UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE
INGENIERÍA METALÚRGICA
EFECTO DE LA TEMPERATURA DE COLADA SOBRE LA
RESISTENCIA AL DESGASTE, DUREZA Y FLUIDEZ
MEDIANTE MODELO EN ESPIRAL DE LAS ALEACIONES
ZA: Zn-22%Al Y Zn-27%Al FUNDIDAS Y COLADA EN
MOLDE DE ARENA EN SECO
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO METALURGISTA
AUTORES: Br. ROJAS DÍAZ, Edward Ossmar Olaff.
Br. ZAVALETA ARMAS, Carlos Freder.
ASESOR: Dr. Ing. PURIZAGA FERNÁNDEZ, Ismael
Trujillo – Perú
DEDICATORIA
A mis padres por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, en toda mi educación,
tanto académica, como de la vida, por su incondicional apoyo perfectamente mantenido
a través del tiempo.
DEDICATORIA
A mi familia quienes por ellos soy lo que soy, en especial a mi madre Martha por su
apoyo, consejos, compresión, amor y ayuda en los momentos difíciles, y apoyarme con
los recursos necesarios para estudiar.
Me han dado lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi carácter, mi
empeño, mi perseverancia y mi coraje para conseguir mis objetivos.
AGRADECIMIENTO
Queremos expresar nuestro más sincero agradecimiento a nuestra Escuela de
Ingeniera Metalúrgica por facilitarnos los medios necesarios para la realización de este
trabajo de investigación; a los docentes por ser grandes mentores y facilitarnos todos
sus conocimientos, así como nuestra actitud académica y profesional.
Así mismo nuestro agradecimiento de manera especial y sincera al Dr. Ing. Ismael
Purizaga Fernández por aceptar ser nuestro asesor y guía para la elaboración de esta
tesis, no solo en el desarrollo sino también el nuestra formación como investigadores.
De igual manera hacemos llegar nuestro agradecimiento a todas las personas,
amigos y familiares que brindaron su apoyo, tiempo y dedicación para el logro de
nuestra meta.
RESÚMEN
Se ha estudiado el efecto de la temperatura de colada sobre la resistencia al desgaste, dureza y fluidez mediante molde en espiral en las aleaciones ZA: Zn – 22% Al (ZA-22) y Zn – 27% Al (ZA-27) fundidas y coladas en molde de arena. Para lo cual se consideró las temperaturas de colada de 500, 540, 580, 620 y 660°C, se experimentó con probetas según norma ASTM G77 para el ensayo de desgaste, probetas según norma ASTM E-140 para el ensayo de dureza y probetas en forma de espiral según el método Chneider para evaluar la fluidez.
Los resultados experimentales muestran que al incrementar la temperatura de colada desde 500 a 660°C, la dureza (HB) y resistencia al desgaste (mg) disminuyen para ambos tipos de aleación. Obteniéndose los mejores valores de dureza y resistencia al desgaste en la aleación zinc – 22% aluminio por ser eutectoide. En lo referente a la fluidez, el incremento de la temperatura de colada desde 500 a 660°C, la fluidez (cm) aumenta en ambos tipos de aleación, debido a que al aumentar la temperatura de colada aumenta el sobrecalentamiento retrasando la nucleación y crecimiento de los granos sólidos. Y los mejores valores de fluidez se obtuvieron para la aleación zinc – 22% aluminio.
También muestra que a temperaturas de colada bajas se obtienen los mejores valores de dureza y resistencia al desgaste para ambas aleaciones en estudio, debido a que constan de granos finos.
Se concluye que la temperatura de colada afecta significativamente sobre las propiedades evaluadas en la aleación zinc – 22% aluminio y zinc – 27% aluminio, según el análisis estadístico con un nivel de confianza del 95%.
Palabras claves: Temperatura de colada, dureza, resistencia al desgaste, fluidez, zinc,
ABSTRACT
The effect of the casting temperature on the wear resistance, hardness and flowability by spiral mold in the ZA alloys: Zn - 22% Al (ZA-22) and Zn - 27% Al (ZA-27) cast was studied and cast in sand mold. For which the casting temperatures of 500, 540, 580, 620 and 660 ° C were considered, it was experimented with specimens according to ASTM G77 standard for the wear test, specimens according to ASTM E-140 standard for the hardness test and specimens in spiral form according to the Chneider method to assess fluency.
The experimental results show that when increasing the casting temperature from 500 to 660 ° C, the hardness (HB) and wear resistance (mg) decrease for both types of alloy. Obtaining the best values of hardness and resistance to wear in the zinc alloy - 22% aluminum for being eutectoid. Regarding the fluidity, the increase of the temperature of casting from 500 to 660 ° C, the fluidity (cm) increases in both types of alloy, because when increasing the temperature of casting increases the overheating delaying the nucleation and growth of solid grains. And the best flow values were obtained for the zinc - 22% aluminum alloy.
It also shows that at low casting temperatures the best values of hardness and wear resistance are obtained for both alloys under study, because they consist of fine grains.
It is concluded that the casting temperature significantly affects the properties evaluated in the zinc alloy - 22% aluminum and zinc - 27% aluminum, according to the statistical analysis with a confidence level of 95%.
ÍNDICE
Dedicatoria ... i
Agradecimiento ... iii
Resumen ... iv
Abstract ... v
Índice ... vi
Lista de tablas ... ix
Lista de figuras ... x
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Realidad problemática ... 1
1.2 Antecedentes ... 3
1.3 Fundamento teórico ... 8
1.3.1Zinc ... 8
1.3.2Aluminio ... 9
1.3.3Aleaciones Zinc - Aluminio ... 9
1.3.4Efecto del sobrecalentamiento ... 13
1.3.5Fluidez o colabilidad ... 14
1.3.6Variables que influyen en la colabilidad ... 16
1.3.7Desgaste ... 17
1.3.8Ensayo de dureza ... 18
1.3.9Medición de la fluidez ... 20
1.5 Hipótesis ... 22
1.6 Objetivos ... 22
1.6.1Objetivos generales ... 22
1.6.2Objetivos específicos ... 22
CAPÍTULO II MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Material de estudio ... 24
a. Composición química ... 24
b. Propiedades mecánicas y físicas ... 24
2.1.1. Muestra... 25
2.1.2. Equipos, materiales e Instrumentos ... 27
a. Equipos ... 27
b. Instrumentos ... 28
c. Materiales consumibles y reactivos ... 28
2.2. Métodos y técnicas ... 29
2.2.1. Modelo Experimental ... 29
2.3. Procedimiento experimental ... 31
CAPÍTULO III RESULTADOS 3.1.Resultados del ensayo de dureza ... 36
3.2.Resultados del ensayo de fluidez ... 37
CAPÍTULO IV
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. Del ensayo de dureza ... 40
4.2. Del ensayo de fluidez ... 41
4.3. Del ensayo de desgaste ... 42
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones ... 45
5.2. Recomendaciones ... 46
Referencias bibliográficas ... 47
APÉNDICE I ANÁLISIS ESTADÍSTICO I.1. Modelo estadístico ... 50
I.2. Análisis de varianza para el diseño un solo factor ... 50
I.2.1. Prueba de hipótesis ... 50
I.2.2. Análisis de varianza de los resultados del ensayo de dureza ... 52
I.2.3. Análisis de varianza de los resultados del ensayo de fluidez ... 54
I.2.4. Análisis de varianza de los resultados del ensayo de resistencia al desgaste ... 56
I.3. Análisis de residuos ... 58
I.3.1. Residuos de los resultados del ensayo de dureza ... 58
I.3.2. Residuos de los resultados del ensayo de fluidez ... 60
APÉNDICE II
CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS
II.1 Resultados del ensayo de resistencia al desgaste ... 64
II.2. Cálculo de las densidades de las aleaciones en estudio ... 66
APÉNDICE III
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL
Análisis microestructural ... 68
ANEXOS
Fotografías ... 74
LISTADO DE TABLAS
