Optimización de los Tratamientos Térmicos T5 y T6 para una Aleación A356 Conformada por SLC

PROJECTE FI DE CARRERA

TTOL: Optimizacin de los Tratamientos Trmicos T5 y T6 para una Aleacin

A356 Conformada por SLC

AUTOR: David Fresno Abad

TITULACI: Enginyeria Tcnica Industrial, especialitat mecnica

DIRECTOR: Enric Martn Fuentes

DEPARTAMENT: Cincia dels Materials i Enginyeria Metallrgica

DATA: Juliol 2007

TTOL: Optimizacin de los Tratamientos Trmicos T5 y T6 para una Aleacin A356 Conformada por SLC

COGNOMS: Fresno Abad NOM: David TITULACI: Enginyeria Tcnica Industrial ESPECIALITAT: Mecnica PLA: 95

DIRECTOR: Enric Martn DEPARTAMENT: Cincia dels Materials i Enginyeria Metallrgica

QUALIFICACI DEL PFC

TRIBUNAL

PRESIDENT SECRETARI VOCAL

DATA DE LECTURA:

Aquest Projecte t en compte aspectes mediambientals: S No

PROJECTE FI DE CARRERA RESUM (mxim 50 lnies)

La gran competencia que hay en el sector de la automocin y aeronutica obliga a las industrias

a producir nuevos componentes de aluminio con mejores propiedades mecnicas, menos

defectos y encontrar frmulas para reducir los costes de produccin, esto se ha conseguido con

las tcnicas de conformacin en semislido.

Los componentes conformados con estas tcnicas pueden ver mejoradas sus propiedades

mecnicas mediante tratamientos trmicos. Un tratamiento trmico es un proceso industrial de

mejora de propiedades mediante el control de las temperaturas, los tiempos de permanencia y

las velocidades de enfriamiento.

El presente proyecto trata de optimizar los tratamientos trmicos T6 y T5 para una aleacin de

aluminio A356 conformada por Sub Liquidus Casting. Consiste en encontrar las temperaturas y

tiempos mnimos necesarios para proporcionar a la aleacin las mayores propiedades

mecnicas.

Para el estudio se ha utilizado una aleacin de aluminio A356 conformada por la tcnica del Sub

Liquidus Casting. La optimizacin se ha basado en la obtencin de las curvas Dureza- Tiempo

en la etapa de envejecimiento.

Para la optimizacin del tratamiento trmico T6 se han estudiado 12 condiciones diferentes de

temperaturas y tiempos. Se han seleccionado dos temperaturas de puesta en solucin (540 C y

545 C), durante 4 y 5 horas, y tres temperaturas de envejecimiento (160 C, 170 C y 180 C),

con tiempos de envejecimiento de hasta 8 horas.

Para la optimizacin del tratamiento trmico T5 el estudio se ha realizado tratamientos a 160 C

y 170 C, hasta las 12 horas de envejecimiento.

Una vez encontradas las temperaturas y tiempos ptimos se realiza los ensayos de traccin sobre

probetas tratadas con los tratamientos trmicos ptimos para evaluar el efecto que tiene sobre

las propiedades mecnicas.

Paraules clau (mxim

Aleacin de aluminio Sub Liquidus Casting Tratamiento trmico Propiedades mecnicas

Endurecimiento por precipitacin

Optimizacin Dureza Brinell SSM

Sumario Pgina Resumen 3 Sumario

1. Aluminio y sus aleaciones . 9

1.1. Propiedades de las aleaciones de aluminio .. 9

1.1.1. Propiedades fsicas . 9

1.1.2. Propiedades mecnicas 9

1.1.3. Aptitudes para la conformacin 10

1.2. Aleaciones de aluminio 10

1.2.1. Aleaciones para forja 10

1.2.2. Aleaciones de moldeo 10

1.2.1.1. Grupo Al-Si-Mg 10

1.2.3. Efecto de los elementos aleantes 11

1.2.3.1. Magnesio 12

1.2.3.2. Cobre 12

1.2.3.3. Silicio 12

1.2.3.4. Manganeso 12

2. Conformacin en Estado Semislido 12

2.1. Introduccin 12

2.2. Antecedentes 13

2.3. Aspectos tericos 14

2.3.1. Propiedades tixotrpicas 14

2.3.2. Velocidad de agitacin aplicada 14

2.3.3. Obtencin de lingotes no dendrticos 15

2.4. Procesos SSM 16

2.4.1. Sub Liquidus Casting 16

2.4.1.1. Tamao de grano de la aleacin ........................ 17

2.4.1.2. Control de la temperatura de la aleacin . 18

2.4.1.3. Enfriamiento de la aleacin en el

conducto de inyeccin . 18

2.4.1.4. Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla . 19

2.4.1.5. Tiempo para desarrollar la mezcla . 19

2.4.1.6. Caractersticas y ventajas del proceso SLC . 19

3. Tratamientos trmicos 20

3.1. Designaciones de los tratamientos trmicos 21 3.2. Tratamiento trmico T6 22

3.2.1. Puesta en solucin 23

3.2.1.1. Temperatura de puesta en solucin 24

3.2.1.2. Tiempo de solubilizacin 24

3.2.2. Temple 24

3.2.3. Envejecimiento 24

3.1.3.1. Envejecimiento artificial 24

3.3. Tratamiento trmico T5 ... 25

4. Ensayos 26

4.1. Ensayo de dureza Brinell 26

4.2. Ensayo de traccin 26

5. Procedimiento Experimental 29

5.1. Introduccin 29

5.2. Material utilizado 30

5.2.1. Preparacin de las muestras de dureza . 30

5.2.2. Preparacin de las muestras de traccin ............. 32

5.3. Tratamientos Trmicos 34

5.4. Ensayos de dureza Brinell 34

5.5. Ensayos de traccin 35

6. Resultados 36

6.1. Optimizacin tratamientos trmicos 36

6.1.1. Optimizacin del tratamiento trmico T6 37

6.1.2. Optimizacin del tratamiento trmico T5 46

6.2. Ensayo de traccin 48

7. Conclusiones 50 8. Presupuesto 51 9. Estudio medioambiental 52 10. ndice de Tablas y Figuras 53 11. Bibliografa 56

11.1. Bibliografa complementaria . 58

9

1. Aluminio y sus aleaciones El aluminio es uno de los materiales ms abundantes de la tierra, constituye aproximadamente el 8% de

su corteza ocupando el tercer lugar en abundancia y slo el silicio y el oxgeno lo superan.

El aluminio y sus aleaciones son materiales que destacan por su ligereza y resistencia a la corrosin, as

como por su elevada conductividad trmica y elctrica. Las propiedades mecnicas del aluminio puro

son bastante moderadas, pero aleado con otros elementos las mejora notablemente. Si se comparan la

resistencia o la rigidez especfica (en relacin con la densidad) las aleaciones de aluminio son ms

ventajosos que los aceros en determinadas aplicaciones (aeronutica, vehculos, piezas a grandes

aceleraciones). Estas cualidades, junto con la gran aptitud para la conformacin (deformacin en fro,

forja, moldeo, extrusin, mecanizado), han convertido a las aleaciones de aluminio en el segundo grupo

de materiales metlicos ms empleados. [1]

1.1. Propiedades de las aleaciones de aluminio El aluminio tiene una estructura cbica centrada en las caras y es dctil incluso a temperatura ambiente.

La resistencia mecnica del aluminio se logra por acritud y por aleacin; sin embargo ambos procesos

disminuyen la resistencia a la corrosin. Los principales elementos de aleacin son cobre, magnesio,

silicio, manganeso y zinc. Algunas de las aplicaciones ms comunes de las aleaciones de aluminio son:

partes estructurales de los aviones, latas para bebidas refrescantes, partes de las carroceras de

autobuses y de los automviles (culatas, pistones y colectores de escape).

El aluminio genera de forma natural una capa de xido que lo hace muy resistente a la corrosin. Los

diferentes tipos de tratamiento de revestimiento pueden mejorar an ms esta resistencia. Resulta

especialmente til para aquellos productos que requieren de proteccin y conservacin.

1.1.1. Propiedades fsicas

El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2,7 Mgm

-3),

aproximadamente 1/3 de la de los aceros; conductividad trmica elevada (80 230 Wm-1

K-1

), cosa

beneficiosa en piezas que deben conducir o disipar calor; conductividad elctrica elevada (resistividad

28 60 nm); calor especfico elevado (865 905 Jkg-1K-1); dilatacin trmica elevada (20 25 mm-1K-1). El aluminio es un buen reflector tanto de la luz como del calor. [2]

1.1.2. Propiedades mecnicas

A temperatura ambiente, la resistencia a la traccin (150 450 MPa), el lmite elstico (100 300

MPa) y el mdulo de elasticidad (69 73 GPa) son moderados, y las durezas algo bajas, en general no

adecuadas para soportar grandes presiones superficiales; la resistencia a la fatiga es aceptable (sin un

lmite de fatiga definido) y la resiliencia es normalmente elevada excepto para las aleaciones de

aluminio ms resistentes (Al-Cu y Al-Zn). La resistencia mecnica decrece rpidamente con la

temperatura, a partir de 100 150 C segn las aleaciones, la fluencia comienza a manifestarse de

forma acusada y disminuyen considerablemente las propiedades mecnicas (resistencia a la traccin,

lmite elstico y dureza) y, a partir de 350 C la resistencia slo se mantiene en valores residuales; en el

intervalo 200 300 C, el mejor comportamiento mecnico se halla en los grupos Al-Cu y Al-Mg. En

cambio, a bajas temperaturas las propiedades son excelentes, la resistencia aumenta y la resiliencia, el

lmite elstico y el alargamiento se mantienen hasta temperaturas operativas de 195 C. [2]

10

1.1.3. Aptitudes para la conformacin

La baja temperatura de fusin (520 650 C) facilita el moldeo de piezas complicadas ya sea en molde

de arena, coquilla o por inyeccin obtenindose piezas de gran precisin dimensional). La elevada

ductilidad facilita la conformacin de productos o piezas por deformacin plstica, (en fro y en

caliente), a travs de la laminacin (chapas y barras), la forja o la extrusin (perfiles, eventualmente

vacos, de formas complejas difciles de obtener con otros materiales). La gran maquinabilidad a altas

velocidades de las aleaciones de aluminio proporciona una elevada productividad, un abaratamiento de

los costes y un ahorro de energa.

