Fundición de aluminio: Procesos, Propiedades, y aplicaciones

1. Introducción

Fundición de aluminio es un proceso de fabricación fundamental que implica derretir aleaciones de aluminio y formarlas en formas precisas utilizando diversas técnicas de moldeo.

Este método juega un papel fundamental en la producción de complejo, ligero, y componentes resistentes a la corrosión en un amplio espectro de industrias, incluido automotor, aeroespacial, electrónica, y energía renovable.

Como la demanda de eficiencia energética, Los productos de alto rendimiento continúan aumentando, La fundición de aluminio ha ganado prominencia debido a la de aluminio Relación favorable de fuerza / peso, Excelente conductividad térmica, y Reciclabalidad.

Por ejemplo, en el sector automotriz, Las fundiciones de aluminio son fundamentales para reducir el peso del vehículo y mejorar la eficiencia de combustible o el rango de baterías en vehículos eléctricos.

2. ¿Qué es la fundición de aluminio??

Fundición de aluminio es un proceso de fabricación en el que las aleaciones fundidas de aluminio o aluminio se vierten en un molde para formar una forma deseada al solidificar.

Esta técnica es fundamental para la fabricación moderna debido a las propiedades favorables del aluminio: de peso ligero, resistencia a la corrosión, conductividad térmica, y alta reciclabilidad.

El proceso de fundición permite la producción de geometrías complejas con desechos de material relativamente bajo, convirtiéndolo en una solución rentable para industrias que van desde automotor y aeroespacial a electrónica, energía, y construcción.

Hay múltiples métodos de fundición de aluminio, como fundición de arena, fundición a presión, y casting de inversión—Este optimizado para aplicaciones específicas basadas en el volumen de producción, acabado superficial, y requisitos de precisión dimensionales.

3. Aleaciones de fundición de aluminio y sus propiedades

Aluminio Las aleaciones de fundición están específicamente diseñadas para el procesamiento de metales fundidos y ofrecen una combinación única de resistencia, resistencia a la corrosión, fluidez, y maquinabilidad.

Estas aleaciones generalmente se clasifican en función de su composición química, Respuesta al tratamiento térmico, y rendimiento de casting.

Clasificación de aleaciones de fundición de aluminio

Las aleaciones de fundición de aluminio se dividen en dos categorías principales:

• Aleaciones tratables con calor
  Estas aleaciones ganan fuerza a través del tratamiento térmico de la solución y el envejecimiento artificial. (P.EJ., T6 temperamento). Común en piezas estructurales y automotrices.
• Aleaciones no tratables
  Fortalecido por endurecimiento o endurecimiento por deformación de la solución sólida, son más fáciles de lanzar y a menudo se usan en componentes de uso general.

Además, se agrupan por serie de acuerdo con el Asociación de aluminio sistema de clasificación (P.EJ., 3xx.x, 5xx.x, A356, ADC12):

4. Métodos de fundición de aluminio

Los métodos de fundición de aluminio son diversos y se adaptan a los requisitos específicos de la geometría, volumen, costo, acabado superficial, y rendimiento mecánico.

Cada proceso tiene fortalezas y limitaciones únicas, Hacer la selección de métodos un factor crítico en el diseño del producto y la eficiencia de fabricación.

Fundición de arena de aluminio

Fundición de arena es uno de los procesos de fundición más antiguos y versátiles. Implica empacar una mezcla de arena alrededor de un patrón para crear una cavidad de moho., que luego se llena con aluminio fundido.

El molde de arena generalmente está hecho de arena de sílice unida con arcilla o resina y se rompe después de la solidificación para recuperar la pieza.

Los patrones se pueden reutilizar, y los núcleos se pueden insertar para cavidades internas.

Este método es adecuado para componentes grandes y producción de lotes pequeños..

Ofrece una gran flexibilidad en la selección de aleaciones y acomoda una amplia gama de formas y tamaños, desde pequeños soportes hasta carcasas de bombas masivas o bloques de motor que pesan varias toneladas..

Fundición a presión de aluminio

Casting de alta presión (HPDC) & Casting de baja presión (LPDC)

Fundición implica inyectar aluminio fundido en moldes de acero (matrices) bajo presión controlada.

En HPDC, El aluminio se ve forzado a la cavidad del troquel a presiones que generalmente van desde 1,500 a 25,000 psi, resultando en un excelente acabado superficial y precisión dimensional.

En contraste, LPDC usa presión de gas (generalmente ~ 0.7 bar) para empujar suavemente el metal fundido hacia el molde desde abajo, Reducir la turbulencia y mejorar la integridad estructural.

La fundición a die se usa principalmente en entornos de producción en masa debido a sus tiempos de ciclo rápido, tolerancias apretadas, y repetibilidad.

