I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O
N A C I O N A L
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN METALURGIA Y MATERIALES
“Desarrollo de Aleaciones Eutécticas e Hipereutécticas Al-Si Tratadas Térmicamente”
T E S I S
Que para obtener el título de:
INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES
P r e s e n t a:
OMAR ADRIAN CORANGUEZ SARABIA
Director de Tesis:
DR. JOSÉ FEDERICO CHÁVEZ ALCALÁ
México, Distrito Federal, 2013
Se Agradece a:
A Ella. . . A la Madre. . . Al Padre. . . Al Hermano. . . Al Hermano. . . Al Doctor. . . A Miguel. . . A Jacobo. . .
A Ellos y a los demás. . .
Esta Tesis está dedicada a la M a t e r i a que gracias a su transformación y deformación existe el esfuerzo y la imaginación del ser humano.
ÍNDICE
RESUMEN ____________________________________________________________________ 1 I.INTRODUCCIÓN _______________________________________________________________ 3 2.MARCO TEÓRICO _____________________________________________________________ 7 2.1. GENERALIDADES _______________________________________________________________ 7 2.2. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO AL-SI ____________________________________________________ 10 2.2.1. ALEACIONES HIPOEUTÉCTICAS _____________________________________________________________ 13 2.2.2. ALEACIONES EUTÉCTICAS ________________________________________________________________ 14 2.2.3. ALEACIONES HIPEREUTÉCTICAS ____________________________________________________________ 14 2.3. VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO Y SOLIDIFICACIÓN _________________________________________ 15
2.3.1. VELOCIDADES DE ENFRIAMIENTO ___________________________________________________________ 15 2.3.2. SOLIDIFICACIÓN ______________________________________________________________________ 16 2.4. TRATAMIENTO TÉRMICO __________________________________________________________ 16
2.4.1. TRATAMIENTO DE SOLUBILIZACIÓN _________________________________________________________ 18 2.4.2. TRATAMIENTO DE TEMPLE _______________________________________________________________ 19 2.4.3. ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL ______________________________________________________________ 19 2.5. CARACTERIZACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO _________________________________________ 20
2.5.1. MICROSCOPIA ÓPTICA (MO) ______________________________________________________________ 20 2.5.2. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB) ________________________________________________ 21 2.6. COMPORTAMIENTO MECÁNICO _____________________________________________________ 21 3.DESARROLLO EXPERIMENTAL _____________________________________________________ 23 3.1.DESCRIPCIÓN GENERAL. ___________________________________________________________ 23 3.2.MATERIAS PRIMAS ______________________________________________________________ 24 3.3PROCEDIMIENTO DE FUSIÓN Y MOLDEO ________________________________________________ 25 3.3.1 MOLDEO ____________________________________________________________________________ 26 3.3.2 FUSIÓN _____________________________________________________________________________ 27 3.3.3 CARACTERIZACIÓN _____________________________________________________________________ 28 3.2 TRATAMIENTO TÉRMICO ___________________________________________________________ 29 3.4 CARACTERIZACIÓN _______________________________________________________________ 29 3.4.1 MICROSCOPIA ÓPTICA (MO) ______________________________________________________________ 30 3.4.2 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB) _________________________________________________ 30 3.5 COMPORTAMIENTO MECÁNICO _____________________________________________________ 31
3.5.1 ENSAYO DE TENSIÓN ____________________________________________________________________ 31
4.RESULTADOS Y ANÁLISIS ________________________________________________________ 32 4.1.EFECTO DE LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO SOBRE LA MICROESTRUCTURA ________________________ 32 4.2 ALEACIÓN Al-12.6%Si EUTÉCTICA (A1): ______________________________________________ 36 4.2.1CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL CON EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO_____________________ 39 4.2.2 COMPORTAMIENTO MECÁNICO _____________________________________________________________ 41 4.3ALEACIÓN Al-20%Si HIPEREUTÉCTICA (A2): ____________________________________________ 42
4.3.1CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL CON EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO_____________________ 44 4.3.2 COMPORTAMIENTO MECÁNICO _____________________________________________________________ 45 4.4ALEACIÓN AL-20%Si-1.5%Fe-0.5%Mn(A3): ___________________________________________ 46
4.4.1CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL CON EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO_____________________ 49 4.4.2 COMPORTAMIENTO MECÁNICO _____________________________________________________________ 51 4.5 DISCUSIÓN DE RESULTADOS ________________________________________________________ 52 CONCLUSIONES ________________________________________________________________ 54 REFERENCIAS _________________________________________________________________ 55
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ESUMENLas aleaciones de aluminio-silicio son de gran importancia e impacto en la fundición de piezas metálicas, debido a sus propiedades como la resistencia a la corrosión, bajo punto de fusión, excelente colabilidad, buena maquinabilidad, buen acabado superficial, bajo peso específico, buena conductividad eléctrica y térmica. Las propiedades de las aleaciones Al-Si no son sobresalientes, sin embargo a medida que el contenido de Si crece hasta un 13% se nota un aumento en la dureza y en la resistencia a la tracción en cambio decrece la ductilidad. Cuando el contenido de Si supera el 13% se presenta una marcada disminución del comportamiento mecánico general y la ductilidad se reduce, prácticamente a cero. Por lo tanto, el incremento de la ductilidad es hasta ahora un de las tareas más importantes en el diseño de las aleaciones Al-Si.
Las aleaciones Al-Si hipereutécticas, que se pueden considerar como compuestos (de matriz de Al con partículas reforzadoras de Si), comúnmente se les adicionan elementos como Cu, Mg, Fe, Zn además, refinadores de grano con el objetivo de provocar un endurecimiento por solución sólida y/o precipitación de partículas intermetálicas. Estas últimas pueden reforzar e incrementar la dureza y resistencia mecánica, controlando su dispersión y tamaño. Por otra parte, para contrarrestar la disminución de ductilidad en las aleaciones Al-Si es conveniente modificar la detrimental estructura del silicio eutéctico acicular y controlar el sobre crecimiento del silicio primario mediante; 1) la adición de modificadores de estructura (NaCl, Sr), 2) control de la velocidad de enfriamiento y 3) tratamientos térmicos de esferoidizacion.
El propósito de este trabajo es estudiar el comportamiento de las partículas precipitadas en aleaciones hipereutécticas Al-Si, solidificadas a diferentes velocidades y su efecto en las propiedades mecánicas, a fin de establecer la viabilidad de este tipo de aleaciones para su producción y aplicación a nivel industrial.
En este trabajo se estudiaron las aleaciones: (A1) Al-12.6%Si eutéctica, (A2) Al-20%Si hipereutéctica y (A3) Al-20%Si-1.5%Fe-0.5%Mn hipereutéctica. A esta última (A3) se le adicionó hierro (Fe) y manganeso (Mn) con el propósito de promover la formación de precipitados intermetálicos estables.
Las aleaciones se fundieron en un horno de gas y se colaron en tres moldes de diferente material:
arena, hierro y cobre, con el fin de proporcionar tres diferentes velocidades de enfriamiento. Además, se utilizó un molde de cobre en forma de cuña para obtener un mayor perfil de velocidades de solidificación. Posteriormente se aplicó un tratamiento térmico de esferoidización para minimizar los efectos detrimentales del silicio eutéctico y mejorar las propiedades mecánicas de las aleaciones. Las muestras antes y después del tratamiento térmico fueron preparadas y analizadas por microscopía óptica. La aleación A3 se analizó adicionalmente por MEB (Microscopía Electrónica de Barrido) y EDS (Espectroscopia de Energía Dispersiva). Finalmente se evalúo el comportamiento mecánico de las aleaciones en base a ensayos de tensión-deformación.
