Materiales de fundición 101

Guía simple para la fundición de metales

  • El proceso de fundición de metales tiene más de 7.000 años de historia y se utiliza en la fabricación. Se define como el proceso en el que se vierte metal fundido en un molde que contiene una cavidad hueca de la forma deseada.
  • La fundición de metales se puede dividir en dos grupos según la naturaleza básica del diseño del molde. es decir, fundición de moldes desechables y moldes permanentes. Se puede subdividir en grupos dependiendo de su material de patrón.
  • Las fundiciones de alta ingeniería se encuentran en el 90 por ciento de los bienes duraderos, incluidos automóviles, camiones, aeroespacial, trenes, equipos de minería y construcción, pozos de petróleo, electrodomésticos, tuberías, hidrantes, turbinas eólicas, plantas nucleares, dispositivos médicos, productos de defensa, juguetes y más.

El hierro gris es uno de los materiales de fundición más utilizados en la fabricación industrial. Representando una gran parte de los mercados de suministro de fundición, es una sustancia fuerte y versátil. El hierro gris se puede mecanizar fácilmente, probar la calidad sin usar métodos destructivos, formularse para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación y es rentable en grandes volúmenes.

El acero fundido es un material de fundición resistente muy adecuado para piezas que estarán sujetas a un desgaste excepcional, golpes o cargas pesadas. Es útil por su resistencia a la corrosión en ambientes acuosos y para aplicaciones que involucran temperaturas elevadas. El acero a menudo se mezcla con cromo, hierro y níquel para mejorar aún más su resistencia a la corrosión o al calor.

Uno de los beneficios más importantes de la fundición de aluminio es que crea piezas más ligeras, con más opciones de acabado superficial que otras aleaciones fundidas. Además, el aluminio fundido es versátil, resistente a la corrosión, conserva una alta estabilidad dimensional con paredes delgadas y puede usarse en casi cualquier industria.

Las aleaciones de cobre fundido tienen una alta resistencia a la tracción y a la compresión, tienen buenas cualidades de desgaste cuando se someten al contacto de metal con metal, se mecanizan fácilmente, tienen buena conductividad térmica y eléctrica y alta resistencia a la corrosión para maximizar el rendimiento del producto. Es más utilizado en el área de bellas artes.

Cosas a considerar al elegir materiales de fundición


Seleccionar los materiales de fundición y molde adecuados para un proyecto en particular puede ser una preocupación importante. Algunos de los factores a considerar al tomar una decisión de casting incluyen:

Estos factores determinan el posible conjunto de aleaciones metálicas que podrían usarse para fundir el componente. También puede ser que la identificación de la aleación más apropiada excluya algunos de los procesos de fundición disponibles, incluso en esta etapa inicial. Si se decidiera, por ejemplo, que uno de los aceros inoxidables fundidos o los hierros fundidos fueran la aleación más adecuada, esto impediría el uso de la fundición a presión.

Además, el diseñador tendrá que trabajar dentro de otros parámetros con respecto al material apropiado para seleccionar. Estos podrían incluir el costo del material, el costo de fabricación, el peso del producto final, el tamaño del producto y el rango de temperatura que puede soportar el material seleccionado.

Planchar

El hierro fundido es un grupo de aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono entre 2% y 4%, junto con cantidades variables de silicio y manganeso y trazas de impurezas como azufre y fósforo. Su utilidad se deriva de su temperatura de fusión relativamente baja. Los componentes de la aleación afectan su color cuando se fractura: el hierro fundido blanco tiene impurezas de carburo que permiten que las grietas pasen directamente, el hierro fundido gris tiene escamas de grafito que desvían una grieta que pasa e inician innumerables grietas nuevas a medida que se rompe el material, y el hierro fundido dúctil tiene partículas esféricas. “nódulos” de grafito que impiden que la grieta progrese más.