Sin embargo, Requiere una inversión significativa en las herramientas de matriz y se limita principalmente a aleaciones de aluminio específicas optimizadas para la capacidad de fundición y el comportamiento térmico (P.EJ., ADC12, A380).

Casting de inversión de aluminio (Casting de cera perdido)

Fundición a la cera perdida Ofrece una precisión superior mediante el uso de patrones de cera prescindibles recubiertos con material cerámico refractario para formar un molde.

Una vez que la cerámica se endurece, La cera se derrite y se reemplaza con aluminio fundido. La carcasa de cerámica se rompe después de la solidificación.

Este proceso es ideal para geometrías complejas., paredes delgadas, y detalles finos que serían difíciles o imposibles de lograr con otros métodos de fundición.

Se usa comúnmente en aeroespacial, defensa, y componentes industriales de alta gama donde la precisión y la integridad de los materiales son críticas. La capacidad de lanzar piezas de forma cercana a la red reduce significativamente los requisitos de mecanizado.

Fundición de moho permanente de aluminio (Casting de died de gravedad)

La fundición permanente en el moho utiliza moldes de acero o hierro no expendibles para producir fundiciones de medianos a medios a alto.

El aluminio fundido se vierte en el molde bajo gravedad, sin el uso de la presión externa. Los moldes a menudo se precalan y recubren con materiales refractarios para mejorar el flujo, acabado superficial, y longevidad del molde.

En comparación con el fundición de arena, Este método ofrece una mejor estabilidad dimensional, acabado superficial, y propiedades mecánicas debido a un enfriamiento más rápido y una estructura de grano más uniforme.

Por lo general, se usa para piezas automotrices, carcasa de equipo, y componentes de iluminación. Se pueden usar insertos de núcleo para crear características internas.

Métodos de fundición de aluminio especializados

Fundición centrífuga

La fundición centrífuga utiliza un molde que gira rápidamente para distribuir aluminio fundido hacia afuera por fuerza centrífuga.

Este método es principalmente adecuado para componentes cilíndricos, como tuberías., anillos, bujes, y mangas. El proceso elimina el atrapamiento de gases e impurezas, produciendo un denso, capa externa de grano fino.

El proceso es muy adecuado para producir componentes perfectos que requieren alta integridad y resistencia al desgaste.

Empalme de fundición

El lanzamiento de compresión combina las ventajas de forjar y matar fundición. El aluminio fundido se vierte en un dado precalentado y se comprime con alta presión (típicamente de 10,000–20,000 psi) Durante la solidificación.

La presión elimina la porosidad del gas y refina la estructura de grano, dando como resultado piezas de fundición con propiedades que se acercan a las aleaciones forjadas.

La fundición de compresión es particularmente valiosa en aplicaciones automotrices para componentes críticos como los brazos de suspensión, nudillos de dirección, y soportes de alta resistencia.

Tabla de comparación: Métodos de fundición de aluminio

5. Propiedades mecánicas y físicas del aluminio fundido

Las aleaciones de aluminio fundido se utilizan ampliamente en todas las industrias debido a su excelente combinación de rendimiento mecánico, características livianas, y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, Las propiedades varían según el método de fundición, tipo de aleación, y tratamiento térmico.

6. Operaciones posteriores a la fundición de aluminio

Después de que se producen fundiciones de aluminio, a menudo requieren varios procesos posteriores a la clasificación para mejorar sus propiedades mecánicas, calidad de la superficie, precisión dimensional, y rendimiento general.

Estas operaciones son cruciales para cumplir con las especificaciones de la industria y los requisitos funcionales..

Tratamiento térmico

• Objetivo: El tratamiento térmico modifica la microestructura de las aleaciones de aluminio para mejorar la resistencia, dureza, y ductilidad. Los tratamientos térmicos comunes incluyen solucionar, temple, y envejecimiento.
• Tipos de tratamiento térmico típico:

• • T5: Envejecimiento artificial después del lanzamiento sin tratamiento de solución previa. Utilizado para aumentar la fuerza moderadamente.
  • T6: Tratamiento térmico de la solución seguido de envejecimiento artificial. Ampliamente aplicado para aleaciones como A356 para lograr la resistencia máxima y la resistencia a la fatiga.
  • T7: Envejecimiento de la resistencia a la corrosión y la estabilidad dimensional a algún costo de resistencia.

• Efecto: El tratamiento térmico mejora significativamente la resistencia a la tracción y al rendimiento (P.EJ., A356-T6 La resistencia a la tracción puede alcanzar ~ 250 MPa), Mejora el alargamiento, y estabiliza la estructura de fundición.

