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Efecto de los Elementos Aleantes
Silicio. Aleación que más se ocupa (en la cocina, estufas) entre 1-6% es hipo
eutéctico (corre como agua, buenas para fundiciones de sección delgada) poseen
buena fluidez, híper eutéctico 13% hacia arriba (más conocido en los pistones, por
su resistencia al desgaste), al 11,7% Si se forma el eutéctico. Como no es un metal la
aleación es frágil. La dureza de la aleación aumenta con el contenido de Si, pero la
ductilidad y maquinabilidad se reducen.
Al 20% Si no hay solubilidad (hay placas de Si), por eso existen procesos para
modificar el silicio. Es el principal responsable de la llamada “buena colabilidad”,
esto es por su alta temperatura de fusión. El hecho de que el silicio tiene una
limitada solubilidad sólida (un máximo de 1,65%) y sin embargo forma un
eutéctico con el aluminio en un nivel significativamente más alto (11,7%) significa
que las aleaciones con más de un pequeño porcentaje de silicio se someten a una
fracción de volumen relativamente grande de solidificación isotérmica, por lo tanto
ganan fuerza significativa mientras se somete a la contracción térmica poco o nada
- muy importante para evitar problemas de fisuración en caliente.
Solidificación isotérmica - Composiciones eutécticas (Al, con un 12% Si, como
aleación de 413 por ejemplo) también se solidifican en esencia "isotérmicamente",
es decir, dentro de un rango de temperatura. Que tienden a consolidarse
progresivamente a partir de la superficie de la matriz hacia el centro térmico de la
fundición de la sección transversal. Existe un plano muy estrecho de demarcación
entre la parte solidificada y el resto del líquido. Ese patrón de solidificación sólo
proporciona una tendencia mínima a la rotura durante la colada caliente. La
solidificación de aleaciones de frente plana rango muy estrecho de congelación
produce una piel sana que se extiende hacia el centro térmico de la sección de
fundición. Al final de la solidificación, la contracción en la transición de líquido a
sólido se limita a lo largo de la línea central térmica de la fundición. Debido a que
la contracción de solidificación no está conectada a la superficie de la fundición, las
piezas moldeadas producidas a partir de aleaciones de este tipo suelen ser a prueba
de presión.
La dificultad para fundir no es su rango de temperatura, sino más bien, la forma
característica de la curva de enfriamiento (poca solidificación isotérmica).
Fuerza: El Silicio solo contribuye muy poco a la fuerza de las aleaciones de
fundición de aluminio. Sin embargo, cuando se combina con el magnesio para
formar Mg2Si, el Si proporciona un mecanismo muy eficaz para el fortalecimiento
de fundición de aluminio. El Mg2Si es soluble en la aleación sólida, para un límite
de alrededor de 0,7% Mg, y proporciona la base para el fortalecimiento de las
precipitaciones a toda una familia de tratamientos térmicos de las aleaciones
(números de aleación de 356 a 360 y sus muchas variantes).
Cobre. Mejora la resistencia, la dureza (“duro aluminio”), maquinabilidad y
conductividad térmica. Los tratamientos térmicos son más efectivos entre el 4-6%
Cu, sino disminuyen la capacidad de colada y aumenta el funcionamiento en
caliente (tiende a tirarse y se raja). La reacción eutéctica ocurre a los 548°C. Durante
la solidificación la aleación hipo eutéctica se forma inicialmente una fase rica en
aluminio . Cuando la temperatura del eutéctico cae, el líquido
residual separa en y en un compuesto inter metálico . De forma
negativa el cobre reduce la resistencia a la corrosión del aluminio.
Magnesio. Trae problemas a la aleación, ya que aumenta los niveles de hidrógeno.
Pequeñas cantidades de 0.25-0.5% Mg le permiten a aleaciones Al-Si ser
endurecidas por tratamiento térmico, la mejora de propiedades mecánicas a través
de la precipitación de Mg2Si en una forma finamente dispersa. Su elasticidad puede
ser casi del doble. El Mg se utiliza en niveles de alrededor del 1% en aleaciones de
silicio pistón. Los niveles todavía más altos, alrededor de 3-6% de Mg, se usan en
las aleaciones de bajo contenido de silicio para mejorar las características de
anodizado y dar un acabado de superficie brillante de los componentes
decorativos. El contenido de magnesio se mantiene bajo la presión de las aleaciones
de fundición para evitar la fragilidad. La presencia de magnesio aumenta las
pérdidas de la oxidación del aluminio líquido.
Hierro. Niveles de 0,9-1,0% de Fe se utilizan en la presión de las aleaciones de
fundición a para evitar que se pegue. Un alto contenido de Fe disminuye la
ductilidad, la resistencia a los golpes y la maquinabilidad. Según el diagrama de
fases la mayor parte del hierro se mantiene en la fase líquida hasta el eutéctico de
solución sólida más inter metálico de partículas constituyentes que contienen
una estructura cristalina monoclínica congelada.
