Introducción a los Materiales: Metales Ferrosos y No Ferrosos

Ver versión in English
en français

Características y composición del metal para el diseño de moldes

herrero vestido en ropa protectora vacía acero ferroso fundido en moldes de arena
Una lista de metales ferrosos contiene hierro y sus aleaciones, incluyendo todos los aceros.

Cualquier metal solido que se pueda fundir puede ser moldeado. Las fundidoras son fábricas que hacen este trabajo de moldeo, desarrollando experiencia con unos cuantos metales y métodos, y diseñando productos estándar para maximizar el valor y la eficiencia en la producción.

Los metales y métodos de moldeo se influencian el uno al otro: la mejor opción para el moldeo de un producto está influenciada por cómo su metal se comportará en su estado fundido, enfriado y sólido. Para estas dependencias, las especialidades de una fundidora son parte de la determinación de qué tipo de productos hacen. La fundidora que hace juguetes para niños moldeados a presión generalmente no es la misma fundidora que produce partes de motor de alta calidad.

Una de las mayores distinciones en la especialización es si las fundidoras trabajan con metales ferrosos, metales no ferrosos, o ambos. La definición de un metal ferrosos es cualquier metal que contenga hierro; los metales no ferrosos no lo tienen. La metalurgia ferrosa representa casi el 90% de la producción mundial de metal. El hierro gris es el metal fundido más común en las fundidoras. Por fuera de la fundidora, el acero es la aleación ferrosa más usada en la industria, la construcción y el transporte.

Los metales ferrosos se definen como aquellos metales que contiene hierro. Los metales no ferrosos no lo tienen.

Metales ferrosos

Los metales ferrosos se definen como aquellos metales que contiene hierro. Los metales no ferrosos no lo tienen. El atributo distintivo del hierro es que es denso, fuerte cuando se mezcla con carbono, abundante y fácil de refinar, altamente susceptible a la corrosión y magnético. Hacer aleación de hierro con otros elementos en diferentes proporciones puede mitigar o eliminar uno o más de estos factores.

Cientos de aleaciones ferrosas son bien conocidas. Ellas están especificadas por las proporciones de cada elemento en su composición, así como también las instrucciones en su fundición y acabado. Las aleaciones ferrosas con carbono usualmente se les llama hierro o acero, y pueden contener cualquier cantidad de otros elementos, desde aluminio a vanadio, basado en sus especificaciones. Esto metales usualmente son elegidos por sus propiedades mecánicas. Los ingenieros y diseñadores pueden estar interesados en su límite elástico, dureza, ductilidad, soldabilidad, elasticidad, facilidad de corte y expansión térmica, los cuales describen cómo se comportará un material bajo factores estresantes específicos.

Estos aspectos distintivos del hierro pueden ser cambiados en la aleación, la cual mezcla el hierro con otros elementos. El acero inoxidable es un buen ejemplo, con algunas aleaciones del inoxidable siendo tanto no magnéticas como no corrosivas. Una manera común de saber si un metal es acero es poner un imán contra él, debido a que el hierro en la aleación causará que el imán se pegue; sin embargo, las personas que han intentado pegar imanes a su nevera de acero inoxidable saben que esto 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 para prevenir una reacción magnética. El acero inoxidable tampoco se corroe como otras aleaciones de hierro y esto es gracias a una adición de cromo. El cromo protege contra el óxido a través de un proceso llamado pasivación, en la cual las moléculas más exteriores del metal se oxidan pero permaneces fuertemente unidas al metal interior, formando un caparazón impenetrable.

En 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 contenido de carbono mayor a 2%. Ellos son hierros relativamente baratos y densos. Cuando son calentados y fundidos, tienen mucha mayor fluidez a menores temperaturas que el acero, esto significa que pueden fluir hacia adentro y llenar las partes de un molde complejos con mayor eficiencia. Los hierros fundidos también se encogen a la mitad de la tasa del acero mientras se enfrían.

Los hierros fundidos básicos tienen buenas propiedades de compresión, pero son frágiles: se quebrarán antes de doblarse o distorsionarse. Esta vulnerabilidad puede significar que los grados frágiles del hierro fundido no son usados para diseños con detalles de extrudido o elaboración, o con bordes afilados, ya que estas características se pueden picar.

los moldes de ruedas en arena verde son llenados con acero fundido
Las propiedades mecánicas de los metales ferrosos como el acero hacen ruedas de carga resistentes.

Hierro Gris es el tipo de hierro fundido más común producido, presente en todo desde tapas de alcantarillas hasta frenos de disco en autos. Éste obtiene su nombre del color que toma al quebrarse, el cual es gris debido a la presencia de grafito como el aditivo de carbono. El hierro gris es 2,5-4% carbono por peso, y adicionalmente contiene 1-3% de silicona, la cual estabiliza el grafito. Él tiene muchos de los atributos del hierro de fundición básico, en el hecho de que es barato y tiene alta fluidez comparado con el acero cuando se funde, pero la presencia de grafito permite que el hierro sea algo menos frágil, permitiendo un mejor maquinado. El hierro gris todavía es inflexible: se dobla muy poco antes de quebrarse.

