MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO

PROPIEDADES MECANICAS DE UNA ALEACION DE COLADA DE ALUMINIO 1

A.A. Canales, 2E. Carrera, 2J. Talamantes-Silva, 3S. Valtierra y 4,5R. Colás

1

Cuprum, S.A. de C.V., Diego Díaz de Berlanga 95-A, 66480 San Nicolás de los Garza, N.L. 2 Nemak, S.A. de C.V., Libramiento Arco Vial km 3.8, 66000 García, N.L. 3 Owens Corning, Privada La Puerta 1110-A, 66350 Santa Catarina, N.L. 4 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, 66450 San Nicolás de los Garza, N.L. 5 Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Nuevo León, 66630 Apodaca,, N.L. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMEN Se estudiaron las propiedades mecánicas en muestras de aluminio vaciadas en lingotes diseñados para obtener una amplia gama de estructuras. Las muestras se vaciaron con Si de 5 a 11% y Fe de 0.3 a 0.8%, dejándose fijas los otros elementos. Se maquinaron probetas de tensión con las diferentes microestructuras y se ensayaron en la condición de colada y de tratamiento de estabilidad. Se encuentra una fuerte dependencia de las propiedades con la refinación microestructural; se observa como el tratamiento térmico incrementa las resistencias al límite elástico y de tensión, pero reduce la ductilidad del material. ABSTRACT The mechanical properties in aluminum castings were studied in samples from ingots designed to obtain a wide range of microstructures. The material was cast with a content of Si that varied from 5 to 11% and Fe from 0.3 to 0.8%, keeping fixed the remaining elements. Samples with different microstructures were machined into tensile specimens that were tested in the as-cast and stabilization heat treatment conditions. A strong dependence between the properties and microstructural refining is found; it was observed that heat treating increases the strength, but reduces the ductility of the material.

NOMENCLATURA EDS: Espaciamiento dendrítico secundario. T7: Tratamiento térmico de estabilización. εu: Deformación homogénea o uniforme.

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εt: Deformación total. ∆σy: Incremento en el esfuerzo de fluencia por el tratamiento térmico. ∆σu: Incremento en la resistencia mecánica por el tratamiento térmico. σy: Esfuerzo de fluencia. σu: Resistencia mecánica o última. INTRODUCCION La búsqueda en la reducción en el consumo en automóviles ha resultado en el extensivo uso de aleaciones ligeras; ejemplo de esto se encuentra en las ruedas, múltiples de admisión y escape, cabezas de cilindros y bloques de motores, todos ellos fabricados a partir de aleaciones de Al-Si [1,2]. El uso de aleaciones de aluminio en componentes automotrices ofrece la ventaja adicional de una mayor conductividad térmica, en comparación con la de los hierros, lo que permite mayores temperaturas de operación en la cámara de combustión, el incremento en la potencia de la máquina y la reducción de los líquidos refrigerantes [3-5]. El cambio de hierro a aluminio no ha sido fácil para la industria, ya que se requiere que las partes resistan las condiciones más severas debidas a las mayores temperaturas de operación que promueven la reducción en resistencia al tiempo que incrementan la fatiga térmica [1,6]. Las propiedades mecánicas de las aleaciones de colada dependen del grado de refinación de la microestructura. Es práctica común referir el grado de refinación con el espaciamiento entre los brazos secundarios de las dendritas o EDS, que depende de la tasa de extracción de calor durante la solidificación [7-12].

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Tabla I. Composición química de las aleaciones experimentales. Aleación Si Fe Cu Mn 5Si0.3Fe 5.303 0.286 3.148 0.446 5Si0.6Fe 4.980 0.601 3.356 0.439 5Si0.8Fe 5.070 0.805 3.261 0.467 7Si0.3Fe 6.950 0.325 3.150 0.452 7Si0.6Fe 6.813 0.592 3.166 0.450 7Si0.8Fe 6.776 0.764 3.133 0.450 9Si0.3Fe 9.064 0.307 3.320 0.441 9Si0.6Fe 9.068 0.609 3.192 0.462 9Si0.8Fe 8.726 0.811 3.132 0.450 11Si0.3Fe 10.816 0.321 3.425 0.436 11Si0.6Fe 10.807 0.588 3.499 0.436 11Si0.8Fe 10.736 0.782 3.461 0.437 Valores en % en peso excepto para Sr que está en ppm.

Figura 1. Ejemplo de los lingotes usados en el presente trabajo.

Algunas de las aleaciones se producen a partir de chatarra para cumplir con las exigencias de reducción de costos de las armadoras de automóviles. La microestructura en aleaciones hipoeutécticas consiste en dendritas de aluminio rodeadas por el eutéctico Al-Si, sin embargo, la presencia de elementos residuales en la chatarra promueve la formación de diversas fases. El hierro es un elemento que contribuye a formar varias fases intermetálicas, las mas comunes son las Al5FeSi y Al15(Mn,Fe)3Si2, la primera es más dañina por la tendencia a formar partículas delgadas en forma de aguja. Se añaden Mg y Cu para endurecer al material durante su tratamiento térmico por la precipitación de partículas de Mg2Si o Al2Cu, pero ambos elementos tienden a formar un eutéctico (Al-Si-Al5Mg8Cu2Si6) que se forma a temperaturas por debajo de los 500°C. El Sr se añade para modificar el silicio del eutéctico Al-Si de partículas agudas a romas tipo coral, se añaden Ti y B para refinar el tamaño de grano al promover la nucleación de nuevos granos adelante del frente de solidificación [13-16]

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Mg 0.296 0.277 0.289 0.292 0.280 0.319 0.301 0.299 0.286 0.270 0.278 0.259

Ti 0.110 0.071 0.071 0.166 0.155 0.163 0.149 0.143 0.130 0.143 0.139 0.141

Sr 130.9 100.2 113.6 127.4 119.7 136.7 132.4 143.0 115.1 142.5 111.0 69.3

Figura 2. Curvas de enfriamiento registradas en una aleación con 7% Si y 0.3% Fe.

El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de ensayos mecánicos realizados en coladas diseñadas para estudiar las propiedades mecánicas en función del grado de refinación microestructural y el tratamiento térmico. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Las coladas experimentales se prepararon en un horno a gas con una composición nominal de 5, 7, 9 y 11 % Si y 0.3, 0.6 y 0.8 % Fe. Los contenidos de Cu, Mn y Mg se mantuvieron en los intervalos de 3.1 a 3.5%, 0.40 a 0.45% y 0.27 a 0.32%. El metal se mantuvo a 780°C por los 15 minutos en que se insufló nitrógeno para eliminar el hidrógeno disuelto en el baño (desgasificado); se adicionó Ti y Sr para refinar el grano y modificar el eutéctico Al-Si. Las composiciones se presentan en la Tabla I. El líquido se vertió en lingotes fabricados con arena sílica y una templadera de hierro gris en su base que tiene la función de promover la

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extracción de calor y un gradiente térmico unidireccional. Se colocaron filtros de alúmina en el alimentador para reducir la turbulencia durante el llenado del lingote y atrapar inclusiones exógenas. En la Figura 1 se muestra uno de los lingotes. Se recurrió a la instrumentación de un lingote con termopares tipo K (crómel-alúmel) a distintas alturas del fondo para capturar las curvas de solidificación con un equipo controlado por una computadora portátil.

medio de microscopía óptica. Se determinó el espaciado dendrítico secundario (EDS) por la técnica de intercepción promedio; la porosidad se determinó en 20 campos de observación a 100X de aumento. La porosidad se expresó en función del poro de mayor tamaño y de la fracción de área ocupada por los poros.

Figura 6. Micrografías tomadas a 5, 90, 130 y 170 mm del extremo inferior del lingote de 5% Si 0.3% Fe. Figura 3. EDS en función de la distancia al extremo inferior.

Figura 4. Porosidad en las muestras en función del EDS.

