Reparto: Proceso fundamental de conformado en la fabricación y aplicaciones del acero

Definición y concepto básico

La fundición se refiere al proceso de verter metal fundido en un molde para producir un componente sólido con una forma específica. En la industria siderúrgica, la fundición es un método fundamental de fabricación que transforma el acero líquido en productos semiacabados o terminados. El proceso consiste en fundir el acero hasta su estado líquido, verterlo en una cavidad de molde preparada, dejar que solidifique y, a continuación, extraer el componente solidificado del molde.

La fundición representa una de las técnicas de conformado de metales más antiguas y versátiles de la metalurgia, con miles de años de antigüedad. Permite la producción de geometrías complejas que serían difíciles o imposibles de lograr mediante otros métodos de fabricación. En el ámbito más amplio de la metalurgia, la fundición actúa como un enlace crucial entre el procesamiento de la materia prima y la fabricación del producto terminado, permitiendo la transformación del metal refinado en componentes útiles con formas y propiedades específicas.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microscópico, la fundición implica la transformación del acero del estado líquido al sólido mediante la nucleación y el crecimiento de cristales. Cuando el acero fundido se enfría por debajo de su punto de fusión, se forman pequeños núcleos sólidos dentro del líquido. Estos núcleos crecen a medida que más átomos del líquido se adhieren a la superficie sólida, formando finalmente granos o cristales.

El proceso de solidificación se produce direccionalmente desde las paredes del molde hacia el interior, creando una microestructura característica. Los mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) regulan la velocidad de enfriamiento, lo que influye significativamente en la microestructura final. Durante la solidificación, se producen diversos fenómenos, como la segregación de elementos de aleación, el desprendimiento de gases y la contracción volumétrica, que afectan las propiedades finales del acero fundido.

Modelos teóricos

La regla de Chvorinov sirve como modelo teórico principal para la solidificación de la fundición, expresada como $t_s = K(V/A)^2$, donde $t_s$ es el tiempo de solidificación, $V$ es el volumen, $A$ es el área superficial y $K$ es la constante del molde. Esta relación demuestra que el tiempo de solidificación es proporcional al cuadrado de la relación entre el volumen y el área superficial.

La comprensión histórica de la fundición evolucionó desde el conocimiento empírico artesanal hasta principios científicos. El trabajo fundacional de Chvorinov en la década de 1940 estableció relaciones cuantitativas entre los parámetros de fundición. Desarrollos posteriores incluyeron el trabajo de Flemings sobre la microsegregación y la investigación de Campbell sobre las bipelículas de óxido y sus efectos en la calidad de la fundición.

Los enfoques modernos incorporan dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis de elementos finitos (FEA) para modelar el llenado y la solidificación del molde. Estos métodos numéricos permiten predecir defectos, tensiones residuales y desarrollo microestructural, superando significativamente los modelos analíticos anteriores.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

Las propiedades del acero fundido están estrechamente relacionadas con su estructura cristalina, que suele comenzar como austenita (cúbica centrada en las caras) durante la solidificación y puede transformarse en ferrita (cúbica centrada en el cuerpo) u otras fases durante el enfriamiento. Los límites de grano se forman donde se encuentran los cristales con diferente orientación, lo que influye significativamente en las propiedades mecánicas.

La microestructura del acero fundido se caracteriza por las dendritas, estructuras cristalinas con forma de árbol que se forman durante la solidificación. La separación entre los brazos dendríticos primarios es inversamente proporcional a la velocidad de enfriamiento, mientras que la separación entre los brazos dendríticos secundarios suele servir como indicador del tiempo de solidificación local. Las regiones interdendríticas suelen contener elementos segregados y pueden presentar inclusiones o porosidad.