1.2. Aleaciones de aluminio Como con otros metales, se hace distincin entre las aleaciones de forja (incluyen los de extrusin y

laminacin), por un lado, y las de moldeo, por otro.

1.2.1. Aleaciones para forja

Las aleaciones para forja se conforman por deformacin plstica y tienen composiciones i

microestructuras significativamente diferentes a las utilizadas en molde. Estas diferencias en las

composiciones reflejan las diferentes necesidades de los dos procesos de fabricacin. Dentro de cada

grupo se pueden subdividir en tratables trmicamente y no tratables trmicamente.

1.2.2. Aleaciones de moldeo

Las cualidades que se esperan de los aluminios de moldeo son una buena colabilidad (aptitud para

llenar correctamente la cavidad de un molde), una contraccin relativamente pequea y la no formacin

de fisuras en la contraccin causa de la fragilidad. Las temperaturas de fusin relativamente bajas de las

aleaciones de aluminio permiten utilizar, adems de moldes de arena, moldes metlicos (coquillas),

donde el material se introduce o bien por gravedad o bien por presin (moldeo a baja presin y moldeo

por inyeccin). Este ltimo proceso, que exige un molde especfico para cada pieza y una mquina de

inyectar muy caros, permite obtener piezas de una elevada precisin dimensional y excelentes acabados

superficiales que requieren poca o nula mecanizacin posterior, por lo cual es muy utilizado en la

fabricacin de piezas complejas de grandes series (bombas de gasolina, carburadores, planchas

domsticas).

Las aleaciones de aluminio para moldeo ms importantes son las de la familia Al-Si.

1.2.2.1. Grupo Al-Si-Mg

Con la adicin de pequeos porcentajes de Mg, las aleaciones Al-Si se convierten en bonificables, y

consiguen valores de resistencia y dureza considerablemente mayores y mejoran la maquinabilidad. El

tratamiento trmico tiene lugar sobre la pieza moldeada antes de ser mecanizada. Una de las

representantes principales de esta familia es la EN AC-AlSi10Mg, utilizada en motores y mquinas. La

aleacin EN AC-AlSi7Mg es ms resistente y de mejor maquinabilidad a costa de una menor facilidad

de moldeo.

11

En la Figura 1.1 se observa el diagrama de equilibrio para una aleacin Al-MgSi.

Figura 1.1. Diagrama de equilibrio Al-MgSi.

Las aleaciones de aluminio A356 estn compuestas bsicamente por Si (6,5-7,5%) y Mg (0,2-0,6%) y

se corresponde con la EN AC-AlSi7Mg. Son aleaciones comunes de fundicin, con buenas

caractersticas de colada y buenas propiedades mecnicas, aceptable maquinabilidad y con

posibilidades de ser tratadas trmicamente.

El Si se adiciona a las aleaciones de fundicin para mejorar las condiciones de colada. El lmite elstico

y la resistencia a traccin se ven poco afectados con el incremento de silicio, pero la ductilidad del

material decrece al aumentar el porcentaje de fase eutctica. [2]

El Mg se adiciona para producir la formacin de precipitados coherentes precursor del componente

nter metlico Mg2Si. El grado de endurecimiento depende de la cantidad de elementos endurecedores

en solucin slida y de su forma de precipitacin.

El Fe reacciona con el Al, Si y Mg para formar intermetlicos insolubles que actan en detrimento de la

resistencia y la ductilidad del material. La cantidad de Mg disponible para el endurecimiento por

envejecimiento decrece con la precipitacin de intermetlicos de Fe.

La composicin qumica de la aleacin de aluminio A356, se presenta en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1. Composicin qumica de la aleacin A356, en % en peso. [23]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Al

6.5-7.5 0.2 mx. 0.2 mx. 0.1 mx. 0.25-0.45 0.1 mx. Restante

1.2.3. Efecto de los elementos aleantes

Los elementos aleantes que encontramos en la composicin de las aleaciones de aluminio de forja o de

moldeo estn en grupos muy diversos. Podemos distinguir tres categoras: [23]

12

a) Elementos de adicin ms elevada como el cobre, magnesio, manganeso, silicio y zinc, donde su

composicin vara en % en cada aleacin.

b) Elementos de adicin inferior, el contenido de stos no supera nunca el 1 %, como puede ser el

cromo,

hierro, zirconio, nquel y cobalto.

c) Elementos de adicin especial, normalmente no superan el 0,5 % y se destinan para aleaciones con

uso particular, estos elementos son el antimonio, berilio, plomo, estao y la plata.

A continuacin se citaran algunas caractersticas de los elementos aleantes que forman parte de la

composicin de la aleacin en estudio.

1.2.3.1. Magnesio

Es la causa principal del endurecimiento y la ductilidad de las aleaciones de aluminio sometidos a

tratamientos trmicos, y se utiliza en aleaciones ms complejas las cuales tambin contienen cobre, nquel y

otros elementos con el mismo propsito.

1.2.3.2. Cobre

El cobre aumenta la dureza y la ductilidad en piezas de fundicin tratadas o no trmicamente. Reduce la

resistencia a la corrosin en algunas composiciones i condiciones especficas del material.

1.2.3.3. Silicio

Es un elemento presente en las aleaciones de fundicin, ya que aporta un aumento en la fluidez del material

adems de proporcionarle una elevada capacidad de colabilidad.

1.2.3.4. Manganeso

Se considera como una impureza en las aleaciones de fundicin, y se controla en niveles bajos en muchas

composiciones de moldeo por gravedad.

2. Conformacin en Estado Semislido

2.1. Introduccin

La conformacin de las aleaciones de aluminio en estado lquido se ha llevado a cabo tradicionalmente

por los procesos de colada por gravedad o mediante inyeccin. Estas tcnicas de procesado en estado

lquido tienen el inconveniente de la formacin de microporosidad o porosidad, debido al rgimen

turbulento en el llenado del molde, al gas disuelto y a la contraccin en la solidificacin. Estos defectos

fragilizan el material y reducen las propiedades mecnicas, que tampoco pueden mejorarse por

tratamientos trmicos debido a la aparicin de ampollas. A causa de estos inconvenientes la fundicin

inyectada no se ha utilizado para la obtencin de piezas con prestaciones mecnicas mejoradas y su

campo de aplicacin se ve limitado.

13

Los nuevos procesos de conformacin en estado semislido (SSM) permiten superar estas limitaciones

y abren nuevas perspectivas a la produccin de componentes de aluminio con mejores propiedades

mecnicas y a costes prximos a los de la fundicin inyectada. Estas ventajas se deben a que en estos

procesos la inyeccin es a baja temperatura, sin turbulencias, y con una mayor uniformidad en las

condiciones de enfriamiento.

El conformado de materiales en estado semislido puede considerarse como un proceso intermedio

entre la conformacin por moldeo y la conformacin en estado slido. Ello permite libertad en el diseo

del molde y en la velocidad de produccin de la fundicin as como una calidad metalrgica y unas

propiedades mecnicas superiores a las de la fundicin inyectada. El inters de estas tcnicas radica en

la necesidad de producir nuevos componentes con menos defectos y a un coste inferior, y se

fundamenta en las propiedades reolgicas de los materiales cuando coexisten una fase lquida y una

fase slida esferoidal. [1]

Las ventajas de los productos conformados en estado semislido son:

-productos de excepcional calidad, con una porosidad inferior al 0,1%.

-buena combinacin de resistencia mecnica y ductilidad.

-buenas tolerancias dimensionales, paredes delgadas y buen acabado superficial.

-bajas temperaturas durante el proceso, cortos ciclos de tiempo y menores tensiones en los utillajes.

-aptitud para utilizar aleaciones inusuales que tienen dificultades en procesos de conformacin en

estado lquido.

-pueden ser tratadas trmicamente. [3]

2.2. Antecedentes Los principios para la aplicacin industrial del conformado en estado semislido [4] [5] fueron

expuestos por primera vez por M.C. Fleming y D.B. Spencer en 1972 [5]. Se descubre, este proceso en

el Massachussets Institute of Technology (MIT), durante el estudio del desgarro en caliente o hot tearing. La clave del conformado en estado semislido est en el comportamiento del flujo de material que contiene partculas slidas de forma no dendrtica.

Se observ que la viscosidad de la aleacin disminua con la agitacin y se atribuy a la estructura

globular producida durante el experimento. Es decir, la viscosidad disminuye al aumentar las fuerzas de

cizalla que actan sobre el material, con lo que se comporta, prcticamente, como un slido en

ausencia de estas fuerzas de cizalla, y puede entonces manipularse fcilmente [5].

No es hasta 1990 cuando la industria tom conciencia de las potenciales ventajas que podan ofrecer

estas tecnologas.

Posteriormente Joly y otros [8] publicaron un estudio sobre la reologa de las aleaciones parcialmente

solidificadas. Mostraron que la viscosidad era muy sensible a la velocidad de enfriamiento, adems de a

la velocidad de cizalladura: bajas velocidades de enfriamiento y altas velocidades de cizalladura hacen

disminuir la viscosidad para una fraccin de slido dada.

El comportamiento tixotrpico se caracteriza porque la viscosidad depende tambin del tiempo de

aplicacin de la fuerza cortante . As un lingote en este estado mantiene su forma y puede al mismo

tiempo ser cortado con un cuchillo, tal y como se muestra en la Figura 2.1.