Figura 7. Micrografías tomadas a 5, 90, 130 y 170 mm del extremo inferior del lingote de 11% Si 0.8% Fe.

Varios lingotes se cortaron para maquinar probetas de tensión de 12.7 mm de diámetro y 63.7 mm de longitud calibrada. Este tipo de ensayo se llevó a cabo siguiendo las normas ASTM B557M-94 y E8M-99 [17,18] a una velocidad de cabezal de 5 mm/min en una máquina electromecánica. Las barras se trataron térmicamente antes de ser maquinadas. El material se mantuvo por seis horas a 495°C y se enfrió en agua a 90°C. El envejecimiento se llevó a cabo a 295°C por 4 horas para obtener la condición de estabilización (T7). Figura 5. Poro de mayor tamaño en las muestras en función del EDS.

Varios lingotes fueron seccionados para el análisis microestructural llevado a cabo por

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RESULTADOS Las curvas correspondientes a la solidificación de una aleación con 7% Si y 0.3% Fe se aprecian

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en la Fig. 2; en el diagrama inserto se indican las posiciones en las que se localizaron los termopares. Esta imagen permite confirmar la eficacia de la templadera localizada en la base del lingote, ver Fig. 1.

0.3% Fe y 11% Si y 0.8% de Fe en las que se observa como el incremento en la velocidad de solidificación contribuye a refinar los diversos componentes microestructurales.

Figura 8. Curvas esfuerzo-deformación en material tratado térmicamente de aleación con 5% Si 0.3% Fe.

Figura 11. Dependencia de la esfuerzo de fluencia en el material tratado térmicamente en función del EDS.

Figura 9. Curvas esfuerzo-deformación en material tratado térmicamente de aleación con 11% Si 0.3% Fe.

Figura 10. Dependencia del esfuerzo de fluencia en el material de vaciado en función del EDS.

En las Figs. 3 a 5 se muestran las mediciones de EDS, porosidad y del tamaño del poro mayor en las doce diferentes aleaciones en función de la distancia al extremo inferior, Fig. 3, y del EDS, Figs. 4 y 5. En estas figuras se aprecia el beneficio de la refinación microestructural. En las Figs. 6 y 7 se presentan micrografías tomadas a diversas alturas en las aleaciones con 5% Si y

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Figura 12. Dependencia de la resistencia mecánica en el material de vaciado en función del EDS.

Figura 13. Dependencia de la resistencia mecánica en el material tratado térmicamente en función del EDS.

Las curvas esfuerzo-deformación son afectadas por el grado de refinación microestructural, tal y como se puede observar en las Figs. 8 y 9, en las que se grafican las curvas correspondientes a los ensayos en aleaciones tratadas térmicamente con 5% Si y 0.3% Fe y 11% Si y 0.8% de Fe. Las propiedades mecánicas se determinaron a partir de curvas similares a las mostradas en las Figs. 8

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y 9. En este trabajo se analizarán el esfuerzo de fluencia (σy), la resistencia mecánica (σu) y las deformaciones homogénea o uniforme (εu) y total (εt); los subíndices Cd y T7 indican las condiciones de colada y de tratamiento térmico.

grafica la resistencia mecánica en función del EDS en ambas condiciones y se aprecia que σu depende del EDS en ambos casos. Los valores de la deformación homogénea y total en ambas condiciones se presentan en las Figs. 14 a 17, en las que se observa su disminución conforme se incrementa el EDS.

Figura 14. Dependencia de la deformación homogénea en el material de vaciado en función del EDS. Figura 17. Dependencia de la deformación total en el material tratado en función del EDS.

Figura 15. Dependencia de la deformación homogénea en el material tratado en función del EDS. Figura 18. Incremento en el esfuerzo de fluencia como resultado del tratamiento térmico.

Figura 16. Dependencia de la deformación total en el material de vaciado en función del EDS.

En las Figs. 10 y 11 se muestran los valores del esfuerzo de fluencia en función del EDS para el material en sus condiciones de colada y de tratamiento térmico. Se observa que el esfuerzo no cambia con el EDS en el material en su condición de vaciado. En las Figs. 12 y 13 se

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Figura 19. Incremento en la resistencia mecánica como resultado del tratamiento térmico.

