Aluminio fundido, forjado y en chapa: ¿cuáles son las diferencias?

Las aleaciones de aluminio combinan una elevada resistencia específica, una excelente resistencia a la corrosión y una buena facilidad de procesamiento. Son el segundo material más utilizado en la industria de la automoción, después del acero. A medida que aumentan los requisitos de aligeramiento de los vehículos, el uso del aluminio sigue creciendo. En los componentes de automoción se utilizan cada vez más aleaciones de aluminio fundido, aleaciones de aluminio forjado y chapa de aluminio.

Las aleaciones de aluminio fundido se utilizan habitualmente para fabricar soportes y carcasas, entre las que se incluyen las carcasas de la transmisión, los bloques de motor y las culatas, así como los soportes de las articulaciones de la dirección. Los procesos de producción incluyen la fundición a presión al vacío, la fundición a presión con purga de oxígeno y la fundición por compresión.

Aleaciones de aluminio fundido

En la fundición a presión en alto vacío, la cavidad metálica se evacúa antes del llenado, lo que, en teoría, evita que el gas se mezcle con el metal fundido. Las piezas fundidas resultantes presentan un bajo contenido en gas, una alta densidad y unas propiedades mecánicas significativamente mejoradas. Para facilitar el posterior tratamiento térmico y la soldadura, la presión efectiva de vacío en la cavidad del molde debe ser inferior a 5 kPa. La siguiente figura compara las piezas fundidas mediante fundición a presión de alto vacío con las obtenidas mediante fundición a presión convencional.

La fundición a presión con inyección de oxígeno también reduce la porosidad. En primer lugar, se llena la cavidad con oxígeno. A medida que entra el aluminio fundido, reacciona con el oxígeno para formar partículas de alúmina distribuidas uniformemente. Estas partículas miden menos de 1 μm y representan solo entre el 0,1% y el 0,2% del peso total, por lo que prácticamente no influyen en los procesos posteriores. El siguiente diagrama ilustra este principio.

En la fundición por compresión, el metal fundido se vierte directamente en un molde abierto. A continuación, se cierra el molde y se aplica presión estática, lo que produce un conformado reológico, una solidificación a alta presión y una pequeña deformación plástica para crear un componente metálico de alta calidad. El proceso se divide principalmente en fundición por compresión directa e indirecta. En la fundición por compresión directa, la presión actúa directamente sobre el metal fundido, lo que produce un efecto pronunciado de solidificación a alta presión; por lo general, es adecuado para piezas de forma sencilla. En la fundición por compresión indirecta, la presión del punzón se transmite a la pieza fundida a través del manguito de inyección y el «biscuit». La presión aplicada es limitada y el proceso es relativamente lento, lo que lo hace adecuado para la producción en serie de piezas complejas. La siguiente figura compara ambos procesos.

Aleaciones de aluminio forjadas

Las aleaciones de aluminio forjadas se utilizan generalmente para piezas que requieren un buen rendimiento mecánico, incluidos componentes críticos del chasis, como los brazos de control de la suspensión y las articulaciones de la dirección. Los métodos de forjado actuales incluyen el forjado en matriz con material líquido, el forjado en matriz con material semisólido, el forjado isotérmico y el forjado con polvo.

El forjado con matriz líquida se utiliza a menudo para fabricar llantas de una sola pieza. Los productos acabados presentan buenas propiedades mecánicas y una buena calidad superficial, pero el elevado coste de la maquinaria y la complejidad del proceso hacen que los costes de fabricación sean elevados.

El forjado en matriz de material semisólido se asemeja al forjado en matriz de material líquido. Se calienta un lingote hasta un estado semisólido, se inyecta rápidamente en la matriz y se somete a presión estática, de modo que el flujo del material líquido y la deformación plástica dan forma a la pieza. En comparación con el forjado en matriz en estado líquido, utiliza una temperatura de conformado más baja y produce una menor contracción volumétrica. Es menos probable que se produzcan cavidades por contracción y colapsos, se prolonga la vida útil de la matriz, se reduce la inclusión de gases y se mejora sustancialmente la calidad de la pieza acabada.

En el forjado isotérmico, se coloca una palanquilla calentada en una matriz con control de temperatura y se forja lentamente a temperatura constante. La temperatura constante y la baja velocidad de forjado permiten una recristalización dinámica más completa, una microestructura más uniforme y una mayor ductilidad. Un proceso avanzado estudiado recientemente para la aleación de aluminio 6082 combina el forjado semisólido y el isotérmico: la palanquilla se preforja a la temperatura de tratamiento de solución, se somete a un envejecimiento previo y, finalmente, se forja isotérmicamente a 200 °C. El proceso permitió obtener piezas aceptables con mayor dureza y resistencia, gracias a la mejora del endurecimiento por precipitación y por dislocación.

Chapa de aluminio

A partir de 2012, la entrada en vigor de normativas más estrictas en materia de protección de los peatones en Europa y Norteamérica impulsó un uso generalizado de la chapa de aluminio en los paneles exteriores de los vehículos. En 2020, el aluminio representaba 75% de las aplicaciones en capós en Norteamérica, mientras que su cuota en puertas, maleteros y techos superaba los 25%. Algunos modelos de Audi, Jaguar, Ford y Tesla utilizan estructuras de carrocería predominantemente de aluminio. Además del estampado y el embutido convencionales, el conformado en caliente de la chapa de aluminio ha avanzado significativamente y se ha convertido en una importante tecnología de conformado de alto rendimiento.

El conformado en caliente se desarrolló para hacer frente a la baja ductilidad y a la dificultad de deformación de las aleaciones de aluminio de alta resistencia. El estampado en caliente es el método principal. Un estudio reciente combinó una red neuronal de retropropagación con un algoritmo genético multiobjetivo para optimizar variables clave como la temperatura de la pieza en bruto, la velocidad de estampado y la holgura del troquel. Los componentes resultantes presentaban resistencias a la tracción de entre 300 y 320 MPa, en consonancia con la resistencia máxima de la aleación de aluminio 6061-T6. Los parámetros optimizados permitieron obtener piezas con un rendimiento satisfactorio, buenas propiedades mecánicas y una alta precisión de conformado.

El conformado en frío de chapas de aluminio se utiliza principalmente para los paneles de la carrocería de los automóviles. La geometría compleja, el escaso espesor relativo y los elevados requisitos de calidad superficial hacen que algunos paneles sean propensos a arrugarse, agrietarse y sufrir retroceso elástico. Durante el estampado en frío, los investigadores estudiaron cómo los parámetros del proceso afectan al adelgazamiento y a la recuperación elástica, tras lo cual compensaron la superficie de la matriz y ajustaron los parámetros. Estas medidas lograron suprimir eficazmente la recuperación elástica, la formación de arrugas y las grietas.