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Hierro fundido

Aunque tanto el acero como el hierro fundido contienen trazas de carbono y parecen similares, existen diferencias significativas entre los dos metales. El acero contiene menos del 2 % de carbono, lo que permite que el producto final se solidifique en una sola estructura microcristalina. El mayor contenido de carbono del hierro fundido significa que se solidifica como una aleación heterogénea y, por lo tanto, tiene más de una estructura microcristalina presente en el material.

hierro gris Cuando el metal se fractura, la ruptura se produce a lo largo de las escamas de grafito, lo que le da el color gris en la superficie del metal fracturado. El nombre hierro gris proviene de esta característica.
El hierro gris no es tan dúctil como otras formas de hierro fundido y su resistencia a la tracción también es menor. Sin embargo, es un mejor conductor térmico y tiene un mayor nivel de amortiguación de vibraciones. Tiene una capacidad de amortiguación de 20 a 25 veces mayor que el acero y superior a todos los demás hierros fundidos. El hierro gris también es más fácil de mecanizar que otros hierros fundidos y sus propiedades de resistencia al desgaste lo convierten en uno de los productos de hierro fundido de mayor volumen.
Hierro blanco Cuando se corta el hierro blanco, la cara fracturada aparece blanca debido a la ausencia de grafito. La estructura microcristalina de cementita es dura y quebradiza con una alta resistencia a la compresión y buena resistencia al desgaste. En ciertas aplicaciones especializadas, es deseable tener hierro blanco en la superficie del producto. Esto se puede lograr usando un buen conductor de calor para hacer parte del molde. Esto sacará el calor del metal fundido rápidamente de esa área específica, mientras que el resto de la fundición se enfría a un ritmo más lento.
Uno de los grados más populares de hierro blanco es Ni-Hard Iron. La adición de aleaciones de cromo y níquel le da a este producto excelentes propiedades para aplicaciones de abrasión por deslizamiento y bajo impacto.
Hierro maleable El hierro blanco se puede procesar aún más en hierro maleable a través de un proceso de tratamiento térmico. Un programa extendido de calentamiento y enfriamiento da como resultado la descomposición de las moléculas de carburo de hierro, liberando moléculas de grafito libres en el hierro. Las diferentes velocidades de enfriamiento y la adición de aleaciones producen un hierro maleable con una estructura microcristalina.
Hierro dúctil (hierro nodular) El hierro dúctil, o hierro nodular, obtiene sus propiedades especiales mediante la adición de magnesio a la aleación. La presencia de magnesio hace que el grafito se forme en forma de esferoide en oposición a las escamas de hierro gris. El control de la composición es muy importante en el proceso de fabricación. Pequeñas cantidades de impurezas como azufre y oxígeno reaccionan con el magnesio, afectando la forma de las moléculas de grafito. Se forman diferentes grados de hierro dúctil manipulando la estructura microcristalina alrededor del esferoide de grafito. Esto se logra a través del proceso de fundición, o mediante tratamiento térmico, como un paso de procesamiento posterior.

Acero

La composición química del acero fundido tiene una influencia significativa en las propiedades de rendimiento y, a menudo, se usa para clasificar el acero o asignar designaciones estándar. Los aceros fundidos se pueden dividir en dos grandes categorías: acero fundido al carbono y acero fundido aleado.

  • Los aceros fundidos al carbono se pueden clasificar según su contenido de carbono. El acero fundido con bajo contenido de carbono (0,2 % de carbono) es relativamente blando y no se puede tratar con calor fácilmente. El acero fundido de carbono medio (0,2 a 0,5 % de carbono) es un poco más duro y se puede fortalecer mediante tratamiento térmico. El acero fundido con alto contenido de carbono (0,5 % de carbono) se utiliza cuando se desea la máxima dureza y resistencia al desgaste.
  • Alloy steel is categorized as either low or high-alloy. Low-alloy cast steel (≤ 8% alloy content) behaves similarly to normal carbon steel, but with higher hardenability. High-alloy cast steel (> 8% alloy content) is designed to produce a specific property, such as corrosion resistance, heat resistance, or wear resistance.
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Aleación de acero (acero inoxidable incluido)

Las aleaciones no ferrosas tienen una excelente maquinabilidad y la mayoría son más livianas que la familia del hierro, pero no tienen la resistencia y dureza requeridas para muchas aplicaciones severas.

Common high-alloy steels include stainless steel (> 10.5% chromium) and Hadfield’s manganese steel (11–15% manganese). The addition of chromium, which forms a passivation layer of chromium oxide when exposed to oxygen, gives stainless steel excellent corrosion resistance. The manganese content in Hadfield’s steel provides high strength and resistance to abrasion upon hard working.