Hierro Dúctil es una forma de hierro fundido en la cual el carbono añadido es un grafito esférico (nodular). El hierro dúctil es usualmente 3,2-3,6% carbono por peso, y tiene silicona y otros elementos. Mayores niveles de ferrita significan que se acumulan en las herramientas de corte durante la maquinación, así que con frecuencia se usan en la manufactura de moldes primarios, donde una alta fluidez lo hace una gran elección para el trabajo finamente detallado. La forma esférica del grafito le da al hierro dúctil mayor resistencia al impacto y fuerza maleable que el hierro de fundición o el gris, haciendo que sean posibles los diseños detallados o con bordes. El hierro dúctil es relativamente un recién llegado en la especificación de los hierros, ya que se descubrió por primera vez en 1943.

Acero

Los aceros de todo tipo son algunas veces también fundidos. En general, el acero tiene un contenido de carbono de menos del 2,14% por peso, y con frecuencia se hace aleación 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 necesita estar mucho más caliente que el hierro fundido para fluir dentro de moldes detallados, y las temperaturas altas requeridas para trabajarlo con acero son un reto para manejarlas y pueden limitar el diseño y acabado del objeto que sale del molde. Como con todos los moldes, diferentes partes de una pieza se pueden enfriar a diferentes tasas, y este diferencial genera estrés dentro del producto: debido a que el acero se encoge más extensa y rápidamente que los hierros fundidos, estos estreses necesitan mayor manejo en el acero fundido.

Estos retos significan que el acero puede ser mucho más intenso de trabajar para moldearlo bien. Él requiere atención experta durante todas las etapas de su producción. Aun así, la alta fuerza mecánica del producto final puede hacer de una aleación de acero la elección clara para algunas aplicaciones, con la maquinación proveyendo acabados de etapa final.

Otras aleaciones de hierro

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

metalúrgico no ferroso deja lingotes de plata y pepitas de oro al lado de callanas y moldes
La definición de metales no ferrosos es que son aquellos que no contienen hierro—como estos metales preciosos puros.

Metales no ferrosos y sus usos

Estos metales incluyen cada 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 y platino
  • Titanio
  • Aluminio
  • Estaño, plomo
  • Zinc

Con tan amplio rango de materiales en este grupo, muchas de las propiedades mecánicas que recomiendan al hierro pueden ser descubiertas en metales no ferrosos. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio o titanio podrían ser sustituidas por acero en muchos casos, si no fuera inaccesible por el costo hacerlo. Las habilidades magnéticas del hierro podrían ser emuladas con el níquel, cobalto o elementos poco comunes de la tierra en aleación con otros metales.

Sin embargo, debido a que los metales no ferrosos con frecuencia son más costosos, tienden a ser elegidos por sus atribuciones únicas en vez de por las formas en que se pueden comportar parecidas al acero. Menores pesos, 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 avaluados exactamente porque son poco comunes: antes de que fuera posible la producción generalizada de aluminio, el aluminio era un metal de lujo usado en vajillas lujosas.

Toda clase de materiales especializados son moldeados. Sin embargo, en las fundidoras de moldeado en arena tradicionales, hay tres metales de fundición que valen la pena mencionar.

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 todavía son moldeadas en arena hoy. Ellos se funden a mucha menor temperatura que los materiales ferrosos y moldean detalles bien, así que son con frecuencia usados en aplicaciones decorativas como estatuarios. El bronce y el latón son más suaves que el acero, pero son resistentes a la corrosión incluso en la presencia de sal, así que estos metales son usados en aplicaciones marinas estándar como accesorios en botes. El latón también es resistente al “galling”, el cual es el desgaste de un metal contra sí mismo, así que el latón a veces se moldea para partes mecánicas como los propulsores marinos—o es maquinado para rodamientos y cierres. 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 mucha menor densidad que el hierro, haciéndolo un metal vital en aplicaciones que necesitan fuerza sin peso, como en la industria aeroespacial. Es resistente a la corrosión porque el aluminio, como el acero inoxidable, reacciona a la oxidación creando un caparazón de óxido de metal que lo protege.

El aluminio también tiene un punto de fundición menor que el de muchos de los aceros y hierros que puede reemplazar, lo cual lo hacer más fácil de fundir que el acero, necesitando menos supervisión para formas complejas. La mayor desventaja del aluminio es la expansión.

Considerar metales de fundición

Cuando se diseña un molde, encontrar el metal perfecto para balancear el valor y la forma es un arte y una ciencia. El metal adecuado para un trabajo satisfará tanto los requerimientos estéticos como mecánicos de la aplicación, y esto influenciará los métodos de producción requeridos para llevar un prototipo al producto final.

Los metales ferrosos son la elección más común para moldes, con frecuencia seleccionados por su eficiencia de costo y sus propiedades mecánicas. Algunas veces no es la fuerza del metal la que dicta la elección sino las 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 ser elegidas por tradición o por su belleza.

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