DISCUSION En la Fig. 10 se observa como el esfuerzo de fluencia del material en su estado de vaciado no

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depende del espaciamiento dendrítico, pero si cuando el material es tratado térmicamente, Fig. 11. Por otro lado, la resistencia mecánica del material depende del EDS tanto cuando se encuentra en la condición de vaciado como cuando ha sido tratado el material térmicamente, Figs. 12 y 13.

prematura la probeta de tensión.

Figura 22. Esquina rica en Al del diagrama seudoternario Al-Si-Cu calculado con 0.4% Mn [20].

Figura 20. Dependencia entre tanto σu y et en el material en condición de colada; los valores más altos se encuentran cuando el EDS se reduce.

Figura 23. Valores de σu y et en el material de vaciado con el EDS más fino (A) y más grueso (B) y con el tratamiento térmico con el EDS más fino (B) y más grueso (D).

Figura 21. Dependencia entre tanto σu y et en el material tratado térmicamente; los valores más altos se encuentran cuando el EDS se reduce.

Las Figs. 18 y 19 muestran el aumento en el esfuerzo de fluencia y de resistencia mecánica en el material al ser sometido al tratamiento térmico. En ambos casos el incremento es mayor cuanto menor es el EDS. Lo que se puede atribuir al aumento en la eficiencia en la solución de las partículas ricas en cobre que, al ser más finas, se disuelven en menos tiempo [19]. En las Figs. 10 a 17 se muestran los valores obtenidos en todas las pruebas de tensión. Se decidió tomar en cuenta solamente los valores mayores en cada condición de prueba con la finalidad de facilitar el análisis de estos resultados, dado que la presencia de poros u otro tipo de defecto contribuyen a reducir la ductilidad del material y fracturar en forma

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En las Figs. 20 y 21 se grafican los valores de la resistencia mecánica en función del logaritmo de la deformación total para el material en su condición de vaciado y de tratamiento térmico. En ambas figuras se aprecia una fuerte mejora en las propiedades con la reducción en el espaciamiento dendrítico secundario, ya que tanto σu como εt se incrementa conforme este parámetro se reduce. No se aprecia en las Figs. 10 a 21 ningún efecto atribuible al contenido en hierro y esto puede ser debido al Mn en el material ensayado (entre 0.40 a 0.45% en peso, Tabla I), ya que con este nivel se propicia la formación de intermetálicos benignos del tipo Al15(Mn,Fe)3Si2, tal y como se muestra en la Fig. 22, en la que se presenta la esquina rica en aluminio de un diagrama seudoternario Al-Fe-Si con un 0.4% de Mn [20]. En la Fig. 23 se resumen los efectos de la refinación microestructural y del tratamiento térmico sobre el material ensayado; la reducción

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en EDS contribuye al aumento en σu y et tanto en la condición de colada como de tratamiento térmico, en tanto que este último contribuye a incrementar σu y a reducir et, ambos efectos son más marcados con el EDS más fino.

7.

CONCLUSIONES

9.

El diseño experimental permitió estudiar el efecto de la refinación microestructural y del tratamiento térmico en una serie de variantes de una aleación de colada usada en la industria automotriz.

10.

Se determinó que el parámetro más crítico es el EDS, ya que su reducción contribuye en forma positiva a la mejora en las propiedades mecánicas del material. El tratamiento térmico permite incrementar la resistencia mecánica y el esfuerzo de fluencia del material, pero a costa de la reducción en ductilidad.

12.

No se detectó ningún efecto negativo en el nivel de hierro adicionado a las aleaciones dada la cantidad de manganeso en el material que permite la formación de fases intermetálicas no dañinas.

15.

8.

11.

13. 14.

16.

AGRADECIMIENTOS 17. Los autores agradecen el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de Apoyo a la Ciencia y Tecnología de la UANL. 18. REFERENCIAS 1. 2.

3.

4. 5.

6.

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