Tabla 2.1. Composición química del zinc y aluminio comercialmente puros ... 24
Tabla 2.2. Propiedades mecánicas y físicas del zinc y aluminio químicamente puros ... 24
Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de resultados ... 30
Tabla 2.4.Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor, para determinar
la dureza y resistencia al impacto ... 30
Tabla 3.1. Datos obtenidos del ensayo de dureza (HB) en probetas de aleación Zn-22%Al
(ZA-22) y Zn-27%Al (ZA-27) a diferentes temperaturas de colada en estudio ... 36
Tabla 3.2. Resultados obtenidos del ensayo de fluidez o colabilidad (cm) en probetas de
aleación Zn – 22%Al (ZA-22) y Zn – 27%Al (ZA-27) colados a las diferentes temperaturas
Tabla 3.3. Resultados del ensayo de desgaste de probetas de aleación Zn – 22%Al
(ZA-22) y Zn – 27%Al (ZA-27) coladas a diferentes temperaturas de estudio ... 39
Tabla I.1. Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza de un solo factor ... 51
Tabla I.2. Análisis de varianza para los resultados del ensayo de dureza (HB) en probetas
de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) colados a diferentes tiempos de estudio ... 52
Tabla I.3. Análisis de varianza para los resultados del ensayo de dureza (HB) en probetas
de aleación Zn – 27%Al (ZA-27) colados a diferentes tiempos de estudio ... 53
Tabla I.4. Análisis de varianza para los resultados del ensayo de fluidez (cm) en probetas
de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) colados a diferentes tiempos de estudio ... 54
Tabla I.5. Análisis de varianza para los resultados del ensayo de fluidez (cm) en probetas
de aleación Zn – 27%Al (ZA-27) colados a diferentes tiempos de estudio ... 55
Tabla I.6. Análisis de varianza para los resultados del ensayo de resistencia al desgaste
(mg) en probetas de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) colados a diferentes tiempos de
estudio ... 56
Tabla I.7. Análisis de varianza para los resultados del ensayo de resistencia al desgaste
(mg) en probetas de aleación Zn – 27%Al (ZA-27) colados a diferentes tiempos de
estudio ... 57
Tabla II.1. Resultado del ensayo de desgaste (pérdida de peso) en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) y zinc – 27% aluminio (ZA-27) coladas a las diferentes
temperaturas de estudio ... 65
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1. Diagrama de fases Zn – Al (0 – 40% Al) ... 11
Figura 1.3. Método de ensayo de dureza Brinell ... 20
Figura 1.4. Forma espiral para medir la fluidez de aleaciones para colada según Chneider
y Hufngel…………. ... 21
Figura 2.1. Dimensiones del disco fundido de las aleaciones zinc – aluminio para la
obtención de probetas para el ensayo de desgaste ... 25
Figura 2.2. Dimensiones de la barra de aleación zinc – aluminio en estudio para la
obtención del ensayo de dureza ... 25
Figura 2.3Dimensiones de la probeta para el ensayo de desgaste según norma ASTM
G77 ... 26
Figura 2.4. Geometría de la probeta para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140,
la misma que servirá para el análisis metalográfico ... 26
Figura 2.5. Probeta en forma de espiral para evaluar la fluidez según el método de
Chneider ... 27
Figura 2.6. Diagrama de bloques del procedimiento experimental ... 31
Figura 2.7. Elementos para el ensayo de desgaste ... 33
Figura 3.1. Efecto de la temperatura de colada (°C) en las aleaciones: Zn–22%Al (ZA-22)
y Zn–27%Al (ZA-27) coladas en molde de arena sobre la dureza ... 37
Figura 3.2. Efecto de la temperatura de colada (°C) en las aleaciones: Zn–22%Al (ZA-22)
y Zn–27%Al (ZA-27) colada en molde de arena sobre la fluidez o colabilidad ... 38
Figura 3.3. Efecto de la temperatura de colada (°C) en las aleaciones: Zn – 22%Al (ZA-22)
y Zn – 27%Al (ZA-27) colada en molde de arena sobre la resistencia al desgaste ... 39
Figura I.1. Gráfica de probabilidad normal de los datos experimentales del ensayo de
dureza para probetas de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) coladas a diferentes tiempos de
Figura I.2. Gráfica de probabilidad normal de los datos experimentales del ensayo de
dureza para probetas de aleación Zn – 27%Al (ZA-27) coladas a diferentes tiempos de
estudio……. ... 59
Figura I.3. Gráfica de probabilidad normal de los datos experimentales del ensayo de
fluidez para probetas de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) coladas a diferentes tiempos de
estudio……. ... 60
Figura I.4. Gráfica de probabilidad normal de los datos experimentales del ensayo de
fluidez para probetas de aleación Zn – 27%Al (ZA-27) coladas a diferentes tiempos de
estudio……. ... 61
Figura I.5. Gráfica de probabilidad normal de los datos experimentales del ensayo de
resistencia al desgaste para probetas de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) coladas a diferentes
tiempos de estudio ... 62
Figura I.6. Gráfica de probabilidad normal de los datos experimentales del ensayo de
resistencia al desgaste para probetas de aleación Zn – 27%Al (ZA-27) coladas a diferentes
tiempos de estudio ... 63
Figura III.1. Fotomicrografía de la aleación Zn – 22% Al (ZA-22) colada a 500°C en molde
de arena….. ... 68
Figura III.2. Fotomicrografía de la aleación Zn – 22% Al (ZA-22) colada a 540°C en molde
de arena…. ... 69
Figura III.3. Fotomicrografía de la aleación Zn – 22% Al (ZA-22) colada a 580°C en molde
de arena…. ... 69
Figura III.4. Fotomicrografía de la aleación Zn – 22% Al (ZA-22) colada a 620°C en molde
Figura III.5. Fotomicrografía de la aleación Zn – 22% Al (ZA-22) colada a 660°C en molde
de arena…. ... 70
Figura III.6. Fotomicrografía de la aleación Zn – 27% Al (ZA-27) colada a 500°C en molde de arena…. ... 71
Figura III.7. Fotomicrografía de la aleación Zn – 27% Al (ZA-27) colada a 540°C en molde de arena…. ... 71
Figura III.8. Fotomicrografía de la aleación Zn – 27% Al (ZA-27) colada a 580°C en molde de arena…. ... 72
Figura III.9. Fotomicrografía de la aleación Zn – 27% Al (ZA-27) colada a 620°C en molde de arena…. ... 72
Figura III.10. Fotomicrografía de la aleación Zn – 27% Al (ZA-27) colada a 660°C en molde de arena 73 Figura A.1. Molde de arena de discos fundidos para la obtención de probetas de aleación Zinc – Aluminio (ZA) para el ensayo de desgaste ... 74
Figura. A.2. Discos fundidos de las aleaciones zinc – aluminio en estudio para la obtención de probetas de desgaste ... 74
Figura. A.3. Molde de arena para la obtención de la probeta Chneider en espiral para evaluar la fluidez ...74
Figura A.4. Probeta en espiral de aleación zinc – aluminio para evaluar la fluidez en su respectivo molde de arena antes del desmoldeo ... 74
Figura. A.5. Probetas para el ensayo de desgaste según norma ASTM G77 ... 75
Figura A.6. Pesaje de probetas de desgaste en la balanza analítica ... 75
Figura A.8. Probetas en forma de espiral para evaluar la fluidez en la aleación zinc –
aluminio…. ... 75
Figura. A.9. Prueba de desgaste de probetas de aleación Zn – Al (ZA) en estudio ... 76
Figura A.10. Probetas después del ensayo de desgaste ... 76
Figura A.11. Ensayo de dureza en la escala Brinell (HB) en el durómetro universal TIME
GROUP TBHRV 187.5 ... 76
Figura A.12. Análisis microestructural para las probetas de aleación zinc – aluminio en
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1.Realidad problemática
Debido a la versatilidad y a la variedad de uso que las aleaciones base zinc tienen, están
siendo de un especial interés en la industrial, debido a la variedad de propiedades
mecánicas y metalúrgicas que se pueden obtener de ellas, necesaria para la fabricación de
piezas estructurales.
