Cómo elegir una aleación para fundición: resistencia, corrosión y costo

Esta guía ofrece a los ingenieros de compras y a los diseñadores de productos un método práctico para seleccionar aleaciones de fundición —una forma de elegir entre las aleaciones de fundición más comunes: hierro gris, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aluminio y zinc— utilizando datos mecánicos reales y la lógica de costos de la planta de producción, en lugar de la información publicitaria de los catálogos. Los puntos de referencia provienen de AFS orientación sobre la selección de aleaciones y ASTM normas sobre materiales.

Por qué se cometen errores en la selección de aleaciones para fundición

La mayoría de los errores en las aleaciones se deben a uno de estos tres atajos:

• Cómo copiar una especificación de un dibujo antiguo — La aleación original se eligió hace décadas para una carga diferente, y nadie la volvió a validar.
• Especificar la aleación más resistente “por si acaso” — acero inoxidable cuando bastaría con hierro dúctil, lo que aumenta el costo y el tiempo de entrega sin aportar ninguna ventaja funcional.
• Ignorar el medio ambiente — una pieza de acero al carbono utilizada en un entorno húmedo o ligeramente corrosivo y que no cuenta con recubrimiento.

Una buena selección tiene en cuenta tres aspectos a la vez: resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y costo total. En la tabla siguiente se comparan las principales aleaciones de fundición con estos tres factores.

El árbol genealógico de las aleaciones de fundición

La resistencia a la tracción es solo el dato más destacado en la selección de aleaciones para fundición. El hierro dúctil, por ejemplo, iguala en resistencia a muchos grados de acero al carbono, pero cuesta considerablemente menos y se funde de manera más limpia en secciones delgadas. La elección rara vez se basa en el principio de “el más fuerte gana”.”

Fortaleza: Cómo interpretar las propiedades mecánicas sin jerga técnica

Cuatro cifras te dan casi toda la información que necesitas para una aplicación de carga estática:

• Resistencia a la tracción (UTS) — la tensión máxima de tracción antes de la fractura. La tensión de trabajo de tu diseño debe ser una fracción de esta, no debe acercarse a ella.
• Límite de elasticidad — donde comienza la deformación permanente. Es más importante que la resistencia a la tracción máxima (UTS) para las piezas que no deben deformarse durante su uso.
• Alargamiento (%) — cuánto se estira antes de romperse. El hierro gris es frágil (menos de 1%); el hierro dúctil y los aceros son dúctiles (3–18%).
• Dureza — resistencia a la indentación; un indicador de la maquinabilidad y la resistencia al desgaste.

Una pieza sometida a compresión pura o a fuertes vibraciones se comporta de manera diferente a una sometida a tensión constante; por eso, la selección de la aleación de fundición no puede limitarse a un solo valor de resistencia a la tracción. La capacidad de amortiguación y la facilidad de fundición del hierro gris lo hacen ideal para bases y carcasas de máquinas, a pesar de su bajo alargamiento, mientras que para un soporte que soporta carga y está expuesto a impactos se debería optar por el hierro dúctil o el acero. Consulte nuestro Guía de fundición de metales para entender cómo la elección del proceso influye en la elección de la aleación.

Cuándo pagar por una potencia extra

Actualiza el diseño solo cuando la carga o el factor de seguridad lo exijan. Un cuerpo de bomba sometido a una presión interna moderada puede funcionar sin problemas si está fabricado en hierro gris durante décadas; sin embargo, el mismo cuerpo, si se utiliza en aplicaciones de alta presión o criogénicas, debe fabricarse en acero al carbono o en acero inoxidable. Adapta las especificaciones al servicio, no al miedo.

Resistencia a la corrosión: cómo elegir la aleación adecuada para cada entorno

La corrosión es donde la selección de la aleación de fundición falla de manera imperceptible. La regla general: elige la aleación adecuada para el entorno de operación y, luego, decide si un recubrimiento puede suplir las carencias.