14

Figura 2.1. Corte de un lingote de rheocasting. [1]

El proceso de conformado en estado semislido de materiales puede dividirse en dos tipos. Cuando la

aleacin sometida a velocidades de cizalladura es conformada directamente para obtener una pieza o un

lingote se denomina Rheocasting. Como consecuencia de la reversibilidad de las propiedades

tixotrpicas adquiridas por la aleacin, el lingote de Rheocasting puede calentarse a la temperatura

adecuada y recuperar las caractersticas tixotrpicas.

Por lo tanto una aleacin solidificada con estructura no dendrtica (de Rheocasting) puede calentarse

hasta la temperatura de estado semislido y conformarse mediante un proceso de forja (Thixoforging) o

inyeccin (Thixocasting).

En los ltimos aos, se han desarrollado nuevas tecnologas de conformado en estado semislido

(SSM): New Rheocasting, Sub Liquidus Casting, etc.

2.3. Aspectos tericos 2.3.1. Propiedades tixotrpicas

La tixotropa es la caracterstica segn la cual un fluido viscoelstico disminuye su viscosidad aparente

al ser agitado violentamente hasta alcanzar un estado estacionario despus de un tiempo de agitacin

[4]. Esto implica una disminucin de la viscosidad o de la tensin de cortadura con el tiempo,

producindose sta bajo condiciones isotrmicas y velocidades de cortadura estacionaria [9].

2.3.3. Velocidad de agitacin aplicada

La viscosidad es tambin funcin de la velocidad de enfriamiento, es decir, mnimas velocidades de

enfriamiento y elevados niveles de cortadura hacen que la viscosidad disminuya para una determinada

fraccin slida. Sin embargo, si al preparar los productos semislidos se aumenta la velocidad de

cortadura, se obtienen menores viscosidades [4].

La microestructura de las aleaciones sometidas a agitacin durante su solidificacin est controlada por

cuatro variables [4].

15

Velocidad de enfriamiento. Velocidad de cortadura. Tiempo de aplicacin de la cortadura. Porcentaje de fase slida a cada temperatura.

El paso de la estructura dendrtica a una forma globular se atribuye a tres mecanismos que se comentan

en el apartado siguiente. Se produce una fragmentacin de la estructura dendrtica seguida de una

morfologa de tipo roseta como resultado de la coalescencia, cortadura y abrasin entre las partculas de

la fase slida y finaliza con una estructura globular (Figura 2.2).

Figura 2.2. Evolucin microestructural.

2.3.4. Obtencin de lingotes no dendrticos

Para que las aleaciones a conformar tengan propiedades tixotrpicas es necesario que el material tenga

una estructura de solidificacin globular, y no una estructura dendrtica tpica de los procesos de

solidificacin.

La forma de obtener una estructura globular consiste, bsicamente, en agitar el material durante la

solidificacin del mismo, de forma que se rompan las dendritas de solidificacin.

El procedimiento original, con el que se descubri la tixotropa, fue la agitacin mecnica de la

aleacin en estado semislido durante su enfriamiento, este mtodo presenta ciertas dificultades: as,

por ejemplo, aleaciones con elevado punto de fusin pueden ser muy agresivas, tanto qumica como

mecnicamente, para el agitador o el crisol que las contiene.

Debido a esto se han buscado posibles procesos alternativos, algunos de los cuales se citan a

continuacin. [21]

1.- Agitacin mecnica o electromagntica, o tratamiento intensivo mediante vibraciones supersnicas

durante la solidificacin.

2.- Refusin parcial de aleaciones deformadas u obtenidas por spray compaction.

3.- Enfriamiento controlado durante el proceso de solidificacin (NRC, SLC,)

16

Figura 2.3. Mtodos de obtencin de estructuras no dendrticas por agitacin del lquido: a) agitacin mecnica del lquido, b) agitacin mecnica y proceso continuo, c) agitacin electromagntica y proceso continuo (MHD, SSP) [1].

Los mtodos del segundo tipo tienen altos costes de produccin y, adems, durante el recalentamiento

se produce el crecimiento de grano. Por otra parte, el mtodo supersnico tiene el inconveniente de

producir un mayor tamao de grano. Por todo ello, los mtodos de agitacin electromagntica (Magneto

Hidrodinamic Stirring y Single Slug Production) han sido los ms utilizados en la fabricacin de

lingotes para Thixoforming [1].

Tambin se pueden producir estructuras no dendrticas a partir del lquido sin agitacin. En algunos

sistemas, los afinadores de grano adicionados antes de la colada (por ejemplo, titanio-boro en las

aleaciones aluminio-silicio), pueden ser potentes supresores del crecimiento de las dendritas y, al

recalentar estas aleaciones al estado semislido, se genera un material thixotrpico. Esto ha sido

investigado por numerosos autores. Aunque se han producido algunas estructuras en aleaciones de

aluminio usando grandes cantidades de afinadores, parece ser que hay dificultad en obtener tamaos de

grano menores de 100 m [1].

2.4. Procesos SSM

En el apartado anterior se han expuesto los mtodos para obtener lingotes con una estructura no

dendrtica. Estos mtodos se denominan Rheocasting y son el punto de partida de diferentes procesos

de conformacin en estado semislido (SSM) a escala industrial: Thixoforming, Compocasting,

Thixomolding, New Rheocasting, Sub Liquidus Casting y Semi-Solid Rheocasting.

A continuacin se describir el proceso de conformacin en estado semislido Sub Liquidus Casting, el

utilizado para la conformacin de las piezas utilizadas en este proyecto.

2.4.1. Sub Liquidus Casting

En el ao 2001, la empresa THT Presses patent en Estados Unidos la tcnica del Sub Liquidus Casting

(SLC-THT).

Este proceso utiliza lingotes obtenidos por fundicin normal, tanto de aleaciones primarias como

secundarias, y es capaz de reutilizar el material sobrante. Adems no necesita maquinaria alternativa,

simplemente utiliza una mquina de inyeccin vertical con pequeas variaciones.

17

No necesita de un procesado del lingote, ya que utiliza unos controles especiales de la temperatura que

hacen que el tratamiento de la aleacin se pueda llevar a cabo en el interior de la mquina de inyeccin,

sin aumentar los tiempos de ciclo. [17]

Este proceso utiliza una mquina compacta que se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Mquina de inyeccin SLC.

Los aspectos a tener en cuenta al realizar este mtodo de conformacin son:

Tamao de grano de la aleacin Control de la temperatura de la aleacin Enfriamiento de la aleacin en el conducto de inyeccin Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla Tiempo para desarrollar la mezcla

2.4.1.1. Tamao de grano de la aleacin

Para realizar un buen proceso es necesario conseguir un buen refinamiento del grano mediante aditivos

afinantes de grano como TiB o SiB. [18] [19]

Si somos capaces de obtener un grano fino la mezcla progresar rpidamente y se conseguir un

mximo rendimiento del proceso. Si se consigue un grano ms grueso se tardar ms tiempo en

conseguir la mezcla hasta el punto que si tenemos un tamao de grano demasiado grande el proceso

puede resultar inviable. [18]

Los mejores afinantes son titanio-boro (5/1) y SiB2 [16].

Figura 2.5. Microestructura de un componente conformado por SLC.

18

2.4.1.2. Control de la temperatura de la aleacin

La temperatura de la mezcla en la cmara de inyeccin ha de estar controlada. La temperatura ideal de

la mezcla en este proceso est a 1 C o 2 C por encima de la temperatura liquidus. Los tiempos de

permanencia en el conducto de inyeccin y la temperatura del metal depender el uno del otro. [18]

[19]

En la Figura 2.5 puede verse con detalle el perfil de temperaturas del material en el contenedor.

Figura 2.5. Esquema del proceso Sub Liquidus Casting [15].

2.4.1.3. Enfriamiento de la aleacin en el conducto de inyeccin

El objetivo es conseguir que el metal inyectado en el molde presente fracciones de slido entre un 40%

y un 60%.

Para realizar este proceso es necesario que el pistn tenga un dimetro bastante grande y que el

recorrido de este sea corto. Si no fuera as se necesitara de una aportacin de calor exterior o de

cualquier mtodo exterior a la mquina, lo cual hara aumentar los tiempos de ciclo.

El sistema THT permite mayor productividad, y un control ms estricto de la temperatura del metal,

necesario para el procesado del lodo. As mismo, reduce la velocidad de llenado, y de este modo se

reducen drsticamente las presiones al final de cada inyeccin. [19]

En la Figura 2.6 se muestra un pistn y una cmara de inyeccin de una mquina de SLC.

Figura 2.6. Cmara de inyeccin y pistn. [1]

19

2.4.1.4. Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla

Debido a que se necesita que el material tenga entre un 40% y un 50% de slido, se deposita una placa

que separa la coquilla y los conductos de inyeccin, dejndolo conectado por la parte donde la

temperatura y la estructura son las correctas. [19]

2.4.1.5. Tiempo para desarrollar la mezcla

Se ha de proporcionar el tiempo suficiente para conseguir la fase globular necesaria en la mezcla antes de se inyecte en la coquilla. Este puede ser el elemento ms difcil de controlar en el proceso.

Los aspectos de tiempo y temperatura del procesado de los lingotes de inyeccin SSM han marcado las

pautas a seguir en la tcnica del SLC. Los lingotes necesitan de minutos para recalentarse y ser tiles

para el procesado SSM y tambin necesitan de un control de la temperatura par conseguir una

colabilidad consistente. Por todo esto es difcil comprender como las mezclas del proceso SLC se

pueden procesar en segundos y en un cierto intervalo de temperaturas. [19] [20]

La fraccin slida de la mezcla determina su viscosidad, y esta determina a su vez la velocidad con que

la mezcla puede fluir en la coquilla y as mantener un avance del metal estable.

La clave de la tcnica SLC radica en la habilidad de llenar rpidamente las cavidades de la coquilla

manteniendo un avance del metal estable, esto permite la produccin de piezas con detalles y secciones

finas, evitando la aparicin de xidos y gas atrapado.

2.4.1.6. Caractersticas y ventajas del proceso SLC

Caractersticas principales

- Muy buen control dimensional.

o Mnima mecanizacin

o Mnimo contenido de material

- Gran capacidad de reproducir detalles en las piezas.

