Aleaciones avanzadas de aluminio en fundición metálica personalizada para piezas de alto rendimiento

La fundición a presión de metal personalizado es un método bien establecido para producir componentes metálicos ligeros, complejos y altamente precisos en cantidades de producción económicamente viables. Sin embargo, el rendimiento de los componentes de fundición a presión depende de más que la metodología de fundición. El rendimiento del sistema de fundición a presión se verá afectado por la composición de la aleación, el diseño de los componentes, el diseño del chip, las condiciones térmicas y de flujo y su control, así como las operaciones de posfundición.

A medida que los productos automotrices, electrónicos, de automatización y relacionados con la energía se vuelven más compactos e integrados funcionalmente, los fabricantes están examinando aleaciones de aluminio que ofrecen un equilibrio más adecuado entre resistencia, calibrabilidad, rendimiento térmico, resistencia a la corrosión y coste.

¿Qué son las aleaciones avanzadas para fundición de aluminio a presión?

"Aleación de aluminio avanzada" no se refiere a un grado específico. En la fundición a presión de metal personalizado, generalmente describe una aleación seleccionada o ajustada para un requisito de rendimiento particular.

• Mayor resistencia mecánica: Mejor para fabricar soportes, carcasas, soportes y otras piezas sometidas a cargas mecánicas.

• Conductividad térmica mejorada: Mejor para su uso como sumideros de calor, carcasas para LEDs y otros componentes electrónicos, componentes de gestión térmica y dentro de carcasas termoconductoras.

• Mejor resistencia a la corrosión: Son mejores para su uso en exteriores, ambientes húmedos y/o químicamente agresivos las aleaciones de composición controlada y baja en cobre.

• Mayor ductilidad: Mejor para las piezas que necesitan poder deformarse sin romperse.

• Mejor estanqueidad a la presión: Mejor para carcasas de bomba, carcasas para válvulas y otros componentes de control de fluidos que requieren una superficie de sellado estable.

• Resistencia al desgaste mejorada: Mejores para su uso en deslizamientos, rotaciones o aplicaciones donde se espera desgaste abrasivo son las aleaciones más endurecidas.

El aluminio es el metal más utilizado en la fundición a presión debido a su combinación de bajo peso, resistencia a la corrosión, buena conductividad y buena estabilidad dimensional.

Cómo afectan los elementos de aleación al rendimiento

Aunque es tan ligero y conductor, el aluminio puro generalmente no es aplicable para la fundición a presión estándar a altas presiones. La aleación mejora la fluidez, resistencia, dureza, capacidad de calidad y rendimiento en servicio.

Silicio

El silicio mejora la fluidez, ayudando a que la fundición metálica personalizada rellene paredes finas y características complejas. También puede reducir la contracción y el craqueo en caliente, aunque el mecanizado, la ductilidad y el rendimiento térmico siguen siendo consideraciones importantes.

Cobre

El cobre puede mejorar la resistencia, la dureza y el rendimiento a altas temperaturas, pero niveles más altos pueden reducir la resistencia a la corrosión.

Magnesio

El magnesio aumenta la resistencia y la dureza, mientras que cantidades excesivas pueden reducir la ductilidad.

Hierro y manganeso

El hierro puede reducir la adhesión del aluminio al acero de troquelado, mientras que el manganeso ayuda a controlar las fases que contienen hierro. Ambos requieren una composición controlada para mantener la calidad de la fundición.

Comparando opciones comunes de aleaciones de aluminio

La siguiente tabla ofrece una visión general de la selección. Las propiedades reales variarán según los límites de composición, parámetros de fundición, geometría, porosidad, tratamientos térmicos y protocolos de prueba.

Según NADCA, el A380 está catalogado como una aleación muy utilizada. A383 se utiliza generalmente para formas complejas, A413 para componentes que requieren estanqueidad a presión, y A390 para aplicaciones que requieren resistencia al desgaste.

La gestión térmica es una consideración a nivel de sistema

Una de las aplicaciones en crecimiento de la fundición metálica personalizada es la gestión térmica para vehículos eléctricos e híbridos eléctricos, telecomunicaciones, sistemas de datos, electrónica de potencia, iluminación LED y otros campos relacionados.

La gestión térmica suele ser el principal motor de diseño para la fundición de componentes. Una aleación térmicamente conductora no significa que el componente fundido sea mejor para refrigerar. Algunas de las otras consideraciones de diseño son:

Diseño de aletas: La transferencia de calor puede mejorarse con aletas más largas y finas.

• Espesor de pared constante: Mantener el espesor uniforme permite un mejor flujo del metal y reduce la aparición de puntos calientes.

• Interfaces planas: Los componentes que deben acercarse deben tener superficies mecanizadas con precisión para proporcionar un mejor contacto.

• Flujo de aire: Las aletas deben posicionarse para optimizar el método de refrigeración preferido, natural o forzado.

• Tratamientos superficiales: Evaluar el recubrimiento por su capacidad de protección contra la corrosión y por su capacidad de transferencia térmica.

Según los documentos técnicos de NADCA, niveles más bajos de silicio pueden aumentar el grado de relleno y el nivel de conductividad térmica, pero también pueden afectar negativamente al relleno de secciones delgadas e intrincadas de fundición a presión alta. Es importante evaluar las características de un material y el diseño de un componente para determinar la funcionalidad de la aleación.

La importancia del diseño de moldes

El uso de aleaciones de fundición a presión superiores no garantiza la producción de piezas fundidas de calidad si el diseño del molde es deficiente en el control del relleno, ventilación, refrigeración y expulsión de las piezas moldeadas.

