundir bien. Requiere atención experta durante todas las etapas de su producción. Aun así, la alta resistencia mecánica del producto final puede hacer que una aleación de acero sea la opción clara para algunas aplicaciones, con el mecanizado proporcionando acabados de etapa final.

Otras aleaciones de hierro

Otras aleaciones de hierro existen fuera de estos tipos comunes, y se usan en aplicaciones específicas donde sus comportamientos mecánicos son útiles. Por ejemplo, el elinvar es una aleación níquel-hierro que no se expande y contrae con el calor, y se usa en piezas muy pequeñas en relojes y otros dispositivos de precisión.

Metales no ferrosos y sus usos

Estos metales incluyen todo metal y aleación que no contiene hierro. Una lista corta de metales no ferrosos comunes incluirá:

• Metales preciosos como plata, platino y oro
• Cobre y sus aleaciones como bronce y latón
• Níquel, Paladio, Platino
• Titanio
• Aluminio
• Estaño, Plomo
• Zinc

Con tal amplia gama de materiales en este agrupamiento, muchas de las propiedades mecánicas que recomiendan el hierro pueden descubrirse en metales no ferrosos. Por ejemplo, aleaciones de aluminio o titanio podrían sustituir al acero en muchos casos, si no fuera prohibitivo en coste hacerlo. Las habilidades magnéticas del hierro podrían emularse con níquel, cobalto o elementos de tierras raras aleados con otros metales.

Sin embargo, porque los metales no ferrosos a menudo cuestan más, tienden a elegirse por sus atributos únicos, en lugar de por las formas en que pueden comportarse como el acero. Pesos más ligeros, conductividad, resistencia a la corrosión, propiedades no magnéticas, tradición o valor decorativo son algunas de las razones para elegir un metal no ferroso. Algunos metales son preciados exactamente porque son raros: antes de que la fabricación generalizada de aluminio fuera posible, el aluminio era un metal de lujo usado en vajillas de alta gama.

Todo tipo de materiales especializados se funden. Sin embargo, en fundiciones de fundición en arena tradicionales, hay tres metales no ferrosos de fundición notables.

Bronce y latón

El bronce y el latón fueron los primeros metales fundidos por la humanidad en la Edad del Bronce, y estas aleaciones de cobre todavía se funden en arena hoy. Se funden a temperaturas mucho más bajas que los materiales ferrosos, y funden detalle bien, por lo que a menudo se usan en aplicaciones decorativas como estatuaria. El bronce y el latón son más blandos que el acero, pero son resistentes a la corrosión incluso en presencia de sal, por lo que estos metales se usan en aplicaciones marinas estándar como accesorios en barcos. El latón también es resistente al "galling", que es el desgaste de metal contra sí mismo, y por eso el latón a veces se funde para piezas mecánicas, como hélices marinas —o se mecaniza para cojinetes y cremalleras. Ambas aleaciones son bastante costosas ya que dependen del cobre, un metal también en demanda por sus propiedades eléctricas.

Aluminio

El aluminio es un metal con una densidad mucho menor que el hierro, lo que lo hace un material vital en aplicaciones que necesitan resistencia sin peso, como la industria aeroespacial. Es resistente a la corrosión porque el aluminio, como el acero inoxidable, reacciona a la oxidación creando una capa de óxido metálico que lo protege.

El aluminio también tiene un punto de fusión más bajo que muchos de los aceros o hierros que podría reemplazar, lo que lo hace más fácil de fundir que el acero, necesitando menos supervisión para formas complejas. La mayor desventaja del aluminio es el gasto.

Considerando materiales de fundición

Al diseñar una fundición, encontrar el metal perfecto para equilibrar valor y forma es un arte y ciencia. El metal correcto para un trabajo satisfará tanto los requisitos estéticos como mecánicos de la aplicación, y esto influirá en los métodos de producción requeridos para llevar un prototipo a producto final.

Los metales ferrosos son la opción más común para fundiciones, a menudo elegidos por su rentabilidad y propiedades mecánicas. A veces no es la resistencia de un metal lo que dicta la elección, sino propiedades como peso, resistencia a la corrosión o no magnetismo. Aleaciones no ferrosas como bronce y latón también pueden elegirse por tradición o por su belleza.

La consulta con un ingeniero puede ayudar a un diseñador a encontrar armonía entre los diferentes aspectos de su proyecto, eligiendo el metal perfecto para honrar tanto la aplicación como el presupuesto.

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