Los metales ferrosos son metales de color más oscuro, entre los que se incluyen principalmente el hierro, el acero y el hierro fundido. Estos metales son en su mayoría de color blanco plateado o gris oscuro, poseen una buena conductividad eléctrica y térmica y ductilidad, y se utilizan ampliamente en la industria manufacturera y la construcción. Los metales no ferrosos son aquellos que no pertenecen a la categoría de los metales ferrosos, como el cobre, el aluminio, el zinc, el plomo, el níquel y el estaño. Estos metales suelen presentar una gran variedad de colores, poseen una alta resistencia a la corrosión y una gran conductividad eléctrica y térmica, y se utilizan ampliamente en la industria, la electrónica y la química.
1. El hierro es clave para los metales ferrosos.
Los metales ferrosos contienen hierro, mientras que los metales no ferrosos no lo contienen. La presencia de hierro confiere al metal una mayor conductividad eléctrica. El metal también posee una buena resistencia a la tracción, lo que le permite soportar altas tensiones sin romperse. Gracias a sus propiedades mecánicas, resistencia y durabilidad superiores, los metales ferrosos pueden utilizarse para fabricar piezas para aplicaciones eléctricas y de alta tensión.
Es importante señalar que muchos metales ferrosos son susceptibles a la corrosión debido a su contenido en hierro. En aplicaciones que implican grandes cantidades de agua, humedad, disolventes, aceites y otras sustancias corrosivas, las piezas pueden desgastarse y, finalmente, fallar. Para solucionar este problema, se pueden añadir aditivos como el cromo durante el proceso de fundición de los metales ferrosos para mejorar su resistencia a la corrosión. Al mejorar las propiedades de estas aleaciones, los fabricantes pueden desarrollar fundición de precisión adecuado para entornos tan hostiles.
Los tipos de metales ferrosos incluyen el acero, el hierro fundido, el acero inoxidable y el acero al carbono. Por lo general, los metales ferrosos son menos costosos que los metales no ferrosos, ya que se utilizan ampliamente en diversos campos, incluidos los componentes aeroespaciales.
2. Resistencia común a la corrosión de los metales no ferrosos
Muchos metales no ferrosos no se corroen ni oxidan fácilmente debido a su bajo contenido en hierro. Estos metales son muy dúctiles y ligeros, pero tienen una menor resistencia a la tracción. También pueden ser magnéticos o no magnéticos, lo que ofrece más opciones en función de la aplicación.
La principal ventaja de los metales no ferrosos reside en su conductividad térmica y eléctrica. Cuando los metales poseen estas propiedades, la corriente y el calor pueden pasar fácilmente con una resistencia mínima. En el caso de las piezas fundidas utilizadas en sistemas eléctricos o electrónicos, los metales conductores permiten el paso de la corriente al tiempo que absorben y disipan el calor generado por esta. Esta propiedad evita que el sistema se sobrecaliente, lo que evita la degradación del rendimiento y el mal funcionamiento.
3. Diferencias clave en los procesos de fundición por inversión
El proceso central de fundición de precisión es “fabricación del modelo de cera → recubrimiento de la carcasa → desparafinado → horneado → vertido → limpieza”. La selección de parámetros y los requisitos operativos para cada etapa difieren significativamente entre los metales ferrosos y no ferrosos, como se indica a continuación:
3.1. Fabricación de patrones de cera y módulos: diferentes requisitos de resistencia
El patrón de cera es el “prototipo” en fundición de precisión, y su resistencia debe ajustarse a los requisitos posteriores de recubrimiento de la carcasa y manipulación. Debido a las diferencias de peso y dimensiones de las piezas fundidas tras el vertido, los requisitos para los patrones de cera difieren entre los dos tipos de metales:
- Metales ferrosos: Fundiciones de inversión suelen ser más gruesos (≥3 mm) y pesados (desde varios kilogramos hasta decenas de kilogramos). Por lo tanto, el patrón de cera necesita una mayor resistencia a temperatura ambiente y estabilidad a altas temperaturas (para evitar deformaciones durante el recubrimiento de la cubierta). A menudo se utiliza una cera compuesta de “parafina y ácido esteárico” (con una mayor proporción de ácido esteárico, lo que da como resultado una mayor dureza), o se añaden componentes de refuerzo como el polietileno.
