El magnesio, un material con perspectivas

Los desarrollos que los grandes fabricantes de coches llevan a cabo afectan sin duda a todas aquellas empresas que suministran piezas de un tipo u otro. En este artículo vemos los más recientes avances de BMW en el campo del magnesio, que se puede utilizar ya para el cárter del cigüeñal. El magnesio es uno de los elementos que más abunda en la tierra y puede obtenerse mediante electrólisis. El magnesio puro tiene una densidad de 1,81 gramos por centímetro cúbico, con lo que ofrece una evidente ventaja por su peso en comparación con el aluminio (que tiene una densidad de 2,68 gramos por centímetro cúbico) y con el acero (densidad de 7,87 gramos por centímetro cúbico).

El primer cárter del cigüeñal del mundo de magnesio y aluminio.

Los especialistas del BMW Group han conseguido un éxito tecnológico excepcional en la medida en que han desarrollado un cárter del cigüeñal de material mixto, es decir, de magnesio con inserción de fundición de aluminio. Ello significa que el BMW Group es la primera empresa automovilística que fabrica un motor de combustión refrigerado por agua aprovechando las ventajas que ofrece el magnesio, un material sumamente ligero, consiguiendo al mismo tiempo eliminar las desventajas que tiene este material. El desarrollo del cárter del cigüeñal de material mixto para un motor de seis cilindros en línea se encuentra en fase de culminación, con lo que el cárter podrá montarse en los motores de serie de BMW en el transcurso de los próximos dos años.

La sustitución de aluminio por magnesio permite que el cárter del cigüeñal pese aproximadamente diez kilogramos menos en comparación con un cárter convencional del mismo tipo. De esta manera, el BMW Group ha sentado las bases para seguir reduciendo el peso de las futuras generaciones de automóviles. Claro está que reducir el peso significa reducir el consumo de combustible. Y si se reduce el peso en las zonas apropiadas del coche, mejora su comportamiento dinámico y su agilidad.

Un cárter de magnesio puro o de una aleación convencional de magnesio no es apropiado para la utilización en coches fabricados en serie debido a su expansión por fluencia bajo esfuerzo y por las características de la superficie de las camisas de los cilindros. Por ello fue necesario buscar una combinación de materiales y un diseño de la pieza capaces de cumplir todos los requisitos. La estructura del cárter del cigüeñal de material mixto es, en principio, igual a la de los nuevos motores de BMW de cuatro cilindros con Valvetronic. Para que la rigidez de la estructura, las características acústicas y la resistencia sean óptimas, el cárter está dividido en dos partes a la altura de los apoyos del cigüeñal.

De esta manera ya se marcan las diferencias frente a un cárter de aluminio. La parte superior del cárter de material mixto tiene una inserción de aluminio en la zona de las camisas y los conductos de agua. Dado que esta pieza de aluminio es resistente a grandes esfuerzos térmicos y mecánicos, también contiene las roscas para los cojinetes del cigüeñal y la culata. El cuerpo envolvente de magnesio se utiliza para el guiado del flujo de aceite y para las conexiones necesarias para el montaje de los grupos complementarios.

En ellos se integraron diversas funciones con el fin de reducir su número. Entre otras medidas, la tapa de la caja de engranajes y los apoyos del alternador y de la bomba de vacío se encuentran en un solo cuerpo. La parte inferior del cárter del cigüeñal (también una pieza de fundición de magnesio) contiene inserciones de acero sinterizado para acoger los apoyos del cigüeñal. El motor tiene un sistema de juntas nuevas que excluyen la corrosión.

Con el fin de evitar que se produzca corrosión en las zonas de contacto entre el magnesio y el acero se utilizan pernos especiales de aluminio altamente resistente.

Además de los conocimientos adquiridos en materia de procesos de producción fiables, es fundamental que las aleaciones sean las apropiadas para fabricar un cárter del cigüeñal que cumpla todas las exigencias.

Al término de exhaustivas investigaciones científicas llevadas a cabo en estrecha cooperación con especialistas en materiales y en desarrollo de motores y con la participación de los expertos en fundición de metales ligeros de la planta de Landshut, fue posible modificar la aleación de magnesio de tal manera que sea apropiada su utilización en el cárter del cigüeñal. Con la nueva aleación fue posible redefinir las condiciones de utilización de este material que ahora se puede utilizar para aplicaciones completamente nuevas.

