Elegir el material adecuado para fundición de inversión Determina el éxito o el fracaso de su pieza. La diferencia entre el acero inoxidable y el aluminio no solo radica en el peso, sino también en si su componente resiste temperaturas de 1000 °C, resiste la corrosión del agua de mar o se mecaniza fácilmente después de la fundición.
La fundición de precisión funciona con prácticamente cualquier aleación metálica, desde acero al carbono asequible hasta superaleaciones exóticas cuyo coste por libra es mayor que el de la plata. Cada categoría de material presenta ventajas y desventajas específicas que inciden directamente en el rendimiento, el coste de fabricación y la vida útil.
Debe adaptar las propiedades del material a los requisitos de su aplicación. Un álabe de turbina a reacción requiere superaleaciones de níquel que mantengan su resistencia a temperaturas que fundirían el aluminio. Un implante médico exige la biocompatibilidad perfecta del titanio. Un impulsor de bomba podría necesitar la combinación de resistencia a la corrosión y propiedades anticorrosivas del bronce.
Los aceros inoxidables combinan una alta resistencia con una excepcional resistencia a la corrosión, lo que los convierte en la opción ideal para piezas expuestas a entornos hostiles. Todos los aceros inoxidables contienen al menos un 10.5 % de cromo, lo que crea una capa protectora de óxido que previene la formación de óxido.
Estas aleaciones alcanzan resistencias a la tracción que van desde 500 MPa en grados austeníticos como el 304 hasta más de 1300 MPa en grados de endurecimiento por precipitación como el 17-4 PH tras el tratamiento térmico. El material mantiene esta resistencia incluso a temperaturas moderadamente altas, y algunos grados ofrecen un buen rendimiento hasta 800 °C.
La resistencia a la corrosión proviene de esa capa de óxido de cromo, que se autorepara al rayarse o dañarse. Esto significa que las piezas de acero inoxidable a menudo no necesitan recubrimientos protectores, incluso en entornos marinos o químicos.
La tenacidad del acero inoxidable varía según el grado. Los aceros inoxidables austeníticos (como el 316) ofrecen excelente ductilidad y resistencia al impacto, mientras que los grados martensíticos ofrecen mayor dureza, pero menor flexibilidad.
La principal desventaja es la maquinabilidad. El acero inoxidable se endurece durante el corte, lo que lo hace más difícil de mecanizar que el acero al carbono y requiere herramientas especializadas.
Los aceros al carbono ofrecen alta resistencia al menor costo de cualquier metal de fundición, con propiedades que se pueden personalizar mediante tratamiento térmico. Estas aleaciones de hierro y carbono contienen entre un 0.1 % y un 1.0 % de carbono, y las versiones de baja aleación añaden pequeñas cantidades de cromo, molibdeno o níquel.
Las piezas fundidas de acero de medio carbono suelen alcanzar límites elásticos de 400 a 800 MPa tras el tratamiento térmico. Se puede aumentar aún más la dureza mediante temple y revenido, creando superficies resistentes al desgaste y manteniendo un núcleo tenaz.
Estos aceros se mecanizan fácilmente, especialmente en grados con bajo contenido de carbono. El material se corta limpiamente, se perfora bien y se suelda fácilmente, lo que facilita y economiza las operaciones posteriores a la fundición.
Los aceros al carbono poseen una excelente conductividad térmica y propiedades magnéticas. Esto los hace ideales para componentes de motores eléctricos y aplicaciones donde la disipación del calor es crucial.
La mayor limitación es la corrosión. Sin recubrimientos protectores, el acero al carbono se oxida rápidamente al exponerse a la humedad o a productos químicos.
Los aceros con alto contenido de carbono también pueden volverse frágiles si no se templan adecuadamente, con el riesgo de sufrir fallas catastróficas bajo cargas de impacto.
Las aleaciones de aluminio ofrecen la mejor relación resistencia-peso entre los metales de fundición comunes, con un peso de tan solo un tercio del del acero. Aleaciones de fundición populares como la A356 combinan aluminio con silicio y magnesio para alcanzar resistencias a la tracción de 150-300 MPa.
El bajo punto de fusión de 660 °C facilita la fundición del aluminio en comparación con las aleaciones ferrosas. Fluye con facilidad en secciones delgadas y geometrías complejas, lo que permite diseños intrincados que serían imposibles con otros metales.