- Metales no ferrosos: Las piezas fundidas por inversión son en su mayoría piezas de paredes delgadas (menos de 1 mm, como los componentes de aleación de aluminio para la industria aeroespacial) y ligeras. Los modelos de cera dan prioridad a la fluidez y la precisión del moldeado (replicando detalles complejos, como engranajes de precisión y patrones decorativos). A menudo se utiliza cera de parafina pura o ceras compuestas con un bajo contenido en ácido esteárico. Algunas piezas de precisión incluso utilizan “cera de baja temperatura” (punto de fusión de 40-60 ℃, fácil de desparafinar y que produce un acabado fino).
3.2. Preparación de la carcasa: diferencias en los materiales refractarios y las capas de recubrimiento
La carcasa es el “molde” para fundición de precisión, y debe soportar la erosión a altas temperaturas y la corrosión química del metal fundido. Por lo tanto, la selección de materiales refractarios y el número de capas de recubrimiento deben coincidir con el punto de fusión del metal:
| Pasos del proceso:
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Metales ferrosos (tomando como ejemplo el acero inoxidable):
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Metales no ferrosos (tomando como ejemplo la aleación de aluminio):
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| Materiales refractarios
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Capa interna (en contacto directo con el metal fundido): materiales con alto punto de fusión, como el corindón (Al₂O₃) y la mullita (3Al₂O₃・2SiO₂) (resistentes a temperaturas superiores a 1600 ℃ y a la corrosión por acero fundido); capa externa: arena de sílice de bajo costo + sol de sílice (que proporciona resistencia estructural).
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Capa interna: materiales con punto de fusión bajo a medio, como polvo de cuarzo y polvo de circón (resistentes a temperaturas inferiores a 1000 ℃, bajo costo); Capa externa: arena de cuarzo + vidrio soluble (buena fluidez, fácil de recubrir). La aleación de titanio es especial: se requiere corindón de alta pureza (para evitar la reacción entre el titanio y el silicio). |
| Número de capas de recubrimiento
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6-10 capas (debido a la alta temperatura y al impacto del metal fundido, se requiere una capa gruesa para evitar grietas).
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3-6 capas (La baja temperatura del metal fundido y las piezas de paredes delgadas requieren una capa fina para garantizar la disipación del calor y evitar cavidades por contracción en el fundición de precisión)
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| Secado de moho
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Tiempo de secado prolongado (8-12 horas por capa), lo que requiere un control estricto de la humedad (las capas de sol de sílice son sensibles a la humedad, por lo que se debe evitar la reducción de la resistencia).
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Tiempo de secado corto (4-8 horas por capa), las capas de vidrio soluble pueden secarse de forma natural, lo que se traduce en una mayor eficiencia.
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3.3. Desparafinado y cocción: diferencias en el control de la temperatura
El desparafinado elimina el patrón de cera para formar la cavidad, mientras que la cocción elimina los residuos de cera y mejora la resistencia de la cubierta. Las temperaturas para ambos procesos deben ajustarse al punto de fusión del patrón de cera y a las características del metal.
Métodos de desparafinado:
- Metales ferrosos: Se utiliza principalmente el “descerado al vapor” (vapor saturado a 100-120 °C, derrite rápidamente el patrón de cera, adecuado para patrones de cera de alta resistencia); algunas piezas grandes utilizan el “descerado con agua caliente” (80-90 °C, bajo costo).
- Metales no ferrosos: la cera de baja temperatura se desparafiniza con agua caliente (60-80 °C para evitar el ablandamiento y la deformación del modelo de cera); la cera de alta temperatura (como la cera para aleaciones de cobre) se sigue desparafinando con vapor.
Temperatura de cocción:
- Metales ferrosos: 800-1100 ℃ (para quemar completamente la cera residual, asegurando una capa sinterizada densa y resistencia a la erosión del acero fundido), tiempo de cocción de 2 a 4 horas.
- Metales no ferrosos: Aleaciones de aluminio/aleaciones de magnesio: 400-600 ℃ (para evitar el sobrecalentamiento de la carcasa, lo que podría reducir la permeabilidad y causar porosidad en la fundición); Aleaciones de cobre: 600-800 ℃; Aleaciones de titanio: 1000-1200 ℃ (requiere cocción al alto vacío para evitar la oxidación).