Los principios fundamentales de la ciencia de los materiales, como las transformaciones de fase, la difusión y la teoría de la nucleación, rigen el desarrollo de microestructuras de fundición. La relación entre los parámetros de procesamiento, la microestructura resultante y las propiedades finales constituye la base de los enfoques de la ciencia de los materiales para la optimización de la fundición.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La ecuación fundamental que rige el tiempo de solidificación en la fundición es la regla de Chvorinov:

$$t_s = K\left(\frac{V}{A}\right)^2$$

Dónde:
- $t_s$ = tiempo de solidificación (segundos)
- $K$ = constante del molde (depende del material del molde, las propiedades del metal y la temperatura de vertido)
- $V$ = volumen de la pieza fundida (cm³)
- $A$ = superficie de la pieza fundida en contacto con el molde (cm²)

Fórmulas de cálculo relacionadas

La velocidad de enfriamiento durante la solidificación se puede aproximar mediante:

$$R = \frac{G \cdot V}{T_L - T_S}$$

Dónde:
- $R$ = tasa de enfriamiento (°C/s)
- $G$ = gradiente de temperatura (°C/cm)
- $V$ = velocidad de solidificación (cm/s)
- $T_L$ = temperatura del líquido (°C)
- $T_S$ = temperatura del sólido (°C)

Para el cálculo de la contracción en piezas fundidas de acero:

$$S = \rho_L / \rho_S - 1$$

Dónde:
- $S$ = contracción volumétrica (fracción)
- $\rho_L$ = densidad del acero líquido (g/cm³)
- $\rho_S$ = densidad del acero sólido (g/cm³)

Estas fórmulas se aplican para determinar los tamaños de los tubos ascendentes, predecir patrones de solidificación y estimar las tasas de enfriamiento en diferentes secciones de las piezas fundidas.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos matemáticos presuponen propiedades térmicas uniformes en toda la pieza fundida y el molde. En realidad, la conductividad térmica y el calor específico varían con la temperatura y la composición. Los modelos también presuponen un llenado perfecto del molde sin turbulencias ni atrapamiento de gases.

Las condiciones de contorno se vuelven complejas con geometrías intrincadas, lo que hace que las soluciones analíticas sean poco prácticas para fundiciones complejas. Además, estos modelos no suelen tener en cuenta los efectos del flujo de fluidos durante el vertido ni la convección en el metal líquido.

La mayoría de los modelos de solidificación asumen condiciones de equilibrio, mientras que la fundición real implica un enfriamiento fuera del equilibrio. Esta limitación se vuelve especialmente significativa al predecir la microestructura en aceros aleados con múltiples transformaciones de fase.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM A781/A781M: Especificación estándar para piezas fundidas de acero y aleación, requisitos comunes
• ASTM E446: Radiografías de referencia estándar para piezas fundidas de acero de hasta 2 pulgadas (51 mm) de espesor
• ISO 4990: Piezas fundidas de acero — Requisitos técnicos generales de entrega
• ASTM A802/A802M: Práctica estándar para piezas fundidas de acero, estándares de aceptación de superficies, examen visual

Cada norma aborda aspectos específicos de la calidad del acero fundido. La norma ASTM A781 cubre los requisitos generales para las piezas fundidas de acero, mientras que la norma ASTM E446 proporciona radiografías de referencia para evaluar discontinuidades internas. La norma ISO 4990 establece los requisitos de entrega internacionales, y la norma ASTM A802 define los criterios de aceptación de superficies.

Equipos y principios de prueba

Los equipos comunes para la evaluación del acero fundido incluyen microscopios ópticos y electrónicos de barrido para el análisis microestructural. Estos instrumentos revelan la estructura del grano, la distribución de fases y los defectos a diferentes niveles de aumento. Los equipos de radiografía de rayos X y rayos gamma detectan discontinuidades internas mediante el paso de radiación a través de la pieza fundida y la captura de las variaciones de densidad en detectores de película o digitales.

Los equipos de pruebas ultrasónicas utilizan ondas sonoras de alta frecuencia para detectar defectos internos mediante señales reflejadas. Los equipos de pruebas mecánicas, como las máquinas de ensayos de tracción, los probadores de impacto y los durómetros, evalúan las propiedades mecánicas de los componentes fundidos.