El consumo de estas aleaciones por parte de la industria ha crecido a partir del
descubrimiento de nuevas propiedades que estas aleaciones tienen, que las llevó a ser
altamente competitivas y también por el bajo coste de fabricación con relación a otros
materiales. Estas aleaciones, además de sus excelentes propiedades mecánicas, tienen una
gran aptitud para el moldeo al tener alta colabilidad o fluidez y un bajo punto de fusión,
haciéndolos muy aplicables en la fabricación de piezas y autopartes de diferentes partes de
equipos y maquinarias. El aluminio como elemento aleante en las aleaciones, es importante
en las propiedades de las aleaciones Zinc – Aluminio (ZA), por su bajo peso y su poder
anticorrosivo que le aporta a las aleaciones ZA.
Por otro lado, las propiedades mecánicas de las aleaciones zinc – aluminio dependen
o arena (verde o seco), temperatura de colada o sobrecalentamiento, tratamiento del metal
líquido (modificaciones o refinación de granos), espesor de piezas, otros elementos de
aleación y el posterior tratamiento térmico T6 (solución y envejecimiento), siendo una
variable importante la temperatura de colada o sobrecalentamiento debido a que estas
controlan la velocidad de enfriamiento de la aleación.
La temperatura de colada puede ser la causa de muchos problemas en las piezas
fundidas, temperatura de coladas altas permiten obtener piezas con tamaño de grano
grandes (dendritas) y con alto porcentaje de porosidad debido a la contracción dendrítica y
rechupes, por el alto grado de contracción de solidificación y temperatura de coladas bajas
ocasionan un mal llenado de los moldes, debido a la baja fluidez, lo que permite obtener
piezas fundidas con bordes redondos denominados junta fría.
En la localidad, las pocas empresas fundidoras que fabrican piezas zinc – aluminio
(Zamack), solo se dedican a refundir la aleación utilizando piezas recicladas (chatarra),
debido al desconocimiento de los métodos de fabricación en estas aleaciones zinc –
aluminio y a los excelentes propiedades mecánicas que estas aleaciones tienen en estado
fundido. Debido a esto con la presente investigación se pretendió mostrar lo fácil que es
obtener la aleación zinc – 22% Aluminio y zinc – 27% Aluminio y analizar las propiedades
mecánicas de dureza, resistencia al desgaste y fluidez en molde de arena, evaluando la
en estudio, con el objeto de interesar a la industria local y nacional para la utilización de
estas aleaciones por su versatilidad y bajo costo de producción.
1.2.Antecedentes
Aguilar R. (2010), menciona que: la fluidez o capacidad de llenado examinada por la
distancia de solidificación (Lf) en cm, aumenta con el incremento de temperatura del metal
líquido y que existe una relación lineal entre el incremento de la temperatura de colada y
aumento de fluidez. También menciona que debido al incremento del sobrecalentamiento,
se retrasa la nucleación y el crecimiento de los granos sólidos y que a temperaturas
demasiadas elevadas alrededor de 100 a 150°C provocan descenso de fluidez debido al
incremento de las turbulencias.
Avras R. y Schvezov C. (2000), investigaron sobre la microestructura, estabilidad
microestructural y comportamiento al desgaste de aleación zinc – aluminio/SiC (MMC),
concluyendo que: las aleaciones de la familia zinc – aluminio con contenidos del 8 a 50% de
aluminio y que estas aleaciones son una alternativa para la fabricación de partes resistentes
al desgaste, las aleaciones ZA son versátiles y pueden ser manufacturadas por diferentes
técnicas de fundición. Además dicen que: la aleación ZA 27 as-cast microestructuralmente
consta de dendritas ricas en aluminio y rodeado por el eutectoide (α+ϒ) de estructura rica
Barrand P. y Gadeau R. (1981), dice que: la colabilidad o fluidez es la capacidad que
tiene el metal o aleación líquida de llenar completamente un molde de dimensiones
estandarizadas. Esta capacidad de los metales y sus aleaciones, de fluir libremente antes de
solidificarse para producir fielmente el perfil del molde es una de las etapas más críticas del
proceso de fabricación de la pieza moldeada. También dice que: la colabilidad es la habilidad
de las aleaciones para ser coladas mediante un determinado proceso y en una determinada
forma (molde).
Carbellion O. (2005), concluye que: el sobrecalentamiento es la diferencia entre la
temperatura de colada y la temperatura del líquidus, y es clave en la fluidez. La fluidez
aumenta con el incremento del sobrecalentamiento para una determinada aleación, y que
para la aleaciones Zinc – Aluminio (ZA), se observa que existe una relación lineal entre el
incremento de sobrecalentamiento (temperatura de colada), y aumento de fluidez. Y que a
temperaturas de sobrecalentamiento demasiados elevados, provocan descenso de fluidez
debido al incremento de la turbulencia.
Espejo F. y Valverde G. (2016), en la investigación sobre el tipo de molde y la
temperatura de colada en la aleación zinc – 27% aluminio (ZA-27) concluyen que: el tipo de
molde y la temperatura de colada en el rango de 500 a 600°C influyen considerablemente
en la resistencia a la tracción, ductilidad y dureza en la aleación zinc – 27% aluminio
(ZA-27). Y para los moldes metálicos y moldes de arena según se incrementa la temperatura de
de resistencia a la tracción y dureza fueron para probetas coladas en molde metálico.
Mientras que los mejores valores de ductilidad fue para probetas coladas en molde de
arena, y según el análisis microestructural en ambos tipos de molde, la solidificación es
dendrítica formados por dendritas primarias de fase gamma (ϒ) rodeada por eutectoide de
beta más gamma (β+ϒ), obteniéndose dendritas más pequeñas y de grano fino para
probetas coladas en molde metálico (coquilla).
López A. y Quiroz E. (2016), en su estudio sobre la dureza y fluidez mediante molde en
espiral colado en molde de arena en aleaciones zinc – aluminio en el rango de 2 a 30% de
aluminio, concluyen que: el incremento del porcentaje de aluminio en la aleación base zinc
hace que la fluidez, medido en distancia de llenado (Lf), disminuye desde 165 cm para 2%
aluminio hasta 25.30 cm para 30% de aluminio, debido a que el aluminio forma películas de
óxido de aluminio (Al2O3) que actúan como barreras que frenan el avance de la aleación
líquida y en cuanto la dureza, al incrementar el porcentaje de aluminio, ésta aumenta desde
67.20 HB para 2% aluminio hasta 109.20 HB para 20% de aluminio y posteriormente
disminuye hasta 88.80 HB para 30% de aluminio. Se debe a que las aleaciones de 2 a 20%
de aluminio, son hipoeutectoides que están formados de fase beta (β) rica en zinc (HCP) y
eutectoide (β+ϒ), y las aleaciones mayores de 20% hasta 30% de aluminio son
hipereutectoide, que están formados por eutectoide (β+ϒ) y gamma (ϒ) siendo la fase
Morando C. y Palacio H. (2004), investigaron la fluidez de aleaciones del sistema
eutéctico en un rango de composición variable alrededor de la composición eutéctica.
Además la aleación que tiene eutéctico con estructura regular (del tipo no facetado – no
facetado) presentan un máximo de fluidez en la composición eutéctica, mientras que las
aleaciones que no tienen eutéctica son estructuras anómalas (del tipo facetado – no
facetado), el máximo de fluidez está cercano hacia el lado de la fase facetada la cual
presenta la entalpía de fusión más alta.