Manganeso. Mejora la solidez del bastidor en más de un 0,5%. El Mn controla la
formación de hierro intermetálico en la aleación, lo que mejora la ductilidad y
características de la contracción. Forma precipitados.
Níquel. Cuando se combina con Cu, mejora la resistencia y la dureza a elevadas
temperaturas. Caso especial.
Zinc. Cuando se combina con cobre y magnesio, las características tratamientos
térmicos y el envejecimiento natural son mejoradas. Mejora la fluidez pero pueden
ocurrir problemas de contracción.
Plomo. Mejora la maquinabilidad en los niveles sobre el 0,1%.
Titanio. Afinamiento de la estructura del grano cuando se combina con boro.
Fosforo. Afina la fase primaria del Si en las aleaciones hipereutécticas. En las
aleaciones hipoeutécticas bajos niveles de fosforo engruesan la estructura eutéctica
y reducen el efecto de los modificadores eutécticos de Na y Sr.
Estroncio. Niveles de 0,008-0,04% de Sr modifican la estructura del eutéctico Al-Si.
Sodio. Se usa como modificador de estructuras eutécticas.
Litio. Se usa en la industria aeronáutica. El litio de hasta el 3% mejora las
propiedades de las aleaciones de Al forjado. En general tiene un efecto perjudicial
sobre la conversión de propiedades mediante la reducción de la eficacia de los
modificadores de Na y Sr en niveles superiores al 0,5%. En niveles aún más bajos,
por encima del 0,01%, se experimentan problemas de porosidad.
MODIFICADORES: MICROESTRUCTURA
TITANIO-BORO
El titanio y el boro son usados para refinar los granos en aluminio primario. Si se usa sólo
Ti se formará el compuesto , que ayuda a las dendritas a nuclear del aluminio
primario. La nucleación de dendritas significa la obtención de granos más finos.
La eficiencia en la producción de un grano más fino es mayor cuando el titanio y el boro se
utilizan de manera combinados. Las aleaciones madre de aluminio con 5% de titanio y 1%
de boro se utilizan como aditivos para este propósito. Formando TiB2 y TiAl3, que en
conjunto son refinadores de grano más eficaces que el TiAl3 sólo. El refinador de grano
más eficiente para las aleaciones de Al Si tiene una relación más cerca de 1,5:1.
ESTRONCIO, SODIO, CALCIO Y ANTIMONIO
Estos elementos (uno u otro, y no en combinación) se añaden a las aleaciones de aluminio-
silicio de fundición eutéctica o hipo eutéctico para modificar la morfología de la fase del
silicio eutéctico. Sin ninguno de estos modificadores, el silicio eutéctico se solidifica en una
red continua relativamente gruesa. La morfología ofrece abundantes bandas de estrés y
por lo tanto limita el logro de la máxima resistencia y ductilidad. La modificación con uno
de los elementos mencionados producirá cambios del silicio eutéctico en una fibra fina o
estructura laminar (Figuras 2b y 2c).
MANGANESO Y CROMO
Solos o en combinación, manganeso (Mn) y/o cromo (Cr) cambian la morfología de la fase
rica en hierro Al5FeSi (Figura 3a) a partir de su forma típica de plaquetas/acicular a una
más cúbica formando (Figura 3b), que es menos perjudicial para la
ductilidad. Al igual que plaquetas/acicular de la fase Al5FeSi, la fracción de volumen y el
tamaño del cubo de la fase es también una función de los niveles de
concentración y la velocidad de solidificación. A mayores concentraciones de hierro,
manganeso y/o cromo son tolerables en las tasas de solidificación más altos.
TRATAMIENTO PARA ALEACIONES DE ALUMINIO FUNDIDO
Después de fundir las aleaciones de aluminio, el metal fundido debe ser tratado en el
siguiente orden:
Desgasificación: El aluminio fundido contiene cantidades indeseables de
hidrógeno, el cual causa defectos de porosidad en la fundición a menos que sean
removidos.
Refinamiento de grano: Las propiedades mecánicas de la fundición se puede
mejorar con el control del tamaño de grano del metal solidificado.
Modificación: La microestructura y las propiedades de las aleaciones se puede
mejorar mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertos elementos
"modificadores".