304 El acero inoxidable austenítico con un contenido de Ni superior al 8 %, aleación de calidad alimentaria, se puede utilizar para fundir componentes de acero inoxidable para aplicaciones domésticas y comerciales. Es el material de fundición de acero inoxidable más utilizado. Las fundiciones de acero inoxidable 304 se pueden usar en entornos donde el aire es menos corrosivo.
316 También acero inoxidable austenítico con contenido de Ni superior al 10%. Por su mayor contenido de Ni, las fundiciones de acero inoxidable 316 tienen mejor resistencia a la corrosión que las fundiciones de acero inoxidable 304. Estas fundiciones de acero inoxidable se adaptan mejor al entorno marino con condiciones de aire relativamente duras o materiales químicos que deben ponerse en contacto.
304L / 316L Las propiedades mecánicas son cercanas a las de los materiales 304 y 316. L representa un contenido de carbono más bajo, lo que hace que el material sea más dúctil, tenga un buen rendimiento de soldadura y una resistencia a la corrosión más confiable. El precio es más alto que el de los materiales del mismo grado.
410 & 416 La serie 400 pertenece al acero inoxidable martensítico, que se caracteriza por su alta resistencia, buen rendimiento de procesamiento y alta dureza por tratamiento térmico, y no contiene Ni, por lo que la resistencia a la corrosión es débil.
17-4 PH 17-4 pertenece al acero inoxidable martensítico con un contenido de Ni de 3%-5% y buena resistencia a la corrosión. Tiene la mayor resistencia de la serie de acero inoxidable y generalmente se usa para productos y componentes que no son propensos a la deformación.
2205 El acero inoxidable dúplex 2205 es un acero inoxidable compuesto que consta de 22 % de cromo, 2,5 % de molibdeno y 4,5 % de níquel-nitrógeno. Tiene alta resistencia, buena tenacidad al impacto y buena resistencia general y local a la corrosión bajo tensión.

Aluminio

Uno de los beneficios más importantes de la fundición de aluminio es que crea piezas más ligeras, con más opciones de acabado superficial que otras aleaciones fundidas. Por supuesto, muchos ingenieros lo eligen porque el material es fácil de mecanizar y cortar. Además, el aluminio fundido es versátil, resistente a la corrosión; conserva una alta estabilidad dimensional con paredes delgadas y puede usarse en casi cualquier industria.

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Aleaciones de Aluminio

Hay ocho aleaciones de aluminio diferentes, que están numeradas del uno al ocho. Los tres primeros números indican la aleación con la que se ha combinado el aluminio. Para aleaciones de colada, se coloca un decimal entre el tercer y cuarto dígito con el cuarto número indicando la forma del producto. Como indicador adicional, a cada aleación se le asigna un número de agrietamiento, corrosión, acabado y unión del uno al cinco, siendo uno el mejor y cinco el peor. Las aleaciones de la serie 1000 tienen una calificación de uno en todas las categorías, mientras que la serie 8000 tiene cinco en todas las categorías.

