Insertos y núcleos de metal refractario para fundición a presión

Cuando un núcleo de acero no puede soportar el calor, la industria de la fundición a presión dispone de una segunda familia de materiales a la que recurrir. Las aleaciones base tungsteno y base molibdeno conducen el calor varias veces más rápido que el acero y se expanden aproximadamente a la mitad de la tasa, y esa combinación es lo que les confiere su resistencia a la fatiga térmica, a la soldadura y a la erosión. Esta página expone las dos familias, su composición, cómo se fabrican, qué toleran y qué no, y la única familia base níquel que funciona en otros campos pero ha fallado en la fundición a presión.

Por qué se considera un metal refractario

El atractivo no es la resistencia. Son las dos propiedades térmicas en conjunto. La conductividad térmica de estas aleaciones es varias veces superior a la del acero, por lo que el calor se evacua más rápido de la cara, y su expansión térmica es aproximadamente la mitad, por lo que la cara se mueve menos contra la restricción del portador. El efecto combinado conduce a una buena resistencia a la fatiga térmica, a la soldadura y a la erosión. Su uso abarca desde núcleos en la fundición a presión de aluminio hasta insertos completos en moldes para las aleaciones de fundición de latón y ferrosas de mayor punto de fusión. La alta conductividad térmica también significa que para la mayoría de las aplicaciones de núcleos no se requiere enfriamiento por agua. Son más costosos que los aceros para trabajo en caliente, y la fuente es clara en que no se recomendarían donde una pieza de acero ya está funcionando satisfactoriamente.

Las aleaciones base tungsteno

La aleación base tungsteno desarrollada por la Mallory Company en América en la década de 1960 se conoce como Anviloy. En Gran Bretaña es comercializada por Johnson Matthey Metals y se conoce como Matthey 4000. Pertenecientes a una familia generalmente denominada compuestos de alta densidad base tungsteno, estas aleaciones se fabrican por metalurgia de polvos debido a los altos puntos de fusión involucrados. Las mezclas íntimas de polvos finos se compactan, ya sea isostáticamente o en matrices cerradas, y un tratamiento de sinterización a aproximadamente 1500 C densifica entonces la estructura mediante la interacción de la fase líquida de níquel y hierro con el tungsteno y el molibdeno. Lo que resulta es una estructura uniforme de granos de tungsteno rodeados por una matriz de níquel, hierro y molibdeno, con una densidad de aleación superior al 90 por ciento. No se requiere tratamiento térmico para estas aleaciones. El menor contenido de tungsteno de la aleación 4100 le confiere ductilidad adicional.

Elemento	Matthey 4000	Matthey 4100
Tungsteno	90.0	86.0
Níquel	4.0	6.7
Hierro	2.0	3.3
Molibdeno	4.0	4.0

Composición nominal de los dos compuestos de alta densidad base tungsteno, en porcentaje en peso. El menor contenido de tungsteno de la aleación 4100 confiere ductilidad adicional.

Las aleaciones base molibdeno

Las dos aleaciones de molibdeno en la tabla a continuación contienen más del 99 por ciento de molibdeno y fueron desarrolladas por la Climax Molybdenum Company. El grado Mo 0.5 Ti tiene una resistencia ligeramente inferior a la del TZM. La producción implica la compactación de polvo metálico, sinterización y colada al vacío. No hay cambio de fase con el que trabajar, por lo que el tratamiento térmico es innecesario. La dureza y la resistencia se desarrollan en cambio mediante el endurecimiento por deformación, el endurecimiento por solución sólida de los elementos de aleación que se disuelven en el molibdeno, y el endurecimiento por dispersión de la precipitación de carburos complejos. A aproximadamente 650 C su conductividad es aproximadamente ocho veces la del acero, y a 1000 C es aproximadamente cuatro veces.

Elemento	TZM	Mo 0.5 Ti
Titanio	0.50	0.50
Carbono	0.015	0.020
Zirconio	0.08	no especificado
Molibdeno	Resto	Resto

Composición nominal de las dos aleaciones base molibdeno, en porcentaje en peso. Ambas contienen más del 99 por ciento de molibdeno, y en ambas el resto del análisis es molibdeno.

Las dos familias frente al H13

Las propiedades que hacen que estos materiales valgan su costo se exponen a continuación frente al acero para trabajo en caliente que reemplazarían. Léanse en conjunto. Ninguna de las dos familias está endurecida ni revenida, por lo que no hay tratamiento térmico que controlar ni distorsión que prever, y las aleaciones de tungsteno mantienen una resistencia a la tracción comparable con el H13 hasta aproximadamente 650 C y lo superan por encima de esa temperatura. Las aleaciones de molibdeno son más resistentes y duras que el H13 a 650 C.