- Son tratables trmicamente mejorando sus propiedades mecnicas.

- Utiliza tanto aleaciones primarias (A356, A354, A357), como secundarias (380, 333) y aleaciones de difcil inyeccin o con propiedades especiales (6061).

- Reduccin de las temperaturas de inyeccin.

- Menos coste de energa.

Ventajas

- Utiliza aleaciones normales.

- Se puede reciclar el material en planta.

20

- Solo se requiere del control de temperatura y tiempo para obtener la microestructura

deseada.

- El lingote no necesita de un proceso previo.

- Buena viscosidad, mnima turbulencia al ser inyectado.

3. Tratamientos trmicos Para obtener las propiedades ptimas del aluminio y sus aleaciones, generalmente es necesario

someterlas a tratamientos trmicos.

Un tratamiento trmico es un proceso industrial de mejora de propiedades mediante el control de las

temperaturas, los tiempos de permanencia y las velocidades de enfriamiento. Cuando se aplica a

aleaciones de aluminio, el trmino tratamiento trmico se refiere usualmente a las operaciones

empleadas para incrementar la resistencia y la dureza de las aleaciones de forja o de moldeo

endurecibles por precipitacin.

Es muy importante someter las piezas a un buen tratamiento trmico. Un tratamiento trmico

defectuoso puede echar a perder todo el trabajo en el diseo de las piezas.

En la Tabla 3.1 se especifican las designaciones de los tratamientos trmicos en aleaciones de

aluminio.

Tabla 3.1. Designacin de los tratamientos trmicos. The Aluminium Association. [25]

T5

Enfriamiento desde una temperatura elevada en el proceso de conformado y envejecimiento artificial

(tratamiento trmico de precipitacin)

T6 Puesta en solucin y envejecimiento artificial

Los requisitos fundamentales para que una aleacin presente endurecimiento por envejecimiento son

los siguientes:

1- Que la aleacin presente solubilidad creciente de un soluto o de una segunda fase a medida que

la temperatura aumenta.

2- Que el material a alta temperatura, el cual hay ms solutos en solucin, pueda ser templado o

congelado cuando la aleacin se enfra a la temperatura ambiente o por debajo de ella. Puesto que

la aleacin templada contiene ms soluto a temperatura ambiente que cuando est en equilibrio, se

trata de una solucin sobresaturada, inestable, que tiende a precipitar el exceso de solucin o fase.

Con base a estos requisitos, el proceso de tratamiento trmico para conseguir el endurecimiento por

precipitacin consiste en las etapas siguientes, las cuales se ilustran en la Figura 3.1.

21

Figura 3.1. Etapas del endurecimiento por precipitacin. [27]

Si el proceso de precipitacin no produce las etapas de transicin coherentes, por ms precipitacin que

ocurra, no habr precipitacin ni aumento de resistencia. En la Figura 3.2 se muestra la colocacin de

los precipitados coherentes y no coherentes dentro de la matriz. Las aleaciones que presentan

precipitaciones sin endurecimiento, se describen como no tratables trmicamente. Las aleaciones

binarias de aluminio y silicio y de aluminio y manganeso presentan un grado considerable de

precipitacin cuando se trata trmicamente, pero los cambios que se observan en las propiedades

mecnicas son relativamente insignificantes y las aleaciones son, por tanto, no tratables trmicamente.

Los principales sistemas de aleacin de aluminio tratables trmicamente son los siguientes:

Sistema de aluminio-cobre con endurecimiento por CuAl2 (2XXX)

Sistema de aluminio-magnesio-silicio con endurecimiento por Mg2Si (6XXX)

Sistema de aluminio-magnesio-zinc con endurecimiento por MgZn2 (7XXX)

Figura 3.2. Colocacin de los precipitados dentro de la matriz en la etapa de envejecimiento. [26]

3.1. Designaciones por condiciones de tratamiento trmico La W y la T son designaciones que se aplican a las aleaciones de aluminio forjadas y fundidas que son

termotratables (es decir, las que se endurecen por tratamiento trmico o procesamiento trmico). La W

indica una condicin inestable y ordinariamente no se utiliza. La designacin T va seguida de un

nmero, del 1 al 10, que indica el procesamiento aplicado a la aleacin forjada o fundida. A

continuacin se exponen las designaciones de temple con explicaciones breves de los procesamientos:

22

T1, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada y envejecido de forma natural hasta una condicin de considerable estabilidad.

T2, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada, trabajado en fro y envejecido de forma natural hasta una condicin de considerable estabilidad.

T3, trmicamente tratado por disolucin, trabajado en fro y envejecido de forma natural hasta una condicin de considerable estabilidad.

T4, trmicamente tratado por disolucin y envejecido de forma natural hasta una condicin de considerable estabilidad.

T5, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada y envejecido de una forma artificial.

T6, trmicamente tratado por disolucin y envejecido en forma artificial. Esta designacin se aplica a productos que no se trabajan en fro despus de un tratamiento trmico por disolucin,

y cuyas propiedades mecnicas, o su estabilidad dimensional, o ambas cosas, han sido

mejoradas en grado importante por envejecimiento artificial (esto es, endurecimiento por

precipitacin a temperaturas superiores al ambiente). Esta designacin tambin se aplica en

productos en los que los efectos del trabajo en fro impartido por aplanado o rectificado no se

tienen en cuenta en los lmites de propiedades especficas.

T7, trmicamente tratado por disolucin y sobreenvejecido o estabilizado.

T8, trmicamente tratado por disolucin, trabajado en fro y envejecido de forma artificial.

T9, trmicamente tratado por disolucin, envejecido artificialmente y trabajado en fro.

T10, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada, trabajado en fro y envejecido en forma artificial.

3.2. Tratamiento trmico T6 Las propiedades mecnicas de determinadas aleaciones de aluminio pueden mejorarse por medio del

tratamiento trmico denominado bonificacin o T6, que consta de tres fases:

Recocido por disolucin. El trmino disolucin indica que se calienta la aleacin a una temperatura en la que aumenta la cantidad de soluto en la solucin slida. Recocido indica que el calentamiento tambin reblandece la aleacin.

Templado para formar una solucin sobresaturada. sta etapa ms crtica de la serie de procedimientos

de tratamiento trmico. La velocidad de templado debe ser mayor que la velocidad de enfriamiento

crtico para conservar la composicin a la temperatura de recocido por disolucin y para formar una

solucin sobresaturada del soluto o fase. Esto crea la fuerza impulsora de la precipitacin del soluto o

fase en exceso.

Precipitacin del exceso de soluto o fase. El endurecimiento de la aleacin se consigue precipitando el

exceso de soluto o fase en forma de un precipitado transitorio, metaestable y coherente. El

23

endurecimiento se debe a la formacin de la red (deformacin coherente) inducido por el precipitado

coherente.

En la Figura 3.3 puede observarse un esquema con las diferentes etapas del tratamiento trmico T6.

Figura 3.3. Esquema con las etapas del tratamiento trmico T6. [24]

La variacin de solubilidad de los elementos de aleacin con la temperatura es la causa fundamental del

efecto de los tratamientos trmicos en las propiedades de la aleacin.

En una aleacin Al-Si-Mg la temperatura de solubilizacin est dentro del intervalo de 500 C y 570 C.

Poniendo el material entre estas temperaturas, se conseguir tener una concentracin mxima de silicio

y de magnesio en la red del aluminio, sin que se haya llegado al punto de fusin. [23]

Una vez conseguida la solubilizacin se pasa a enfriar el material. Si este enfriamiento es lento, todo el

silicio y el magnesio que hay disuelto dentro del aluminio empieza a precipitar, si por el contrario el

enfriamiento es rpido, se retiene todo el silicio y el magnesio en solucin slida sobresaturada. Esta

solucin slida sobresaturada implica que existir una tendencia a precipitar el exceso del elemento

soluto.

Esta precipitacin del elemento soluto sobresaturado se consigue de diferentes maneras. Hay aleaciones

donde a temperatura ambiente se produce la precipitacin de los elementos de aleacin. En este caso la

velocidad de precipitacin es muy variable, para conseguir una estructura estable puede ir desde horas

hasta das.

Para acelerar este proceso la velocidad de precipitacin puede ser modificada produciendo un

calentamiento del material a una temperatura moderada superior a la ambiente.

3.2.1 Puesta en solucin

La finalidad del tratamiento de solubilizacin es obtener una solucin slida con la mxima

concentracin del elemento de aleacin endurecedor, esto de consigue a una temperatura elevada

determinada, entre 520 C y 550 C durante un tiempo determinado que puede ir desde 2 a 8 horas.

Como se ha dicho antes, someter la pieza a un buen tratamiento trmico es muy importante, para ello se

ha de estudiar la influencia de los diferentes factores que intervienen en un tratamiento trmico.

24

3.2.1.1 Temperatura de puesta en solucin

Existe una temperatura ptima de solubilizacin. Si la temperatura es superior a la ptima las

caractersticas mecnicas no sern las mejores, ya que la aleacin sufre lo que se llama quemado de la

aleacin, que es una fusin parcial de los constituyentes eutcticos en los lmites de grano. Por el

contrario si la temperatura es inferior a la ptima las caractersticas mecnicas tampoco sern las

mejores ya que no se habr conseguida una solubilizacin completa de los constituyentes activos de la

aleacin.

La solubilizacin de las aleaciones de aluminio tiene la caracterstica de que su cintica no depende de

la temperatura, as, si aumentamos la temperatura de solubilizacin no se consigue reducir los tiempos.

3.2.1.2 Tiempo de solubilizacin

El tiempo depende del material, del proceso de conformado utilizado y del espesor de la pieza.

Si las piezas presentasen una buena homogeneidad los tiempos a los que se someteran seran ms

cortos, pero esto no es as ya que desde el primer momento la solidificacin se produce de forma

heterogenea. Por ello se utilizan tiempos largos, para que las fases precipitadas en el lmite de grano

puedan difundirse hacia el interior del grano. Esta difusin ser ms rpida si el tamao de grano es

ms pequeo.