El aluminio resiste naturalmente la corrosión formando una capa protectora de óxido en cuestión de segundos tras la exposición al aire. Esta característica de autoprotección elimina la necesidad de recubrimientos en la mayoría de los entornos.
El material se mecaniza con gran facilidad. El aluminio se corta rápidamente con un desgaste mínimo de la herramienta, aunque su alto contenido de silicio puede ser ligeramente abrasivo para las herramientas de corte.
Su conductividad térmica y eléctrica es excepcional, lo que hace que el aluminio sea ideal para disipadores de calor y componentes eléctricos. Además, el material mantiene su resistencia a temperaturas criogénicas y nunca se vuelve quebradizo en condiciones de frío.
Su principal debilidad reside en su rendimiento a altas temperaturas. El aluminio pierde resistencia rápidamente por encima de los 200 °C, lo que lo hace inadecuado para las secciones calientes del motor u otras aplicaciones de alta temperatura.
Las superaleaciones de níquel mantienen una resistencia excepcional a temperaturas donde otros metales se fundirían o deformarían, y algunos grados ofrecen un rendimiento fiable a 1000 °C. Aleaciones comunes como el Inconel 718 ofrecen una resistencia a la tracción de 700 MPa a temperatura ambiente y aún conservan más de 100 MPa a 700 °C.
Estas aleaciones resisten la fluencia, la tendencia a deformarse lentamente bajo cargas sostenidas a alta temperatura. Su estable estructura cristalina austenítica previene el deslizamiento del límite de grano que causa fallas en otros materiales.
La resistencia a la oxidación y la corrosión es excepcional. El cromo y el aluminio en la aleación forman capas protectoras de óxido que protegen el metal base de los gases calientes y los productos de la combustión.
La densidad de las aleaciones de níquel (8.1-8.8 g/cc) es comparable a la del acero, por lo que son pesadas. Pero cuando se necesita resistencia a temperaturas extremas, ninguna otra opción se le acerca.
Las aleaciones de níquel son notoriamente difíciles de mecanizar. Se endurecen instantáneamente durante el corte y destruyen las herramientas rápidamente, por lo que la fundición a la cera perdida hasta alcanzar una forma casi final es crucial.
El material mantiene una excelente resistencia a la fatiga incluso después de miles de ciclos térmicos, lo que lo hace ideal para piezas que se calientan y enfrían repetidamente.
Las aleaciones de cobalto destacan por conservar la dureza y la resistencia al desgaste a altas temperaturas, y algunos grados conservan propiedades útiles hasta 900 °C. Las aleaciones de estelita combinan cobalto con cromo y carburos para crear superficies resistentes a la abrasión incluso al rojo vivo.
Estos materiales resisten la fatiga térmica mejor que cualquier otra superaleación. Soportan cambios bruscos de temperatura sin agrietarse, una propiedad que los hace invaluables para los componentes de turbinas.
La resistencia a la corrosión y la oxidación suele ser superior a la de las aleaciones de níquel, especialmente en entornos con compuestos de azufre. La capa protectora de óxido de cromo se mantiene estable incluso bajo ciclos térmicos.
Las aleaciones de cobalto suelen tener una densidad de 8.4-9.0 g/cc, similar a la de las superaleaciones de níquel. A pesar de ser ligeramente menos resistentes a la temperatura que las aleaciones de níquel de alta calidad, ofrecen una resistencia superior al choque térmico.
La extrema dureza que proporciona resistencia al desgaste también hace que el mecanizado sea prácticamente imposible. La mayoría de las piezas de cobalto se funden a su forma final o se acaban mediante rectificado y electroerosión (EDM).
La biocompatibilidad es otra propiedad clave. Las aleaciones de cobalto-cromo-molibdeno son seguras para la implantación a largo plazo en el cuerpo humano, ya que resisten la corrosión de los fluidos corporales.
Las aleaciones de cobre ofrecen una excelente resistencia a la corrosión, combinada con propiedades antimicrobianas naturales y una alta conductividad térmica/eléctrica. Las fundiciones de bronce y latón alcanzan resistencias a la tracción de 200-300 MPa para los grados estándar y más de 1000 MPa para aleaciones especiales como el cobre-berilio.
Estos materiales destacan en entornos marinos. El bronce de silicio y el bronce de aluminio forman películas protectoras que previenen la degradación en el agua de mar, lo que permite una vida útil de décadas sin necesidad de mantenimiento.