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El aumento en la velocidad de enfriamiento provocó una disminución en el tamaño de las partículas de silicio (proeutéctico y eutéctico)y la disminución de la formación de compuestos intermetálicos. El tratamiento térmico causó una transformación del silicio eutéctico con su subsecuente esferoidización, obteniendo una mejor dispersión de éstos en la matriz. Como resultado del incremento de la velocidad de enfriamiento y la aplicación del tratamiento térmico de esferoidización la aleación A1 mejoró sus propiedades mecánicas presentando un comportamiento plástico, un elevado esfuerzo a la tensión y tenacidad. Sin embargo el hierro tuvo un efecto indeseable dado que fragilizó el material; aunado a ésto las grandes partículas de silicio endurecieron el material, haciendo que sus propiedades mecánicas fueran menores a las esperadas. De esta manera, se determinó que el hierro es un elemento que debe controlarse cuidadosamente para optimizar las propiedades de las aleaciones Al-Si.
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I. I
NTRODUCCIÓN El aluminio es uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre encontrándose en una gran variedad de silicatos, su obtención es partir de una mena de Bauxita que involucra dos procesos distintos; el primero conocido como proceso Bayer el cual tiene como resultado alúmina pura (Al203). Luego de ser disuelta en un baño con criolita fundida (Na2AlF6) ocurre una reacción electrolítica que tiene como resultado aluminio y dióxido de carbono, este proceso es conocido como Hall-Héroult. La producción de aluminio a través de la industria del reciclaje ha venido imponiéndose como una fuente importante de obtención de aluminio, dado que refundir requiere sólo 5% de la energía necesaria para producir el mismo peso de aluminio primario de una mena de bauxita; el producto derivado de este proceso es llamado aluminio secundario el cual no contiene la misma calidad debido a que este producto posee mayor concentración de impurezas.El aluminio es un metal que presenta una gran variedad de propiedades, su baja densidad y su resistencia a la corrosión lo hacen un metal muy solicitado en la industria. La producción de aluminio primario (proveniente de la reducción electrolítica) en Latinoamérica es de 28,119 toneladas desde el año 2000 al 2012, mientras que el mayor productor de aluminio es China con una cantidad de 112,451 toneladas; la gran diferencia del tonelaje producido entre estas dos regiones del mundo exhorta a impulsar la investigación y así poder optimizar los procesos de reducción y fundición aumentando la competitividad de la Industria Mexicana del Aluminio en el mundo.
En la industria aeronáutica, automotriz, etc. Existe una necesidad de ahorro de combustible y eficiencia de los motores, por ello se han ido reemplazando piezas hechas de hierro o acero por materiales de menor densidad, integrando la ligereza con propiedades mecánicas adecuadas para una correcta funcionalidad bajo esfuerzos y altas temperaturas; esto hace de las aleaciones de aluminio la mejor competencia de los aceros, los cuales poseen propiedades mecánicas reconocidas, haciéndolos el material más usado en la industria.
Los usos del aluminio son presentados en la tabla 1, donde se muestra de manera representativa la distribución del uso del Aluminio en la industria de México en el año 2007. Estos datos fueron obtenidos en el portal de la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OECD):
Tabla 1. Consumo de Aluminio en diferentes sectores en México.[1]
Sector %
Construcción 6%
Transporte 38%
Industria Eléctrica 21%
Bienes duraderos 9%
Embalaje 6%
Maquinaria y Equipo 12%
Otros 8%
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Las propiedades mecánicas del aluminio como un metal puro son reducidas cuando es sometido a esfuerzos mecánicos; por este motivo se ha incrementado la producción de aleaciones. La industria del transporte utiliza cerca del 38% del aluminio puro, para ello son agregados intencionalmente elementos aleantes que refuerzan la matriz de aluminio, otorgando a estos materiales propiedades como resistencia mecánica, cuando es expuesto a fuerzas de deformación. Estas aleaciones reciben el nombre de Aleaciones ligeras; término que comprende generalmente a las aleaciones de aluminio y magnesio porque estos elementos se han usado frecuentemente para reducir el peso de los componentes y estructuras. Sin embargo el titanio y berilio son dos elementos importantes que también son incluidos dentro de esta derivación de los materiales. Aunque se refieren a las aleaciones de aluminio como aleaciones ligeras, estos materiales poseen otras propiedades de consideración tecnológica, como la resistencia a la corrosión, la conducción térmica y eléctrica; lo que hace que estas aleaciones sean muy usadas en la mayoría de las grandes áreas económicas, la construcción, empaquetamiento, transportación y en la industria eléctrica como conductores eléctricos.
Las aleaciones de aluminio fabricadas por fundición son ampliamente usadas en la industria, siendo de gran importancia e impacto detrás de la producción de piezas férreas alrededor del mundo, radicando su uso en propiedades como la resistencia a la corrosión, relativo bajo punto de fusión, excelente colabilidad, buena maquinabilidad, un buen acabado superficial, bajo peso específico, buena conductividad tanto eléctrica como térmica. Sin embargo, el aluminio puro tiene propiedades mecánicas inferiores a las del acero y sus aleaciones; para que el aluminio pueda competir con la resistencia mecánica del acero es necesario agregarle una variedad de elementos de aleación Zn, Mg, Cu, Si, Fe, Li, Mn, Ni, Ag, Sn, Ti, entre otros. Dichos aleantes se adicionan con el objetivo de formar un endurecimiento, por solución sólida o precipitación de intermetálicos, siendo éste último el proceso donde las partículas podrían reforzar e incrementar la dureza y resistencia mecánica, controlando su dispersión y tamaño, factores que son determinados por la velocidad de enfriamiento, composición química, temperatura, tiempo de solubilización y envejecimiento; en donde el tratamiento térmico se enfoca más a la precipitación de intermetálicos estables. Un objetivo adicional es la modificación morfológica de las partículas de silicio eutéctico que poseen una forma de placas gruesas y aciculares, a una subsecuente subdivisión y esferoidización de la partícula de silicio. Esparza (2005) diseño una serie experimentos para conocer el impacto al variar la composición química, cinética de solidificación y tratamiento térmico en una aleación Al-Si-Cu teniendo como resultado “Una fuerte dependencia de las propiedades mecánicas con respecto a la refinación microestructural” [2]
En la industria de la fundición de aluminio en moldes, las aleaciones donde el silicio es el aleante principal, es la más importante tecnológicamente, dado que el Si aumenta la resistencia al desgaste y reduce el coeficiente de dilatación térmica, el cual es usado como émbolos de motores, sin embargo, su maquinabilidad es reducida, su buena colabiliadad lo hacen justo para piezas de moldeo complicado, a medida que la cantidad de Si se reduce éstas pueden ser bonificables, usadas también como paredes en la construcción de aparatos, máquinas y vehículos, ya que absorben las vibraciones, poseen buena soldabilidad, además de una gran resistencia a la corrosión; al ser un metal muy versátil las aleaciones de aluminio son muy comunes en la industria de la fundición. Como se muestra en los datos obtenidos 4
en el INEGI del año 2005 al 2010 México ha ido incrementando la producción y uso de las aleaciones de aluminio.