3.2.2 Temple

Una vez realizada la puesta en solucin, la aleacin ha de ser enfriada enrgicamente para obtener la

solucin slida sobresaturada a temperatura ambiente.

El temple es muy importante ya que es un factor que afecta directamente a la ltima fase del

tratamiento trmico, la maduracin. Si se enfra de forma suficientemente rpida se conseguir retener

en la solucin el mximo de elementos endurecedores.

Los factores que influyen en la velocidad de enfriamiento son diversos. El calor especfico del material,

la temperatura del fluido refrigerante y el tiempo que tarda en pasar desde la temperatura inicial hasta la

final son algunos de los ms importantes.

El agua a temperatura ambiente es el fluido refrigerante que ms se utiliza, ya que proporciona

velocidades de enfriamiento superiores a cualquier otro fluido.

3.2.3 Envejecimiento

Es la ltima etapa del tratamiento trmico de bonificado. Se puede realizar a temperatura ambiente

(envejecimiento natural) o sometiendo la pieza a temperaturas moderadas superiores a la ambiente.

Consiste en una evolucin estructural que se caracteriza por la formacin de aglomeraciones

submicroscpicas de tomos, coherentes y/o semicoherentes con la matriz de aluminio que dificultan

las deformaciones plsticas y endurecen la aleacin.

25

3.2.3.1 Envejecimiento artificial

El envejecimiento artificial consiste en someter la pieza a un calentamiento a una temperatura

moderada, superior a la ambiente, durante un periodo de tiempo.

En esta etapa los procesos de precipitacin son acelerados consiguiendo una mejora en las propiedades

mecnicas. En general se consigue un aumento de la carga de ruptura, del lmite elstico y de la dureza,

y una disminucin del alargamiento.

En esta etapa la velocidad de envejecimiento si depende del tiempo y de la temperatura a que se somete

la pieza.

Para cada temperatura de envejecimiento existe un tiempo ptimo, el cual proporciona las mejores

propiedades mecnicas, si este tiempo se sobrepasa entonces se produce una prdida de las

propiedades, y se produce el sobreenvejecimiento, con la prdida total de coherencia de los precipitados

con la matriz de aluminio.

Una vez realizada la maduracin se puede enfriar con el mtodo que se desee, con agua o a temperatura

ambiente ya que este enfriamiento no influye en las propiedades del material.

En la Figura 3.4 se representa la sucesin de precipitados durante las diversas etapas de tratamiento

considerando tambin el sobreenvejecimiento.

Figura 3.4. Etapas de la microestructura en el envejecimiento. [26]

Las fases GP (Guinier Preston) y pertenecen a la etapa de envejecimiento, mientras que las fases y son especficas del sobreenvejecimiento.

3.2 Tratamiento trmico T5

El tratamiento trmico T5 consiste solo en la ltima etapa del tratamiento trmico T6, es decir de una

maduracin artificial. En este caso la pieza se somete a un temple al salir del molde, as la aleacin ya

tiene parte de los elementos en solucin slida sobresaturada.

En la Figura 3.5 se representa el esquema del tratamiento trmico T5.

26

Figura 3.5. Esquema de las etapas del tratamiento

trmico T5. [24]

Es ms simple y menos costoso econmicamente que el tratamiento trmico T6, pero al no conseguir la

solubilizacin mxima, las propiedades mecnicas tampoco sern las mejores.

4. Ensayos

4.1. Ensayo de dureza Brinell

Este ensayo consiste en oprimir una bola de acero endurecido contra una probeta. De acuerdo con las

especificaciones de la UNE-EN ISO 6506-1.

Este ensayo se utiliza en materiales de durezas bajas. Utiliza penetradores en forma de bolas de

diferentes dimetros, estos pueden ser de acero templado o de carburo de tungsteno. Utiliza cargas

normalmente de hasta 29420 N, las cuales se pueden normalizar de acuerdo con la Ecuacin 4.1.

P= 0,102*KD2 (Ecuacin 4.1)

Donde:

P: Carga a utilizar.

K: Representa una constante que vale entre 1 y 30, dependiendo del material que este siendo ensayado.

Para las aleaciones de aluminio los valores estn entre 10 y 15.

D: Dimetro del indentador que se va a utilizar en la prueba.

Aunque existen algunas mquinas de ensayo de Brinell que dan una lectura directa, normalmente, para

determinar el nmero de dureza, se utiliza la Ecuacin 4.2.

(Ecuacin 4.2)

27

Donde:

P: Carga utilizada.

D: Dimetro del indentador.

d: Dimetro de la huella.

La carga se aplica durante 30 segundos y luego se retira. Inmediatamente se lee en milmetros el

dimetro de la impresin.

4.2. Ensayo de traccin

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectan ensayos para medir su

comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo ms importante es el ensayo de traccin,

donde se coloca una probeta en una mquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra

mvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza mvil.

Esta mquina nos proporciona una curva Carga- Desplazamiento como se muestra en la Figura 4.1.

Partiendo de esta grfica y utilizando la ecuacin 4.3 y ecuacin 4.4 obtenemos la curva Tensin-

Deformacin.

Figura.4.1. Curva Carga- Desplazamiento [28]

El rea bajo la curva Carga- Desplazamiento es la energa almacenada en la muestra durante la

deformacin (elstica + plstica).

(Ecuacin 4.3)

Donde, F es la carga (Fuerza) y A0 es la seccin inicial de la probeta.

28

(Ecuacin 4.4)

Donde, l0 es la longitud inicial y l es la longitud final de la probeta.

De esta curva Tensin- Deformacin podemos extraer propiedades del material tales como, mdulo

elstico (E), lmite elstico (0,2), la resistencia a la traccin (UTS) y el alargamiento, tal como se

muestra en la Figura 4.2.

La deformacin elstica es una deformacin temporal y se recupera totalmente cuando la carga es

eliminada. El material absorbe energa elstica que despus devuelve.

A la ley que nos relaciona las tensiones con la deformacin en el campo elstico se denomina ley de

Hooke (en honor a su descubridor R. Hooke 1635-1703) y puede expresarse segn la Ecuacin 4.5.

(Ecuacin 4.5)

Donde,

: es el mdulo de elasticidad longitudinal.

: es la tensin aplicada.

: es la deformacin unitaria.

E mide la oposicin que ejerce el material a ser deformado a traccin. Representa la rigidez del

material. Se calcula experimentalmente de la grfica.

Hay que tener presente que la ley de Hooke no es una ley exacta como las leyes de Newton, la ley de

Coulomb o la ley de gravitacin universal. Esta ley es aproximada, basada en observaciones hechas en

el laboratorio y que slo es aplicable bajo determinadas condiciones experimentales (esfuerzos lo

suficientemente pequeos).

La deformacin plstica es una deformacin permanente y no se recupera cuando se elimina la carga,

aunque se recupera una pequea componente elstica.

El mecanismo fundamental de la deformacin plstica es la distorsin y reformacin de los enlaces

atmicos. La naturaleza de este mecanismo son las relaciones entre las dislocaciones y la deformacin

mecnica.

29

Figura 4.2. Curva Tensin- Deformacin. [28]

Se alcanza la regin plstica una vez superado el lmite elstico.

Se toma como Lmite elstico (YS, Yield Strenght) el esfuerzo necesario para provocar una

deformacin permanente del 0.2% en el material.

Las leyes constitutivas de la deformacin plstica describen la relacin entre los parmetros bsicos de

la deformacin a una temperatura dada, las caractersticas del material y la microestructura. Los

parmetros de la deformacin o variables macroscpicas son la tensin , la temperatura T y la

velocidad de deformacin , que es la derivada de la deformacin como indica la ecuacin 4.6. La

mayora de estas relaciones son empricas o basadas en una aproximacin terica particular.

(Ecuacin 4.6)

La Ecuacin 4.7 ms conocida como ecuacin de Hollomon es la ms empleada para describir el

comportamiento plstico de un material.

(Ecuacin 4.7)

Donde K es el coeficiente de resistencia y n el exponente de endurecimiento por deformacin.

5. Procedimiento Experimental

5.1. Introduccin En el presente apartado se describir los pasos seguidos para la realizacin de dicho proyecto,

empezando por la extraccin y preparacin de las probetas, los tratamientos trmicos realizados y los

ensayos mecnicos realizados, ensayo de traccin y ensayo de dureza, as como el anlisis de los

= K n

30

resultados obtenidos.

Por optimizacin entendemos conseguir la mayor dureza con el mnimo de temperatura y tiempo, ya

que esto se traduce en un menor coste.

El procedimiento que se sigue para la optimizacin de los tratamientos trmicos se basa en la obtencin

final de las curvas HBW- Horas (dureza-tiempo) de las muestras expuestas a distintas temperaturas y

tiempos, tanto en la puesta en solucin como en el envejecimiento.

5.2. Material utilizado El material utilizado en este proyecto ha sido subministrado por la empresa Infun S.A. Las piezas en

forma de platina de moto se muestran en la Figura 5.1, han sido elaboradas con la aleacin de aluminio

A356 conformadas con la tcnica del Sub Liquidus Casting (SLC) y enfriadas al aire despus de su

extraccin del molde.

Figura 5.1. a) Parte de delante de la platina de moto

conformadas por SLC.

Figura 5.1. b) Parte trasera de la platina de moto conformada por SLC.

5.2.1. Preparacin de las muestras para los ensayos de dureza

Para la optimizacin del tratamiento trmico T6 se han utilizado tres componentes de la misma serie

con la identificacin Y44, Y45 y Y46, de la cuales se han extrado un total de 24 muestras, 8 de cada

pieza, suficientemente grandes como para realizar entre 15 y 20 penetraciones del ensayo de dureza. En

la Figura

5.2 se puede observar la localizacin de las muestras en la pieza antes de su extraccin.

La marcacin de las piezas se ha realizado a partir del segundo numero de la pieza, por ejemplo, si una

31

muestra empieza por un 4, pertenece a la Y44, si empieza con un 5 pertenece a la Y45 y si empieza con

un 6 pertenece a la Y46, el segundo nmero corresponde a la situacin de la muestra en la pieza, tal y

como se muestra en la Figura 5.2.

Para la optimizacin del tratamiento trmico T5 se ha requerido una pieza, se han utilizado las muestras

nmero 1, 2, 3 y 4. La pieza para el tratamiento trmico T5 ha sido sometida a un temple con agua a la

salida del molde.

Figura 5.2. Localizacin de las muestras.

En la preparacin de las muestras se ha utilizado una tronzadora metalografica Struers Labotom, para el

corte de las piezas. Posteriormente, se ha utilizado una fresadora con control numrico Emco F1- CNC,

para dejar las caras de las muestras completamente paralelas, para obtener un resultado lo ms fiable en

el ensayo de dureza, y finalmente se ha requerido de una pulidora Struers Rotopol 2, para dejar las

caras de las muestras completamente uniformes con un papel abrasivo de granulometra P180. En la

Figura 5.3 se observa un ejemplo de muestra una vez acondicionada para empezar el estudio.

Figura 5.3. Muestra totalmente preparada.

En la Tabla 5.1 y Tabla 5.2 se muestran la relacin de temperaturas y tiempos en la puesta en solucin

y en el envejecimiento que han sido sometidas cada una de las muestras utilizadas en la optimizacin

del T6.

32

Tabla 5.1. Relacin de muestras en la puesta en solucin.

Tabla 5.2. Relacin de muestras en el envejecimiento.

Temperatura Tiempo N de muestra

4.5

2-4-8 horas 4.8

4.7

160 C 4.6

4.4

3-6 horas 4.2

4.1

4.3

5.8

2-4-8 horas 5.7

5.5

Envejecimiento 170 C 5.6

5.2

3-6 horas 5.1

5.4

5.3

6.8

2-4-8 horas 6.5

6.7

180 C 6.6

6.2

3-6 horas 6.3

6.1

6.4

5.2.2. Preparacin de las muestras para los ensayos de traccin

Se han utilizado tres piezas. Las probetas de traccin se han sacado de la zona superior de la pieza, tal

como muestra la Figura 5.4.

Temperatura Tiempo N de muestra

4.5 / 4.4

4 horas 5.8 / 5.2

6.8 / 6.2

540 C 4.8 / 4.2

5 horas 5.7 / 5.1

Puesta en Solucin 6.5 / 6.3

4.7 / 4.1

4 horas 5.5 / 5.4

6.7 / 6.1

545 C 4.6 / 4.3

5 horas 5.6 / 5.3

6.6 / 6.4

33

Figura 5.4. Zonas de extraccin de las probetas de traccin.

En la preparacin de las probetas se ha utilizado la tronzadora Struers Labotom, para el corte de las

piezas dejndolas en forma de prisma tal como muestra la Figura 5.5. Una vez tenemos los prismas, se

mecaniza con un torno CN Emco Compact 5 un extremo del prisma hasta un dimetro de 800 mm para

mejorar el agarre de las mordazas en el momento de mecanizar por completo la probeta.

Figura 5.5. Forma de la probeta antes de mecanizar.

Una vez mecanizado el extremo, las probetas que lo requieran son sometidas a los tratamientos

trmicos T5 y T6 ptimos correspondientes. Una vez finalizados las probetas se acaban de mecanizar

para la realizacin del ensayo de traccin.

Las dimensiones de la probeta de traccin se muestran en la Figura 5.6.

Figura 5.6. Dimensiones de la probeta de traccin.

34

5.3. Tratamientos Trmicos El tratamiento trmico T6 se ha realizado a dos temperaturas (540 C y 545 C) y a dos tiempos (4 horas

y 5 horas) distintos de puesta en solucin, y a un envejecimiento de tres temperaturas diferentes (160

C, 170 C y 180 C) durante un mximo de 10 horas, teniendo un total de 12 condiciones diferentes de

estudio.

Tanto la puesta en solucin como el envejecimiento se han realizado en un horno Hobersal con control

PID de temperaturas, situado en el laboratorio de tratamientos trmicos L-007 de la EPSEVG, tal como

se muestra en la Figura 5.7.

Figura 5.7. Horno de tratamientos trmicos Hobersal

En el tratamiento trmico T5, el estudio se ha realizado a dos temperaturas, 160 C y 170 C con un

tiempo mximo de 12 horas en una estufa de tratamientos trmicos Hobersal, como se observa en la

Figura 5.8, situado en el laboratorio L-002 de la EPSEVG.

Figura 5.8. Estufa de tratamientos trmicos.

5.4. Ensayo de dureza Brinell Los ensayos de dureza Brinell se han realizado segn la norma UNE-EN ISO 6506-1.

El equipo utilizado es un durmetro universal Metrocom RC-MP situado en laboratorio de ensayos de

materiales L-003 de la EPSEVG, se muestra en la Figura 5.9.

35

Figura 5.9. Durmetro universal marca Metrocom

La carga utilizada ha sido en todos los casos de 612,9 N con un penetrador esfrico de WC con un

dimetro de 2,5 mm.

Cada ensayo ha constado de 3 penetraciones.

En el tratamiento trmico T6 se han realizado en estado de colada, despus del temple de la puesta en

solucin y a las 2- 3- 4- 6 y 8 horas en el envejecimiento.

En el tratamiento trmico T5 las penetraciones se han realizado en estado de colada y a las 2- 3- 4- 6- 8-

10 y 12 horas.


Los ensayos de traccin se han realizado siguiendo la norma UNE-EN 10002-1.

La maquina de traccin unidireccional utilizada es de la marca Zwick modelo Z100 situada en el

laboratorio L-003 de la EPSEVG, se puede observar en la Figura 5.10.

Figura 5.10. Maquina de traccin marca Zwick, modelo Z100

El ensayo de traccin se ha realizado sobre muestras en estado de colada, con el tratamiento trmico T6

ptimo y con el tratamiento trmico T5 ptimo.

36

Los ensayos se han realizado a temperatura ambiente y a una velocidad de separacin de las mordazas

de 5 mm/ min. Cada ensayo ha constado de 3 probetas.

6. Resultados

6.1. Optimizacin tratamientos trmicos En las tablas siguientes, Tabla 6.3, Tabla 6.4 y Tabla 6.5 se muestran las durezas obtenidas en estado

de colada para cada pieza Y44, Y45 y Y46 respectivamente.

Tabla 6.3. Durezas Estado de colada de la pieza Y44.

Muestra 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

75 68 73 73 72 69 65 62

HBW 67 73 71 69 69 68 63 65

69 70 71 71 68 69 66 63

HBWm 70 70 71 71 70 69 64 63

Desviacin St. 4,16 2,51 1,15 2 2,08 0,57 1,52 1,52

Tabla 6.4. Durezas Estada de colada de la pieza Y45.

Muestra 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

70 70 70 72 64 64 71 64

HBW 73 70 71 71 66 62 63 60

70 72 70 65 65 66 71 58

HBWm 71 70 70 69 65 64 68 61

Desviacin St. 1,73 1,15 0,57 3,78 1 2 1,52 3,05

Tabla 6.5. Durezas Estado de colada de la pieza Y46.

Muestra 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

68 66 65 69 65 68 65 67

HBW 64 67 68 72 66 66 71 69

69 66 63 72 66 63 68 71

HBWm 67 66 65 71 66 66 68 69

Desviacin St. 2,64 0,57 2,51 1,73 0,57 2,51 3 2

37

En los primeros resultados obtenidos, se observa que las muestras pertenecientes a las zonas 5, 6, 7 y 8

correspondientes a la zona inferior de la pieza, como muestra la Figura 6.2 tienen una tendencia a tener

menor dureza, como se ve claramente en las piezas Y44 y Y45. Esto es debido a que tanto el llenado del

molde como la posterior solidificacin son procesos en los cuales no hay una homogeneidad absoluta.

6.1.1. Optimizacin del tratamiento trmico T6

Las siguientes tablas, Tabla 6.6, Tabla 6.7, Tabla 6.8 y Tabla 6.9 corresponden a las durezas

obtenidas despus del temple una vez realizada la puesta en solucin.

Tabla 6.6. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas.

Muestra 4.4 4.5 5.8 5.2 6.8 6.2

63 58 67 62 58 62

HBW 61 62 57 62 62 69

60 63 57 60 61 58

HBWm 61 61 60 61 60 63

Desviacin St. 1,52 2,64 5,77 1,15 2,08 5,56


Muestra 4.8 4.2 5.7 5.1 6.5 6.3

50 54 53 52 54 58

HBW 50 51 54 54 58 57

51 52 51 54 56 57

HBWm 50 52 53 53 56 57

Desviacin St. 0,57 1,52 1,52 1,15 2 0,57

Tabla 6.8. Durezas Puesta en Solucin a 545 C durante 4 horas. Muestra 4.1 4.7 5.4 5.5 6.1 6.7

52 59 57 52 54 63

HBW 53 59 56 58 60 66

55 56 51 52 55 64

HBWm 53 58 55 54 56 64

Desviacint St. 1,52 1,73 3,21 3,46 3,21 1,52


Muestra 4.6 4.3 5.6 5.3 6.6 6.4

51 52 56 55 65 58

HBW 52 51 58 54 54 53

50 52 54 54 58 53

HBWm 51 52 56 54 59 55

Desviacin St. 1 0,57 2 0,57 5,56 2,88

38

En las tablas anteriores referentes a la puesta en solucin se observa un descenso de la dureza al

incrementar la temperatura y el tiempo de la Puesta en Solucin, debido a que se obtiene una solucin

slida metaestable, sobresaturada de soluto, con los tomos de soluto colocados de manera aleatoria y

la desaparicin de la fase estable . La mayor dureza se obtiene para una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas.