Su baja fricción y resistencia al desgaste hacen del bronce una opción ideal para rodamientos. Se desliza suavemente sobre superficies de acero con mínimas rozaduras y agarrotamientos.
Las aleaciones de cobre se mecanizan excepcionalmente bien, en particular el latón y el bronce con plomo, de fácil mecanización. Producen virutas pequeñas y permiten velocidades de corte rápidas con una larga vida útil de la herramienta.
El rango de punto de fusión de 900 a 1050 °C hace que la fundición sea sencilla, aunque estas aleaciones tienen una contracción de solidificación significativa (alrededor del 6 %) que requiere un diseño de molde cuidadoso.
La ductilidad y la tenacidad son excelentes. Las aleaciones de cobre se doblan antes de romperse y mantienen su tenacidad incluso a temperaturas criogénicas, a diferencia de los aceros, que se vuelven quebradizos.
Las aleaciones de titanio ofrecen una resistencia similar a la del acero con la mitad de peso, y el Ti-6Al-4V alcanza una resistencia a la tracción de 900 MPa con una densidad de tan solo 4.5 g/cc. Esta excepcional relación resistencia-peso hace que el titanio sea irremplazable en aplicaciones aeroespaciales.
Su resistencia a la corrosión rivaliza con la del platino en muchos entornos. El titanio forma una película de óxido increíblemente estable que lo hace prácticamente inerte en agua de mar, cloruros y fluidos corporales.
El material mantiene buenas propiedades hasta 400-500 °C, aunque se oxida rápidamente por encima de esta temperatura. Las aleaciones especiales pueden ampliar ligeramente el rango útil.
El titanio tiene un módulo elástico bajo (110 GPa), aproximadamente la mitad que el del acero. Esta flexibilidad ayuda a absorber los impactos, pero implica una mayor deflexión bajo carga.
El alto punto de fusión de 1668 °C y la extrema reactividad del titanio fundido dificultan la fundición. Requiere hornos de vacío y carcasas cerámicas especiales a base de zirconio para evitar la contaminación.
La biocompatibilidad es perfecta: el titanio no causa reacciones adversas en el cuerpo humano y, de hecho, permite que el hueso crezca directamente sobre su superficie, lo que lo hace ideal para implantes permanentes.
| Tipo De Material | Costo relativo (material) | Resistencia a la Corrosión | Fuerza típica[^1] | Maquinabilidad (Facilidad) | Densidad (g / cc) |
|---|---|---|---|---|---|
| Acero al carbono/de baja aleación | Baja | Bajo: propenso a oxidarse sin recubrimiento | Medio – alto (tratable térmicamente) | Medio: fácil de mecanizar y soldar | ~7.8 (Pesado) |
| Acero Inoxidable | Alta (debido a Ni/Cr) | Excelente – resiste la corrosión y la oxidación | Resistencia media-buena, algunos grados altos | Bajo: más difícil de mecanizar que el acero simple | ~7.7–8.0 (pesado) |
| Aleaciones de aluminio | Media | Medio/Bueno – forma óxido protector | Bajo – moderado (fuerza absoluta más baja) | Alta – muy fácil de mecanizar | ~2.7 (Luz) |
| Aleaciones a base de níquel | Muy Alta – elementos caros | Alto – excepcional en calor/corrosión | Alta a alta temperatura (media a temperatura ambiente) | Baja – muy difícil de mecanizar | ~8.1–8.8 (pesado) |
| Aleaciones a base de cobalto | Muy Alta – las superaleaciones más caras | Alta: excelente resistencia a la corrosión y al desgaste | Medio – muy bueno hasta ~800 °C | Baja – extremadamente duro; moldeado a la forma de la red | ~8.4–8.8 (pesado) |
| Aleaciones a base de cobre | Medio: el cobre tiene un costo moderado | Alto: excelente en entornos marinos/normales. | Bajo – moderado (bronce < acero; Be-Cu alto) | Alto – fácil (especialmente latón/bronce con plomo) | ~7.5–8.9 (pesado) |
| Aleaciones de titanio | Muy Alta – material y proceso costosos | Alto – casi inerte, de grado biomédico | Alta – resistencia similar al acero con un 40 % del peso | Bajo: el mecanizado y la fundición son difíciles | ~4.5 (Luz) |