Acabado superficial

• Disparo de lanzamiento/explosión de arena: Limpieza mecánica para eliminar la arena, escala, e irregularidades superficiales, Mejora de la adhesión de pintura o acabado estético.
• Anodizante: Tratamiento electroquímico para crear una capa de óxido duradera para la resistencia a la corrosión y la dureza de la superficie, a menudo utilizado en aplicaciones aeroespaciales y arquitectónicas.
• Pintura y revestimiento en polvo: Proporciona protección contra la corrosión y personalización del color, Esencial para productos automotrices y de consumo.
• Mecanizado: El mecanizado de precisión refina las dimensiones, logra tolerancias estrechas, y proporciona superficies funcionales (P.EJ., Sellado de caras o superficies de rodamiento).

• • Se requieren parámetros especiales de herramientas y cortes debido a la suavidad y la tendencia de aluminio a la vía de las herramientas de corte.

• Pulido y pulido: Aplicado para acabados decorativos o funcionales, especialmente en carcasas electrónicas o bienes de consumo.

Consideraciones de mecanizado

• Las aleaciones de aluminio generalmente son una buena máquina, Pero el control de chips y la vida de la herramienta dependen de la composición de la aleación y la calidad de la fundición.
• Uso de carburo o herramientas recubiertas (Estaño, Tialn) extiende la vida útil de la herramienta y mejora el acabado superficial.
• Las asignaciones de mecanizado se tengan en cuenta durante el diseño de fundición para acomodar la eliminación de materiales.

Pruebas no destructivas (NDT)

• Objetivo: Asegura la integridad de la fundición detectando defectos internos o defectos de la superficie sin dañar la pieza.
• Métodos de NDT comunes:

• • Radiografía de rayos X: Detecta la porosidad interna, cavidades de contracción, e inclusiones.
  • Prueba ultrasónica: Identifica grietas o delaminaciones del subsuelo.
  • Inspección de penetrantes de tinte: Utilizado para revelar grietas y fisuras de la superficie.

• La implementación de NDT garantiza el cumplimiento de los estándares de calidad (P.EJ., ASTM B108 para fundiciones de aluminio) y evita fallas prematuras en el servicio.

7. Defectos en la fundición de aluminio y su prevención

• Porosidad:

• • Porosidad de gas: Hidrógeno de la humedad; evitado por desgasificación (purga de nitrógeno/argón) a <0.15 CC/100G H₂.
  • Porosidad de contracción: Diseño de pobre ascensante; fijado por simulación (P.EJ., Magmasoft) Para garantizar la solidificación direccional.

• Inclusiones: Óxidos/partículas de arena; Filtrado a través de filtros de espuma de cerámica (20–50 PPI) para eliminar >90% de inclusiones ≥50 μm.
• Lágrimas calientes: Tensión durante la solidificación; prevenido por esquinas redondeadas, espesor de pared uniforme, y enfriamiento más lento.
• Cierre frío: Llenado de moho incompleto; fijado al aumentar la temperatura de vertido (5–10 ° C) o calificar (0.5–2 kg/segundo).

8. Ventajas y limitaciones

Ventajas de la fundición de aluminio

• Ligero: El aluminio tiene una baja densidad (~ 2.7 g/cm³), habilitando la producción de componentes más ligeros, que es crítico en las industrias automotrices y aeroespaciales para mejorar la eficiencia y el rendimiento del combustible.
• Excelente resistencia a la corrosión: Naturalmente forma una capa de óxido protectora, ofreciendo una buena resistencia a los ambientes atmosféricos y en muchos entornos químicos, Reducción de los costos de mantenimiento.
• Buena conductividad térmica y eléctrica: Las fundiciones de aluminio se usan ampliamente para disipadores de calor, carcasa eléctrica, y componentes que requieren disipación de calor eficiente.
• Alta relación resistencia a peso: Especialmente cuando se trata térmicamente (P.EJ., Condición T6), Las fundiciones de aluminio logran fuertes propiedades mecánicas adecuadas para piezas estructurales.
• Métodos de fundición versátiles: El aluminio es compatible con una variedad de procesos de fundición, Desde la fundición de arena hasta el lanzamiento de diedes de alta precisión, Permitir formas complejas y grandes volúmenes de producción.
• Buena maquinabilidad: Las aleaciones de aluminio generalmente se máquina de moda con menos desgaste de herramientas y velocidades de corte más rápidas en comparación con los metales ferrosos.
• Reciclabalidad: El aluminio es altamente reciclable sin pérdida de propiedades, Apoyo a la fabricación sostenible.