La aleación Al-Si consta simplemente de una reacción eutéctica a una temperatura de 577°C poseyendo una solubilidad parcial a 1.57%, la dureza de éste material se debe a las fases predominantes de Al y Si, de los cuales controlando la forma y distribución se obtienen materiales de interés industrial y comercial. Las aleaciones de aluminio - silicio varían de nombre en base al porcentaje de silicio o a su uso (silical, silumin, silafont, etc.) una forma común de clasificación es de acuerdo a la concentración de silicio: hipoeutéctica, eutéctica y hipereutéctica. Uno de los objetivos es el de evaluar los efectos que la composición química provoca en la microestructura y por ende en las propiedades mecánicas;
manipulando las velocidades de enfriamiento, la morfología del silicio en diferentes concentraciones y la distribución de los intermetálicos que se generen. En un estudio anterior dirigido por Darvishi establece la importancia de las partículas en la matriz de aluminio “La razón por la que los intermetálicos que contienen hierro son detrimentales a las propiedades mecánicas es porque son más fáciles de fracturar bajo cargas de tensión que la matriz de aluminio o las pequeñas partículas de silicio (modificadas con manganeso)”[3]
El hierro es la principal impureza, la cual es detrimental para cualquier aleación de aluminio por la formación de fases en forma de agujas que aumentan la fragilidad; sin embargo un propósito de este trabajo fue comprender el efecto del hierro como elemento de aleación y cómo éste afecta de manera directa las propiedades mecánicas de la aleación de Al-Si. Para lograr el objetivo, se probará la solidificación en diferentes moldes: arena, hierro y cobre, se colarán lingotes de diferentes concentraciones (A1) Al-12.6%, Si (A2) Al-19%. Si y (A3) Al-19%, Si-1.5% Fe-0.5% Mn. A partir de éstos, se tomarán muestras para ser tratadas térmicamente y poder controlar el tamaño de las partículas de silicio y de hierro. En el sector industrial hay diferentes métodos para poder mejorar las propiedades mecánicas, pero los costos de producción aumentan significativamente, ésta es una de las razones por las que la investigación de las aleaciones de silicio puede desembocar en una mejora y reducción de la rentabilidad de los procesos de fusión y colada de este tipo de aleaciones.
El aluminio se ha introducido como un material versátil en la industria de la transformación, desde las envolturas (con propiedades anticorrosivas y elevada ductilidad lo hacen el material más apropiado) hasta en las cabezas de pistones, cumpliendo con las más estrictas normas de seguridad “La sustitución no se ha limitado a las cabezas de pistones, sino que se ha extendido al cuerpo del motor y se estudia la posibilidad de eliminar las camisas de las cámaras de combustión” [4] la investigación del aluminio y sus aleaciones han logrado la sustitución del hierro gris en la elaboración de motores de combustión, logrando que este material reemplace más piezas fundamentales en el funcionamiento de estos motores.
La importancia de la elaboración de las aleaciones de Al-Si radica en la investigación de los factores que impactan directamente en las propiedades mecánicas de dichos materiales, que ayudaran a la resolución de medidas preventivas y correctivas en los procesos de fundición y colada. Han sido trabajos de investigación tecnológica que han venido eliminando viejas usanzas en el procesamiento de
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estas aleaciones, “Conviene señalar que las propiedades mecánicas son inferiores, en piezas fabricadas en moldes de arena respecto a las fabricadas en moldes metálicos, como consecuencia de la menor velocidad de solidificación”[5] el desarrollo de estos estudios también es importante para incrementar la industria de producción del Aluminio e ir desplazando materiales que resultan en la ineficiencia de motores “Las aleaciones Hipereutécticas Al-Si han sido consideradas para ser potenciales substitutos por el fundiciones de hierro, las cuales han sido usadas ampliamente como componentes resistentes al desgaste en la industria automotriz”[6]
El estudio y desarrollo de esta investigación se basa en la necesidad de identificar y eliminar aquellos defectos que hacen de las aleaciones Al-Si un material duro y frágil, debido a los procedimientos de fusión, y colada en moldes que otorgan propiedades deficientes a este tipo de materiales “Las aleaciones Hipereutécticas Al-Si fabricadas por convencionales tecnologías de colada presentan baja tenacidad y pobre maquinabilidad dada por la formación de grueso silicio primario durante una lenta solidificación” [7]; sin embargo, si las variables de su proceso son controladas correctamente estas aleaciones pueden manifestar propiedades mecánicas adecuadas para ser puestas bajo cargas de tensión, estas variables han sido expuestas como muestra Ceschini (2009) “Varios estudios han demostrado que las propiedades a la fatiga de las aleaciones Al-Si de fundición son fuertemente influenciados por defectos de solidificación, inevitablemente introducidos durante el proceso de fusión, tales como, porosidad, y capas de óxido atrapadas. Otros características microestructurales, como SDAS, forma y distribución de la fase eutéctica de Si, así también la presencia de compuestos intermetálicos ricos en hierro, pueden también jugar un rol importante en el comportamiento mecánico.”[8].
La propuesta de este estudio es mejorar no sólo un tratamiento térmico sino las velocidades de solidificación, así como un control muy riguroso de la fusión; para poder obtener un resultado satisfactorio que cumpla con las necesidades de un material que sea tecnológicamente competente, conocer el impacto del silicio y el hierro en el aluminio y los principios que rigen las propiedades mecánicas de las aleaciones Al-Si.
La investigación directa de las diferentes Aleaciones de aluminio; traen como consecuencia una mejora en los procesos de producción, comprendiéndose más a fondo los fenómenos que ocurren en este tipo de aleaciones y haciéndolas más competitivas a nivel económico. Se debe resaltar la importancia que juegan los materiales en la industria, en la economía de México y del mundo, se ha demostrado la baja actividad que éste país muestra en la producción de aluminio y elaboración de otros materiales de interés tecnológico, la investigación no debe ser el fin sino el inicio de la actividad económica de cualquier país y sobretodo de los países en vías de desarrollo.
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2. M
ARCOT
EÓRICO 2.1. GENERALIDADESEn México la producción de Aluminio es escasa siendo uno de los países con una mínima cantidad de toneladas métricas generadas anualmente de aluminio primario (reducción electrolítica). La Figura 2.1 muestra la distribución de producción anual mundial, de acuerdo a The International Aluminium Institute; los valores colocan a China como el primer productor en el mundo con un tonelaje anual de 17.786 millones de toneladas, seguido de Norteamérica con 4.969, obteniendo un total 43.989 millones de toneladas en el mundo en 2011, en esta imagen se resalta la importancia del aluminio mundialmente.
Fig. 2.1 Total de toneladas producidas en el año 2011.[9]
La producción de aleaciones es el sector de la industria del Aluminio más importante tecnológicamente;
y es en donde se consume más aluminio, debido a que se ha generado una avidez general de la industria por mejorar los rendimientos de estructuras y piezas mecánicas, se ha aprovechado la baja densidad del aluminio, sin dejar a un lado otras propiedades que hacen de éste un material muy importante en la ingeniería; en México se ha visto incrementada la producción de dichas aleaciones, donde el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) reporta 17,565 toneladas para el año 2010, como puede observarse en la gráfica de la Figura 2.2.
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Fig. 2.2. Total de toneladas métricas de aluminio producidas en el año 2010 en México, el Instituto Nacional de Estadística y Geografía. [10]
Comúnmente los procesos de vaciado del aluminio se realizan en moldes de arena o en moldes permanentes, los primeros son alimentados por gravedad, mientras que en los moldes permanentes es usada una baja presión por medio de un gas o aire para forzar el flujo del metal hacia el molde, también bajo una elevada presión por medio del proceso llamado “diecasting”. Existen varias ventajas sobre la fundición de aleaciones de aluminio y se basan en el grado de fluidez del metal fundido que permite una gran colabilidad, bajos puntos de fusión, baja solubilidad de gases excepto el hidrógeno, así como buen acabado superficial.