Naves F. y Lujan F. (2016), investigaron sobre el tiempo de envejecimiento en el
tratamiento térmico T6 en la aleación zinc – 27% aluminio y concluyeron que: la aleación
zinc – 27% aluminio es tratable al tratamiento térmico T6, debido a que el tratamiento de
solución a 360°C y envejecimiento a 180°C a los tiempos de 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 y 6 horas afecta
mejorando las propiedades mecánicas en estudio, y según se incrementa el tiempo de
envejecimiento desde 0.5 hasta 2.0 horas la dureza y resistencia a la tracción aumentan
hasta un valor máximo de 123.07 HB y 329.20 MPa respectivamente y para tiempos
mayores de 2 horas la dureza y resistencia a la tracción disminuye hasta 90.57 HB y 268.40
MPa a 6 horas, mientras que a medida que se incrementa el tiempo de envejecimiento
desde 0.5 hasta 6 horas la ductilidad disminuye desde 14.90% hasta 7.10%. También
concluyen que el tiempo óptimo en el tratamiento fue 2 horas debido a que en este tiempo
se obtuvo los mejores valores de las propiedades en estudio, y que la aleación zinc – 27%
Ndaliman M. (2007), menciona que: en el control de la obtención de piezas coladas, es
importante el control de la temperatura de colada para obtener piezas de buena calidad.
Debido a que a temperaturas altas de colada producirán piezas con microporos, debido a
que existe mayor solubilidad del gas hidrógeno y oxígeno en la aleación líquida y pieza de
tamaño grande debido a que el tiempo de solidificación es alto.
Obando J. y Unzueta G. (1997), dicen que: la temperatura de colada depende de la
aleación, este valor es conveniente mantenerlo siempre lo más bajo posible a la cual el
metal es colado en el molde ya que tiene un gran efecto sobre las propiedades mecánicas
de la pieza.
Ramil J. (2014), en su investigación concluye que: la composición química es uno de los
factores que más afecta a la fluidez. Pequeñas adiciones de aleantes reducen la fluidez de
los metales puros por lo que la fluidez del zinc sin alear disminuye cuando disminuye su
pureza. La fluidez se reduce 22% cuando la pureza del zinc desciende un 0.6% (aluminio
puro hasta 99.4%) y alrededor de 35% y 40% cuando desciende un 1.0% y 1.4% (aluminio
99.0% y aluminio 98.6%) respectivamente.
Rojas I. (2008), menciona que: la fluidez se define como la cantidad del metal líquido
que es capaz de fluir a través de los pasajes del molde y llenar todas sus cavidades,
puede ser un factor que puede originar una pobre definición de rasgos superficiales. La
fluidez no es una propiedad independiente como el caso de la densidad o viscosidad.
1.3.Fundamento teórico
1.3.1.Zinc
El zinc metálico es un metal blanco azulado, cristaliza en el sistema hexagonal. Es
extremadamente frágil a temperaturas bajas, pero se vuelve maleable entre los 120 y los
150°C, y se lamina fácilmente al pasarlo entre rodillos calientes. Es el cuarto metal más
usado en el mundo. Es uno de los metales más reciclados que representa cerca del 40% de
su consumo mundial. Debido a que cristaliza en el sistema hexagonal se deforma muy poco
por deslizamiento, ya que solo tiene un plano compacto [Plano basal (0001)]. Según esto
tiene baja plasticidad a temperatura ambiente. Su estructura hexagonal explica también la
anisotropía de propiedades, por ejemplo, dilatación, laminación, etc.
El zinc funde a 419.5°C y su temperatura de ebullición es 907°C, su peso atómico es
65.39 g/mol, su densidad es 7.142 g/cm2, su resistencia mecánica es baja, teniendo una
resistencia a la tracción de 14 kg/mm2 y su límite elástico es de 7 kg/mm2. El zinc se utiliza
principalmente como capa protectora o galvanizado para el hierro y acero, y como
componentes de distintas aleaciones especialmente del latón (Cu – Zn), también se usa en
las placas de las pilas (baterías) eléctricas secas, también como metal base en la fabricación
1.3.2.Aluminio
El aluminio es un metal blanco opaco, ocupa el tercer lugar en abundancia superando
solo al silicio y el oxígeno. Cristaliza en el sistema FCC. Es uno de los materiales más
abundantes de la tierra debido a que constituye aproximadamente el 8% de su corteza.
Tiene una densidad de 2.7 g/cm3, que es la tercera parte de la densidad del acero y un
módulo de elasticidad de 10 x 106 Psi. Las propiedades de tensión de las aleaciones de
aluminio son inferiores a las del acero, pero su resistencia específica (es decir, su relación
resistencia a peso) es excelente. El aluminio a bajas temperaturas tiene elevada
conductividad eléctrica y térmica.
El aluminio posee una combinación de propiedades que lo convierten en un material
extremadamente útil en ingeniería. Debido a su baja densidad lo hace especialmente
importante para el transporte de productos manufacturados. Presenta una buena
resistencia a la corrosión en la mayoría de ambientes naturales debido a la película
adhesiva. Puede ser aleado hasta alcanzar resistencias de 690 MPa (100Ksi). El precio
relativamente bajo junto a sus propiedades mecánicas, hace que este metal sea muy
importante industrialmente. (Askeland D., 2004, p. 293)
1.3.3.Aleaciones Zinc - Aluminio
La nueva familia de aleaciones base zinc con un alto contenido de aluminio, conocidas
como ZA-8, ZA-12 y ZA-27, tienen una buena combinación de propiedades, las cuales son
tiene una resistencia al desgaste comparable a los bronces convencionales más
comúnmente usados y con propiedades similares a muchas fundiciones, pero siendo mucho
más fáciles de maquinar que estas, además de esto, mejoran las características de las
aleaciones tradicionales de zinc, las cuales han sido usadas con éxito durante décadas en
aplicaciones que involucran sometimientos a tensiones y donde puedan aplicarse las
ventajas del moldeo en coquilla. Por otro lado, la gran dureza y alta resistencia de esta
aleación logra un equilibrio de las propiedades, siendo de esta manera una alternativa
competitiva para otros sistemas de aleaciones ya desarrolladas.
Las aleaciones base zinc para fundición más conocidas son las Zamaks, las cuales son
ampliamente utilizadas en el moldeo en coquilla por presión. Su economía, baja
temperatura de fusión y su composición cercana al eutéctico, favorecen la vida útil de los
moldes metálicos, sin embargo, este proceso de moldeo requiere el empleo de máquinas
costosas que necesitan de un estricto control y de un mantenimiento especializado, lo cual
ha impedido que su uso se extienda en este país. En los últimos 40 años se ha venido
trabajando en una familia de aleaciones base zinc con un contenido de aluminio mayor de
16%, las cuales han encontrado una gran aceptación entre los fundidores, debido a que
pueden ser coladas por gravedad en coquilla, en moldes de arena en verde. Arena
aglomerada con silicato de sodio endurecida con CO2, moldeo en cáscara y yeso,
presentando buenas propiedades mecánicas tales como resistencia a la tracción, flexión e
impacto, además de conservar sus excelentes propiedades de fundición, tales como la
Sistema Zinc - Aluminio
En el sistema binario Zn – Al, según la figura 1.1, es la base de las aleaciones comerciales
desarrolladas para la fundición a presión y por gravedad. Al analizar este diagrama se
observa una transformación peritéctica que se expresa con la ecuación:
Líquido + gamma alfa (1)
A una temperatura de 455°C y el líquido con un 14% de aluminio, un alfa con un 28%
Al y una composición de la fase gamma de 30% Al. También se encuentra una
transformación eutéctica dad por la ecuación:
Líquido alfa + beta (2)
A una temperatura de 382°C y una composición del líquido de 5% de Al y un alfa con
un 17% Al los productos de la transformación eutéctica consisten en una fase beta, rica en
zinc con 1.0%Al en peso, la cual cristaliza en el sistema hexagonal compacto (HCP) y se
caracteriza por ser estable a temperatura ambiente. La otra fase es alfa.