Considera lo siguiente al diseñar un molde:

• Diseño de compuerta y conducción: El metal debe fluir a través de la cavidad en el tiempo de llenado deseado y con un flujo controlado.

• Diseño de desbordamiento y ventilación: Debe haber una ruta de escape amplia para que el aire salga de la cavidad.

• Refrigeración equilibrada: El objetivo debe ser reducir la diferencia en el tiempo de solidificación entre secciones delgadas y gruesas.

• Colocación de la línea de separación: La apariencia de la pieza, así como el grado de recorte y flash, se verán afectados por la línea de separación. Además, la línea de separación afectará las dimensiones de la pieza.

• Diseño de eyección: El diseño debe permitir la expulsión del molde sin distorsión ni daños evidentes por expulsión.

• Diseño del grosor de la pared: Cuando sea posible, el diseño debe incluir cambios graduales de grosor en lugar de cambios abruptos.

La North American Die Casting Association recomienda cambios graduales en el grosor cuando sea posible y el uso de cambios graduales de grosor para mantener un grosor de pared lo más uniforme posible.

SunOn's Política de Diseño y Fabricación

Para proyectos de fundición a presión de aluminio, SunOn soporta un flujo de trabajo desde la revisión de dibujos hasta el Diseño para la Fabricabilidad (DFM), análisis de flujo de molde, diseño de moldes, fabricación de herramientas, montaje, ensayos T1, modificación de moldes y inicio de la producción. Además del aluminio, SunOn también ofrece fundición de zinc para aplicaciones que requieren detalles más finos y paredes más finas.

Para laProyecto de fundición a presión de metal personalizado, SunOn puede construir los siguientes moldes:

• Acero 8407: Cuando las propiedades de ciclo térmico, pulibilidad y resistencia a la comprobación térmica son de interés principal, se puede utilizar este acero para herramientas de trabajo en caliente.

• Acero H13: Este acero proporciona una excelente combinación de resistencia al calor y tenacidad con resistencia a la fatiga térmica.

• 4Cr5MoSiV1: Este acero puede ser adecuado para las partes externas del molde que pueden sufrir altas temperaturas y presiones, y estar sujetas a erosión.

• Insertos de berilio-cobre: El uso de insertos localizados puede acelerar la transferencia de calor en las secciones del molde donde el enfriamiento es relativamente lento.

SunOn integra además la fundición a presión, la fabricación de moldes, el mecanizado CNC, el desbarbado, el acabado superficial, el montaje y el empaquetado. Sus flujos de proceso incluyen fabricación de herramientas DFM, CNC/EDM, ensayos de molde e inspecciones y ajustes T1 antes de la producción.

Elegir una aleación para un nuevo proyecto

Una decisión bien informada sobre la aleación de fundición a presión de metal personalizado debe considerar todo el entorno operativo y no solo un valor.

Antes de que el equipo del proyecto pueda determinar una aleación adecuada, deben determinar lo siguiente:

• Cargas mecánicas: deben considerarse diferentes tipos de requisitos, incluyendo estática, impacto, vibración y fatiga.

• Temperatura de funcionamiento: deben considerarse tanto las temperaturas típicas como las atípicas (pico).

• Exposición: considera la exposición a humedad, sal, productos químicos y/o exposición al exterior.

• Térmico: Toma en cuenta las consideraciones necesarias para la gestión térmica, por ejemplo, la eliminación de calor.

• Dimensión: considerar tanto tolerancias funcionales como otras dimensiones menos críticas.

• Acabado: considerar tanto el tratamiento superficial requerido como su compatibilidad con la aleación.

• Volumen: considera los costes de producción (herramientas, ciclo y mantenimiento) y la vida útil esperada del molde.

Palabras finales

Seleccionar una aleación de aluminio avanzada para la fundición implica sopesar la calibrabilidad, resistencia, ductilidad, resistencia a la corrosión y conductividad frente al coste y la facilidad de acabado.

El diseño exitoso de piezas requiere coordinar la selección de aleaciones, la geometría de las piezas, el diseño del molde y del sistema de compuertas, los parámetros del proceso y la inspección, todo ello como parte de un único plan integrado. La alineación del diseñador, el proveedor de materiales y el fabricante de fundición a presión desde el principio del proceso de diseño ayudará a coordinar y evitar cambios en las herramientas.

Preguntas frecuentes

P1. ¿Son resistentes a la corrosión los discos de aluminio a presión?

La mayoría de las aleaciones de aluminio tienen cierto grado de resistencia a la corrosión. Sin embargo, diferentes aleaciones experimentan distintos niveles de rendimiento.

P2. ¿Por qué se prefieren las aleaciones de aluminio para la fundición a presión?

Se prefieren aleaciones de aluminio por la combinación de baja densidad, alta resistencia, resistencia a la corrosión y buena conductividad térmica.

P3. ¿Qué aleación de aluminio se usa más comúnmente para la fundición a presión?

ADC12 es la aleación más común para la fundición a presión, ya que es una de las aleaciones más equilibradas en términos de calibrabilidad, resistencia y mecanizabilidad.

P4. ¿Cuál es el papel del silicio en las aleaciones de aluminio para la fundición a presión?

El silicio aumenta la fluidez del metal fundido y ayuda a rellenar secciones delgadas y formas intrincadas.

P5. ¿Qué propiedades aporta el cobre a las aleaciones de aluminio?

El cobre mejora la resistencia y dureza de la aleación a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas.