En la fundición a presión a baja presión, la elección del material adecuado para los tubos de alimentación y los tubos de protección de los sensores de temperatura influye directamente en el coste por ciclo y en la calidad de la pieza fundida. La cerámica de sialón —oxinitruro de silicio y aluminio— dura 12 veces más que el titanato de aluminio (Al₂TiO₅), la opción más habitual por su bajo coste, y resiste el ataque químico del aluminio fundido durante más de 12 meses, según la garantía. Los tubos de titanato de aluminio son baratos (entre 60 y 120 dólares cada uno), pero fallan debido a la degradación química y a la aparición de pequeños orificios en un plazo de entre 3 y 6 meses, lo que eleva los costes totales anuales de sustitución muy por encima del precio unitario más elevado del sialón. En comparación con el nitruro de silicio y el acero recubierto, el sialón combina resistencia, una superficie antiadherente y estabilidad dimensional en un solo material, lo que reduce la frecuencia de sustitución de piezas y el tiempo de inactividad. Para los equipos de fundición, el cambio del titanato de aluminio a los productos Sialon ULTRA™ se amortiza en un plazo de 2 a 4 semanas gracias a la reducción de las sustituciones y a la mejora de la calidad de la fundición.
¿Qué es la fundición a presión a baja presión y por qué es importante la elección del material?
La fundición a baja presión (LPDC) es un proceso de fundición de metales que se utiliza para fabricar piezas de aluminio, magnesio y latón con gran precisión y un acabado superficial liso. Durante el proceso, el metal fundido (normalmente a una temperatura de entre 650 y 1.100 °C) se inyecta a través de un tubo de alimentación en un molde a baja presión (por lo general, entre 0,5 y 0,7 MPa). A continuación, el metal se enfría y se endurece dentro del molde cerrado antes de extraer la pieza acabada.
El proceso LPDC se utiliza ampliamente para fabricar piezas metálicas de alta calidad para los sectores aeroespacial, de la automoción y médico. Una sola máquina LPDC puede completar entre 30 y 80 ciclos de fundición por hora. Durante cada ciclo, el molde y el sistema de suministro de metal se calientan hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento y, a continuación, se enfrían rápidamente antes de que se extraiga la siguiente pieza.Como resultado, laspiezas cerámicas se ven sometidas a cientos de miles de ciclos de calentamiento y enfriamiento cada año.
Por qué la elección del material es fundamental
Frecuencia de ciclo y estrés térmico: la mayoría de los materiales estándar para la fundición a presión están diseñados para temperaturas normales o moderadas.Sin embargo,los tubos de alimentación deben soportar el contacto directo con el metal fundido a temperaturas superiores a 1.100 °C, al tiempo que se enfrían rápidamente tras cada ciclo de fundición. Siel material se agrieta debido a la tensión térmica, la producción se detiene hasta que se sustituye el tubo.Como resultado,una sola sustitución no planificada puede suponer una pérdida de producción de entre 2.000 y 5.000 dólares durante un turno de 24 horas.
Contaminación por metales y defectos de fundición: los tubos protectores de los sensores térmicos permanecen sumergidos en el aluminio fundido para medir la temperatura y controlar el proceso de fundición.Sin embargo,si el tubo se corroe o el metal fundido se adhiere a su superficie, los contaminantes penetran en la masa fundida y provocan defectos en las piezas acabadas.En consecuencia,puede ser necesario desechar o reparar una sola pieza defectuosa, lo que supone un coste que oscila entre los 500 y los más de 5.000 dólares en el caso de los componentes aeroespaciales. Por lo tanto,los tubos protectores de cerámica deben tener una vida útil de al menos 12 meses para mantener la calidad del producto y reducir los residuos.
Estabilidad dimensional y precisión de fundición: el tamaño del tubo de subida influye directamente en el flujo del metal, la velocidad de enfriamiento y la presión durante el llenado del molde.Sin embargo,a medida que el tubo se desgasta o se corroe, su diámetro interior varía.Como consecuencia,el flujo del metal cambia, lo que dificulta mantener las dimensiones de la pieza dentro de las especificaciones. Por ello,los operarios deben medir el tubo con regularidad y ajustar el proceso.En cambio,un material que mantiene una tolerancia de ±0,02 mm a lo largo de toda su vida útil elimina la necesidad de estos ajustes y contribuye a producir piezas uniformes.
Coste por pieza fundida: el precio de compra de un componente es importante.Sin embargo,el tiempo de inactividad tiene un efecto mucho mayor en el coste total de producción.Por ejemplo,una línea LPDC que produce 100 piezas por hora puede fabricar unas 2.400 piezas al día.Por lo tanto,un fallo en el tubo de subida que detenga la producción durante 2 a 4 horas puede suponer una pérdida de entre 200 y 400 piezas. Al mismo tiempo,si cada pieza tiene un valor de entre 50 y 200 dólares, la pérdida de ingresos asciende a entre 10 000 y 80 000 dólares por un solo incidente.En definitiva,elegir un material que aumente el tiempo medio entre fallos (MTBF) en un 30 % reduce el tiempo de inactividad, mejora la eficiencia de la producción y reduce el coste de cada pieza fundida.
Propiedades del sialón: por qué se ha diseñado específicamente para el LPDC
¿Qué es el sialón?El sialón es oxinitruro de silicio y aluminio (Si₆Al₂O₂N₈), un compuesto cerámico diseñado para combinar la resistencia al choque térmico del nitruro de silicio con la inercia química y la tenacidad del óxido de aluminio. Su estructura cristalina une átomos de silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno en una red que resiste tanto los ciclos térmicos como el ataque químico.
Resistencia al choque térmico: el choque térmico se produce cuando un material sufre un cambio rápido de temperatura y la superficie exterior se contrae o se expande más rápido que el interior, lo que genera tensiones internas. El riesgo de agrietamiento aumenta con:
- Rango de temperatura (ΔT): el LPDC realiza ciclos desde los 1.100 °C hasta la temperatura ambiente, con una oscilación de más de 1.000 °C por ciclo.
- Conductividad térmica: una conductividad elevada (rápida transferencia de calor) genera gradientes internos pronunciados
- Índice de dilatación térmica: los materiales con un índice de dilatación elevado se agrietan al someterse a ciclos térmicos.
El sialón se ha diseñado con un bajo coeficiente de expansión térmica (5,0–5,2 × 10⁻⁶ /K). De hecho, el titanato de aluminio presenta una expansión aún menor (0,5–1,5 × 10⁻⁶ /K), lo que parece una ventaja… hasta que se tiene en cuenta su muy baja resistencia a la flexión (20-30 MPa, frente a los ~700 MPa del sialón). Esa fragilidad hace que el titanato de aluminio se fracture bajo presión mecánica y vibraciones, incluso cuando soporta los ciclos térmicos. El resultado: el sialón resiste miles de ciclos térmicos y pulsos de presión sin que se produzcan microfisuras visibles., mientras que el titanato de aluminio falla debido a la fractura mecánica, la infiltración de metal provocada por la porosidad y el ataque químico en un plazo de entre 3 y 6 meses.
No humectabilidad por el aluminio fundido: la humectabilidad es un término de la ciencia de los materiales que se refiere a la capacidad de un líquido para adherirse a una superficie sólida. El aluminio fundido «humecta» el acero y algunas cerámicas, lo que significa que se adhiere a su superficie y se introduce en pequeños defectos superficiales. Cuando el metal se enfría, se separa y rasga la superficie del material, dejando atrás fragmentos de metal.
El nitruro de silicio del sialón repele el agua y no reacciona con el aluminio fundido. El metal no se adhiere a la superficie: forma gotas y resbala por la cerámica como el agua sobre el cristal encerado. Esta propiedad antiadherente evita la acumulación de residuos, la contaminación y la adherencia, por lo que las superficies de sialón salen del contacto con el metal fundido limpias y sin alteraciones dimensionales.
Inertidad en metal fundido: la mayoría de las cerámicas se comportan bien al aire, pero se deterioran cuando se exponen a metales fundidos. El titanato de aluminio (Al₂TiO₅) es especialmente propenso a ello: a las temperaturas de la fundición, el aluminio fundido ataca la parte de óxido de titanio de su estructura, debilitando los bordes de los granos y creando más poros diminutos. Una vez llena de poros, la pared del tubo deja que el metal se filtre, lo que provoca un rápido cambio de forma y un deterioro aún más rápido desde dentro hacia fuera. El resultado habitual: un tubo que parece estar en perfecto estado por fuera ya se ha deteriorado por dentro.
La estructura de nitruro de silicio del sialón resiste el ataque del metal fundido y cuenta con una garantía de 12 meses contra la degradación química. Los datos de campo recopilados enlas instalacionesmuestran que las piezas de sialón conservan su superficie y resistencia tras 36-72 meses (3-6 años) de contacto ininterrumpido con el metal fundido, lo que supone 12 veces la vida útil de las piezas de titanato de aluminio, que muestran un desgaste evidente en un plazo de 3 a 5 meses.
Mantener las dimensiones originales: tanto los ciclos térmicos como la exposición a sustancias químicas provocan una deformación de la pieza. Los ciclos térmicos provocan cambios duraderos en la estructura del material (pequeñas grietas, ensanchamiento en los bordes de los granos). La exposición a sustancias químicas desgasta el material de la superficie, lo que reduce el grosor de la pared y ensancha el interior.
Los tubos de protección para sensores térmicos Sialon ULTRA™ se fabrican con una precisión de ±0,02 mm y mantienen esa precisión durante toda su vida útil. Esto es muy importante en el caso de los tubos para sensores térmicos, ya que cualquier variación en el diámetro interior afloja el ajuste del cable del sensor térmico, lo que afecta a la transferencia de calor y a la precisión de la lectura de la temperatura.
Tubos ascendentes: geometría, función y ventajas del sialón
Un tubo ascendente es un conducto cerámico que transporta el metal fundido desde el horno de mantenimiento hasta la cavidad del molde a una presión controlada. Es uno de los componentes sometidos a mayores tensiones térmicas en una máquina LPDC porque:
- Se sumerge en metal fundido a 1.100 °C
- A continuación, se produce un enfriamiento rápido a medida que la pieza fundida se solidifica y se abre el molde.
- Mientras tanto, se somete a ciclos de presión (de 0 a 0,7 MPa por ciclo).
- En total, realiza entre 30 y 80 ciclos por hora, las 24 horas del día.
- En primer lugar, se aplica presión (0,5-0,7 MPa), lo que empuja el metal fundido a través del canal de alimentación hasta la cavidad.
- A continuación, el metal se solidifica dentro del molde cerrado (normalmente entre 5 y 15 segundos)
- A continuación, se libera la presión y el molde se abre
- A continuación, se expulsa la pieza fundida solidificada y el molde vuelve a su posición inicial.
- Por último, el conducto de subida y el molde se vuelven a calentar para el siguiente ciclo.
El tubo ascendente debe soportar este ciclo sin que se produzcan grietas, cambios dimensionales ni contaminación por metal. La tensión térmica es extrema, ya que el tubo está expuesto simultáneamente al metal fundido (calentamiento desde el interior) y a las superficies frías del molde o al aire ambiente (enfriamiento desde el exterior), lo que genera fuertes gradientes de temperatura.
Por qué el titanato de aluminio no da la talla en el LPDC: los tubos ascendentes de titanato de aluminio son habituales en la fundición a presión porque son económicos (entre 60 y 120 dólares por tubo) y presentan una baja expansión térmica. Sin embargo, en las condiciones específicas del LPDC, fallan en tres aspectos:
- Una resistencia a la flexión de entre 20 y 30 MPa no puede soportar pulsos de presión de entre 0,5 y 0,7 MPa durante miles de ciclos: las microfracturas se propagan rápidamente.
- Su elevada porosidad natural (10-15 %) permite la infiltración de aluminio fundido, lo que provoca corrosión interna y cambios dimensionales repentinos.
- El ataque químico del aluminio fundido sobre la fase de TiO₂ degrada los límites de grano, lo que acelera la rotura.
- Tiempo medio entre fallos: 3-6 meses con LPDC continuo
Por qué el nitruro de silicio es mejor, pero el sialón lo es aún más: el nitruro de silicio (Si₃N₄) es superior al titanato de aluminio en cuanto a resistencia mecánica (resistencia a la flexión: ~600-700 MPa) y resistencia química.Las instalacionesque han cambiado a tubos ascendentes de nitruro de silicio informan de una vida útil entre dos y tres veces mayor que la del titanato de aluminio.
Sin embargo, el nitruro de silicio presenta una desventaja en el proceso LPDC: es más frágil que el sialón y tolera peor las microfisuras. La red cristalina de oxinitruro de aluminio del sialón proporciona una mayor tenacidad a la fractura (K₁c ~6–7 MPa·m^0,5 frente a los ~4–5 MPa·m^0,5 del nitruro de silicio), lo que significa que absorbe los impactos mecánicos de los ciclos de presión sin que las microfisuras se propaguen hasta provocar una fractura catastrófica.
- Menor dilatación térmica (5,0–5,2 × 10⁻⁶ /K): menor tensión interna durante el enfriamiento
- Flujo de calor equilibrado: oscilaciones más pronunciadas que con el nitruro de silicio por sí solo, pero aún dentro de los límites de seguridad
- Mayor resistencia a las grietas: las grietas minúsculas no se convierten en roturas completas
- Superficie antiadherente: el metal fundido no se pega y no se produce desgaste de la superficie
Rendimiento de los tubos ascendentes en condiciones reales:
| Material | Vida útil (meses) | Ciclos hasta la rotura | Modo de fallo | Precio por tubo |
|---|---|---|---|---|
| Titanato de aluminio | 3–6 | 5.000–12.000 | Infiltración por porosidad, corrosión química, fractura por presión | 60–120 dólares |
| Nitruro de silicio | 10–15 | 20 000–30 000 | Fractura por estrés, fallo diferido | 300–500 dólares |
| Sialon ULTRA™ | 36–72 (3–6 años) | 60 000–144 000+ | Fallos poco frecuentes; en su mayoría, sustituciones programadas | 400-600 dólares |
A 50 ciclos por hora y 8.000 horas de funcionamiento al año:
- Titanato de aluminio:deja de funcionar al cabo de1 a 3 meses, por lo que es necesario sustituirlo con frecuencia.
- En comparación,el nitruro de silicio:duraentre 4 y 8 meses, lo que ofrece una vida útil más larga, aunque sigue siendo necesario sustituirlo periódicamente.
- Por el contrario,Sialon ULTRA™:tiene una vida útil deentre 36 y 72 meses (entre 3 y 6 años), lo que reduce considerablemente la frecuencia de sustitución, el tiempo de inactividad y los costes de mantenimiento.
En el caso de una fundición que utilice 5 máquinas LPDC con 10 tubos de subida cada una (50 tubos en total):
- Estrategia del titanato de aluminio: entre 150 y 200 sustituciones al año aproximadamente
- Estrategia de Sialon: entre 8 y 15 sustituciones al año aproximadamente
Instalación y especificaciones:Sialon ofrece tubos ascendentes a medida para cualquier geometría, incluidos diámetros interiores no estándar, roscas para conexiones a recipientes a presión y longitudes personalizadas. Las especificaciones requieren:
- Diámetro exterior y diámetro interior (precisión de 0,1 mm)
- Longitud y cualquier característica (roscas, escalones, ranuras)
- Presión nominal y rango de temperatura
- Plazo de entrega (normalmente de 2 a 3 semanas para los tamaños estándar)
Tubos de protección para termopares: precisión, riesgo de contaminación y vida útil
Los sensores de calor son los sensores de temperatura integrados en las máquinas LPDC, que miden la temperatura del metal en tiempo real para controlar la potencia de calentamiento y la sincronización de la inyección. Un sensor de calor mide la temperatura mediante el efecto Seebeck: una pequeña tensión que se genera en la unión de dos metales diferentes cuando se calientan. Esa tensión es proporcional a la temperatura.
¿Por qué es necesario proteger un sensor de temperatura? –Sin protección, un cable de sensor de temperatura sin recubrimiento sumergido en metal fundido:
- Se oxida al instante (pierde sus propiedades de unión)
- Además, se disuelve en el metal fundido (ataque químico)
- Además, el metal fundido se incrusta en su superficie (humectabilidad), lo que contamina la pieza fundida
Por ello,los fabricantes colocan el cable dentro de un tubo protector de cerámica, que suele tener un diámetro exterior deentre 6 y 10 mmy una longitud deentre 1.200 y 1.600 mm. El tubo tiene un espesor de paredde entre 1 y 2 mmy un interior mecanizado con precisión que sujeta firmemente el sensor de temperatura. De este modo, el tubo actúa como barrera entre el sensor de temperatura y el metal fundido.
Precisión y medición de la temperatura: el sensor térmico mide la temperatura a través de la diferencia de tensión entre su unión (en el interior del tubo cerámico, cerca del metal fundido) y el punto de referencia (en el exterior de la máquina).Concretamente, el calor debe transferirse desde el metal fundido → la pared del tubo cerámico → el cable del sensor térmico.
Si la pared del tubo de cerámica presenta depósitos,ÓXIDO o cambios dimensionales:
- La transferencia de calor se ralentiza → la lectura de la temperatura va por detrás de la realidad
- Las variaciones en el diámetro del orificio → el ajuste con interferencia se afloja → aumenta el espacio de aire → la precisión de la lectura de temperatura disminuye entre 10 y 50 °C
- La contaminación se incrusta en la pared del tubo → cambios en la conductividad térmica → errores de lectura
Los tubos de protección para termopares Sialon ULTRA™ se fabrican con una tolerancia de diámetro interior de ±0,02 mm, lo que garantiza un ajuste perfecto en el cable del sensor de temperatura y un contacto térmico estable. Su superficie no humectable evita la incrustación de metal, y su inercia química impidela oxidaciónde las paredes o la acumulación de depósitos a lo largo de su vida útil de más de 12 meses.