El diagrama muestra que la solubilidad del aluminio en la fase beta decrece con la
temperatura, llegando a 0.65%Al en peso, a la temperatura eutectoide (275°C) y a 0.05%Al
en peso a 20°C. La fase alfa, rica en aluminio con 17.2%Al en peso a temperatura eutéctica,
cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y se caracteriza por ser inestable
a temperaturas por debajo de 275°C y una composición alfa del 22%Al en peso,
experimentando a estas temperaturas una transformación eutectoide dad por la ecuación:
alfa gamma + beta (3)
A esta temperatura, la fase gamma (rica en aluminio), tiene un contenido aproximado
de 31.6%Zn en peso y la fase beta (rica en zinc), tiene un contenido aproximado de 0.65%Al
en peso. La fase gamma se caracteriza por ser estable a temperatura ambiente y la
solubilidad del zinc en esta fase disminuye con la temperatura. El campo gamma + alfa es
muy estrecho y sus límites no están bien establecidos.
Las microestructuras de las aleaciones base zinc con altos contenidos de aluminio,
consta principalmente de dendritas primarias de fase alfa rodeadas por un eutéctico de alfa
+ beta. La cantidad de fase alfa formada depende del % de aluminio, de manera que a
medida que este aumenta, la cantidad de dendritas de la fase alfa rica en aluminio es mayor
y disminuye la cantidad de eutéctico formado a altas temperaturas.
Este sistema permite obtener variadas características mecánicas de las fundiciones
mediante tratamientos térmicos adecuados. La fase gamma rica en aluminio es
sobresaturada hasta en 30% de zinc, además tanto la fase gamma como la fase beta pueden
ser endurecidas por precipitación debido a la disminución de la solubilidad del soluto al
temperatura. (Marulanda J. Y Zapata A., 2007, p. 509)
La aleación Zinc – 22% aluminio es una aleación eutectoide en la cual a 275°C la fase α
con 22% Al se transforma en fase β con 0.65% Al y fase ϒ con 31.6% Zn, y que
microestructuralmente a temperatura ambiente está formada por una mezcla eutectoide
formada por fase β y ϒ. La aleación Zinc – 27% aluminio es una aleación hipereutectoide
que está formada por mezcla eutectoide (β + ϒ) y fase gamma. Estas dos aleaciones pueden
ser sometidas a tratamiento térmico de solución y envejecimiento.
1.3.4.Efecto del sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento es la diferencia entre la temperatura de colada y la temperatura
liquidus, y es también un factor clave de fluidez. La fluidez aumenta con el incremento del
sobrecalentamiento para una aleación dada. Se ha observado que existe una relación lineal
entre el incremento de sobrecalentamiento (temperatura de colada) y el aumento de
fluidez. Este debido al incremento del sobrecalentamiento retrasa la nucleación y
crecimiento de los granos de sólido. A partir de temperaturas de sobrecalentamiento
demasiado elevadas (alrededor de 100 – 150°C) provocan descensos de la fluidez,
1.3.5.Fluidez o colabilidad
En fundición, la colabilidad se define como la capacidad que tiene el metal o aleación
líquida de llenar completamente un molde de dimensiones estandarizados. Esta propiedad
se ha definido como la cantidad del metal líquido que es capaz de fluir a través de los pasajes
del molde y llenar todas sus cavidades, obteniéndose así una producción fiel de las formas
del diseño. Una fluidez inadecuada puede ser un factor que puede originar una pobre
definición de rasgos superficiales. La fluidez no es una propiedad independiente como el
caso de la densidad o la viscosidad.
Entre los factores que influyen en la fluidez, se podría esperar que predomine la
viscosidad: Cuando un líquido fluye en un canal cerrado, su viscosidad determinará la
extensión a la cual la fricción con la tubería permitirá fluir, influirá también en la tasa de
flujo, la cual es recíproco de la viscosidad.
La colabilidad de las aleaciones es una medida de su habilidad para ser colados
mediante un determinado proceso y en una determinada forma (molde). La fluidez que se
define como la distancia que un metal fundido puede alcanzar en un molde de sección
constante antes de solidificar, es el parámetro que limita la colabilidad de las aleaciones y
por lo tanto, determina la posibilidad real de colar una determinada aleación con un
En la fluidez o colabilidad de una aleación influyen tanto parámetros metalúrgicos,
como la composición química o la adición de afinante, como parámetros de proceso: como
la temperatura de colada las características del canal / molde (material, temperatura, etc.).
Se dividen en las siguientes categorías:
Variables de la aleación:
o Composición química.
o Intervalo de solidificación.
o Viscosidad.
o Calor de fusión.
Variables del molde y de la interacción molde / metal:
o Coeficientes de transferencia de calor (revestimiento).
o Conductividad térmica del molde y la aleación.
o Densidad del molde y aleación.
o Calor específico.
o Tensión superficial.
Variables del test:
o Sección del canal.
o Temperatura del canal.
o Contenido en óxido e impurezas.
La fluidez puede ser controlada con una cuidadosa selección de la apropiada
combinación de todas las variables, lo que no es fácil conseguir debido a la gran cantidad
1.3.6.Variables que influyen en la colabilidad
Temperatura
Se han encontrado que la fluidez de una aleación dada se relaciona directamente con
el sobrecalentamiento. Esto se esperaría del efecto fundamental de la solidificación en el
control de la duración del flujo. El sobrecalentamiento determina la cantidad de calor que
se disipa durante la solidificación.
Composición
El otro factor importante en la composición de la aleación, usualmente alta colabilidad
se asocia con metales puros y con aleaciones de composición eutéctica. Las aleaciones que
forman soluciones sólidas y tienen alta velocidad de enfriamiento tienden a presentar bajos
valores de fluidez.
Otros factores
Aunque la composición, las características del proceso de enfriamiento y solidificación
son factores importantes; la colabilidad depende de otros factores, incluso bajo
condiciones de enfriamiento similares las relaciones colabilidad – sobrecalentamiento no
son idénticos. Así la tensión superficial es un factor que se debe de tener en cuenta bajo
condiciones de operación en una fundición, puede ser tan alta como 1.5 N/m, ésta a su vez
se ve afectada por películas existentes sobre el metal en atmósferas normales. Por ejemplo,
el cromo y el aluminio por su tendencia a formar películas se ve favorecida por las películas
líquido es un reactivo, también ocurre el caso inverso, es decir la prevención de películas
incrementan la colabilidad del sistema, tal como sucede en las aleaciones de cobre. (Rojas
I., 2008, p. 55 – 61)
1.3.7.Desgaste
Es un efecto de la fricción. Implica la remoción gradual del material de una superficie.
Hay numerosos ejemplos de desgaste en los procesos de manufactura, la mayoría de los
cuales son indeseables: El desgaste de las herramientas en el maquinado de metales
(brocas), el desgaste de los dados en las diferentes operación de formado de metales, la
erosión de los moldes en fundición y el desgaste general de la maquinaria de producción.
Mecanismos de desgaste, depende de las condiciones mecánicas, pueden clasificarse
como: 1) degaste adhesivo, 2) abrasión, 3) oxidación y otras reacciones químicas y 4)
difusión.
Desgaste adhesivo, esta es una manifestación de la teoría de la adhesión en fricción.
Conforme las dos superficies de la figura 1.2. Se deslizan una sobre otra y ocurre la unión
de las asperezas, el movimiento continuo de las superficies requiere el rompimiento de las
juntas enlazadas. Cada vez que se rompe un enlace se remueve una pequeña partícula
(partícula de desgaste) de una de las superficies. Que la partícula de desgaste prevenga de
una u otra superficie depende de las resistencias relativas involucradas. El material más
débil es la fuente de la mayoría de las partículas de desgaste, aunque la acción de desgaste
Figura 1.2. Degaste adhesivo: (a) adhesión de asperezas; (b) rotura de las uniones por
adhesión para formar partículas de desgaste. Fuente: Groover M.
“Fundamentos de manufactura moderna”, 1997, p. 103.