Las técnicas de caracterización avanzadas incluyen la tomografía computarizada (TC) para la visualización tridimensional de defectos y la difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) para el mapeo de la orientación cristalográfica.

Requisitos de muestra

Las muestras de tracción estándar de acero fundido suelen cumplir las especificaciones ASTM E8/E8M, con dimensiones proporcionales a una longitud calibrada de 4D, donde D es el diámetro. Para la evaluación de la calidad del acero fundido, las muestras deben extraerse de puntos representativos dentro de la pieza fundida o de bloques de prueba fundidos por separado.

La preparación de la superficie para el examen metalográfico requiere un esmerilado con abrasivos cada vez más finos, seguido de un pulido hasta obtener un acabado espejo. El grabado químico con reactivos adecuados (normalmente nital o picral para aceros) revela las características microestructurales.

Las muestras deben estar libres de daños por mecanizado o efectos térmicos que puedan alterar la estructura original de la pieza fundida. Para ensayos mecánicos, debe documentarse la orientación de la muestra con respecto a la dirección de la pieza fundida, ya que las propiedades suelen variar según la dirección.

Parámetros de prueba

Las temperaturas de prueba estándar suelen variar desde la temperatura ambiente (20-25 °C) hasta temperaturas elevadas, según la aplicación. Es necesario controlar las condiciones ambientales para evitar la contaminación u oxidación durante las pruebas.

Las tasas de carga para ensayos de tracción de acero fundido generalmente cumplen con la norma ASTM E8/E8M, con tasas de deformación de 0,005 ± 0,002 pulg./pulg./min durante la fluencia y 0,05 ± 0,01 pulg./pulg./min después de la fluencia. Los ensayos de impacto se realizan típicamente a temperaturas específicas para evaluar la transición de dúctil a frágil.

Los parámetros críticos para las pruebas no destructivas incluyen la energía de radiación para la radiografía, la frecuencia y el ángulo para las pruebas ultrasónicas y los niveles de magnetización para la inspección de partículas magnéticas.

Proceso de datos

La recopilación de datos primarios implica la medición directa de dimensiones, cargas, desplazamientos e indicaciones de fallas. Los sistemas digitales capturan, almacenan y procesan esta información según las normas pertinentes.

Los métodos estadísticos incluyen el cálculo de valores medios, desviaciones típicas e intervalos de confianza para las propiedades mecánicas. La estadística de Weibull se aplica con frecuencia para analizar las propiedades relacionadas con la fractura de los materiales de fundición.

Los valores finales se calculan aplicando fórmulas apropiadas a las mediciones brutas, con correcciones por geometría de la muestra, temperatura y otros factores, según lo especificado en las normas de ensayo. Los resultados suelen presentarse con valores de incertidumbre y compararse con los criterios de aceptación.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (UTS, MPa)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Fundiciones de acero al carbono (0,2-0,3 % C)	415-550	Estado original, temperatura ambiente.	ASTM A27/A27M
Fundiciones de acero de baja aleación	550-825	Tratado térmicamente, temperatura ambiente.	ASTM A148/A148M
Piezas fundidas de acero inoxidable (CF8M)	485-620	Solución recocida, temperatura ambiente	ASTM A743/A743M
Fundiciones de acero con alto contenido de manganeso	620-825	Enfriado en agua, temperatura ambiente	ASTM A128/A128M

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben a diferencias en el espesor de la sección, la velocidad de enfriamiento y pequeñas variaciones en la composición. Las secciones más delgadas suelen presentar mayor resistencia debido a una microestructura más fina, mientras que las secciones más gruesas se enfrían más lentamente, lo que resulta en estructuras más gruesas y valores de resistencia más bajos.

Estos valores sirven como guía para la selección de materiales y los cálculos de diseño. Los ingenieros deben tener en cuenta que los componentes fundidos suelen presentar una mayor variación de propiedades que los productos forjados. Las propiedades específicas de la ubicación dentro de una misma pieza fundida pueden variar significativamente según las condiciones locales de solidificación.