Durante el desarrollo del material se prestó especial atención a la resistencia a la fluencia, a la corrosión y a esfuerzos térmicos y mecánicos, aunque también a su comportamiento durante el proceso de fundición, a la eliminación del riesgo de corrosión por contacto entre el magnesio y otros materiales y a la hermeticidad del motor. En el centro tecnológico de fundición por inyección de BMW en la planta de Landshut se adquirieron al mismo tiempo los conocimientos necesarios para controlar los complejos procesos de fabricación. La adquisición de los conocimientos técnicos necesarios para trabajar con este material y realizar los procesos correspondientes está a cargo de los propios especialistas del BMW Group.

Reducir el peso significa reducir el consumo de combustible. Y si se reduce el peso en las zonas apropiadas del coche, mejora su comportamiento dinámico y su agilidad

La sección de fundición de metales ligeros de la planta de BMW en Landshut se enfrentó a retos considerables en materia de técnicas de procedimientos. Para solucionar el problema de los diferentes coeficientes de dilatación de aluminio y de magnesio fue necesario recurrir a los profundos conocimientos y a la amplia experiencia de los especialistas en fundición. El nuevo método de fundición consigue que el recubrimiento de magnesio se contraiga hasta quedar adherido a la inserción de aluminio. La parte de aluminio tiene nervios que consiguen una unión duradera entre los dos materiales. Considerando que los intervalos de solidificación del aluminio y del magnesio son similares (entre 500 y 600 grados centígrados), es necesario disponer de un sistema de control de temperaturas muy complicado para conseguir calentar y enfriar las herramientas y las piezas en el momento preciso durante el proceso de fundición.

El nuevo cárter de cigüeñal se fabrica en uno de los equipos de fundición por inyección más grandes del mundo, instalado en el centro de fundición de BMW en la planta de Landshut. En una primera fase, se aplica automática-mente un agente separador sobre el molde que pesa casi 60 toneladas, a continuación se introduce el aluminio y luego se cierra el molde.

Acto seguido, la máquina controlada en tiempo real se encarga de inyectar el magnesio líquido que tiene una temperatura de alrededor de 700 grados centígrados, aplicando una presión de casi 1.000 bar. Esta operación tarda apenas seis centésimas de segundo. Las dos piezas se mantienen unidas aplicando una fuerza de más o menos 4.000 toneladas. Transcurridos diez segundos, el metal se ha solidificado y después de 20 segundos un robot retira el cárter del molde. Una vez concluido el proceso de fundición, el cárter del cigüeñal se somete a un procesamiento térmico con el fin de reducir posibles tensiones en su interior.

Ni en la fundición ni tampoco en las fases posteriores de procesamiento mecánico de la pieza de material compuesto es necesario prever instalaciones especiales en comparación con la fabricación de piezas de aluminio, ya que el magnesio es un material que se puede procesar mecánicamente con cierta facilidad. En cuanto a la utilización de agentes refrigerantes y lubricantes y en lo que se refiere al desabastecimiento de virutas, el BMW Group recurre a las amplias experiencias acumuladas por otras empresas industriales, por lo que queda asegurada la existencia de un sistema de reciclaje eficiente de los materiales correspondientes.

El proceso de fabricación completamente automático del cárter del cigüeñal de material compuesto se está desarrollando y optimando en las instalaciones piloto del centro tecnológico para fundición por inyección de Landshut (LITZ) con el fin de aprovecharlo para la fabricación en serie del futuro. El proceso de fabricación se trasladará en el transcurso de los próximos dos años al taller de fundición de la planta de Landshut para la fabricación en serie. Esta nave adicional tiene más de 10.000 m2 y el BMW Group ha invertido más de 100 millones de euros en ella.

Rolls-Royce Motor Cars Limited, empresa del BMW Group, recurre únicamente a los mejores centros de desarrollo del mundo para aprovechar las tecnologías más avanzadas. Este hecho realza el trabajo de desarrollo y fabricación realizado en la planta de Landshut. Concretamente, los especialistas en fundición de dicha fábrica producen una de las piezas de fundición de magnesio más grandes del sector automovilístico. Se trata del soporte del tablero de instrumentos del Rolls-Royce Phantom. La sólida estructura del soporte es sumamente compleja, ya que incluye diversos componentes funcionales, entre ellos el canal de salida para el airbag, el guiado del aire, el soporte del sistema de aire acondicionado y diversos elementos de sujeción más. La integración de las funciones permitió obtener una pieza ligera y de óptimo diseño. El soporte de magnesio sólo pesa 7,6 kilogramos. Dado que el soporte es de una sola pieza fundida, las tolerancias de fabricación son mínimas en comparación con un soporte soldado, constituido de varias piezas.

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