3.4. Proceso de fundición: control de la temperatura, la atmósfera y la fluidez
Fundición a la cera perdida es el paso fundamental de inyectar metal fundido en el molde. Debido a las diferencias en el punto de fusión y las propiedades oxidantes, los parámetros de fundición a la cera perdida difieren significativamente entre los dos tipos de metales:
Temperatura de fundición:
- Metales ferrosos: significativamente superior a su punto de fusión (por ejemplo, el punto de fusión del acero al carbono es de 1450 ℃, y la temperatura de fundición es de 1550-1650 ℃). Se necesita una mayor fluidez para llenar piezas fundidas de paredes gruesas y evitar cierres en frío.
- Metales no ferrosos: cerca de su punto de fusión (por ejemplo, el punto de fusión de la aleación de aluminio es de 660 ℃, y la temperatura de fundición es de 700-750 ℃). Las temperaturas excesivas pueden provocar fácilmente oxidación y cavidades por contracción en la fundición. Las aleaciones de titanio son especiales (punto de fusión 1668 ℃), requieren una fundición a alta temperatura de 1800-1900 ℃ y necesitan protección al vacío o con gas inerte (el titanio reacciona fácilmente con el oxígeno y el nitrógeno a altas temperaturas).
Ambiente del casting:
- Metales ferrosos: Se pueden moldear al aire libre (la oxidación del acero y el hierro fundido se puede eliminar mediante una limpieza posterior, y la oxidación tiene un impacto mínimo en las piezas de paredes gruesas).
- Metales no ferrosos: Las aleaciones de aluminio y magnesio requieren un tratamiento de desgasificación (se utiliza argón o hexacloroetano para eliminar el hidrógeno del metal fundido antes de la fundición, con el fin de evitar la porosidad); las aleaciones de cobre se pueden fundir al aire libre, pero deben cubrirse con fundente para evitar la oxidación; las aleaciones de titanio deben molde al vacío (vacío absoluto < 10⁻³ Pa).
Métodos de fundición:
- Metales ferrosos: Las piezas grandes utilizan “fundición por la parte inferior” (el metal fundido llena el molde suavemente, evitando la erosión de la cubierta del molde); las piezas pequeñas utilizan “fundición por la parte superior” (para aumentar la velocidad de llenado).
- Metales no ferrosos: Las piezas de paredes delgadas utilizan “fundición a presión” (como la fundición a baja presión, que fuerza al metal fundido a llenar la cavidad del molde, reduciendo los defectos); las piezas de precisión utilizan “fundición al vacío” (para aumentar la densidad).
3.5. Postratamiento: diferencias entre la limpieza y el tratamiento térmico
El tratamiento posterior determina el rendimiento y el aspecto finales de la fundición a la cera perdida. Debido a las diferencias en las características de la superficie y los requisitos de rendimiento, los procesos para los dos tipos de metales difieren significativamente:
Limpieza de superficies:
- Metales ferrosos: Debido a la elevada dureza de la cubierta del molde, las cubiertas residuales deben eliminarse mediante chorro de arena (arena de corindón) o granallado (granalla de acero); la capa de óxido se elimina mediante decapado (ácido clorhídrico + ácido nítrico).
- Metales no ferrosos: La cubierta del molde se desprende fácilmente; se puede retirar mediante chorro de arena (arena de cuarzo, evitando dañar la superficie de la fundición a la cera perdida) o desincrustación química (por ejemplo, disolviendo cuarzo en una solución de NaOH para aleaciones de aluminio); las aleaciones de cobre se pueden decapar (ácido sulfúrico + peróxido de hidrógeno).
Tratamiento térmico:
- Metales ferrosos: requieren normalización + templado (para ajustar la dureza y eliminar la tensión interna); el acero inoxidable requiere tratamiento de solución (para mejorar la resistencia a la corrosión).
- Metales no ferrosos: Las aleaciones de aluminio requieren un tratamiento de envejecimiento (para mejorar la resistencia); las aleaciones de magnesio requieren recocido (para eliminar tensiones y evitar deformaciones); las aleaciones de cobre requieren temple + revenido (para mejorar la dureza).
4. Tendencias de desarrollo
Metales ferrosos: Desarrollo de aleaciones de baja contracción (por ejemplo, acero con alto contenido de níquel) combinadas con tecnología de fundición a la cera perdida con impresión 3D.
Metales no ferrosos: La adopción generalizada de procesos de fundición al vacío para aleaciones de magnesio/titanio está impulsando el desarrollo de la industria aeroespacial ligera.
Mediante la selección adecuada de materiales y la optimización de los procesos, la fundición por inversión puede satisfacer las necesidades de diversos campos, desde la microjoyería hasta las grandes palas de turbina.