Una tendencia general muestra que aumentar el contenido de aleación y el tratamiento térmico adecuado pueden mejorar significativamente las propiedades mecánicas, aunque a menudo con un mayor costo y una capacidad de fundición potencialmente reducida.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros consideran las propiedades de la fundición aplicando factores de seguridad adecuados para compensar la variabilidad inherente y los posibles defectos. Los factores de seguridad típicos oscilan entre 1,5 y 2,5, dependiendo de la criticidad de la aplicación y el nivel de control de calidad.

Los cálculos de diseño deben considerar la naturaleza anisotrópica de las estructuras fundidas, cuyas propiedades suelen variar entre diferentes ubicaciones y direcciones dentro de la misma pieza. Las decisiones sobre la selección de materiales equilibran los requisitos mecánicos con la colabilidad, considerando factores como la fluidez, el rango de solidificación y la susceptibilidad a defectos.

Los enfoques de diseño modernos incorporan software de simulación de fundición para predecir patrones de solidificación, identificar posibles defectos y optimizar los sistemas de inyección y mazarotaje. Este enfoque computacional ayuda a minimizar el ensayo y error en el desarrollo de la fundición.

Áreas de aplicación clave

La industria ferroviaria depende en gran medida de componentes de acero fundido para bogies, enganches y bastidores laterales, donde la alta resistencia combinada con la resistencia al impacto es esencial. Estos componentes deben soportar cargas cíclicas y condiciones ambientales extremas, manteniendo al mismo tiempo la integridad estructural.

Los equipos de generación de energía incorporan grandes componentes de acero fundido, como carcasas de turbinas y cuerpos de válvulas. Estas aplicaciones exigen una excelente contención de la presión, estabilidad dimensional a temperaturas elevadas y fiabilidad a largo plazo en condiciones de servicio exigentes.

Los equipos de minería utilizan acero fundido para componentes de trituradoras, revestimientos de molinos y cucharones de excavadoras, donde se requiere una resistencia extrema a la abrasión y robustez. Estos componentes soportan cargas de impacto severas y desgaste abrasivo en entornos operativos hostiles.

Compensaciones en el rendimiento

La resistencia y la ductilidad suelen presentar requisitos contradictorios en el acero fundido. Un mayor contenido de carbono y aleación aumenta la resistencia, pero generalmente reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Esta compensación requiere un equilibrio cuidadoso según los requisitos de la aplicación.

La colabilidad frente al rendimiento presenta otra desventaja común. Las aleaciones con excelentes propiedades mecánicas suelen presentar baja fluidez o amplios rangos de solidificación, lo que dificulta su colada sin defectos. Por el contrario, las aleaciones fáciles de colar pueden no cumplir con los exigentes requisitos mecánicos.

Los ingenieros equilibran estos requisitos contrapuestos mediante una cuidadosa selección de aleaciones, un diseño optimizado de la fundición y tratamientos postcolado adecuados. Las herramientas computacionales modernas ayudan a predecir el rendimiento de diferentes combinaciones de materiales y procesos, lo que permite tomar decisiones de compensación más informadas.

Análisis de fallos

La porosidad por contracción representa un modo de fallo común en componentes de acero fundido. Este defecto se produce cuando no hay metal líquido disponible para compensar la contracción volumétrica durante la solidificación. Los huecos resultantes actúan como concentradores de tensiones, pudiendo iniciar grietas por fatiga bajo cargas cíclicas.

Las grietas por calor se desarrollan cuando las tensiones de contracción térmica superan la resistencia del material durante la solidificación. Estas grietas intergranulares suelen formarse en zonas con contracción forzada, a menudo en las transiciones de espesor de sección o en las esquinas internas.

