Aleación aluminio silicio

Para la fabricación de motores y pistones, se emplea el método de fundición con moldes permanentes y se utilizan aleaciones de aluminio con cobre, magnesio, níquel y silicio entre otros aleantes. El silicio es el elemento de aleación más importante, ya que le aporta una serie de beneficios a la producción como son:

Mejora la maquinabilidad.

Excelente fluidez del metal fundido. Aumenta la resistencia a la corrosión.

Ayuda a disminuir el peso de la aleación al desplazar en la fundición a elementos más pesados.

Aumento de la dureza y de la resistencia a la tensión. Reduce la expansión térmica.

Aumento de la resistencia al desgaste.

Comúnmente, el aluminio se combina con el silicio para formar una matriz continua de aluminio-silicio, sin embargo existe una zona donde la fundición al enfriarse forma otra fase sólida que básicamente consiste de silicio. Ésta es conocida como límite eutéctico (12,6% de silicio, figura 1-6), por debajo de éste se les llama aleaciones hipo-eutécticas y por arriba de ésta línea, se les conoce como aleaciones hiper-eutécticas. Por ejemplo, en una aleación con 16% de silicio, el 12% del silicio se encuentra disuelto en aluminio y el 4% restante se

encuentra en forma de cristales de silicio primario[9]. Sin embargo, dependiendo de la

cantidad que exista de otras substancias (cobre, hierro, níquel, etc.) y del grado de solubilidad del aluminio y del silicio con estos elementos, el punto eutéctico se modificará, de tal forma que en aleaciones hipo-eutécticas, se pueden formar precipitados de silicio puro o combinado.

Figura 1-6 Diagrama de fases de la aleación aluminio – silicio[10].

1.2.1 Modificación de la morfología de los precipitados de silicio

En el campo del desarrollo de nuevos materiales aplicables a la industria automotriz, existen diversas propuestas que se enfocan a la utilización de materiales con precipitados nodulares

(hierro nodular, hierro dúctil, etc.)[11], los cuales son utilizados por tener mejor resistencia a

los procesos de fatiga aunado a un aumento en las propiedades mecánicas y por lo tanto, las piezas fabricadas con estos materiales pueden ser más ligeras. En el caso de las aleaciones de aluminio, el silicio excedente al solidificarse forma precipitados con forma de hojuelas, lo que provoca concentradores de esfuerzos y por lo tanto, el material presenta una baja resistencia en los procesos de fatiga (figura 1-7).

Figura 1-7 Aleación aluminio – silicio (7,6%), sin tratamiento térmico.

Es una práctica común el refinar la estructura eutéctica, así como, el tamaño de grano de las fundiciones de aluminio-silicio. Un mejoramiento moderado en las propiedades mecánicas es garantizado junto con la integridad estructural cuando la fase eutéctica del silicio es refinado

con arsénico, antimonio o azufre[12]. También son utilizados elementos como el bario, calcio,

estroncio, sodio y cerio, así como algunos elementos del grupo de tierras raras, los cuales modifican las velocidades de enfriamiento y como consecuencia, los cambios en la morfología del silicio ocurren de forma natural. Pero solamente el sodio y el estroncio producen una fuerte acción modificadora en bajas concentraciones, por lo cual son ampliamente utilizados en aplicaciones comerciales.

Tesis de Doctorado en Ciencias Capítulo 1 Antecedentes Ambos elementos transforman las hojuelas de silicio eutéctico a una forma fibrosa, produciendo estructuras similares a los obtenidos en materiales compuestos, las cuales incrementa la resistencia última de tensión, la ductilidad, la dureza y la maquinabilidad. El sodio es un potente modificador con concentraciones de 0,1%, sin embargo, se disuelve rápidamente debido a la evaporación por lo que es difícil de controlar y con concentraciones mayores de 0,1% sobre modifica a la aleación el cual tienen como resultado una pérdida de las propiedades mecánicas, es difícil de almacenar y puede incrementar la porosidad.

El estroncio es un modificador moderado, con concentraciones óptimas de 0,01% a 0,02%, produce buenas propiedades mecánicas, los efectos son semi-permanentes, es mucho más fácil de almacenar y de manejar que el sodio, las sobre modificaciones no son tan perjudiciales como las provocadas con el sodio, mejoran la fluidez de la fundición, sin embargo, puede incrementar la porosidad. El estroncio es adicionado a la fundición como una aleación maestra con bajo estroncio (como Al10Sr 0 Al14Si-10Sr), también como una aleación maestra de alto estroncio (Al-90Sr) o como metal puro. Las aleaciones maestras son adicionadas en forma de lingotes, pero algunas aleaciones maestras con 3% ó 10% de estroncio, son adicionadas en forma de rodajas para una rápida disolución. Los lingotes se disuelven lentamente y requieren de 30 a 40 minutos, para una óptima modificación. La adición de estroncio metálico son en pequeños trozos, se disuelven rápidamente, e introducen menos hierro en la aleación comparados con las aleaciones maestras. El

estroncio debe ser adicionado a la fundición en un rango de temperatura de 670 a 720 oc.

Una propuesta para mejorar las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio - silicio, es cambiar la morfología de los precipitados de silicio a una forma cuasi nodular o globular, mediante el empleo de estroncio y con la aplicación de un tratamiento térmico a

470°c[13], teniendo como resultado que los precipitados retarden el crecimiento de las grietas

al producir un efecto de cerradura o desviación de la grieta, y por lo tanto, la aleación posee una mayor resistencia a los procesos de fatiga al retardar la etapa de propagación estable (Etapa 2 en el modelo de Paris).

Figura 1-8 Aleación aluminio – silicio-estroncio con tratamiento térmico.

En el siguiente capítulo, se tratará con mayor profundidad el tema del proceso de falla por fatiga y la forma como intervienen los precipitados de silicio en el proceso de fatiga.