No obstante algunas desventajas que tiene son: porosidad típica y en consecuencia la disminución de las propiedades mecánicas, otros factores como el tamaño de grano, concentración de impurezas, y la velocidades de enfriamiento, además de una contracción entre 3.5% y 8.5% que ocurre durante la solidificación. Por ello debe haber un control en la preparación de estas aleaciones y se deben tomar medidas en el diseño del molde para lograr las dimensiones ideales y evitar esfuerzos residuales.
El aluminio primario posee impurezas que afectan su rendimiento, las cuales provienen de las menas de bauxita o durante el proceso de fundición ya sea en el uso de herramientas para la escorificación o en el trasiego del metal líquido a los moldes, las principales impurezas son el hierro y el silicio, las cuales se encuentran en mayor cantidad en otros elementos como: el cobre, zinc, vanadio y cromo.
El efecto de todas estas impurezas en una aleación lo describe Khalifa (2009) “Cuando la presencia de impurezas se traduce en la formación de cristales insolubles en la matriz de aluminio, el estado de dispersión de éstas y su distribución condicionan considerablemente la magnitud de los efectos”[11]
esto es considerando que los elementos que se encuentran en la matriz se hallan inherentes en el material, pero estos elementos cuando se agregan en mayor proporción produce un efecto más acentuado en las propiedades mecánicas, es el caso de éste estudio, el cual se enfoca en la intervención del Si que es adicionado intencionalmente en diferentes porcentajes, controlando la dispersión y distribución en la matriz del aluminio.
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Dadas las normas de seguridad, el aluminio puro no cumple con las especificaciones mecánicas y su tenacidad es significativamente inferior. Se ha estudiado el efecto de las impurezas, ya que éstas modifican las propiedades físicas y mecánicas, y logran impactar directamente en el punto de fusión, haciendo que baje conforme la pureza disminuye, homólogamente la resistividad eléctrica disminuye;
las partículas que endurecen la matriz de aluminio producen un efecto mayor a medida que el grado de pureza del material decrece y con ello la resistencia a la fatiga por flexión y el alargamiento, pero contrario a este efecto la resistencia mecánica y el límite elástico aumentan; cuando hay un incremento en el porcentaje de impurezas la resistencia mecánica a elevadas temperaturas es menor y su ductilidad aumenta, la resistencia a la corrosión aumenta al disminuir las impurezas, algunos de estos efectos se representan en las gráficas de la Figura 2.3.a, donde se muestra como las propiedades físicas se encuentran condicionadas por la pureza del aluminio.
Fig. 2.3. Efecto de la pureza del aluminio. a) Propiedades mecánicas del aluminio en función de su grado de pureza.[12] b) Influencia del contenido de Si sobre las propiedades mecánicas de la aleación L-214.[13].
El hierro y el silicio son las principales impurezas, la cantidad y morfología de cada uno de los precipitados formados por estos elementos afecta reduciendo o aumentado ciertas propiedades mecánicas como se mencionó anteriormente, ciertas impurezas tienden a formar precipitados termodinámicamente estables, algunas de estas poseen una morfología tal, que reducen significativamente la resistencia a la tensión; por la forma de estas fases o precipitados son iniciadoras de grietas y por ende fragilizan el material, la importancia de los estudios sobre estos temas han logrado alcanzar mayor entendimiento del efecto que causan los precipitados en las aleaciones, de forma representativa (ver Fig. 2.3b) se muestra la influencia del contenido de silicio en las propiedades mecánicas de una aleación Al-Si; observándose que a mayor cantidad de silicio la aleación va perdiendo su resistencia a la tracción, así como su límite elástico decrece, esto debido a que la estructura metalográfica consta mayormente de silicio primario, el cual a medida que se enfría va creciendo y endureciendo el material. “Una cantidad de estudios han reportado que las propiedades mecánicas de
(a) (b)
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Al-Si son afectadas fuertemente por las fases de Hierro, morfología del silicio, tamaño de grano y porosidad, las cuales están asociadas con la composición, modificación, desgasificación y rangos de solidificación de las aleaciones”.[14]
El control de los procesos de fundición y colada puede lograr adecuadas condiciones para que estos precipitados o intermetálicos que refuerzan la matriz de aluminio no sean prejudiciales y al contrario sean benéficos para el material. “Entendiendo en conjunto la nucleación, los mecanismos de crecimiento y algún conocimiento de la cinética de las fases durante la solidificación, siendo éstos los parámetros para optimizar la microestructura de las aleaciones ingenieriles para asegurar propiedades superiores de los productos de fundición en moldes”. [15] Esto es particularmente durante la reacción eutéctica en las aleaciones de fundición Al-Si, donde la morfología del Si eutéctico pueda fácilmente ser alterada si la nucleación y los mecanismos de crecimiento son manipulados a través de los cambios en la concentración y cinética de las impurezas de la reacción eutéctica. Es un hecho probado que la morfología del Si eutéctico juega un papel importante en las propiedades mecánicas.
Estos conceptos son esenciales para el entendimiento de los fenómenos que ocurren en las microestructuras de las aleaciones aluminio-silicio ya que determinan finalmente su comportamiento mecánico. El diagrama de equilibrio Al-Si, la velocidad de enfriamiento, tratamiento térmico, resistencia a la tensión, entre otros, son términos que deben comprenderse y que se describirán brevemente en esta sección.
2.2. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO AL-SI
El diagrama binario Al-Si es un simple sistema que consta de un eutéctico donde las fases predominantes son el Al y Si, la solubilidad del silicio en la matriz de aluminio desciende como lo describe el diagrama de la figura 2.4a desde 1.3% a 550 °C, 0.8% a 500 °C, 0.29% a 400 °C, y 0.05 a 250
°C. El silicio posee una baja solubilidad en el aluminio (1.59%), descrita en la figura 2.4.b siendo la mayor parte silicio puro en una matriz de aluminio endureciendo la aleación, la forma de estas partículas en estudios previos son definidas como el factor más importante, limitando las propiedades finales de una aleación Al-Si. Aunque el hierro se mantenga en un contenido bajo, forma intermetálicos, los cuales actúan muchas veces como sitios de nucleación, dada la importancia del hierro se piensa en estas aleaciones como un sistema ternario Al-Si-Fe.
