¿Qué materiales se utilizan comúnmente para la fabricación de cigüeñales?

¿Qué materiales se utilizan para fabricar cigüeñales?

La selección de materiales para cigüeñales depende principalmente de las condiciones de funcionamiento y constituye, en gran medida, un análisis abstracto, ya que dichos componentes pueden estar sometidos a esfuerzos mecánicos, altas temperaturas, fricción y/o varios otros extremos; por tanto, resulta justificable evaluar su rendimiento en servicio, durabilidad y fiabilidad. Existe una cantidad casi infinita de parámetros medibles que deben equilibrarse, y, del mismo modo que los materiales para contrapesos de cigüeñal se seleccionan para lograr un rendimiento óptimo según el diseño del cigüeñal y las normas vigentes aplicables a este componente, también lo son los materiales para los propios contrapesos.

Bloques constructivos de acero al carbono.

Para la fabricación del cigüeñal principal de motores de automóviles de gama de entrada y de sistemas de motores de gama media, el acero al carbono ha sido durante muchos años el material preferido para la fabricación de cigüeñales. El acero al carbono es apreciado por sus propiedades de mecanizado y sus características mecánicas cuando se aplica tratamiento térmico, así como por su relación costo-efectividad. En cuanto al equilibrio entre resistencia y ductilidad, se prefiere el acero al carbono medio, cuyo contenido de carbono oscila entre el 0,30 % y el 0,50 %. Aunque la temple y revenido pueden mejorar su dureza y tenacidad, este material es capaz de soportar las cargas cíclicas generadas durante el funcionamiento del motor. La mayoría de los cigüeñales de acero al carbono comercializados en el mercado están destinados a vehículos de pasajeros y vehículos comerciales ligeros. Esto permite su fabricación económica, al tiempo que mejora las características de rendimiento más importantes. Muchas industrias han producido en masa cigüeñales de acero al carbono, por lo que existe una larga trayectoria de uso del acero al carbono en la industria automotriz, aplicado en ingeniería conforme a los requisitos necesarios para garantizar condiciones operativas seguras y estándar.

Acero aleado para un rendimiento mejorado

El acero aleado se ha convertido recientemente en un material preferido para cigüeñales destinados a aplicaciones de alta exigencia y alto rendimiento. Los fabricantes utilizan una variedad de elementos de aleación para mejorar la matriz del acero; con la adición de cromo, níquel, molibdeno o vanadio, se pueden lograr mejoras clave en propiedades como la resistencia a la tracción, la resistencia a la fatiga y la tenacidad al impacto. Los elementos de aleación también mejoran la estructura granular, la templabilidad general y reducen la probabilidad de desgaste o deformación bajo condiciones extremas. Los cigüeñales de acero aleado se encuentran en automóviles deportivos de alto rendimiento, camiones de alta capacidad y motores diésel industriales. Estos cigüeñales destacan por su capacidad para soportar mayores pares de salida y resistir períodos más largos de servicio, manteniendo un amplio espectro de condiciones operativas industriales. En comparación con el acero al carbono, estudios industriales indican que el acero aleado puede soportar un 30 % más de ciclos de fatiga en el cigüeñal y hacer que los entornos operativos exigentes sean más eficientes. Para sus vehículos premium y comerciales, los principales fabricantes automotrices valoran ante todo la fiabilidad del motor y reconocen al acero aleado como un componente esencial.