A continuacin se muestran en la Tabla 6.10, Tabla 6.11 y Tabla 6.12 las durezas promedio obtenidas

para una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas y un envejecimiento de 160 C, 170 C y 180 C

respectivamente, y la Figura 6.1 que corresponde a las curvas HBW- Horas en cada temperatura de

envejecimiento.

Tabla 6.10. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas y envejecimiento a 160 C (muestras 4.5 y 4.4).

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 61 92 105 94 107 93


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 60 71 81 82 100 99


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 61 82 100 99 102 105

Tal como muestra la Tabla 6.10 en una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas la mayor dureza se

obtiene con un envejecimiento a 160 C durante 6 horas, proporcionando una dureza de 107 HBW.

En el envejecimiento a 170 C, como muestra la Figura 6.11, la mayor dureza queda 7 unidades por

debajo de la conseguida a 160 C, a las 6 horas de tratamiento se obtiene una dureza de 100 HBW.

Si observamos la Figura 6.12, para un envejecimiento a 180 C su mxima dureza se consigue a las 8

horas de tratamiento, siendo de 105 HBW. En este caso se requiere de ms tiempo para conseguir una

precipitacin de elementos parecido al conseguido a 160 C.

Si observamos la Figura 6.1 vemos claramente que en el envejecimiento a 160 C hay un aumento ms

rpido de la dureza que en las otras temperaturas de envejecimiento.

39

T6. Puesta en Solucin a 540C durante 4 horas

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10

Tiempo / h

Dur

eza

/ HBW

160C

170C

180C

Figura 6.1. Grfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas y envejecimiento posterior.

40

En la Tabla 6.13, Tabla 6.14 y Tabla 6.15 as como en la Figura 6.2 se muestran las durezas que

hacen referencia a una Puesta en Solucin a 540 C durante 5 horas y envejecimiento a 160 C, 170 C

y 180 C respectivamente.


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 51 83 77 88 96 88


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 53 71 81 90 101 102

Tabla 6.15. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 5 horas y envejecimiento a 180 C (muestras 6.5 y 6.3)

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 56 77 98 97 105 102

Al aumentar el tiempo de puesta en solucin no se consigue mejorar los resultados anteriores. Con una

puesta en solucin de 4 horas es suficiente para conseguir una concentracin mxima de Mg2Si en la

red del aluminio.

Si seguimos con una Puesta en Solucin a 540 C pero aumentamos el tiempo de tratamiento a 5 horas,

observamos en la Tabla 6.13 que para un envejecimiento a 160 C el tiempo ptimo vuelve a ser de 6

horas aunque en este caso no se alcanza un valor de dureza equivalente al anterior, encontramos una

dureza mxima de 96 HBW.

A 170 C, tal como muestra la Tabla 6.14, las durezas obtenidas a las 6 horas y a las 8 horas no

presentan una diferencia notable, 101 HBW y 102 HBW respectivamente, con lo cual el tiempo ptimo

a 170 C vuelve a ser de 6 horas. La dureza obtenida tambin es similar a la encontrada en la puesta en

solucin de 4 horas.

En cambio, en la Tabla 6.15, a una temperatura de envejecimiento de 180 C, la mayor dureza es de

105 HBW a las 6 horas de envejecimiento, pero los valores de dureza y de tiempos no se distancian

demasiado en las diferentes condiciones de puesta en solucin.

41


42

En la Tabla 6.16, Tabla 6.17, Tabla 6.18 y la Figura 6.3 corresponden a las durezas para una Puesta en

Solucin de 545 C durante 4 horas y envejecimiento a 160 C, 170 C y 180 C respectivamente.


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 55 89 100 101 101 99


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 54 76 77 86 97 106


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 60 81 98 94 103 99

Si aumentamos la temperatura de puesta en solucin a 545 C no notamos ningn cambio sustancial en los

resultados obtenidos en el envejecimiento, ya que no se llega a una temperatura lo suficientemente alta como

para provocar la fusin parcial del silicio eutctico.

Como se observa en la Tabla 6.16, a temperatura de 160 C, las durezas a partir de las 3 horas no sufren

grandes cambios, comenzando a perder propiedades a partir de las 8 horas de tratamiento.

En la Tabla 6.17, para una temperatura de 170 C durante 8 horas se obtiene la mayor dureza de 106 HBW

para esta condicin de puesta en solucin.

Para el envejecimiento a 180 C, como indica la Tabla 6.18, la dureza mxima de 103 HBW se obtiene a las

6 horas de tratamiento, coincidiendo sin grandes variaciones con los obtenidos en las condiciones de puesta

en solucin anteriores.

43


0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tiempo / h

Du

reza / H

BW

160C

170C

180C


44

En la Tabla 6.19, Tabla 6.20, Tabla 6.21 as como en la Figura 6.4 se exponen las durezas obtenidas para

una Puesta en Solucin de 545 C durante 5 horas y un envejecimiento a 160 C, 170 C y 180 C

respectivamente.


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 51 83 83 96 94 95


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8

Dureza / HBW 55 69 83 82 99 97


Tiempo / h 0 2 3 4 6 8 10

Dureza / HBW 57 84 99 99 103 106 102

A temperatura de 160 C la mayor dureza es de 96 HBW que se obtiene a las 4 horas de envejecimiento,

estos valores continan muy parecidos las siguientes 4 horas de tratamiento, tal como se observa en la Tabla

6.19.

En la Tabla 6.20, a una temperatura de envejecimiento de 170 C el valor mximo de 99 HBW lo

obtenemos a las 6 horas de envejecimiento.

Con un envejecimiento a 180 C, como indica la Tabla 6.21, se consigue un valor similar a los mximos

conseguidos hasta ahora, es a las 8 horas donde se obtiene una dureza de 106 HBW. Por ello se ha realizado

un ensayo adicional, a las 10 horas de envejecimiento para analizar esta evolucin, la cual nos muestra que a

partir de las 8 horas la dureza disminuye.

45


0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo / h

Du

reza / H

BW

160C

170C

180C


46

Para determinar la condicin ptima de tiempos y temperaturas del tratamiento trmico T6, buscamos para

cada condicin los valores de dureza mximos.

Para una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas (Figura 6.1), se obtiene una dureza mxima de 107

HBW para un envejecimiento a 160 C durante 6 horas.

En una Puesta en Solucin a 540 C durante 5 horas (Figura 6.2), la dureza mxima de 105 HBW se

encuentra para un envejecimiento de 180 C durante 6 horas.

En la Puesta en Solucin a 545 C durante 4 horas (Figura 6.3), obtenemos la mxima dureza de 106 HBW

para un envejecimiento de 170 C durante 8 horas.

Y para una Puesta en Solucin de 545 C durante 5 horas (Figura 6.4), la mxima dureza de 106 HBW, se

encuentra para un envejecimiento a 180 C durante 8 horas.

Todos los datos anteriores son los mximos valores de dureza obtenidos para cada condicin y se observa

que todos ellos son muy similares, con variaciones mximas de dos unidades de dureza. Si miramos los

tiempos y temperaturas mnimas de tratamiento se ve claramente que las condiciones ptimas del

tratamiento trmico T6 son de una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas y un envejecimiento de 6

horas a 160 C.

Observando los resultados expuestos en las tablas anteriores podemos decir que el tiempo ptimo de

envejecimiento a 160 C se encuentra alrededor de las 6 horas, mientras que para temperaturas superiores de

170 C y 180 C el tiempo ptimo se encuentra entre la 6 y las 8 horas.

Tambin se observa que para temperaturas de envejecimiento de 160 C y 180 C, el aumento de dureza con

respecto al tiempo de tratamiento es mayor que a la temperatura de 170 C.

6.1.2. Optimizacin del tratamiento trmico T5

A continuacin se muestran los resultados obtenidos en la optimizacin del tratamiento trmico T5, en la

Tabla 6.22 se muestran los resultados obtenidos para un envejecimiento a 160 C y en la Tabla 6.23 para un

envejecimiento a 170 C. En la Figura 6.5 se comparan los resultados obtenidos a 160 C y 170 C.

Tabla 6.22. Durezas envejecimiento a 160 C.

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8 10 12

Dureza / HBW 68 73 76 75 80 80 86 83

Tabla 6.23. Durezas envejecimiento a 170 C.

Tiempo / h 0 2 3 4 6 8 10 12

Dureza / HBW 67 76 79 81 84 84 89 86

En el tratamiento trmico T5 tanto a la temperatura de 160 C como a 170 C la mayor dureza se obtiene a

las 10 horas de tratamiento, siendo la dureza del envejecimiento a 170 C la de valor ligeramente superior

que el conseguido a 160 C. Las durezas obtenidas son menores que las del tratamiento trmico T6, debido a

que en la salida del molde y posterior enfriamiento en agua, la matriz de aluminio no presenta en su

estructura un mximo de elementos endurecedores en solucin slida, por lo tanto no se consigue el mximo

de densidad de precipitadotes endurecedores.

47

T5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14

Tiempo / h

Dure

za /

HB

W

160C

170C

Figura 6.5. Grfica Dureza- tiempo envejecimiento a 160 C y 170 C.

48


En las siguientes tablas, Tabla 6.24, Tabla 6.25 y Tabla 6.26 aparecen los valores de los parmetros

obtenidos en los ensayos de traccin para probetas en estado de colada, con tratamiento trmico T5 y

tratamiento trmico T6 respectivamente, as como la Figura 6.6 donde se comparan las grficas Tensin-

Deformacin para cada uno de los casos anteriores.

Tabla 6.24. Valores de los parmetros obtenidos en estado de colada.

Tabla 6.25. Valores medios de los parmetros obtenidos con tratamiento trmico T5.

Mdulo elstico 73 GPa

Lmite elstico 145 MPa

Resistencia a la traccin 219 MPa

Alargamiento 8 %

Tabla 6.25. Valores de los parmetros obtenidos con tratamiento trmico T6.