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Fig. 2.4. Sistema Al-Si. a) Diagrama de Equilibrio Al-Si [16]. b) Curva solvus del diagrama Al-Si [17]. El eutéctico del sistema se sitúa a una composición y temperatura que ha sido reportada en el rango de 11.7 – 12.5% (L = Al eu + Si eu) de silicio, sin embargo “la adición de ciertos elementos entre ellos el Na y Sr desplaza el eutéctico, así mismo el temple cambia el punto eutéctico a 17% de Si” [18]y solidifica a una temperatura generalmente aceptada de 577 °C. Son dos las formas en las que el silicio puede predominar en la matriz del aluminio: 1. Resultado de la precipitación por solución sólida, 2. Producida por la solidificación directa de la fusión eutéctica. “La mayoría de los métodos para refinar las partículas de silicio primario incluyen modificando con fósforo y un proceso de rápida solidificación, el anterior es bastante usado, pero sólo es efectivo cuando el silicio que contiene es menor al 30%. El segundo es menos utilizado debido al alto costo del proceso de solidificación rápida.” [19]
La estructura morfológica de las partículas de silicio, es una variable que se debe controlar ya que impacta directamente en las propiedades del material. Taylor (2007) propone otra forma para modificar la morfología del silicio precipitado “La morfología de los compuestos intermetalicos y del silicio eutéctico cambia cuando la aleación se trata a altas temperaturas y durante largos periodos de tiempo, por una serie de mecanismos, siendo el más aceptado la fragmentación y redondeo de las agujas de silicio”. Aunque el silicio puede ser visto como una impureza que proviene de las menas de bauxita, en este caso tiene un papel importante como un elemento aleante, así como el Fe, que contribuye a la fragilidad otorgada por la forma acicular de alargadas agujas. Este compuesto intermetálico formado es llamado regularmente fase β que actúa como concentrador de esfuerzos y generador de grietas, disminuyendo así la ductilidad de la aleación; pero su capacidad como agente de nucleación heterogénea de fases proveniente de la reacción eutéctica convierte de su adición una acción deliberada (en algunos casos), sin embargo, éste se mantiene en un límite de 0.6-0.7% de Fe de piezas coladas en moldes de arena o permanentes. Estas aleaciones varían comercialmente en su composición hipoeutéctica, eutéctica y no tan frecuente hipereutéctica de acuerdo al diagrama binario Al-Si.
(a) (b)
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Aunque el hierro es altamente soluble en el aluminio líquido y en sus aleaciones, tiene muy poca solubilidad en el sólido, tiende a combinarse con otros elementos para formar fases de intermetálicos de varios tipos. En ausencia de silicio, las fases dominantes que se forman son Al3Fe y Al6Fe, pero cuando el silicio está presente, las fases dominantes son Al8Fe2Si (conocida como fase α) y Al5FeSi (conocida como fase β). Otra fase común que se forma cuando el Mn está presente con silicio es Al15(Fe, Mn)3Si2, confusamente conocida como fase α. Esta fase tiende a formar en preferencia a la otra fase α cuando el Mn está presente.
Las fases de intermetálicos que contienen hierro son bastante evidentes entre las microestructuras de las aleaciones Al-Si, y pueden usualmente ser distinguidas bajo un microscopio por su forma dominante (morfología) y color. Las fases Al8Fe2Si y Al15(Fe, Mn)3Si2 llamadas fase α tienen una morfología de escritura cursiva pero la fase Al15(Fe, Mn)3Si2 también puede encontrarse más compacta en forma de bloque y a veces también como cristales poliédricos. Aunque la fase β tenga forma de placas en tres dimensiones, cuando se observa una imagen en dos dimensiones, las placas parecen agujas. La figura 2.5 muestra gráficamente la disminución de las propiedades mecánicas de la aleación L-214 conforme el aumento de la cantidad de hierro, ejerciéndose un efecto acentuado microestructuralmente como una fase perjudicial.
Fig. 2.5 Influencia del contenido de Fe sobre las Propiedades mecánicas de la aleación L-214. [20]
“El hierro es la principal impureza y en la mayoría de la aleaciones se trata de mantener en los niveles más bajos posibles económicamente. El límite usualmente está dentro de 0.6-0.7% Fe en moldes de arena y moldes permanentes. Dado su perjudicial efecto sobre la ductilidad y la resistencia a la corrosión, varios elementos son agregados para disminuir y corregir los efectos del Fe algunos de estos elementos son: Co, Cr, Mn, Mo, Ni. El hierro se encuentra usualmente en el Si eutéctico en forma de laminillas delgadas dispersas con las agujas de silicio, si hay más de 0.8% de Fe, aparecen cristales primarios de FeSiAl5, ocasionalmente cuando hay un contenido bajo de Si la fase Fe2SiAl5 posee una forma parecida a la “escritura china” esta misma forma puede aparecer cuando el contenido de magnesio es considerable. Cuando el manganeso es usado para corregir la fragilidad que la fase FeSiAl5
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otorga al material; se forma el precipitado (FeMn)3Si2Al15 el cual posee una morfología que la literatura ha referido como “escritura china” si la cantidad de éste más el hierro sobrepasa el 0.8%, los cristales de (FeMn)3Si2Al15 son primarios y aparecen como glóbulos hexagonales, estos no fragilizan la aleación pero si reducen la maquinabilidad por lo que la cantidad de manganeso debe ser controlada”. [21]
2.2.1. ALEACIONES HIPOEUTÉCTICAS
En una aleación de composición hipoeutéctica, no es esencialmente necesario una “modificación” para alcanzar niveles aceptables de ductilidad, dada la gran cantidad de aluminio primario que surge de la solidificación de la curva solvus, la “modificación” se lleva a cabo cuando es agregado sodio, el cual elimina la cristalización del silicio y desplaza el eutéctico hasta el 14% de Si, baja su temperatura y logra una mayor dispersión del silicio en forma fibrosa, mejorando su resistencia. Su solidificación se basa en tres teorías: 1) la nucleación en la pared y el crecimiento al frente opuesto al gradiente de temperatura, 2) la nucleación del eutéctico sobre las dendritas del aluminio primario 3) por último la nucleación del eutéctico sobre los precipitados en el líquido dendrítico. Sin embargo, es aceptado en estudios recientes que la primera etapa de la solidificación de las aleaciones hipoeutécticas comienza con la formación de del aluminio primario; mientras la temperatura se acerca a la reacción eutéctica; el eutéctico rico en aluminio nuclea sobre las dendritas de aluminio primario, resultando en el enriquecimiento de Si en el líquido interdendrítico, lo cual resulta en la segregación de partículas pequeñas de Si, éstas son usadas así como las partículas de la fase β, como sitios de nucleación del silicio eutéctico.
La Fig. 2.6 muestra la imagen de la microestructura de una aleación de composición hipoeutéctica con 0.3% de hierro, pueden observarse las agujas de fase β dispersa en sus límites de grano y grandes cristales de silicio.
Fig. 2.6 Aleación con 5% Si, 0.2% Fe (250X). [22]
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2.2.2. ALEACIONES EUTÉCTICAS
La composición eutéctica es formada en solución sólida, conteniendo un poco más de1% de silicio y visiblemente partículas duras de silicio puro como segunda fase, actuando como refuerzo de la microestructura; dicha evolución microestructural varía dependiendo de la velocidad de enfriamiento.
Una lenta solidificación de la aleación sin modificar de Al – Si produce una microestructura gruesa y grandes agujas de eutéctico en una matriz de aluminio, donde el mismo eutéctico está compuesto de celdas individuales entre de las cuales las partículas de silicio parecen estar interconectadas; un rápido enfriamiento que proporciona un molde permanente de metal, refina la microestructura evidentemente y la fase de silicio presume una estructura fibrosa. Esta composición posee un alto grado de colabilidad por lo que tiene una gran aplicación para piezas de fundición de paredes delgadas.
“La aleación eutéctica es la que mejores características ofrece desde el punto de vista de la técnica de moldeo”. [23]
La micrografía de la fig. 2.7 muestra una microestructura común de una aleación con 12% de Si correspondiente, según el diagrama binario Al-Si como eutéctica, se notan los glóbulos de silicio eutéctico modificado con sodio o fósforo ya sea el caso.