Abrasión, es un desgaste causado por la acción de numerosas asperezas duras de una
superficie que choca sobre otra. Las asperezas puede resultar de la irregularidad y rugosidad
general de la superficie más dura, o porque el material tiene empotrado en él partículas
duras que sobresalen de la superficie. En cualquier caso, la acción abrasiva implica el rayado
y el desgaste de la segunda superficie para formar y remover partículas de desgaste,
resultando una progresiva pérdida de material. Este tipo de desgaste produce marcas de
rayado longitudinal en la dirección del movimiento relativo. (Groover M., 1997, p. 103)
1.3.8.Ensayo de dureza
La dureza se define como la resistencia que opone un material a la penetración. La
dureza de una fundición maleable es generalmente medida por el ensayo Brinell.
La prueba de dureza Brinell, que se usa desde 1900, se aplica principalmente para
todos los métodos de indentación es el que necesita de menor preparación de la superficie
sea relativamente lisa y esté libre de suciedad y escamas.
Esta prueba se realiza imprimiendo una bola de acero de 10 mm de diámetro con una
carga de 3000 Kg en la superficie durante un tiempo estándar, que por lo general es de 30
s. Figura 1.3. Para los metales no ferrosos, la carga se reduce a 500 Kg y en los metales muy
duros se usa una esfera de tungsteno. Se mide el diámetro promedio de la impresión que
resulta y de esto se puede determinar el número de dureza Brinell (NDB) con la fórmula:
𝑁𝐷𝐵 = 𝑃
(𝜋 𝐷 2⁄ )(𝐷 − √𝐷2− 𝑑2)
En la que:
P= carga aplicada (Kg)
D= diámetro de la esfera (mm)
d=diámetro de la impresión (mm).
Esta forma representa simplemente la carga (P) dividida entre el área de la superficie
de una impresión de diámetro d. En la práctica real, no es necesario hacer cálculos; puesto
que la carga es constante, los valores NDB que corresponden a varios diámetros de
Figura 1.3. Método de ensayo de dureza Brinell. Fuente: Groover M. “Fundamentos de
manufactura moderna”, 1997, p. 58.
1.3.9.Medición de la fluidez
Se han creado diversos ensayos experimentales para determinar la fluidez o colabilidad
del metal líquido estos se realizan en condiciones análogas a las cuales tiene lugar el vaciado
de piezas y la fluidez es medida como la distancia cubierta por el metal fundido en sistemas
estandarizados de canales cerrados donde fluye hasta que solidifique totalmente.
El ensayo más aplicado en la actualidad es el ensayo en espiral (esquematizado en la
figura 1.4), en el cual se han introducido muchas variaciones con el fin de obtener valores
más confiables debido a que los resultados del ensayo son muy sensibles a cambios en las
propiedades térmicas y las características de la superficie del molde. (Rojas I, 2008, p. 55 –
Figura 1.4. Forma espiral para medir la fluidez de aleaciones para colada según Chneider y
Hufngel. Fuente: Rojas I., “Influencia en las variables metalúrgicas en la
expansión – contracción de fundiciones nodulares”, 2008, p. 55 – 61.
1.4.Problema
¿Cómo afecta la temperatura de colada, en el rango de 500°C a 660°C, sobre la
resistencia al desgaste, dureza de la pieza sólida final y fluidez durante la colada, de las
1.5.Hipótesis
El incremento de la temperatura de colada en el rango de 500 hasta 660°C, en las
aleaciones ZA: Zn-22%Al y Zn-27%Al disminuirá la resistencia al desgaste y dureza de la pieza
sólida final, pero aumentará la fluidez durante la colada, en las dos aleaciones. Y los valores
más altos de las propiedades en estudio corresponde a la aleación Zn-22%Al por ser
eutectoide.
1.6.Objetivos
1.6.1.Objetivo general
Determinar el efecto de la temperatura de colada en el rango de 500 a 660°C sobre la
resistencia al desgaste, dureza de la pieza sólida final y fluidez durante la colada, de las
aleaciones ZA: Zn – 22%Al y Zn – 27%Al, fundidas y coladas en molde de arena en seco.
Utilizando técnicas de moldeo manual y probetas en forma de espiral estandarizadas para
la evaluación de la fluidez.
1.6.2.Objetivo especifico
Evaluar el comportamiento de la temperatura de colada, en el rango de 500 a 660°C sobre
la resistencia al desgaste, dureza y fluidez mediante molde en espiral de las aleaciones ZA:
Zn – 22%Al y Zn – 27%Al, fundidas y coladas en molde de arena en seco.
Determinar la temperatura de colada en la cual se obtendrá las mejores propiedades en
Evaluar en cual aleación se obtiene las mejores propiedades mecánicas en estudio.
Mostrar los resultados en gráficas que permitan analizar el efecto de la temperatura de
colada en el rango de 500 a 660°C, sobre las propiedades en estudio de las aleaciones ZA:
CAPITULO II
MATERIALES Y METODOS
2.1. Material de estudio
Para preparar las aleaciones zinc – aluminio en estudio, se usaron los siguientes
materiales: zinc con una pureza de 99.9% y aluminio con una pureza de 99.99%, las cuales
fueron acondicionadas y fundidas a las proporciones adecuadas para obtener las
aleaciones: Zn – 22% Al y Zn – 27% Al.
a. Composición química
Tabla 2.1. Composición química del zinc y aluminio comercialmente puros.
Elemento % Otros
Zinc 99.9 0.1 Aluminio 99.99 0.01
Fuente: Aleaciones Bera S.A. Lima – Perú.
b. Propiedades mecánicas
Tabla 2.2. Propiedades mecánicas y físicas del zinc y aluminio químicamente puros.
Elementos Temp. de
fusión (°C)
Temp. de
ebullición (°C)
Densidad
(g/cm3)
Dureza
(HB)
Estructura
cristalina
Zinc 419.5 907 7.142 60.5 HCP Aluminio 660.2 2467 2.70 16.5 FCC
2.1.1. Muestra
Para el ensayo de desgaste
Las muestras para el ensayo de desgaste se obtuvieron de discos de diámetro 45 mm x
16 mm de espesor, según figura 2.1.
10
Ø35
U.M . : mm
Ø20
Figura 2.1. Dimensiones del disco fundido de las aleaciones zinc – aluminio para la
obtención de probetas para el ensayo de desgaste.
Para el ensayo de dureza
Las probetas para evaluar la dureza, se obtuvieron de barras de las aleaciones Zn – Al
en estudio, cuyas dimensiones se muestran en la figura 2.2.
Figura 2.2. Dimensiones de la barra de aleación zinc – aluminio en estudio para la obtención
del ensayo de dureza.
Ø45
16
20
Ø16
Probetas
Para el ensayo de desgaste
Para el evaluar la resistencia al desgaste adhesivo seco, se maquinaron las muestras en
forma de disco (figura 2.1), según la norma ASTM G77, con especificaciones dadas en la
figura 2.3.
10
Ø35
U.M . : mm
Ø20
Figura 2.3. Dimensiones de la probeta para el ensayo de desgaste según norma ASTM G77.
Para el ensayo de dureza
Las probetas para este ensayo se obtuvieron de la barra cilíndrica (figura 2.2) según la
norma ASTM E-140, cuya geometría y medida se muestra en la figura 2.4. Las mismas que
servirán para el respectivo análisis metalográfico.
15 20
20
UM: mm
Figura 2.4. Geometría de la probeta para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140, la
misma que servirá para el análisis metalográfico.
Para el ensayo de fluidez o colabilidad
Para evaluar el efecto de la temperatura de colada en las aleaciones ZA en estudio
sobre la fluidez, se usaron probetas en espiral según el método Chneider y se muestra en la
figura 2.5.
Figura 2.5. Probeta en forma de espiral para evaluar la fluidez según el método de Chneider.
2.1.2. Equipos, instrumentos, materiales consumibles y reactivos
a. Equipos
Horno de resistencia eléctrica tipo mufla 5.5 Kw con control automático de
temperatura. Rango 0°C – 1200°C para la realización de las aleaciones zinc –
aluminio.
Torno MHASA de 1.5 m de bancada para maquinado de probetas.
Equipo para el ensayo de desgaste adhesivo seco (Ing. Mecánica).