Serie 1000 La serie 1000 es la más pura de las aleaciones con un contenido de aluminio del 99 %. Es suave y dúctil con excelente trabajabilidad. La serie 1000 puede soportar una formación extrema ya que se endurece lentamente. Es fácilmente soldable y funciona bien durante el procesamiento.
Serie 2000 La serie 2000 está aleado con cobre que contiene de 2% a 10% de cobre y pequeñas adiciones de otros elementos. El cobre mejora la resistencia y dureza del aluminio pero reduce su ductilidad y resistencia a la corrosión. La Serie 2000 es difícil de soldar pero tratable térmicamente.
Serie 3000 El principal elemento de aleación de la serie 3000 es el manganeso. La combinación de manganeso con aluminio tiene buena resistencia a la corrosión pero es moderadamente fuerte. Es una aleación de aluminio no reforzado que ha sido tratado térmicamente. Los principales beneficios de la serie 3000 son su baja densidad, buena plasticidad y soldabilidad, resistencia a la corrosión, ductilidad y superficie de acabado excepcionalmente suave.
Serie 4000 La serie 4000 está aleado con silicio, lo que le da a la aleación un punto de fusión bajo y mejora su fluidez. Es una de las aleaciones de fundición más populares debido a la facilidad de formarlo en su estado fundido. La serie 4000 se utiliza como relleno para soldadura y soldadura fuerte.
Serie 5000 La serie 5000 está aleada con magnesio, lo que le otorga una excepcional resistencia a la tracción y formabilidad. Se clasifica como una aleación de láminas y placas de alta resistencia con alta soldabilidad. La preferencia de la serie 5000 para aplicaciones de chapa se debe a su resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis. Estas características hacen que la serie 5000 se adapte a entornos duros y hostiles.
Serie 6000 La serie 6000 está aleada con magnesio y silicio, lo que le da a la aleación fuerza, propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Algunas versiones de la serie 6000 se combinan con las series 4000 y 5000 para mejorar las propiedades de la serie 6000. El procesamiento de la serie 6000 requiere equipos especializados tecnológicamente avanzados, que son complejos y costosos. A su excelente resistencia a la corrosión y oxidación se suma la facilidad con la que se puede recubrir y tratar, así como su trabajabilidad.
Serie 7000 La serie 7000 de aleaciones de aluminio es la más fuerte y resistente de las aleaciones con un factor de resistencia que es dos tercios del acero de grado industrial A3. Debido a su alta dureza, la serie 7000 tiene una excepcional resistencia al desgaste, buenas propiedades mecánicas y reacción anódica. Es ideal para piezas de fundición que deben soportar una gran cantidad de estrés, como componentes de aviones. El zinc es la aleación de aluminio 7000, que ayuda a aumentar su dureza, aunque el zinc tiene la misma dureza que el aluminio en la escala de Mohs.
Serie 8000 La aleación principal de la serie 8000 es estaño con pequeñas cantidades de cobre y níquel. Aunque esta aleación tiene baja resistencia, tiene excelente maquinabilidad y resistencia al desgaste. La configuración de aleaciones para la serie 8000 cambia de acuerdo a cómo se utilizará el producto a producir. Su configuración determina el rendimiento de temperatura, la densidad y la rigidez del metal.

Cobre

Las aleaciones de cobre fundido tienen una alta resistencia a la tracción y a la compresión, tienen buenas cualidades de desgaste cuando se someten al contacto de metal con metal, se mecanizan fácilmente, tienen buena conductividad térmica y eléctrica y alta resistencia a la corrosión para maximizar el rendimiento del producto. Es más utilizado en el área de bellas artes.

Debido a que es fácil de fundir, tiene una larga historia de uso exitoso, está fácilmente disponible de una multitud de fuentes, puede lograr una gama de propiedades físicas y mecánicas y es fácil de mecanizar, soldar, pulir o enchapar.

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Fundición de aleaciones de cobre

El cobre puro es extremadamente difícil de fundir, además de ser propenso al agrietamiento de la superficie, problemas de porosidad y formación de cavidades internas. Las características de fundición del cobre se pueden mejorar mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos, incluidos berilio, silicio, níquel, estaño, zinc, cromo y plata.

Las aleaciones de cobre fundido se utilizan para aplicaciones tales como rodamientos, bujes, engranajes, accesorios, cuerpos de válvulas y componentes diversos para la industria de procesamiento químico. Estas aleaciones se vierten en muchos tipos de fundiciones, como arena, cáscara, inversión, molde permanente, arena química, centrífuga y fundición a presión.

Latones Los latones son aleaciones de cobre en las que el zinc es la principal adición de aleación.
Los latones también pueden contener cantidades específicas de plomo, estaño, manganeso y silicio.
Cuanto menor sea el contenido de zinc en las aleaciones de cobre-estaño-(plomo)-zinc, más parecidas al cobre o “rojas” aparecerán.
Bronces El término "bronce" originalmente se refería a las aleaciones en las que el estaño era el principal elemento de aleación.
Los bronces al estaño ofrecen una excelente resistencia a la corrosión, una resistencia razonablemente alta y una buena resistencia al desgaste. Utilizados en cojinetes de manguito, se desgastan especialmente bien contra el acero.
Monel/ cuproníquel Los bronces de níquel-estaño se caracterizan por una resistencia moderada y una muy buena resistencia a la corrosión, especialmente en medios acuosos. Un miembro de esta familia, C94700, puede endurecerse por envejecimiento a resistencias a la tracción típicas de hasta 75 ksi (517 MPa). La resistencia al desgaste es particularmente buena. Al igual que los bronces de estaño, los bronces de níquel-estaño se utilizan para rodamientos, pero estas aleaciones versátiles encuentran aplicaciones con mayor frecuencia como componentes de válvulas y bombas, engranajes, horquillas de cambios y piezas de interruptores automáticos.