Retos y consideraciones en la tecnología de moldes de fundición a presión de aleaciones de magnesio

La fundición a presión de aleaciones de magnesio es un sistema global que integra diseño, fabricación e investigación. Los profesionales de este campo, en comparación con los que trabajan con la fundición a presión de aleaciones de zinc y aluminio, deben poseer un espectro más amplio de conocimientos, experiencia y capacidad de investigación. El molde de fundición a presión, al ser un componente fundamental, desempeña un papel importante en este intrincado proceso. Este artículo profundiza en las complejidades y matices de los moldes de fundición a presión de aleaciones de magnesio, arrojando luz sobre los conocimientos necesarios y los retos a los que se enfrenta este campo especializado.

La creciente importancia de la fundición a presión de aleaciones de magnesio en la industria moderna

La aleación de magnesio, utilizada principalmente en productos de fundición a presión para automóviles, ofrece una plétora de ventajas que están remodelando la industria automovilística. Al incorporar piezas de fundición a presión de magnesio, los vehículos son más ligeros, lo que reduce el consumo de combustible y las emisiones. Además, los componentes de aleación de magnesio fundidos a presión son famosos por su capacidad para reducir el ruido y las vibraciones, así como por su gran precisión de fundición. Estas ventajas, combinadas con su eficiencia económica general, sitúan a las piezas fundidas a presión de aleaciones de magnesio como un material prometedor para aligerar el peso de los vehículos, lo que abre grandes oportunidades para futuras aplicaciones.

Los rápidos avances en el sector de la automoción, junto con el rápido crecimiento de industrias como la informática, las telecomunicaciones, la instrumentación y la aeroespacial, están allanando el camino para que la fundición a presión de aleaciones de magnesio se asegure un lugar destacado en el mercado mundial.

El estudio de la aleación de magnesio utilizada en fundición a presión demuestra que posee cualidades especiales distintas de las de otros metales. Con una densidad inferior a 2 g/cm3, destaca como el metal estructural más ligero actualmente disponible. Su relación resistencia-peso supera la de las aleaciones de aluminio y el acero, aunque se queda ligeramente por debajo de las relaciones resistencia-peso más elevadas que se encuentran en los plásticos reforzados con fibra. En términos de rigidez, la aleación de magnesio está a la par con el aluminio y el acero, pero supera con creces a los plásticos reforzados con fibra. Además, su resistencia a la corrosión es muy superior a la del acero con bajo contenido en carbono e incluso supera a la de la aleación de aluminio fundido a presión A380.

La aleación de magnesio es excelente para reducir las vibraciones y bloquear las señales electromagnéticas. Por eso se elige a menudo en lugar de las aleaciones de aluminio. Dada la baja viscosidad dinámica de la aleación de magnesio, llena los moldes más rápidamente que el aluminio en condiciones de fluido idénticas (con números de Reynolds iguales). Además, el punto de fusión, la capacidad calorífica específica y el calor latente de cambio de fase más bajos de la aleación de magnesio hacen que necesite menos energía para fundirse y se solidifique más rápidamente. En la práctica, el ciclo de fundición a presión de una aleación de magnesio puede ser hasta 50% más corto que el del aluminio. Otro aspecto destacable es la mínima afinidad de la aleación con el hierro, lo que se traduce en una menor adherencia a la superficie del molde. Esta característica se traduce en un vida útil del moho que es de 2 a 3 veces mayor que el de las aleaciones de aluminio.

Optimización del proceso de fundición a presión con aleación de magnesio

Las propiedades únicas de la aleación de magnesio, como su rápida velocidad de llenado de moldes y su reducido consumo de energía durante la fusión, la convierten en una candidata ideal para su optimización en el proceso de fundición a presión. Los fabricantes pueden aprovechar estas cualidades naturales para agilizar la producción y alargar la vida útil de sus moldes de fundición a presión. Esto hace que la aleación de magnesio resulte aún más atractiva para diferentes industrias.