Microscopio Metalográfico Leica de 50X – 1000X aumentos.
Crisol de acero inoxidable 12 puntos.
Cámara fotográfica digital CANON de 8 megapíxeles.
Balanza analítica digital de 4 dígitos.
b. Instrumentos y herramientas
Wincha Stanley de 5 m.
Termocupla tipo K.
Pirómetro Shimaden (0 – 1200°C).
Vernier Mitutoyo: 6 pulgadas.
Tenaza, escoriador y esposadera.
c. Materiales consumibles y reactivos
Lingotes de zinc puro al 99.9%.
Lingotes de aluminio puro al 99.99%.
Molde de arena: arena sílice + 7% bentonita + 5% humedad.
Desgaser 190 y Coveral 11.
Disco de corte de ø 115 mm x 23 mm x 3 mm.
Papel abrasivo (lijas): 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600 y 1000.
Alúmina (Al2O3): 1, 0.5, 0.3 µm.
Resina epóxica (encapsulado de probetas).
Algodón, pana y franela.
Reactivo Palmerton (óxido crómico, 15 gr. sulfato de sodio y 1000 ml H2O destilada).
2.2. Métodos y técnicas
2.2.1. Modelo experimental
Para la presente investigación se utilizó el diseño de un solo factor, con 5 niveles y 3
réplicas para cada nivel, se consideró las siguientes variables.
a. Variable independiente.
Temperatura de colada o sobrecalentamiento (°C): 500 – 540 – 580 – 620 – 660.
b. Variables dependientes.
Resistencia al desgaste (mg).
Dureza: Escala Brinell (HB).
Fluidez o colabilidad (cm): medido como la distancia cubierta por el metal fundido
en el molde en espiral (Lf).
c. Variables parametrizadas.
Temperatura de molde (°C): 25.
Composición química de las aleaciones: Zn – 22% Al y Zn – 27% Al.
Entonces el número de probetas (P) que se utilizaron fué:
P = A x R
Donde:
P = N° de probetas; A = Niveles de la variable independiente A; R = número de
Por consiguiente el número de probetas fue:
P = 5 x 3 = 15
Se utilizaron 15 probetas para el ensayo de dureza, las mismas que sirvieron para el
análisis microestructural, 15 probetas para el ensayo de desgaste y 15 probetas para medir
la fluidez, para cada aleación en estudio.
Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de los resultados
Temperatura de
colada (°C)
Réplicas
1 2 3
T1 T11 T12 T13
T2 T21 T22 T23
T3 T31 T32 T33
T4 T41 T42 T43
T5 T51 T52 T53
Ti : Temperatura de colada (°C): 500 – 540 – 580 – 620 – 660.
Tij : Resistencia al desgaste (mg), Dureza (HB), Fluidez (Lf: cm).
Tabla 2.4. Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor, para determinar las
propiedades en estudio.
Temperatura de
colada (°C)
Réplicas
1 2 3
T1 10 1 13
T2 15 2 6
T3 3 5 9
T4 11 12 4
2.3. Procedimiento experimental
Esta investigación se realizó según el diagrama de bloques de la figura 2.6.
Figura 2.6. Diagrama de bloques del procedimiento experimental.
Colada de aleación líquida
Desmoldeo y corte de canales de alimentación
Redacción del informe Maquinado de probetas
Desgaste ASTM G-77 Dureza ASTM E-140
Evaluación de fluidez o colabilidad (cm)
Ensayo de dureza (HB) y análisis metalográfico Ensayo de desgaste (mg) Resultados y discusión Fusión de aleaciones a
temperaturas de colada
Moldeo de discos y modelo en espiral
(fluidez)
Zinc Aluminio
Preparación de lingotes de aleaciones: Zn – 22% Al Zn – 27% Al
Fabricación de modelos de madera (desgaste, fluidez,
dureza)
Preparación de arena de moldeo (SiO2 –
a. Fabricación de modelos de madera:
Se fabricaron los modelos de madera para evaluar la fluidez o colabilidad según el
método de Chneider en forma de espiral, modelos en forma de disco para la obtención de
probetas de desgaste y modelos cilíndricos para evaluar la dureza.
b. Preparación de arena de moldeo
Se usó arena sílice (SiO2)+ 7% bentonita + 5% agua mezclado homogéneamente. Se
moldeo en las cajas de madera de 30 cm x 20 cm x 10 cm los respectivos modelos para la
obtención muestras y por consiguiente las probetas.
c. Obtención de las aleaciones en estudio y obtención de muestra
Se preparó los lingotes de aleación zinc - aluminio con 22 y 27% en peso de aluminio
en el horno eléctrico tipo mufla, fundiendo por separado el zinc y aluminio a los pesos
calculados, luego en estado líquido se combinaron y seguidamente se colaron en los
respectivos moldes para la obtención de los lingotes.
Se fundieron los lingotes de aleación Zn – 22% Al a las temperaturas de colada de:
500, 540, 580, 620 y 660°C respectivamente. Seguidamente se procedió a la colada en
los respectivos moldes para la obtención de discos, barras y probetas de fluidez.
Se fundieron los lingotes de aleación Zn – 27% Al a las temperaturas de colada de:
500, 540, 580, 620 y 680°C respectivamente. Seguidamente se procedió a la colada en
Una vez fríos se procedió al desmoldeo de los respectivos moldes y se cortaron los
canales de alimentación y las rebabas.
d. Elaboración y preparación de probetas
Ensayo de resistencia al desgaste
Se maquinaron las probetas para el ensayo de desgaste, según norma ASTM G77.
Ensayo de dureza
Se maquinaron las probetas para el ensayo de desgaste, según norma ASTM E-140.
e. Realización de ensayos
Ensayo de resistencia al desgaste
Se realizó según la norma ASTM G77, para el ensayo seco adhesivo deslizante
(contacto plano – cilindro), las probetas se ensamblaron en el dispositivo de desgaste tipo
Spindal (figura 2.7), con una carga de 9.1 kg y una velocidad de rotación de 355 RPM por
un tiempo de 10 minutos refrigerados con aire forzado (ventilador).
Para evaluar la resistencia al desgaste, se siguieron los siguientes pasos:
- Se pesaron las probetas de las aleaciones en estudio antes del ensayo de desgaste,
usando la balanza analítica del laboratorio de concentración de minerales (Pi).
- Se realizó el ensayo de desgaste según las especificaciones dadas, éste ensayo se
llevó a cabo en el laboratorio de máquinas y herramientas de ingeniería mecánica.
- Se pesaron nuevamente las probetas después del ensayo de desgaste
(desgastados) usando la misma balanza analítica (Pd).
- El valor de desgaste experimentado se obtuvo por la diferencia de pesos para cada
probeta antes y después del ensayo (ΔP = Pi – Pd).
Ensayo de dureza
Se realizó según la norma ASTM E-140. Se utilizó el durómetro universal digital TIME
GROUP 187.5, según la escala Brinell (HB). Estas mismas probetas servirán para los
respectivos análisis microestructurales
Ensayo de fluidez
Para la evaluación de la fluidez a las probetas coladas a las temperaturas de estudio
de aleación Zn – 22%Al y Zn – 27%Al, se midió la longitud (cm) de llenado (Lf) en los
respectivos moldes.
Ensayo metalográfico
Se utilizaron las mismas probetas del ensayo de dureza. Se siguió la siguiente
químico (5 partes de hidróxido de amonio y 5 partes de peróxido de hidrógeno). Para el
análisis microestructural se utilizó el microscopio metalográfico Leica de 50 – 1000X y la
toma de fotomicrografías se hizo con la cámara Canon de 8 MPx.
f. Evaluación de resultados
Los datos obtenidos (resultados) se evaluaron estadísticamente según el análisis de
varianza (ANOVA) para analizar si las variables en estudio fueron significativas en el rango
CAPITULO III
RESULTADOS
Los resultados obtenidos de las pruebas realizadas a las probetas de aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) y zinc – 27% aluminio (ZA-27) fundidos a las temperaturas de colada de
500, 540, 580, 620 y 660°C, y colados en molde de arena en seco, se detallan en tablas y
figuras que a continuación de muestran:
3.1.Resultados del ensayo de dureza
Para este ensayo se utilizó el durómetro digital universal TIME GROUP THBRVP – 187.5
según la escala Brinell (HB). Los resultados se muestran en la tabla 3.1 y figura 3.1.