Material	conductividad térmica	Expansión térmica	Resistencia a 650 C	el tratamiento térmico	Uso típico
Aleaciones base tungsteno, Matthey 4000 y 4100	Aproximadamente cuatro veces la del acero	Menos de la mitad que la del acero	Comparable con el H13, y más resistente por encima	No se necesita ninguno	Núcleos e insertos completos, hasta la fundición a presión de latón y ferrosas
Aleaciones de molibdeno, TZM y Mo 0.5 Ti	Aproximadamente ocho veces la del acero a 650 C y aproximadamente cuatro veces a 1000 C	Aproximadamente la mitad que la del H13	Superior al H13	No se necesita ninguno	Núcleos e insertos para las aleaciones de fundición de mayor punto de fusión
Acero para trabajo en caliente H13	Referencia	Referencia	Referencia	Temple y revenido	El material estándar para insertos y núcleos de molde

Materiales para moldes de metal refractario comparados con el acero para trabajo en caliente H13. Las columnas de conductividad y expansión son relativas, según lo publicado en la fuente.

Qué tener en cuenta al montarlos

Una pieza de aleación refractaria se asienta dentro de un portador de acero, y ambas no se mueven juntas. Debido a que la expansión térmica de la aleación refractaria difiere de la del acero que la rodea, las holguras deben ajustarse para mantener el molde funcionando sin problemas. Para obtener el beneficio completo de la alta tasa de transferencia de calor, la cara posterior del inserto o núcleo y su cara correspondiente en el portador de acero deben estar limpias y lisas, de modo que ambas hagan contacto firme. Estas aleaciones también son más sensibles a las entallas que el acero para moldes, por lo que deben evitarse las esquinas interiores agudas y las entallas y proporcionar radios generosos siempre que sea posible. En cuanto al mecanizado, las aleaciones base tungsteno pueden cortarse con herramientas de carburo de tungsteno, pero el tungsteno se elimina solo lentamente mediante mecanizado por chispa y con alto desgaste del electrodo, por lo que se utiliza el mecanizado convencional tanto como sea posible. La soldadura de insertos de molde base molibdeno debe reducirse o evitarse por completo.

La familia base níquel que funciona en otros campos pero no aquí

Las aleaciones Nimonic se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial para aviones a reacción. Están basadas en la composición de alambre de resistencia eléctrica de 80 por ciento de níquel y 20 por ciento de cromo, con otros elementos añadidos. El Nimonic 75 contiene aproximadamente 0.4 por ciento de titanio y 0.1 por ciento de carbono, y en el Nimonic 80a y otros de la serie el endurecimiento por precipitación tiene lugar a través de una fase compleja de níquel, aluminio y titanio. El Nimonic 75 y el 80a se utilizan en la fundición en molde permanente de bronce de aluminio para núcleos e insertos de molde. En la fundición a presión el historial es el contrario. Todas las pruebas con los Nimonic en moldes de fundición a presión han fracasado en mostrar resultados que valgan la pena, en gran parte debido al ataque en los límites de grano.

A dónde ir después

La parte del molde en la que se montan estos materiales se trata en la página de materiales de componentes de moldes de fundición a presión, y los núcleos e insertos que reemplazan en la página de selección de machos e insertos. Los grados de acero elegidos según el metal de fundición están en la página de acero para moldes de fundición a presión, y el H13 con el que se comparan las tablas anteriores en la página del acero para herramientas H13. Las propiedades térmicas de los grados para trabajo en caliente se detallan en la página de constantes térmicas para trabajo en caliente, y las propiedades de los grados para trabajo en caliente con molibdeno en la página de H21. Cómo se reblandece y agrieta un molde en servicio se describe en la página de agrietamiento por fatiga térmica, el diseño de refrigeración en la página de diseño de la línea de enfriamiento del molde, la cuestión de la vida útil del molde para los procesos de baja presión en la página de vida útil de moldes permanentes, y el panorama general de fallos en la página de desgaste y falla del molde. La selección del acero según el proceso de fundición a presión se detalla en la página de selección de fundición a presión de alta presión.

Antes de usar esto como especificación de material

Esta página es un resumen de referencia de una fuente publicada y no es una especificación de Aobo Steel. Las composiciones y las declaraciones de propiedades se reproducen de la fuente, que describe grados vendidos bajo varios nombres comerciales. Las piezas de metales refractarios se fabrican según especificación del proveedor y quedan fuera de la gama de aceros para herramientas que almacenamos. La especificación final se confirma en el trabajo.

Fuente, Die Casting Metallurgy, A. Kaye y A. Street, Butterworths Monographs in Materials, 1982, Capítulo 25, Pressure die casting dies.