Limitaciones de la fundición de aluminio

• Punto de fusión más bajo: Aluminio se derrite a aproximadamente 660 ° C, lo que limita su uso en aplicaciones de alta temperatura en comparación con aceros o superlolaciones.
• Problemas de porosidad: Las fundiciones de aluminio son propensas a los defectos de la porosidad del gas y la contracción si no se controlan adecuadamente, comprometer la integridad mecánica potencial.
• Resistencia al desgaste más baja: En comparación con los metales ferrosos, Las aleaciones de aluminio exhiben una menor dureza y resistencia al desgaste, que puede limitar las aplicaciones en entornos abrasivos.
• Costo de herramientas para el casting de matriz: Los altos costos de herramientas y moho restringen la fundición a las carreras de producción de alto volumen.
• Expansión térmica: El aluminio tiene un coeficiente relativamente alto de expansión térmica, que puede causar inestabilidad dimensional en componentes de precisión expuestos a fluctuaciones de temperatura.
• Uso limitado en entornos altamente corrosivos: Aunque resistente a la corrosión, Las aleaciones de aluminio pueden no ser adecuadas para condiciones altamente ácidas o alcalinas sin recubrimientos protectores.

9. Aplicaciones industriales de fundiciones de aluminio

• Automotor: Cabezales de cilindro, bloques de motor, carcasa de transmisión, ruedas
• Aeroespacial: Soportes livianos, alojamiento, marcos estructurales
• Electrónica: Carcasa térmica, disipadores de calor que requieren alta conductividad térmica
• Marina: Accesorios resistentes a la corrosión, alza de bombas
• Energía: Hubs de turbina eólica, Marcos de lámpara LED
• Construcción & Arquitectura: Fachadas decorativas, perfiles estructurales, Componentes de la pared de la cortina

10. Casting de aluminio vs. Otros materiales de fundición

La fundición de aluminio a menudo se compara con otros materiales de fundición comunes como el hierro fundido, magnesio, y zinc.

Cada material ofrece ventajas y limitaciones distintas dependiendo de los requisitos de aplicación, como la fuerza., peso, resistencia a la corrosión, costo, y capacidad de fabricación.

Resumen:

• Aluminio vs. Hierro fundido: La baja densidad de aluminio lo hace ideal donde la reducción de peso es crítica, como los sectores automotriz y aeroespacial.
  El hierro fundido se destaca en la resistencia al desgaste y la resistencia a la alta temperatura, pero es mucho más pesado y propenso a la óxido, Limitar su uso en aplicaciones livianas o sensibles a la corrosión.
• Aluminio vs. Magnesio: El magnesio es aún más ligero que el aluminio pero tiene menor resistencia y resistencia a la corrosión, restringiendo su uso a muy liviano, entornos no corrosivos.
  La fundición de magnesio puede ser más costosa y requiere un manejo estricto debido a preocupaciones de inflamabilidad.
• Aluminio vs. Zinc: Las aleaciones de zinc ofrecen una excelente precisión dimensional y acabado superficial a bajo costo, ideal para pequeño, piezas detalladas.
  Sin embargo, El zinc es mucho más pesado y menos resistente a la corrosión que el aluminio, Limitar su uso en aplicaciones estructurales o exteriores.

11. Conclusión

La fundición de aluminio ofrece versátil, Producción rentable de peso ligero, conductivo térmicamente, y piezas resistentes a la corrosión.

Con cuidadosa selección de aleación (P.EJ., A356, A319), elección de procesos, y mitigación de defectos, El aluminio fundido ofrece un alto rendimiento a través de automotor, aeroespacial, marina, electrónica, y construcción sectores.

A medida que la sostenibilidad y el diseño liviano se vuelven críticos, La fundición de aluminio continúa prosperando.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la aleación de fundición de aluminio más fuerte??

206-La aleación T6 ofrece la mayor resistencia a la tracción (345 MPA) Entre las aleaciones de casting comunes, utilizado en aplicaciones aeroespaciales y de alto estrés.

Se pueden soldar las fundiciones de aluminio?

Sí, Pero con precaución. Aleaciones tratables con calor (P.EJ., 356) puede perder fuerza en la zona afectada por el calor; soldadura con 4043 El metal de relleno minimiza este efecto.

¿Cómo se compara la fundición de aluminio con la falsificación de aluminio??

La fundición produce formas complejas en un solo paso (P.EJ., bloques de motor) pero tiene menor fuerza que forjar. Forzar es mejor para piezas de alto estrés (P.EJ., cigüeñal) pero cuesta 2–3 × más.

¿Qué causa la porosidad en las fundiciones de aluminio??

Atrapamiento de gas (hidrógeno de la humedad) o contracción durante la solidificación. El casting es más propenso, Pero la fundición asistida por vacío reduce la porosidad a <0.5%.

Son piezas de aluminio adecuadas para uso al aire libre?

Sí. Aleaciones como 5083 (de grado marino) resistir la corrosión del agua salada, con una vida útil de 20+ años en entornos costeros.