Fig. 2.7 Aleación con 12% Si, 0.3% Fe (250X).[24
2.2.3. ALEACIONES HIPEREUTÉCTICAS
Con respecto a la solidificación de una aleación con mayor porcentaje de silicio (>13 %Si) también conocidas como hipereutécticas, son aleaciones con partículas grandes de silicio primario (proeutéctico) que afectan directamente la tenacidad reduciéndola. La solidificación inicia con la nucleación de silicio primario, la precipitación de los intermetálicos estables o inestables, como es el caso de la fase δ y finalmente el silicio eutéctico heterogéneamente sobre los precipitados.
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“La microestructura de la aleación hipereutéctica de Al – Si está compuesta de partículas primarias de silicio y una estructura eutéctica de α-Al y Si. La alta resistencia al desgaste de estas aleaciones es atribuida a la presencia de partículas duras de silicio (Si primario y eutéctico). Sin embargo, dada la formación de silicio primario en forma de bloques durante un proceso convencional, este grupo de aleaciones experimenta baja ductilidad y pobre maquinabilidad; el refinamiento del silicio primario es una forma efectiva forma de superar estas desventajas.” [25]
La figura 2.8 representa una aleación hipereutéctica con un porcentaje de 20% de silicio. Se pueden notar claramente los glóbulos de silicio eutéctico y gruesas partículas de proeutéctico.
Fig. 2.8 Aleación con 20% Si, (500X).
2.3. VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO Y SOLIDIFICACIÓN
2.3.1. VELOCIDADES DE ENFRIAMIENTO
Otro factor importante dentro la fundición de las aleaciones de aluminio vaciadas en moldes de arena o permanente, y que debe estudiarse con cuidado para tener un mejor entendimiento de la solidificación de estas aleaciones, es la velocidad de enfriamiento; la cual es controlada con diferentes tipos de moldes: arena (0.95-1.41°C/s), hierro (2.9-4°C/s), cobre(10.8-190°C/s) y la cual repercutirá en la calidad del lingote; velocidades rápidas de solidificación conlleva a un mayor refinamiento del espacio de los brazos interdendríticos lo que evita la microsegregación en dichos espacios, el tamaño de los compuestos intermetálicos se reduce (con mayor importancia la fase β), así como el tamaño de grano es más fino y más homogéneo; las velocidades de enfriamiento tienen un impacto directo en la formación de la fase β, “una baja velocidad de enfriamiento favorece la precipitación de la fase β sólo en algunos planos cristalográficos. Por otro lado la fase α (FeMn)3Si2Al15 con su morfología de escritura china ocurre cuando la velocidad de enfriamiento es suficientemente alta” [26]. Mondolfo (1990) establece que una velocidad aproximada de 0.8°C/s contribuye a la formación de la fase detrimental.
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2.3.2. SOLIDIFICACIÓN
“Durante la solidificación debe controlarse la rapidez de enfriamiento. Una velocidad de enfriamiento lenta producirá un espaciamiento dendrítico secundario (EDS) muy grande, mientras que una velocidad rápida producirá una microestructura extremadamente fina, es decir, un EDS pequeño y contribuirá en la disminución de la concentración de la fase eutéctica. Entre más fino sea el EDS las propiedades mecánicas de la pieza serán mejores. También mejor respuesta a los tratamientos térmicos y tienen coeficientes de expansión térmica más uniformes, lo cual incrementa la homogeneidad del material. La reducción del EDS depende también de tiempos de solidificación cortos y altos gradientes de temperatura.” [27]
Aún cuando la pureza del aluminio sea alta, y teniendo un estricto control en la manufactura de las aleaciones Al-Si el hierro sigue siendo una impureza común y de gran impacto, es por ello que el sistema debe pensarse como un sistema ternario con una reacción eutéctica cuyos producto son: L= αAl
+ β + Sieut la solidificación de las fases serían de acuerdo a la teoría propuesta por Shankar (2004) donde la nucleación de las fases eutécticas en las aleaciones de aluminio es la siguiente: durante la solidificación, las fases de aluminio primario se forma como dendritas a la temperatura Liquidus de la aleación, esto es seguido por la evolución de una fase secundaria (fase β) a una temperatura por debajo de la Liquidus dependiendo de la concentración hierro. A la temperatura del eutéctico, y bajo una velocidad de enfriamiento de 0.4 – 0.8°C/s, el silicio eutéctico nuclea sobre la fase secundaria β en el campo de soluto de las dendritas de aluminio en crecimiento, una vez nucleadas, el silicio eutéctico crece como hojuelas dentro del líquido eutéctico. El líquido alrededor de las hojuelas de silicio eutéctico se enriquecen con aluminio a la vez que se empobrecen de silicio; consecuentemente, el aluminio eutéctico nuclea y crece en las orillas y en las puntas de las hojuelas de silicio eutéctico. Finalmente, las dendritas de aluminio dejan de crecer por el choque del crecimiento de los granos de aluminio eutéctico.
2.4. TRATAMIENTO TÉRMICO
Un tratamiento térmico refiere al conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados de metales en estado sólido los cuales tienen consecuencias en su microestructura modificando la morfología y distribución de sus fases y por ende las propiedades mecánicas también cambian. Un tratamiento térmico en las aleaciones de aluminio no posee el mismo fin que en un acero (transformación cristalina) en éstas el tratamiento está principalmente dirigido y se basa en la precipitación de fases que endurezcan o que otorguen resistencia a la matriz de aluminio, la subdivisión de las agujas de la fase β así como las fases de Si. Un tratamiento puede elevar las características mecánicas aumentando su plasticidad y el alargamiento sin pérdida de la resistencia mecánica.
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“El tratamiento térmico en las aleaciones de aluminio generalmente consiste en un tratamiento de solubilización, temple y envejecimiento artificial, aunque algunas veces el temple y el tratamiento de solubilización pueden eliminarse, el enfriamiento rápido en un molde permanente puede asegurar endurecimiento”[28]. Sin embargo, un subsecuente tratamiento térmico a los perfiles vaciados prefabricados se ha vuelto necesario, para poder homogeneizar a una alta temperatura y reducir la segregación, remover el estado en desequilibrio de las preformas y así aumentar su resistencia pero más importante lograr la precipitación de intermetálicos que refuercen la matriz; esta respuesta al tratamiento de solubilización fue gracias a la sobresaturación de su red por el tratamiento de temple.
El control de la temperatura es importante para proporcionar una homogeneización correcta aún a lentos rangos de calentamiento, promoviendo así la precipitación de compuestos uniformes y una adecuada dispersión; necesaria para el subsecuente tratamiento de solubilización. La precipitación de intermetálicos es un factor que condiciona el desempeño de la piezas, sin embargo, se ha establecido que el propósito del tratamiento térmico no sólo está dirigido a la precipitación de fases, sino que estos calentamientos también afectan de forma directa la estructura de las partículas de silicio provenientes de la reacción eutéctica que durante el tratamiento térmico, su morfología es modificada:
fragmentándolas y esferoidizandolas. Lo cual como se ha dicho anteriormente es de mayor impacto en las propiedades mecánicas que el refinamiento del tamaño de grano. Este fenómeno es explicado brevemente por Taylor (2007) la morfología de los compuestos intermetálicos y del silicio eutéctico cambia cuando la aleación se trata a altas temperaturas y durante largos periodos de tiempo, por una serie de mecanismos, siendo el más aceptado la fragmentación y redondeo de las agujas de silicio.