• En interiores / en seco — El hierro gris, el acero al carbono y el zinc resisten; no se necesita recargo.
• Agua fresca / humedad — hierro dúctil o acero al carbono con un recubrimiento (pintura, galvanizado o recubrimiento en polvo); o acero inoxidable para contacto con líquidos.
• Agua salada / marina — Acero inoxidable tipo 316 (CF8M) o una aleación de aluminio resistente a la corrosión; el acero sin recubrimiento se deteriorará rápidamente.
• Químico / alta temperatura — aceros aleados y grados de acero inoxidable resistentes al calor, seleccionados según el medio específico.

Costo: La trampa del peso total frente al peso por pieza

Los compradores suelen comparar las aleaciones por su precio por kilogramo y pasan por alto los verdaderos factores que determinan el costo a la hora de seleccionar una aleación para fundición. El aluminio cuesta más por kilogramo que el hierro; sin embargo, una pieza de aluminio puede resultar más económica porque pesa un tercio y se mecaniza más rápido. El zinc también cuesta más por kilogramo, pero su bajo punto de fusión permite la fundición a presión de alta cavitación a un costo por pieza muy bajo cuando se produce en grandes volúmenes.

En realidad, son tres cifras las que determinan el costo unitario: precio de la materia prima, rendimiento de la fundición (peso de la masa fundida frente al de la pieza terminada) y tiempo de mecanizado. Una aleación más dura podría no suponer ningún ahorro si duplica el desgaste de la herramienta y el tiempo de ciclo en la máquina. Cuando el volumen y la geometría también son importantes, consulta nuestro Fundición en arena vs. fundición a la cera perdida comparación para la parte del proceso de la decisión.

Un flujo de trabajo práctico para la selección de aleaciones de fundición

1. Enumera las condiciones reales de servicio: tipo de carga, magnitud, temperatura y exposición.
2. Elige la aleación mínima que cumpla con los requisitos de resistencia y corrosión, no la máxima.
3. Verifica la fundibilidad y el espesor de la sección en función de la aleación (las paredes delgadas favorecen el uso de hierro dúctil, aluminio o zinc en lugar del hierro gris).
4. Calcula el costo total, incluyendo el rendimiento y el mecanizado, y luego compáralo por pieza, no por kilogramo.
5. Verifica la calificación con respecto a la correspondiente ASTM especificación y fíjala en el dibujo.

Cuando la decisión es realmente reñida, una fundición que cuente con servicios internos de modelado, fundición y mecanizado puede producir muestras en series pequeñas con las dos aleaciones candidatas, para que puedas evaluar el costo y el rendimiento antes de comprometerte con la producción a gran escala.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la aleación fundida más económica para una pieza estructural no corrosiva?

El hierro gris suele ser la opción más económica para piezas estructurales y de amortiguación de vibraciones que no están expuestas a la corrosión. El hierro dúctil es la siguiente opción cuando la pieza requiere mayor resistencia y cierta ductilidad, sin dejar de ser una opción económica.

¿Cuándo debería optar por el acero inoxidable en lugar del acero al carbono?

Elige acero inoxidable cuando la pieza se utilice en entornos húmedos, marinos, químicos o a altas temperaturas, donde el acero al carbono se corroería o se descascararía. Para uso estructural en interiores en condiciones secas, el acero al carbono o el hierro dúctil suelen ser la opción más económica.

¿El aluminio es siempre más ligero y más barato que el hierro?

El aluminio siempre es más ligero, pero no siempre es más barato. Puede resultar más económico que el hierro en términos de costo total cuando el ahorro de peso reduce la cantidad de material, el tiempo de mecanizado y los gastos de envío; sin embargo, para piezas fundidas estructurales pesadas y de bajo volumen, el hierro suele ser más económico.

*Los valores de resistencia a la tracción corresponden a los mínimos típicos de las especificaciones ASTM y varían según el grado y el espesor de la sección. Confirme los grados definitivos consultando las referencias de AFS/ASTM y los registros internos de su fundición.