Las estrategias de mitigación incluyen un diseño adecuado de la fundición con transiciones graduales de secciones, sistemas optimizados de compuertas y mazarotas para garantizar la solidificación direccional, y simulación por computadora para predecir posibles áreas problemáticas antes de la producción. La inspección posterior a la fundición mediante métodos adecuados de pruebas no destructivas ayuda a identificar defectos antes de que los componentes entren en servicio.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta significativamente las propiedades del acero fundido: un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia y la dureza, a la vez que reduce la ductilidad y la soldabilidad. Cada aumento del 0,1 % en el carbono suele incrementar el límite elástico en aproximadamente 60-80 MPa en estado bruto de fundición.

Los oligoelementos como el azufre y el fósforo, incluso en niveles inferiores al 0,05 %, pueden afectar drásticamente las propiedades mecánicas al segregarse en los límites de grano. El azufre afecta especialmente la ductilidad en caliente y, si no se controla, puede provocar desgarro en caliente.

Los enfoques de optimización composicional incluyen la microaleación con elementos como el vanadio, el niobio o el titanio para refinar la estructura del grano, y la adición de tierras raras para modificar la morfología de las inclusiones. La fundición moderna de acero suele emplear la termodinámica computacional para predecir composiciones óptimas para combinaciones de propiedades específicas.

Influencia microestructural

El tamaño del grano influye considerablemente en las propiedades mecánicas; los granos más finos suelen proporcionar mayor resistencia y tenacidad. En el acero fundido, el refinamiento del grano puede lograrse mediante inoculación, velocidades de enfriamiento controladas o adiciones adecuadas de aleación.

La distribución de fases afecta significativamente el rendimiento, ya que las proporciones relativas de ferrita, perlita, bainita o martensita determinan el equilibrio entre resistencia y ductilidad. El control de la transformación de fases mediante la composición y la velocidad de enfriamiento permite adaptar las propiedades a aplicaciones específicas.

Las inclusiones y los defectos, en particular las inclusiones angulares de óxido y la porosidad por contracción, actúan como concentradores de tensiones que pueden iniciar grietas bajo carga. Su tamaño, morfología, distribución y orientación afectan significativamente las propiedades mecánicas, especialmente la resistencia a la fatiga y la tenacidad a la fractura.

Influencia del procesamiento

El tratamiento térmico influye drásticamente en las propiedades del acero fundido al controlar las transformaciones de fase. La normalización homogeneiza la microestructura y refina el tamaño del grano, mientras que el temple y el revenido pueden aumentar significativamente la resistencia y la tenacidad en comparación con el estado original.

Los procesos de trabajo mecánico, como el prensado isostático en caliente (HIP), pueden eliminar la porosidad interna en piezas fundidas de alta calidad, mejorando sustancialmente las propiedades de fatiga y reduciendo la dispersión de propiedades. Los tratamientos superficiales, como el granallado, introducen tensiones de compresión beneficiosas que mejoran la resistencia a la fatiga.

Las velocidades de enfriamiento durante la solidificación determinan la separación de los brazos dendríticos, el tamaño de grano y los patrones de segregación. Un enfriamiento más rápido generalmente produce microestructuras más finas con mejores propiedades mecánicas, pero puede aumentar las tensiones residuales y la susceptibilidad al agrietamiento durante la solidificación.

Factores ambientales

La temperatura afecta significativamente el rendimiento del acero fundido, ya que el límite elástico suele disminuir y la ductilidad aumentar a temperaturas elevadas. Las aplicaciones de alta temperatura requieren una cuidadosa selección de la aleación para mantener las propiedades adecuadas en condiciones de servicio.

Los entornos corrosivos aceleran la degradación de los componentes de acero fundido, especialmente en zonas con heterogeneidad microestructural, como regiones segregadas o interfaces de inclusión. La selección adecuada de la aleación y los recubrimientos protectores pueden mitigar estos efectos.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen la fluencia a temperaturas elevadas, donde los componentes fundidos se deforman gradualmente bajo una carga constante. Este fenómeno se vuelve significativo por encima de aproximadamente el 40 % de la temperatura de fusión y debe considerarse en aplicaciones de alta temperatura.