Exploración de la versatilidad y el potencial de la fundición a presión de aleaciones de magnesio

La fundición a presión de aleaciones de magnesio, un componente fundamental en diversas industrias, utiliza principalmente aleaciones con grados americanos como AZ91, AM60, AM50, AM20, AS41 y AE42. Estas aleaciones pertenecen a las series MG-AL-ZN, MG-AL-MN, MG-AL-SI y MG-AL-RE, respectivamente. La investigación actual sobre estas aleaciones de magnesio para fundición a presión abarca varias áreas clave:

Rendimiento a altas temperaturas

Las aleaciones de magnesio fundidas a presión de las series AZ y AM constituyen aproximadamente el 90% de las aplicaciones de automoción. Sin embargo, estas aleaciones presentan una notable disminución de la resistencia a temperaturas superiores a 150℃. La serie AS de nuevo desarrollo, como la aleación AS41A (MG43%AL1%SI0.35%MN), demuestra una resistencia superior a la fluencia a temperaturas superiores a 150℃, superando a la AZ91D y la AM60B. También presenta mayores índices de alargamiento, límite elástico y resistencia a la tracción. Por ejemplo, el cárter del motor del BEETLE de Volkswagen solía fabricarse con AS41 y AS42. Pero ahora utilizan la aleación AE42 porque rinde mejor a altas temperaturas.

La adición de oligoelementos como los elementos de tierras raras Y, ND, SR, etc., refina la estructura del grano, mejorando la fuerza y la resistencia a la fluencia de las aleaciones de magnesio de fundición a presión. La última aleación AE42, con su mayor resistencia a la fluencia, supera a las aleaciones MGALSI tradicionales y puede utilizarse a largo plazo a temperaturas que oscilan entre 200℃ y 250℃. Sin embargo, las aleaciones AS y AE no rinden tan bien a altas temperaturas. Sus cualidades de fundición tampoco son tan buenas como las de las aleaciones AZ y AE. El elevado coste de los elementos de tierras raras también limita su producción y aplicación generalizadas.

Ductilidad y resistencia a la fractura

La demanda de fundiciones a presión de magnesio en aplicaciones que requieren seguridad y una alta resistencia a la fractura está aumentando. Para aumentar la capacidad del material de absorber energía en condiciones de trabajo, es esencial mejorar su resistencia a la fractura, lo que se consigue reduciendo el contenido de aluminio de la aleación. Aleaciones como la AM60 y la AM50 se utilizan mucho en soportes de tableros de instrumentos, ejes de volantes y componentes de seguridad de asientos. La AM20 se aplica actualmente a los bastidores de los respaldos de los asientos. Además, el índice de alargamiento por fractura está estrechamente relacionado con la temperatura, especialmente por encima de 50℃, donde aumenta con el aumento de la temperatura.

Resistencia a la corrosión

Históricamente, la resistencia a la corrosión ha supuesto un reto importante para la aplicación generalizada de las aleaciones de magnesio. Debido a la alta reactividad química del magnesio, las aleaciones y compuestos a base de magnesio son propensos a la microcorrosión galvánica. Sin embargo, las aleaciones de magnesio de alta pureza fundidas a presión, como la AZ91D, que regulan estrictamente impurezas como FE, NI, CU y AE42 que contienen tierras raras, han superado la resistencia a la corrosión de la aleación de aluminio fundido a presión A380 y superan significativamente al acero con bajo contenido en carbono en las pruebas de niebla salina. El ajuste de la composición química, los tratamientos superficiales y el control de la microestructura pueden mejorar aún más la resistencia a la corrosión. A pesar de los diversos métodos para mejorar la resistencia a la corrosión de los componentes de aleación de magnesio, abordar la cuestión a nivel de material sigue siendo crucial para superar esta barrera técnica.

Ignifugación

La adición de aleación AL (2,5%), BE (con un contenido de BE que oscila entre 0,0005% y 0,03%) o CA a la aleación de magnesio previene eficazmente la oxidación del líquido de aleación de magnesio. La investigación actual se centra en el desarrollo de aleaciones de magnesio ignífugas. Si tienen éxito, las aleaciones de magnesio podrían fundirse y moldearse como las de aluminio, ampliando sus horizontes de aplicación.

Compuestos a base de aleaciones de magnesio

Desde hace varios años se investigan y desarrollan compuestos a base de aleaciones de magnesio reforzadas con partículas como el carburo de silicio. Aunque no han alcanzado la fase de aplicación comercial en el ámbito de la fundición a presión, se han utilizado para producir impulsores, bielas de bicicleta, camisas de cilindros de automóviles, etc., mediante fundición en arena y fundición de precisión. Existe una tendencia creciente a combinar estos compuestos con la fundición semisólida para aplicaciones en los ámbitos de la fundición a presión y la fundición a presión.

Avances en las técnicas de fundición a presión de aleaciones de magnesio

Las aleaciones de magnesio pueden fundirse a presión utilizando máquinas de fundición a presión de cámara fría o de cámara caliente. La evolución de las máquinas de fundición a presión de cámara caliente ha dado lugar a varias mejoras notables:

Mejoras en la fundición a presión en cámara caliente

1. El uso de acumuladores de energía para la presurización permite al pistón de disparo alcanzar velocidades de hasta 6M/S.
2. El calentamiento inductivo del cuello de cisne y la boquilla garantiza que mantengan la temperatura óptima.
3. Los dispositivos de fusión y aislamiento de doble horno, junto con las tuberías de recirculación, regulan con precisión la temperatura del baño de fusión.

Cuando se utilizan máquinas convencionales de fundición a presión de cámara fría para aleaciones de magnesio, es imperativo modificar el sistema de granalla y el sistema de alimentación automática para cumplir los requisitos de la fundición a presión de aleaciones de magnesio. Estas modificaciones abarcan:

1. Aumentar la velocidad de disparo rápido de los 4-5M/S utilizados para las aleaciones de aluminio a 6-10M/S.
2. Acortar el tiempo de presurización durante el proceso de sobrealimentación.
3. Aumento de la fuerza de disparo.
4. Implantación de dispositivos automáticos electromagnéticos de alimentación cuantitativa para evitar la oxidación del magnesio durante el vertido.
5. Equipamiento de los equipos auxiliares necesarios cuando se adoptan procesos especiales de fundición a presión, como la fundición al vacío.

Desafíos y soluciones de la fundición a presión tradicional

Al igual que otras aleaciones de fundición a presión, las técnicas tradicionales de fundición a presión llenan la cavidad de la matriz con líquido de aleación de magnesio a altas velocidades, lo que provoca turbulencias y dispersión. Esto puede atrapar o disolver gases, formando numerosos microporos de alta presión dentro de las piezas fundidas. En consecuencia, las piezas fundidas a presión de aleación de magnesio producidas con métodos convencionales no pueden someterse a un tratamiento térmico de refuerzo y no son adecuadas para aplicaciones de alta temperatura. La calidad de las piezas fundidas a presión planteaba algunos problemas. Para solucionarlos, en los últimos 20 años se han desarrollado nuevos métodos. Entre ellos se encuentran la fundición a presión rellena de oxígeno, la fundición de metal semisólido, la fundición por compresión y la fundición a presión al vacío refrescada periódicamente.

Fundición al vacío

La fundición a presión en vacío elimina o reduce significativamente la porosidad del gas y los gases disueltos en las piezas fundidas mediante la evacuación del aire de la cavidad de la matriz durante el proceso de fundición. Esto mejora las propiedades mecánicas y la calidad superficial de las piezas fundidas. Por ejemplo, se han fabricado con éxito cubos de rueda de aleación de magnesio AM60B en máquinas de cámara fría. El índice de elongación de las piezas fundidas aumentó de 8% a 16%.

Fundición a presión rellena de oxígeno

También conocido como fundición a presión sin poros, este método consiste en llenar la cavidad de la matriz con oxígeno u otros gases reactivos antes del llenado de metal. El gas reactivo se mezcla con el metal fundido. Esto crea partículas de óxido metálico en el interior de la pieza fundida, lo que elimina los gases internos. Esto permite que la fundición a presión se someta a un tratamiento térmico de refuerzo. Las empresas japonesas han adoptado este método para fabricar soportes de cabeza magnética integral de aleación de magnesio AZ91 para ordenadores, en sustitución de los soportes originales laminados de varias capas. De este modo, no sólo se reduce el peso del soporte, sino que se consiguen importantes ventajas económicas.

Fundición reológica semisólida

En los últimos años, empresas de EE.UU., Japón y el Reino Unido han desarrollado con éxito máquinas de fundición por inyección reológica de aleaciones de magnesio semisólidas. Estas máquinas inyectan aleación de magnesio semisólida a presión en la matriz para darle forma, funcionando de forma similar a las máquinas de moldeo por inyección. Este método de fundición representa una dirección prometedora para la producción de piezas moldeadas de aleación de magnesio.

Operaciones de fusión y protocolos de seguridad en la fundición a presión de aleaciones de magnesio

La aleación de magnesio, debido a su propensión a oxidarse con facilidad, presenta retos únicos en el proceso de fundición a presión. La capa de óxido de su superficie tiene pequeños agujeros. Esto hace que solo sea 0,79 veces más compacta, por lo que no detiene bien una mayor oxidación.

Desafíos de la oxidación

Cuando la aleación de magnesio reacciona con el oxígeno atmosférico, el vapor de agua y el nitrógeno, forma compuestos como MgO y Mg3N2, que son refractarios y no se funden en el líquido de magnesio. Estos compuestos, al mezclarse en el molde, dan lugar a la "escoria de oxidación". De ahí que sea crucial evitar la oxidación durante la fusión.

Métodos de protección para aleaciones de magnesio fundido

Existen principalmente dos métodos para proteger la aleación de magnesio fundido: la protección con fundente y la protección con gas.

El uso de fundente de protección para la fusión suele dar lugar a varios problemas:

1. A altas temperaturas, los cloruros y fluoruros pueden evaporarse fácilmente, produciendo gases tóxicos como HCl, Cl2 y HF.
2. Debido a la mayor densidad del fundente, parte de él puede mezclarse con el líquido de magnesio, dando lugar a la "escoria de fundente".
3. Los gases producidos por la evaporación del fundente pueden infiltrarse en el líquido de aleación, actuando como fuente de corrosión durante el uso del material, acelerando la corrosión y reduciendo su vida útil.

En la actualidad, la mayoría de los fabricantes prefieren la protección con gas, utilizando una mezcla de 2-4 gases secos como SF6, N2, CO2 y SO2. Esta mezcla forma una película densa y continua sobre la superficie del baño de fusión de la aleación de magnesio, impidiendo la oxidación. Aunque el SF6 no es tóxico, su efecto invernadero es 24.000 veces más potente que el del CO2. Dado que el uso de SF6 en la industria del magnesio representa 7% del total mundial (en 1996), es probable que en el futuro se restrinja o incluso se interrumpa su utilización. En la actualidad, no se ha encontrado ningún sustituto adecuado para el SF6. Sin embargo, las investigaciones indican que espolvorear azufre en polvo sobre la superficie de la piscina de fusión para formar SO2 puede proteger el líquido de aleación de magnesio.

Cuestiones de seguridad en la producción de fundición inyectada de aleaciones de magnesio

La mayoría de los peligros en la producción de fundición a presión de aleaciones de magnesio se derivan de los percances en el procesado y postprocesado. Según las estadísticas japonesas, los peligros en el proceso de producción se distribuyen del siguiente modo: fusión (25%), fundición (10%), procesamiento (39%), almacenamiento y residuos (16%), eléctricos (3%) y otros (7%).

