Metales ferrosos y no ferrosos

Características y composición del metal para el diseño de fundición

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

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

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

Las fundiciones que se especializan en métodos de fundición comunes, como la fundición en arena, suelen trabajar con metales elegidos por sus cualidades específicas, como la facilidad de fusión y vertido, la captura de detalles dentro del molde, el comportamiento predecible durante el enfriamiento y la preparación para el mecanizado o el 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. La aleación de hierro con otros elementos en diferentes proporciones puede mitigar o eliminar uno o más de estos factores.

Se conocen cientos de aleaciones ferrosas. Se especifican por las proporciones de cada elemento en su composición, así como las instrucciones sobre su fusión y acabado. Las aleaciones ferrosas con carbono generalmente se denominan hierro o acero y pueden contener cualquier número de otros elementos, desde aluminio hasta vanadio, según su especificación. Estos metales generalmente se eligen por sus propiedades mecánicas. Los ingenieros y diseñadores pueden estar interesados ​​en su límite elástico, tenacidad, ductilidad, soldabilidad, elasticidad, corte y expansión térmica, los cuales describen cómo se comportará un material bajo factores estresantes específicos.

Estos aspectos distintivos del hierro se pueden cambiar en aleaciones, que mezclan el hierro con otros elementos. El acero inoxidable es un buen ejemplo, con algunas aleaciones de acero inoxidable que no son magnéticas ni corrosivas. Una forma común de saber si un metal es acero es colocar un imán contra él, ya que el hierro de la aleación hará que el imán se adhiera; sin embargo, las personas que han intentado pegar imanes en su refrigerador de acero inoxidable saben que esta no es una prueba infalible. Aunque el hierro todavía está presente en esta aleación ferrosa, un alto porcentaje de níquel cambia la microestructura del acero lo suficiente como para evitar 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 la oxidación 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 los 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 un contenido de carbono superior al 2%. Son hierros relativamente económicos y densos. Cuando se calientan y moldean, 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 encogen a la mitad de velocidad que el acero mientras se enfrían.

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

Hierro gris es el tipo más común de hierro fundido que se produce actualmente, presente en todo, desde tapas de alcantarillas hasta frenos de disco en automóviles. Recibe su nombre del color que toma al fracturarse, que es gris debido a la presencia de grafito como aditivo de carbono. El hierro gris tiene entre un 2,5 y un 4 % de carbono en peso y, además, contiene entre un 1 y un 3 % de silicio, que estabiliza el grafito. Tiene muchos de los atributos del hierro fundido básico, en el sentido de que es económico y tiene una alta fluidez en comparación con el acero cuando está fundido, pero la presencia del grafito permite que el hierro sea un poco menos quebradizo, lo que facilita el mecanizado. 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 agregado es un grafito esférico (nodular). El hierro dúctil suele tener entre un 3,2 y un 3,6 % de carbono en peso y tiene silicio y otros elementos. Los niveles más altos de ferrita significan que se acumula en las herramientas de corte durante el mecanizado, por lo que a menudo se usa principalmente en la fabricación de piezas fundidas, donde la alta fluidez lo convierte en una excelente opción para trabajos con detalles finos. La forma esferoide del grafito que le da al hierro dúctil mayor resistencia al impacto y resistencia a la tracción que el hierro fundido o gris, lo que hace que los diseños detallados o afilados sean factibles. El hierro dúctil es relativamente nuevo en la especificación de los hierros, ya que se descubrió por primera vez en 1943.

Acero

Aceros de todo tipo también se lanzan a veces. En general, el acero tiene un contenido de carbono inferior al 2,14 % en peso y suele estar aleado 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 debe estar mucho más caliente que el hierro fundido para fluir en moldes detallados, y las altas temperaturas requeridas para trabajar con acero son difíciles de manejar y pueden perjudicar el diseño y el acabado del objeto que sale del molde. Al igual que con todas las fundiciones, las diferentes partes de una pieza pueden enfriarse a diferentes velocidades, y esta diferencia provoca tensión dentro del producto:debido a que el acero se contrae más extensa y rápidamente que el hierro fundido, estas tensiones necesitan un mayor control en el acero fundido.

Estos desafíos significan que el acero puede ser mucho más laborioso para moldearlo bien. Requiere atención experta durante todas las etapas de su producción. Aún así, la alta resistencia mecánica del producto final puede hacer que una aleación de acero sea la elección clara para algunas aplicaciones, y el mecanizado proporciona acabados finales.

Otras aleaciones de hierro

Existen otras aleaciones de hierro fuera de estos tipos comunes y se utilizan en aplicaciones específicas donde sus comportamientos mecánicos son útiles. Por ejemplo, elinvar es una aleación de níquel-hierro que no se expande ni 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 todos los metales y aleaciones que no contienen hierro. Una breve lista 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 una gama tan amplia de materiales en este grupo, muchas de las propiedades mecánicas que recomiendan el hierro se pueden descubrir en los metales no ferrosos. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio o titanio podrían sustituirse por acero en muchos casos, si el costo no fuera prohibitivo. Las capacidades magnéticas del hierro se pueden emular con níquel, cobalto o elementos de tierras raras aleados con otros metales.

Sin embargo, debido a que los metales no ferrosos a menudo cuestan más, tienden a elegirse por sus atributos únicos, en lugar de por la forma 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 apreciados precisamente porque son raros:antes de que fuera posible la fabricación generalizada de aluminio, el aluminio era un metal de lujo que se usaba en vajillas de alta gama.

Se moldean todo tipo de materiales especializados. Sin embargo, en las fundiciones de arena tradicionales, hay tres metales de fundición no ferrosos dignos de mención.

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 moldean en arena en la actualidad. Se funden a temperaturas mucho más bajas que los materiales ferrosos y moldean bien los detalles, por lo que a menudo se usan en aplicaciones decorativas como las estatuas. 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 utilizan en aplicaciones marinas estándar, como accesorios en embarcaciones. El latón también es resistente a la "excoriación", que es el desgaste del metal contra sí mismo, por lo que a veces se funde el latón para piezas mecánicas, como hélices marinas, o se mecaniza para rodamientos y cremalleras. Ambas aleaciones son bastante caras ya que dependen del cobre, un metal también demandado por sus propiedades eléctricas.

Aluminio

El aluminio es un metal con una densidad mucho más baja que el hierro, lo que lo convierte en 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 de metal que lo protege.

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

Considerando los materiales de fundición

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

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

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

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