Baile (2005) realizó un estudio sobre el comportamiento de las partículas de silicio cuando éstos son expuestos a una serie de calentamientos y enfriamientos controlados, estableciendo una serie de etapas en donde el silicio sufre un cambio en su estructura, efectuándose en las tres etapas del tratamiento térmico: disolución, temple y envejecimiento. La modificación de su estructura consiste en tres etapas donde en particular el silicio eutéctico sufre una división y una posterior esferoidización, estas etapas se describen a continuación:
“La primera etapa actúa en los puntos con mayor energía libre. Los contornos o aristas vivas de los cristales aparecen redondeados después de la subdivisión, debido a la redisolución parcial del silicio eutéctico” los poliedros de silicio primario suelen cambiar de morfología para tiempos de tratamiento prolongados cuando la temperatura es baja, pero cuando son temperaturas cercanas a la eutéctica, 550
°C, la evolución es más rápida. Los cristales de silicio primario tienden a disolverse. Parece tratarse siempre de un proceso de disolución por zonas activas.
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La segunda etapa consiste en el crecimiento de las partículas de silicio; en esta etapa se logra una distribución homogénea de las partículas debido a que unas partículas crecen a expensas de otras;
como etapa final las partículas tienden a una forma más estable “. . .que es la esférica; la etapa de esferoidización se superpone a la de crecimiento, sin una separación clara”, ya que estas aleaciones no son tan susceptibles a la precipitación de elementos, el aumento de las propiedades mecánicas se basan claramente en el fenómeno de esferoidización de las partículas de silicio, en la figura 2.9 se ejemplifica el proceso de división y esferoidización del silicio eutéctico.
Fig. 2.9 Evolución de las partículas de Si eutéctico a) Estructura sin modificar. b) Subdivisión de las partículas. c) Esferoidización y Engrosamiento de las partículas. d) Estructura final.[29]
2.4.1. TRATAMIENTO DE SOLUBILIZACIÓN
“En condición de colada los elementos formadores de precipitados se encuentran normalmente en la solución sólida α rica en aluminio, formando fases eutécticas, precipitados o compuestos intermetálicos generados durante la solidificación. Por lo que el propósito principal del tratamiento de solubilizado, es el de disolver las fases constituyentes y enriquecer a la solución sólida α en estos elementos de aleación.” [30]
El propósito de este tratamiento, es de manera precisa obtener una disolución de los elementos de aleación, es necesario llevar la pieza a una temperatura donde una sola fase este presente. ”Una temperatura excesivamente baja no solubiliza adecuadamente el elemento endurecedor y, por lo tanto, conduce a valores bajos también de las propiedades mecánicas del material, en estado bonificado. Por el contrario, una temperatura elevada, aunque sea de sólo unos pocos grados por encima del intervalo prescrito, pueden dar lugar a la fusión parcial del material por rebasarse la temperatura de los posibles eutécticos”[31]
En resumen el tratamiento de solubilización tiene por objetivo: la homogenización de la microestructura, la esferoidización de las fases (silicio eutéctico) y como propósito principal el disolver las fases.
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2.4.2. TRATAMIENTO DE TEMPLE
Como parte final del tratamiento de solublización es necesaria la aplicación de un tratamiento de temple; dado que a media que se enfría una pieza, la solubilidad de los componentes disminuye y el temple ayuda a retener grandes concentraciones de soluto obteniendo una matriz saturada.
La sensibilidad al temple no es muy acentuada, el mayor impacto lo tiene en las aleaciones con mayor contenido de silicio, el temple en agua caliente o aceite reduce los esfuerzos residuales. También deben tenerse consideraciones al tiempo de extracción de la aleación al baño, ya que debe ser muy corto, para evitar precipitaciones prematuras.
“Un rápido enfriamiento desde el líquido, aumenta la solubilidad hasta el 16% Si” [32] el cualse lleva a cabo después del tratamiento de solubilización a temperatura ambiente, los lingotes se enfrían bruscamente, con el propósito de sobresaturar la solución sólida, y prepararla para el subsecuente tratamiento.
“Si la aleación se templa después de la puesta en solución, se obtiene una solución metaestable, sobresaturada de soluto, con los átomos de soluto colocados de manera aleatoria en nudos de la red cúbica centrada en las caras del aluminio, formando una solución solida substitucional después de la puesta en solución (generalmente entre 300 y 550°C dependiendo de la aleación)” [33]
2.4.3. ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL
Una vez templada la pieza, es expuesta a un subsecuente tratamiento de endurecimiento por precipitación llamado envejecimiento artificial; dado que el material se encuentra en un estado inestable eventualmente los constituyentes precipitarán por precipitación natural, sin embargo este procedimiento es demasiado lento, el envejecimiento artificial consiste en someter la pieza a una temperatura constante por debajo de la curva solvus causando la fina dispersión de los intermetálicos.
La descomposición controlada de la solución sólida sobresaturada de los elementos de aleación en el aluminio durante el tratamiento, ocurre a través de tres etapas principales de precipitación al incrementar la temperatura y el tiempo de calentamiento [34].
“La primera inicia con la formación de la zonas Guinier-Preston (GP), las cuales pueden transformarse en una fase de precipitados de transición precipitados intermetálicos, (segunda etapa) y después de una o más transformaciones estos pueden formar una fase terminal estable, es decir precipitados de equilibrio, en una tercera etapa.” [35]
“Cuando ciertas aleaciones de aluminio se mantienen a temperaturas inferiores a 250°C, después de ser templadas desde altas temperaturas (350°C o más), aumenta su resistencia mecánica” [36]
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Por lo general, “los valores más elevados del límite elástico y de la resistencia a la tracción corresponden en una determinada aleación, al envejecimiento artificial; por el contrario, el envejecimiento natural conduce a un valor mayor del alargamiento y por tanto ductilidad.”[37]. Por fines prácticos y cuyo producto son intermetálicos metaestables que dan resistencia mecánica a altas temperaturas, el envejecimiento artificial es el tratamiento más usado en la industria.
El aluminio es una material muy suave y la razón por la cual, la aleación con otros elementos produzca materiales bastante resistentes, consiste en que estos responden al endurecimiento por precipitación.
La principal característica que una aleación debe tener para ser candidatos a esta forma de endurecimiento es que contengan una curva de solubilidad que decrezca conforme a la temperatura;
éste último tratamiento básicamente consiste en descomponer la solución sobresaturada proveniente de temple, y lograr precipitados estables y finamente dispersos, en este caso la temperatura debe ser intermedia y no tan controlada como en el primer tratamiento.