Evidentemente, los riesgos durante el procesado y el postprocesado superan entre 3 y 4 veces a los de la fundición. Durante procesos como el chorro de arena, el torneado, el fresado y el pulido, se producen inevitablemente polvo de magnesio y chispas. Si la ventilación del taller es inadecuada y la concentración de polvo de magnesio en el aire es demasiado alta, las chispas pueden encender el polvo y provocar incendios o incluso explosiones. Por lo tanto, es imperativo equipar los talleres con colectores de polvo, arena antiincendios y otras instalaciones de prevención de incendios.

Consideraciones de diseño para moldes de fundición a presión de aleaciones de magnesio

La aleación de magnesio, debido a sus propiedades químicas y físicas únicas, difiere significativamente de la aleación de aluminio en términos de características de fundición a presión. En consecuencia, los principios aplicados al diseño de moldes de fundición a presión de aleaciones de aluminio no pueden transferirse directamente a los moldes de aleaciones de magnesio.

Retos de la fundición de aleaciones de magnesio

La aleación de magnesio es propensa a la oxidación y la combustión. Tiene una mayor tendencia al desgarro en caliente que la aleación de aluminio, lo que hace que su fundición, vertido y control de la temperatura del molde sean más intrincados que los de la fundición a presión de aleación de aluminio. Dado el menor tiempo de llenado de la aleación de magnesio, el problema de la evacuación de gases es especialmente pronunciado. Su capacidad para retener y cambiar el calor es menor que la de la aleación de aluminio. Esto puede dar lugar a una cristalización prematura en zonas localizadas (especialmente en secciones finas) durante el proceso de fundición a presión, provocando la obstrucción de los canales de alimentación y dando lugar a defectos de fundición.

Consideraciones clave en el diseño de moldes

1. Elección de la máquina de fundición a presión: El tipo de máquina de fundición a presión seleccionado depende principalmente del grosor de la pared de la pieza fundida. Las investigaciones sobre la optimización del proceso de fundición a presión de aleaciones de magnesio sugieren que, para piezas fundidas de menos de 1 kg, es preferible una máquina de fundición a presión de cámara caliente para garantizar el llenado completo de las piezas de paredes finas. Para piezas más grandes, se recomienda una máquina de fundición a presión de cámara fría.
2. Parámetros del proceso: Elegir los parámetros de proceso adecuados es crucial para producir piezas fundidas de alta calidad y maximizar la tasa de producción de la máquina de fundición a presión. Estos parámetros constituyen la base para diseñar el molde de fundición a presión correcto. Entre los factores que influyen en el llenado del líquido de aleación y el moldeo durante la fundición a presión se incluyen la presión de inyección, la velocidad de inyección, el tiempo de llenado y la temperatura del molde.

Dada la variedad del grosor de las paredes y la complejidad de las piezas fundidas a presión, existe una amplia gama para seleccionar los parámetros del proceso. En comparación con las aleaciones de aluminio y zinc, la aleación de magnesio tiene una fluidez superior. Como resultado, la velocidad de inyección secundaria puede ser mayor. La velocidad del émbolo para la aleación de magnesio es aproximadamente 30% más rápida que la de la aleación de aluminio, alcanzando velocidades incluso superiores a 10M/S.

Debido a las propiedades de fundición de la aleación de magnesio, como su sensibilidad a las temperaturas del molde y de vertido, se solidifica rápidamente durante el proceso de llenado. Es esencial controlar con precisión las temperaturas del molde y de vertido; de lo contrario, es probable que se fabriquen productos defectuosos.

La incorporación de estas consideraciones al diseño de los moldes de fundición a presión de aleaciones de magnesio garantiza un proceso de producción más eficaz y centrado en la calidad.

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