El hierro dúctil, también conocido como hierro fundido nodular, es un sustituto flexible y económico del acero para la fabricación de cigüeñales. Asimismo, se diferencia del hierro gris en que el hierro dúctil incorpora partículas esféricas de grafito. Estas partículas mejoran su ductilidad, resistencia al impacto, capacidad de fundición y resistencia al desgaste. Además de estas propiedades, el hierro dúctil posee la capacidad de amortiguar vibraciones y ruidos, así como de mejorar la suavidad general del motor. La combinación equilibrada de resistencia, durabilidad y eficiencia de costes es la razón por la que el hierro dúctil se emplea comúnmente en aplicaciones marinas, maquinaria agrícola y motores de servicio medio. Gracias a la tecnología de fundición de vanguardia, la consistencia y la calidad de los componentes de hierro dúctil han mejorado notablemente. Los procesos de fundición actuales logran una precisión dimensional equivalente a la de las piezas forjadas en acero. Muchos fabricantes de motores optan por cigüeñales de hierro dúctil en lugar de componentes más costosos, ya que la mayoría de los motores fabricados actualmente están diseñados únicamente para potencias moderadas.

Materiales de Vanguardia en Aplicaciones Especializadas

El rendimiento extremo exige el uso de materiales avanzados en motores para aplicaciones especializadas. Aunque las aleaciones de titanio son costosas, presentan una excelente relación resistencia-peso, lo que las hace ideales para motores de carreras de alta velocidad y para la industria aeroespacial. Para cumplir con los requisitos de peso, los cigüeñales de titanio reducen la masa total y mejoran la respuesta del motor y el consumo de combustible. Asimismo, algunas aplicaciones especializadas emplean nuevos compuestos, como polímeros de fibra de carbono reforzados con titanio, que ofrecen una resistencia excepcional y una elevada resistencia a la corrosión. Los materiales avanzados en la tecnología de fabricación de cigüeñales están destinados a convertirse en estándar generalizado, aunque la complejidad de su fabricación y el alto costo de los materiales aún los mantienen fuera del alcance de los equipos especializados de gama alta. Los principales fabricantes y centros de investigación han centrado sus esfuerzos en la utilización de estos materiales para diversos tipos de motores, buscando soluciones rentables.

Factores Clave que Influyen en la Selección de Materiales

La selección de materiales para los cigüeñales está influenciada por muchos factores, como, por ejemplo, el tipo de motor y la potencia de salida. En el caso de motores de gran potencia, es fundamental aumentar la resistencia a la tracción y la resistencia a la fatiga. Para motores más pequeños, pueden tener prioridad el costo y la maquinabilidad. Además de las exigencias contradictorias relacionadas con el costo y la maquinabilidad, también deben considerarse otros factores, como las condiciones de funcionamiento, el rango de temperaturas y los ciclos de carga. Por ejemplo, los motores utilizados en climas extremos pueden requerir una mayor resistencia a la corrosión y al calor. Los métodos de fabricación, tales como forjado, fundición y tratamiento térmico, también determinan los materiales empleados, ya que algunos materiales funcionan mejor con determinados procesos productivos que con otros. El costo constituye una limitación práctica, ya que los fabricantes buscan un equilibrio entre rendimiento y costo. Por último, los materiales utilizados también deben cumplir con las normas y regulaciones industriales. Esto brinda garantías a los fabricantes y a los usuarios finales de que los materiales empleados son seguros y duraderos.

Conclusión sobre los materiales del cigüeñal

La selección de los materiales para el cigüeñal es un proceso que requiere comprender tanto los requisitos y objetivos como las limitaciones y compensaciones implicadas. Cada material —como el acero al carbono, el acero aleado, el hierro dúctil y otros—, por avanzado que sea, ofrece ventajas específicas para una determinada aplicación y unas condiciones operativas concretas del motor. El avance de los motores va a la par con el progreso de la ciencia de materiales, allanando progresivamente el camino hacia un mayor rendimiento y una mayor durabilidad de los componentes. Los fabricantes combinan su conocimiento de las propiedades de los materiales con ensayos empíricos y experiencia práctica para realizar la evaluación que mejor equilibra el rendimiento y la fiabilidad del motor. Los fabricantes de motores que buscan ofrecer un producto competitivo y de calidad deben colaborar con especialistas en materiales y componentes para garantizar las soluciones más avanzadas y personalizadas que respondan exactamente a los requisitos y restricciones específicas de la aplicación.