“El endurecimiento por envejecimiento se debe a la formación de los precipitados coherentes con la matriz, a partir de esta solución sobresaturada.El endurecimiento de las aleaciones de aluminio a temperatura ambiente o por envejecimiento artificial, resulta de una descomposición secuencial de la solución sólida α y de un progresivo en soluto de esta última.”[38]
“En general el envejecimiento en varias etapas permite el control de los precipitados causantes del envejecimiento, incrementando su número, reduciendo el tamaño de los mismos y provocando una distribución más homogénea.” [39]
2.5. CARACTERIZACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO
2.5.1. MICROSCOPIA ÓPTICA (MO)
La microscopia óptica es un método muy útil cuando se trata de examinar la microestructura de un metal de forma cualitativa. Un microscopio óptico es usado para revelar las propiedades microestructurales, como límites de grano, donde se requiere de un aumento aproximado menor que 2000X. En este método de identificación de fases es necesario pulir y atacar con ácido (Nital) la superficie de la probeta para poder observar las estructuras con el microscopio, con el cual se pueden identificar la forma de las fases así como otros elementos que son muy útiles para conocer la integridad de un material, “La microestructura de la aleación se describe identificando los tipos de fases presentes y describiendo sus distribuciones de forma y tamaño. La herramienta más útil en la caracterización de microestructuras es el microscopio óptico”. [40]
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2.5.2. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB)
Debido a los límites que la microscopia óptica implica, se han desarrollado más técnicas de caracterización que han servido para complementar la investigación de la microestructura de los materiales “Estos microscopios dan al metalurgista un medio de caracterizar microestructuras en detalles mucho más finos que lo que es posible con el microscopio óptico” [41]. Su funcionamiento se basa en la captación de electrones que inciden la superficie de la muestra, “al mismo tiempo, se traza un patrón de rastreo en sincronía sobre un tubo de rayos catódicos (TRC). Los electrones de baja energía son expelidos desde la superficie de la muestra por el haz de electrones, siendo la intensidad una función entre el haz y la superficie local de la muestra.” [42], debido a los rayos X producidos por el haz de electrones, es posible identificar la composición química de los elementos en las fases
“Comparando la intensidad de la radiación característica de un elemento en una partícula con modelos, se puede determinar cuantitativamente la cantidad de elemento presente en dicha partícula. Con esta técnica es posible determinar la composición de regiones tan pequeñas como son unas pocas micras (µm). Esta técnica es particularmente útil para determinar las variaciones de la composición química en una microestructura dada e identificar las diferentes fases en una microestructura.” [43]
2.6. COMPORTAMIENTO MECÁNICO
Las propiedades mecánicas, son un resultado de la concentración de silicio, la figura 2.10 muestra gráficamente el incremento de la resistencia a la tensión y su dureza, así mismo se observa la disminución de su elongación, cuando la concentración de silicio aumenta.
Fig. 2.10 Propiedades mecánicas de las aleaciones Al-Si, en función del contenido de silicio.[44]
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Dado que el silicio sin disolver y el magnesio disminuye la densidad, la expansión térmica es disminuida substancialmente así como la contracción en la solidificación, una conductividad térmica de orden de 1.2-1.6x10-2 W/m/K. La conductividad eléctrica depende de la cantidad de silicio en solución, otros elementos que también afectan esta propiedad son: el cobre, magnesio, manganeso, cromo, titanio, zirconio.
La susceptibilidad magnética es ligeramente reducida por el silicio, cobre, magnesio, pero depende generalmente de la cantidad de manganeso. El incremento del silicio aumenta la resistencia a expensas de la ductilidad, pero si esta aleación es modificada con sodio produce un incremento de la resistencia, siendo el aumento de la ductilidad considerable. El hierro puede aumentar la resistencia, pero disminuye dramáticamente la ductilidad, especialmente en altos contenidos y si no es corregido por el manganeso o cobalto (siendo este último el mejor corrector del hierro ya que este no se combina con el silicio).
La resistencia a la fatiga es bajo sobre todo si el silicio se encuentra sin modificar o si esta esferoidizado aunque el cobalto y el manganeso pueden incrementarla. La fluidez de estas aleaciones es excelente, encontrando su máximo en la composición eutéctica, aunque la mayoría de los demás aleantes la disminuyen. Así como su colabilidad demuestra ser buena, esta no corresponde a la mayor cantidad de silicio presente en la aleación, sino de la cantidad de silicio eutéctico que corresponde a aleaciones donde más del 20% y menos del 90% de silicio eutéctico. Aunque no es fácil deformar las aleaciones Al- Si pueden ser laminadas, roladas, forjadas y extruidas. En la tabla 2 se resumen algunas propiedades físicas de dos aleaciones de diferente concentración de silicio: hipoeutéctica (Si5) e hipereutéctica (Si13), pudiendo observar la variación con respecto al silicio en su matriz.
Tabla 2 Principales propiedades físicas de las aleaciones Al-Si [45]
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3. D
ESARROLLOE
XPERIMENTAL 3.1.DESCRIPCIÓN GENERAL.La secuencia experimental seguida se muestra esquemáticamente en la Fig. 3.1. El desarrollo de este trabajo se inició con la fusión en un horno de gas de diferentes aleaciones aluminio-silicio. Se utilizó aluminio comercial 99.6% de pureza, para lograr las composiciones de las siguientes aleaciones Al- 12.6Si, Al-20Si y Al-20Si-1.5Fe-1.5Mn (en %peso) y se nombraron A1, A2 y A3 respectivamente, la aleación A1 corresponde a la composición eutéctica y la aleación A2 a la hipereutéctica con 20% de silicio de acuerdo al diagrama binario Al-Si; la aleación A3 trata de una composición hipereutéctica con un contenido de hierro mayor a los estándares.
Para obtener diferentes velocidades de enfriamiento las aleaciones de aluminio fundidas fueron coladas en diferentes moldes rectangulares, escalonados y de cuña, los cuales fueron construidos de arena, hierro y cobre; tomando en cuenta sus diferentes velocidades de extracción de calor. Una vez obtenidas las probetas fueron analizadas con el espectrómetro de emisión óptica (OES) para conocer la composición química alcanzada con el correcto proceso de fusión. Los lingotes fueron tratados térmicamente con un proceso llamado en la literatura como “Bonificado”, que consiste en un calentamiento en un horno seguido de un enfriamiento en aceite y posteriormente calentados a una temperatura debajo de la eutéctica. Las probetas fueron caracterizadas con el Microscopio Óptico (MO), consecutivamente fueron analizadas con el Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) usando la técnica de análisis puntual Espectroscopia de Energía Dispersiva (EDS) para la caracterización de las fases.
Fig. 3.1. Diagrama del Proceso de Experimentación
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Para alcanzar los objetivos de este trabajo y conocer las propiedades mecánicas, las aleaciones fabricadas y procesadas fueron sometidas a pruebas de tensión-deformación en una máquina universal de pruebas: para esta etapa las muestras fueron maquinadas de acuerdo con la norma ASTM E8 / E8M - 11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Material para probetas de tensión rectangulares.
3.2.MATERIAS PRIMAS
Con el propósito de conocer la composición química del aluminio usado para desarrollar esta experimentación, éste fue analizado con el Espectrómetro de Emisión Óptica. Los resultados se muestran en la tabla 3:
Tabla 3 Composición química (%peso) del lingote de aluminio.
Al Si Fe Cu Mn Mg Zn
99.6 0.0036 0.286 0.0095 0.0035 0.0040 0.0093
Cr Ni Ti Be Ca Li Pb
0.0010 0.0050 0.0071 0.0001 0.0133 0.0001 0.0025
Sn Sr V Na Bi Zr B
0.0135 0.0001 0.0036 0.0031 0.0050 0.0020 0.0005
Ga Cd Co Ag Hg In
0.0154 0.0010 0.0030 0.0010 0.0030 0.0100
El hierro y el silicio son las impurezas más significativas y los elementos que más impactan en las propiedades mecánicas; es por ello que tener el conocimiento y control de la composición química de la que se parte es muy importante.
Las tres aleaciones seleccionadas para este estudio se prepararon en una carga de 500 g; las materias primas se distribuyeron de acuerdo al tipo de aleación, como se representa en la tabla 4.
Tabla 4 Carga para la elaboración de las aleaciones maestras.
Muestra Al Si Fe Mn
A1 441.5 g 58.5 g – –
A2 400 g 100 g – –
A3 388.75 g 100 g 7.5 g 3.75 g
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