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Características y composición del metal para el diseño de la fundición
Cualquier metal sólido que se pueda fundir se puede colar. 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, de enfriamiento y sólido. Por estas dependencias, las especialidades de una fundición son parte de la determinación del tipo de productos que hacen. La fundición que hace juguetes infantiles fundidos a presión no suele ser la misma que produce piezas de motor de alta calidad.
Los metales ferrosos se definen como aquellos que contienen hierro. Los metales no ferrosos no lo contienen.
Una de las principales distinciones en la especialización es si las fundiciones trabajan con metales ferrosos, metales no ferrosos o ambos. La definición de 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. La fundición gris es el metal 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 en metales elegidos por cualidades específicas como la facilidad de fundición y vertido, la captura de detalles dentro del molde, el comportamiento predecible durante el enfriamiento y la preparación para el mecanizado o el acabado.
Los metales ferrosos y sus propiedades
Los atributos característicos del hierro son que es denso, fuerte cuando se mezcla con el carbono, abundante y fácil de refinar, muy 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 por las indicaciones sobre su fusión y acabado. Las aleaciones ferrosas con carbono suelen denominarse hierro o acero, y pueden contener cualquier otro elemento, desde aluminio hasta vanadio, en función de su especificación. Estos metales suelen elegirse por sus propiedades mecánicas. Los ingenieros y los diseñadores pueden estar interesados en su límite elástico, su tenacidad, su ductilidad, su soldabilidad, su elasticidad, su cizallamiento y su expansión térmica, todo lo cual describe cómo se comportará un material bajo factores de tensión específicos.
Estos aspectos distintivos del hierro pueden modificarse en las aleaciones, que mezclan el hierro con otros elementos. El acero inoxidable es un buen ejemplo, ya que algunas aleaciones de acero inoxidable son no magnéticas y no corrosivas. Una forma habitual de saber si un metal es de acero es poner un imán contra él, ya que el hierro de la aleación hará que el imán se pegue; sin embargo, las personas que han intentado pegar imanes a su nevera de acero inoxidable saben que ésta 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 como para impedir 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 inferior, formando una cáscara impenetrable.
En los metales ferrosos, el hierro y el acero son los materiales de fundición más comunes.
Hierro
Los hierros fundidos son una categoría de aleaciones de hierro con un contenido de carbono superior al 2%. Son hierros relativamente baratos y densos. Cuando se calientan y se 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 encogen a la mitad de la velocidad del acero mientras se enfrían.
Los hierros fundidos básicos tienen buenas propiedades de compresión, pero son frágiles: se fracturan antes de doblarse o distorsionarse. Esta vulnerabilidad puede significar que los grados frágiles de hierro fundido no se utilicen para diseños con detalles extruidos o elaborados, o con bordes muy afilados, ya que estas características pueden astillarse.
El hierro gris es el tipo más común de hierro fundido que se produce en la actualidad, y aparece en todo, desde las tapas de alcantarilla hasta los frenos de disco de los coches. Recibe su nombre por el color que toma al fracturarse, que es gris debido a la presencia de grafito como aditivo de carbono. La fundición 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 de la fundición básica, en el sentido de que es barata y tiene una gran fluidez en comparación con el acero cuando se funde, pero la presencia del grafito permite que la fundición sea algo menos frágil, lo que facilita el mecanizado. La fundición gris sigue siendo inflexible: se dobla muy poco antes de romperse.
La fundición dúctil es una forma de hierro fundido en la que el carbono añadido es un grafito esférico (nodular). La fundición dúctil suele tener entre un 3,2 y un 3,6% de carbono en peso, además de silicio y otros elementos. Los niveles más altos de ferrita hacen que se acumule en las herramientas de corte durante el mecanizado, por lo que suele utilizarse principalmente en la fabricación de piezas de fundición, donde su gran fluidez la convierte en una gran opción para trabajos de gran detalle. La forma esferoide del grafito que le confiere a la fundición dúctil una mayor resistencia al impacto y a la tracción que la fundición o el hierro gris, lo que hace factibles los diseños detallados o con bordes. La fundición dúctil es relativamente nueva en las especificaciones de los hierros, ya que se descubrió por primera vez en 1943.
Acero
A veces también se funden aceros de todo tipo. 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 dureza se pierde en fluidez. El acero fundido tiene que estar mucho más caliente que el hierro fundido para fluir en moldes detallados, y las altas temperaturas necesarias para trabajar con el acero son difíciles de manejar y pueden perjudicar el diseño y el acabado del objeto que sale del molde. Como ocurre con todas las piezas de fundición, las distintas partes de una pieza pueden enfriarse a ritmos diferentes, y este diferencial provoca tensiones en el producto: como el acero se contrae más extensa y rápidamente que el hierro fundido, estas tensiones necesitan una mayor gestión en el acero fundido.
Estos retos significan que el acero puede ser mucho más laborioso de fundir bien. Requiere una 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 elección clara para algunas aplicaciones, con el mecanizado proporcionando los acabados de la etapa final.
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 y hierro que no se expande ni se contrae con el calor, y se utiliza en piezas muy pequeñas de relojes y otros dispositivos de precisión.
Metales no ferrosos y sus usos
Estos metales incluyen todo metal y aleación que no contenga hierro. Una breve lista de metales no ferrosos comunes incluirá:
- Metales preciosos como la plata, el platino y el oro
- El cobre y sus aleaciones como el bronce y el latón
- El níquel, el paladio, el platino
- El titanio
- El aluminio
- El estaño, Plomo
- Zinc
Con una gama tan amplia de materiales en esta agrupación, muchas de las propiedades mecánicas que recomiendan el hierro pueden descubrirse en los metales no ferrosos. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio o titanio podrían sustituir al acero en muchos casos, si no resultara prohibitivo hacerlo. Las capacidades magnéticas del hierro podrían emularse con níquel, cobalto o elementos de tierras raras aleados con otros metales.
Sin embargo, dado que los metales no ferrosos suelen ser más costosos, tienden a ser elegidos por sus atributos únicos, más que por las formas en que pueden comportarse como el acero. El menor peso, la conductividad, la resistencia a la corrosión, las propiedades no magnéticas, la tradición o el 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, éste era un metal de lujo utilizado en vajillas de alta gama.
Se funden 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 de Bronce, y estas aleaciones de cobre se siguen fundiendo en arena hoy en día. Se funden a temperaturas mucho más bajas que los materiales ferrosos, y funden bien los detalles, por lo que se utilizan a menudo en aplicaciones decorativas como la 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 utilizan en aplicaciones marinas estándar, como los accesorios de los barcos. El latón también es resistente a la «rozadura», es decir, al desgaste del metal contra sí mismo, por lo que a veces se funde el latón para piezas mecánicas, como las hélices marinas, o se mecaniza para cojinetes 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 menor que el hierro, lo que lo convierte en un material vital en aplicaciones que necesitan fuerza sin peso, como la industria aeroespacial. Es resistente a la corrosión porque el aluminio, al igual que 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 a los que podría sustituir, lo que hace que sea más fácil de fundir que el acero, necesitando menos supervisión para formas complejas. La mayor desventaja del aluminio es el gasto.
Considerar los materiales de fundición
Cuando se diseña una pieza de 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 tanto la estética como los requisitos 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 piezas de fundición, a menudo elegidos por su rentabilidad y sus propiedades mecánicas. A veces no es la resistencia de un metal lo que dicta la elección, sino propiedades como el peso, la resistencia a la corrosión o el no magnetismo. Las aleaciones no ferrosas, como el bronce y el latón, también pueden elegirse por su 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 tanto con la aplicación como con el presupuesto.
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