Resistencia traccin 304 MPa

Alargamiento 9,9 %

Los resultados obtenidos en los ensayos de traccin nos muestran que las piezas que son sometidas a

tratamientos trmicos T6 aumentan sus valores de, lmite elstico y resistencia a traccin, y disminuye su

alargamiento respecto al estado de colada, esto se debe al precipitado Mg2Si que aumenta la resistencia.

Con el tratamiento trmico T5 nicamente se ha observado un incremento significativo del lmite elstico.



Resistencia traccin 216 MPa

Alargamiento 12,5 %

49

Tensin- Deformacin

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,05 0,1 0,15 0,2

Deformacin / %

Ten

si

n /

N/m

m

T6

Estado de colada

T5

Figura 6.6. Diagrama Tensin Deformacin para muestras en estado de colada y con tratamiento trmico T5 y T6.

50

7. Conclusiones

En la determinacin del tratamiento trmico T6 ptimo los ensayos de dureza Brinell realizados en las

diferentes condiciones muestran en todos los casos un incremento de la dureza al finalizar los tratamientos

trmicos T5 y T6.

Observando los resultados expuestos anteriormente, podemos decir que es suficiente una puesta en solucin

a 540 C durante 4 horas y un envejecimiento a 160 C durante 6 horas para conseguir una concentracin

mxima de soluto en la solucin slida, es decir, obtener un mximo de elementos de aleacin

endurecedores dentro de la matriz de aluminio y una precipitacin adecuada de estos elementos.

En la etapa de envejecimiento se ha observado que los tiempos ptimos varan dependiendo de la

temperatura del tratamiento, siendo de 6 horas a 160 C y entre 6 y 8 horas en las temperaturas de 170 C y

180 C.

Al realizar el temple se ha observado que la dureza disminua con respecto al estado de colada, y tambin al

aumentar la temperatura.

En nuestro caso la temperatura de puesta en solucin no es un factor determinante en el endurecimiento de

la aleacin ya que principalmente tiene la funcin de obtener una solucin slida con la mxima

concentracin de los elementos de aleacin. Las temperaturas de 540 C y 545 C no difieren mucho el uno

del otro y en ningn caso la temperatura es lo suficientemente alta como para que se produzca la fusin

parcial del eutctico, ni lo bastante baja como para no obtener el mximo de elementos endurecedores de la

aleacin. El objetivo principal es encontrar la mnima temperatura para que los elementos de aleacin se

disuelvan en la matriz de aluminio.

Tambin puede observarse que para cada temperatura de envejecimiento existe un tiempo ptimo para que

la precipitacin d los mejores resultados en la aleacin. A 160 C el tiempo ptimo lo encontramos a las 6

horas aproximadamente, y a 170 C y 180 C el tiempo ptimo est entre 6 y 8 horas.

A lo que se refiere al tratamiento trmico T5 en ambos casos las durezas son similares, 86 HBW para un

envejecimiento a 160 C y de 89 HBW para un envejecimiento a 170 C, siendo el tiempo de mantenimiento

el mismo en los dos casos.

Los resultados obtenidos en los ensayos de traccin nos muestran que las piezas que son sometidas a

tratamientos trmicos T6 aumentan sus valores de lmite elstico y resistencia a traccin, y disminuye su

alargamiento con respecto al estado de colada por consecuencia del incremento de resistencia

experimentado por el precipitado Mg2Si.

En el tratamiento trmico T5 nicamente se ha observado un incremento significativo del lmite elstico.

El tratamiento trmico T5 tiene la ventaja de ser ms simple y menos costoso econmicamente y evita

adems distorsiones que puedan aparecer en la pieza al ser enfriada, no alterndose la estabilidad

dimensional.

51

8. Presupuesto

Orden Concepto Mquina Horas

Mquina Coste

Mquina Tcnico Horas tcnico Coste tcnico Coste total

(/h) (h) () (/h) (h) () ()

1 Documentacin - - - 7 45 315 315

2 Preparacin provetas dureza 45 20 900 39 35 1365 2265

3 Preparacin provetas traccin 45 10 450 39 15 585 1035

4 Tratamientos trmico T6 55 36 1980 39 8 372 2352

5 Tratamiento trmico T5 50 20 1000 39 4 156 1117

6 Ensayos de dureza 39 8 312 39 10 390 702

7 Ensayos de traccin 137 2 274 65 5 325 599

8 Redaccin del PFC - - - 65 110 7150 7150

Subtotal 4916 10658 15574

IVA 16%. 786,56 1705,28 2491,84

Suma total 96 5702,56 242 12363,28 18065,84

52

9. Estudio medioambiental

La conformacin en estado semislido permite optimizar las propiedades mecnicas de los componentes

fabricados, debido a que se consiguen elementos con menos porosidad y eso se traduce en una mejora de la

calidad del elemento conformado.

Si nos centramos en la tcnica de conformado de las piezas utilizadas en este estudio, el Sub Liquidus

Casting, encontramos que es de las tcnicas de conformado en estado semislido que ayuda a reducir el

impacto medioambiental, ya que optimiza la utilizacin de la energa que se necesita durante el proceso.

En otras tcnicas la energa utilizada es mayor ya que primero se funde para formar los lingotes, se deja

enfriar y para poder conformarlo se a de volver a calentar. En cambio en la tcnica SLC el material solo se

funde una vez i se mantiene en un horno a temperatura constante hasta el momento de conformacin.

El material utilizado en este estudio tambin favorece al medioambiente, ya que la utilizacin de las

aleaciones de aluminio en la conformacin de piezas para la automocin y aeronutica disminuyen el peso

de los vehculos y eso afecta al consumo de combustible que afecta directamente con la emisin de gases de

efecto invernadero.

El efecto directo que ha tenido este proyecto con el medioambiente puede considerarse mnimo. La nica

generacin de residuos aparece en el mecanizado de las probetas de traccin donde la viruta extrada se

recicla para un uso posterior.

El factor ms importante es el gasto de energa que se ha realizado durante el proceso experimental para

determinar los parmetros de tiempo y temperatura, ya que se ha utilizado el horno durante muchas horas a

elevadas temperaturas. La optimizacin de los tratamientos trmicos al tener como finalidad obtener las

propiedades mximas con las menores temperaturas y tiempos, contribuye a minimizar el impacto

medioambiental de los procesos productivos.

53

10. ndice de tablas y figuras Pg. Figura 1.1. Diagrama de equilibrio Al-MgSi. . 11

Tabla 1.1. Composicin qumica de la aleacin A356, en % en peso. [23] . 11

Figura 2.1. Corte de un lingote de rheocasting. [1] 14

Figura 2.2. Evolucin microestructural. . 15

Figura 2.3. Mtodos de obtencin de estructuras no dendrticas por agitacin del lquido .. 16

Figura 2.4. Mquina de inyeccin SLC. 17

Figura 2.5. Microestructura de un componente conformado por SLC. . 17

Figura 2.6. Esquema del proceso Sub Liquidus Casting [15]. .. 18

Figura 2.7. Cmara de inyeccin y pistn. . 18

Tabla 3.1. Designacin de los tratamientos trmicos. The Aluminium Association. [25] 20

Figura 3.1. Etapas del endurecimiento por precipitacin. 21

Figura 3.2. Colocacin de los precipitados dentro de la matriz. 21

Figura 3.3. Esquema con las etapas del tratamiento trmico T6. [24] 22

Figura 3.4. Etapas de la microestructura en el envejecimiento. [26] 25

Figura 3.5. Esquema de las etapas del tratamiento trmico T5. [24] ... 25

Figura.4.1. Curva Carga- Desplazamiento. . 27

Figura.4.2.Curva Tensin- Deformacin. . 28

Figura 5.1. Platinas de moto conformadas por SLC. . 29

Figura 5.2. Localizacin de las muestras. .. 30

Figura 5.3. Muestra totalmente preparada. .. 30

Tabla 5.1. Relacin de muestras en la puesta en solucin. 32

Tabla 5.2. Relacin de muestras en el envejecimiento. 32

Figura 5.4. Zonas de extraccin de las probetas de traccin. 33

Figura 5.5. Forma de la probeta antes de mecanizar. . 33

Figura 5.6. Dimensiones de la probeta de traccin. .. 33

54

Figura 5.7. Horno de tratamientos trmicos Hobersal. 34

Figura 5.8. Estufa de tratamientos trmicos. 34

Figura 5.9. Durmetro universal marca Metrocom. 35

Figura 5.10. Maquina de traccin marca Zwick, modelo Z100. 37

Tabla 6.3. Durezas Estado de colada de la pieza Y44. . 37

Tabla 6.4. Durezas Estado de colada de la pieza Y45. .. 37

Tabla 6.5. Durezas Estado de colada de la pieza Y46. .. 37

Tabla 6.6. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas. 38




Tabla 6.10. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas y envejecimiento a 160 C. 39

Tabla 6.11. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas y envejecimiento a 170 C. .... 39


Figura 6.1. Grfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solucin a 540 C durante 4 horas

y envejecimiento posterior. .... 40



Tabla 6.15. Durezas Puesta en Solucin a 540 C durante 5 horas y envejecimiento a 180 C... 41


y envejecimiento posterior. 42

Tabla 6.16. Durezas Puesta en Solucin a 545 C durante 4 horas y envejecimiento a 160 C.. 43






55





Tabla 6.22. Durezas envejecimiento a 160 C. 47

Tabla 6.23. Durezas envejecimiento a 170 C. 47

Figura 6.5. Grfica Dureza- tiempo envejecimiento a 160 C y 170 C. 48

Tabla 6.24. Valores de los parmetros obtenidos en estado de colada. . 49

Tabla 6.25. Valores de los parmetros obtenidos con tratamiento trmico T5. 49

Tabla 6.25. Valores de los parmetros obtenidos con tratamiento trmico T6. 49

Figura 6.6. Diagrama Tensin Deformacin para muestras en estado de colada y con tratamiento trmico T5 y T6. 50

56

11. Bibliografa

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Documents

Optimización de los Tratamientos Térmicos T5 y T6 para una Aleación A356 Conformada por SLC