Tabla 3.1. Datos obtenidos del ensayo de dureza (HB) en probetas de aleación Zn-22%Al
(ZA-22) y Zn-27%Al (ZA-27) a diferentes temperaturas de colada en estudio.
Temperatura de temple (°C)
Tipo de aleación (ZA)
Dureza (HB)
D1 D2 D3 Promedio
500 Zn – 22%Al 138.20 142.10 139.00 139.80
Zn – 27%Al 122.40 120.10 119.30 120.60
540 Zn – 22%Al 135.10 136.80 138.10 136.70
Zn – 27%Al 117.70 114.90 116.40 116.30
580 Zn – 22%Al 128.90 127.70 128.50 128.40
Zn – 27%Al 108.10 112.30 112.30 111.70
620 Zn – 22%Al 121.20 120.30 122.10 121.20
Zn – 27%Al 96.40 101.20 103.40 100.30
660 Zn – 22%Al 118.10 116.30 117.90 117.40
Figura 3.1. Efecto de la temperatura de colada (°C) en las aleaciones: Zn – 22%Al (ZA-22) y
Zn – 27%Al (ZA-27) coladas en molde de arena sobre la dureza (HB).
3.2.Resultados del ensayo de fluidez
Las respectivas probetas para este ensayo se obtuvieron de un molde en espiral, según
el método Chneider, colada en molde de arena. Los resultados de fluidez se obtuvieron
midiendo la longitud de llenado (Lf) o distancia de solidificación en centímetros. Estos se
muestran en la tabla 3.2 y figura 3.2.
80 90 100 110 120 130 140 150
460 510 560 610 660
Du
re
za
(
HB
)
Temperatura de colada (°C)
Tabla 3.2. Resultados obtenidos del ensayo de fluidez o colabilidad (cm) en probetas de
aleación Zn – 22%Al (ZA-22) y Zn – 27%Al (ZA-27) colados a las diferentes
temperaturas de estudio.
Temperatura de temple (°C)
Tipo de aleación (ZA)
Fluidez o colabilidad (cm)
L1 L2 L3 Promedio
500 Zn – 22%Al 52 58 59 56.30
Zn – 27%Al 38 40 41 39.70
540 Zn – 22%Al 79 82 84 81.70
Zn – 27%Al 54 49 58 53.70
580 Zn – 22%Al 102 110 105 105.70
Zn – 27%Al 82 75 86 81.00
620 Zn – 22%Al 122 125 128 125.00
Zn – 27%Al 108 115 109 110.70
660 Zn – 22%Al 152 144 153 149.70
Zn – 27%Al 121 118 124 121.00
Figura 3.2. Efecto de la temperatura de colada (°C) en las aleaciones: Zn – 22%Al (ZA-22) y
Zn – 27%Al (ZA-27) colada en molde de arena sobre la fluidez o colabilidad (cm).
0 20 40 60 80 100 120 140 160
460 500 540 580 620 660 700
Flui
dez
(cm
)
Temperatura de colada (°C)
3.3.Resultados del ensayo de desgaste
Para este ensayo se utilizó el desgaste deslizante (contacto plano – cilindro). Los resultados experimentales fueron obtenidos de la diferencia de pesos de las probetas antes y después del ensayo de desgaste. Estos se detallan en la tabla 3.3 y figura 3.3.
Tabla 3.3. Resultados del ensayo de desgaste de probetas de aleación Zn – 22%Al (ZA-22) y
Zn – 27%Al (ZA-27) coladas a diferentes temperaturas de estudio.
Temperatura de temple (°C)
Tipo de aleación (ZA)
Resistencia al desgaste (mg)
G1 G2 G3 Promedio
500 Zn – 22%Al 246 252 237 245.00
Zn – 27%Al 248 253 250 250.30
540 Zn – 22%Al 251 260 250 253.70
Zn – 27%Al 256 258 260 258.00
580 Zn – 22%Al 268 279 282 276.30
Zn – 27%Al 292 301 312 301.70
620 Zn – 22%Al 282 279 288 283.00
Zn – 27%Al 310 325 312 315.70
660 Zn – 22%Al 320 308 328 318.70
Zn – 27%Al 350 371 360 360.30
Figura 3.3. Efecto de la temperatura de colada (°C) en las aleaciones: Zn – 22%Al (ZA-22) y
Zn – 27%Al (ZA-27) colada en molde de arena sobre la resistencia al desgaste (mg).
200 240 280 320 360 400
460 500 540 580 620 660 700
Desg
as
te
(mg
)
Temperatura de colada (°C)
CAPITULO IV
DISCUSION DE RESULTADOS
4.1. Del ensayo de dureza
La tabla 3.1 y figura 3.1 muestran los resultados obtenidos de la dureza evaluadas en
escala Brinell (HB) en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) y probetas de
aleación zinc – 27% aluminio (ZA-27), coladas a las temperaturas de 500, 540, 580, 620 y
660°C. Se observa que a medida que se incrementa la temperatura de colada desde 500
hasta 660°C, disminuyen los valores de dureza para ambas aleaciones, obteniéndose para
a la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) un máximo de 138.80 HB para temperatura de
colada de 500°C hasta 117.40 HB para 600°C, y para la aleación zinc – 27% aluminio un
máximo de 120.60 HB para temperatura de colada de 500°C hasta 94.60 HB para 600°C.
También muestra que los mejores valores de dureza es para la aleación zinc – 22% aluminio
(ZA-22) para todos los niveles de temperatura de colada.
La disminución de la dureza en las aleaciones zinc – 22% aluminio (ZA-22) y zinc – 27%
aluminio (ZA-27) para todos los niveles de temperatura de colada, se debe a que al
incrementar la temperatura de colada, el sobrecalentamiento también aumenta,
incrementando el tiempo de enfriamiento (ts), por ende haciendo que el tamaño de grano
crezca y también la distancia de brazos dendríticos secundarios (EBDS), conforme lo
temperaturas de coladas bajas, el tiempo de solidificación también es bajo produciendo
granos dendríticos cortos con EBDS pequeños, obteniéndose valores de durezas altos. Y
para temperaturas de coladas altas el tiempo de solidificación (ts) también es alto
produciendo granos dendríticos largos o bastos con EBDS grandes, obteniéndose
microporosidad y porosidad por la absorción de gases, disminuyendo la dureza.
Con respecto a que los mejores valores de dureza (HB) se obtuvo para la aleación zinc
– 22% aluminio (ZA-22) se debió a que esta aleación es eutectoide, formado por dendritas
homogéneamente distribuidos compuesto por fase alfa (α) y gamma (ϒ). Y que los valores
más bajos de dureza obtenidos para la aleación zinc – 27% aluminio, se debe a que esta
aleación es hipereutectoide formado por eutectoide (α + ϒ) y gamma (ϒ), siendo fase
gamma rica en aluminio (FCC) y blanda, disminuyendo la dureza.
4.2. Del ensayo de fluidez
En esta prueba, para evaluar el efecto de la temperatura de colada en las aleaciones
zinc – 22% aluminio (ZA-22) y zinc – 27% aluminio (ZA-27) sobre la fluidez, se utilizó un
modelo en espiral según el método Chneider que se evalúa por la longitud (cm) de llenado
de la aleación líquida en el molde (Lf). Estos resultados se muestran en la tabla 3.2 y figura
3.2. Se observó que a medida que se incrementa la temperatura de colada desde 500°C
hasta 660°C, la fluidez, medido en longitud de llenado, aumenta para las dos aleaciones en
estudio, obteniéndose para la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) un valor de 56.30 cm