Métodos de mejora

Los métodos de mejora metalúrgica incluyen el tratamiento con calcio para modificar la morfología de las inclusiones, de angulares a globulares, reduciendo así su efecto de concentración de tensiones. La adición de tierras raras puede refinar aún más las inclusiones y mejorar la limpieza del acero fundido.

Las mejoras basadas en el procesamiento incluyen la desgasificación al vacío para reducir los gases disueltos, la agitación electromagnética para promover el refinamiento estructural y las técnicas de solidificación controlada para minimizar la segregación y la porosidad. Los diseños avanzados de moldes con enfriadores y aislantes pueden optimizar las tasas de enfriamiento local.

Las consideraciones de diseño para optimizar el rendimiento del acero fundido incluyen proporcionar ángulos de desmoldeo adecuados para la extracción de patrones, incorporar filetes de tamaño adecuado para reducir la concentración de tensiones y diseñar para una solidificación direccional que minimice los defectos. Las herramientas de ingeniería asistida por computadora permiten la optimización virtual antes del prototipado físico.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La solidificación se refiere a la transformación de fase líquida a sólida que ocurre durante la fundición. Este proceso implica la nucleación, el crecimiento y el desarrollo de microestructuras características que determinan las propiedades finales del componente fundido.

El sistema de compuertas describe la red de canales diseñados para suministrar el metal fundido a la cavidad del molde. Un diseño adecuado de las compuertas garantiza un llenado suave y controlado, a la vez que minimiza la turbulencia, la acumulación de aire y la formación de óxido.

El risering implica la colocación estratégica de depósitos que suministran metal fundido adicional para compensar la contracción de solidificación. Un risering eficaz previene defectos de contracción al mantener una vía de alimentación de metal líquido hacia las regiones de solidificación.

Estos términos son aspectos interconectados del proceso de fundición: la compuerta controla la entrada de metal, la solidificación determina el desarrollo de la microestructura y el ascenso compensa los cambios volumétricos durante el enfriamiento.

Normas principales

ASTM A216/A216M es la principal norma internacional para piezas fundidas de acero al carbono aptas para servicio a alta temperatura. Define los límites de composición química, los requisitos de propiedades mecánicas y los procedimientos de prueba para piezas sometidas a presión.

La norma europea EN 10213 abarca las piezas fundidas de acero para aplicaciones a presión, con requisitos más estrictos para ensayos no destructivos que algunas normas ASTM. Incluye disposiciones específicas para aplicaciones de baja temperatura que no se abordan completamente en las normas ASTM equivalentes.

Las principales diferencias entre las normas incluyen los criterios de aceptación para ensayos no destructivos, los procedimientos de tratamiento térmico requeridos y los umbrales de propiedades mecánicas. Los esfuerzos de armonización internacional continúan reduciendo estas diferencias, aunque persisten variaciones regionales basadas en prácticas históricas y condiciones operativas locales.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el modelado computacional de procesos de fundición con mayor precisión, incorporando fenómenos como el flujo de fluidos, la transferencia de calor, la evolución de la microestructura y la formación de defectos. Estos modelos buscan predecir propiedades directamente a partir de los parámetros de procesamiento.

Las tecnologías emergentes incluyen la impresión 3D con arena para la producción de moldes complejos, sensores en el molde para la monitorización de procesos en tiempo real y sistemas de inteligencia artificial para la predicción de defectos y la optimización de procesos. Estos avances permiten la producción de componentes fundidos más complejos y de mayor calidad.

Los desarrollos futuros probablemente incluirán una implementación más amplia de la tecnología de gemelos digitales, que vinculará datos de fundición en tiempo real con modelos predictivos para permitir el control adaptativo de procesos. Los avances en el diseño de aleaciones, optimizados específicamente para la fabricación híbrida aditiva-convencional, ampliarán la gama de aplicaciones de los componentes de acero fundido en industrias críticas.