PICK-UP DE HIDROGENO GASEOSO EN ALUMINIO FUNDIDO
El hidrógeno tiene una alta solubilidad en el aluminio líquido que aumenta con la
temperatura de fusión, figura. 6.1, pero la solubilidad en aluminio sólido es muy baja, por
lo que a medida que la aleación se congela, el hidrógeno gaseoso es expulsado formando
poros de gas en la fundición. El hidrógeno en el metal fundido proviene de varias fuentes,
pero sobre todo del agua:
Vapor de agua de la atmosfera
Vapor de agua del quemador del combustible
Humedad de los revestimientos refractarios
Flujos de humedad
Aceites o carga de chatarra
Herramientas de fundición sucias o húmedas
Para reducir los altos pick de hidrógeno, los refractarios, crisoles, herramientas y desechos
aceitosos deben ser cuidadosamente precalentados para eliminar el agua. La llama del
quemador debe ser ligeramente oxidante para evitar el exceso de hidrógeno en los
productos de combustión. La temperatura de fusión debe ser lo más bajo. Aún tomando
estas precauciones el hidrógeno todavía estará presente.
La cantidad de porosidad que puede ser tolerada en una fundición está determinada por
el método de fundición y el uso final del componente. Si el metal se enfría con relativa
lentitud, como en un molde de arena, el gas eyectado puede acumularse en pequeñas
burbujas que se encuentran atrapados en el metal pastoso. Estas son entonces descubiertas
por cualquier posterior mecanizado u operación de pulido, y mostrar un "agujero", defecto
de la porosidad en la superficie terminada. La resistencia mecánica y rigidez de presión
también puede verse gravemente afectado.
Cuando el tipo de solidificación es más rápida las burbujas emergentes suelen ser
pequeñas y dispersas. Por lo tanto, afectara menos a las propiedades mecánicas y de hecho
suelen tener un efecto beneficioso en la compensación de falta de solidez en una posible
contracción localizada que podrían hacer que la fundición sea desechada.
DESGASIFICACION DE ALEACIONES DE ALUMINIO
El proceso de desgasificación consiste en burbujas de gases secas, inertes que a través de la
fusión reducirán el nivel de hidrógeno alrededor de 0,1 ml por cada 100 g. Las
solubilidades líquidos y sólidos del hidrógeno son diferentes en distintos sistemas de
aleación y un nivel de hidrógeno de 0,12 ml/100 g dará una fundición libre de porosidad
en LM4 (Al-Si5Cu3Mn0.5), mientras que en una aleación baja de silicio Al-Cu-Ni de
aleación BSL119 estará libre de porosidad en un 0,32 ml H2/100 g. Si los niveles de
hidrógeno se toman demasiado bajos, es difícil evitar algo de porosidad en las piezas de
fundición.
Se utiliza la desgasificación con nitrógeno seco o argón con una lanza o, preferiblemente,
un impulsor rotativo especialmente diseñado que garantiza una dispersión uniforme de
burbujas finas a lo largo de la masa fundida.
REFINAMIENTO DE GRANO DE ALEACIONES DE ALUMINIO
Refinamiento del grano aumenta la resistencia al desgarro en caliente, reduce los efectos
perjudiciales de la porosidad del gas y redistribuye la porosidad en las aleaciones de
aluminio. El tamaño de grano de una aleación depende del número de núcleos presentes
en el metal líquido a medida que comienza a solidificarse y de la tasa de enfriamiento. A
mayor velocidad de enfriamiento en general, promueve un tamaño de grano más
pequeño.
La adición de ciertos elementos de aleación de aluminio puede ofrecer núcleos de
crecimiento del grano. El titanio, en particular en asociación con el boro, tiene un efecto
nucleante de gran alcance y es el refinador de grano más comúnmente utilizados. Titanio
solo, añadido a razón de 0.02-0.15%, se puede utilizar, pero el efecto se desvanece en 40
minutos. La adición de boro con titanio produce granos más finos y reduce la
decoloración.
La desgasificación y el refinamiento de grano deben hacerse simultáneamente (esto es
porque las tabletas nucleantes pueden absorber humedad y en consecuencia aumentar
el contenido de hidrogeno).
MODIFICACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO
La composición de la aleación y la elección del proceso de fundición afectan a la
microestructura de la fundición de aleación de aluminio. La microestructura también
puede ser modificada por la adición de ciertos elementos de las aleaciones de silicio-
aluminio que mejoran la moldeabilidad, propiedades mecánicas y de maquinabilidad.
Fundido la arena y fundición de gravedad (coquilla) Aleaciones de frío de forma
relativamente lenta, lo que resulta en una estructura laminar gruesa placa eutéctica que va
en detrimento de la fuerza de las piezas. Cambio de la composición química de alterar la
microestructura se denomina "modificación". La adición de sodio o estroncio modifica el
reparto micro estructuras para dar finamente dispersas fibras eutécticas y la fractura
gruesa cristalina de la aleación se funde a una textura fina y sedosa. Estos cambios se
acompañan de una mejora considerable en las propiedades mecánicas de la aleación.
Modificación aumenta la resistencia de precipitación en caliente y las características de
aleación de la alimentación, la disminución de la porosidad.
Piezas fundidas a presión se enfrían rápidamente en el molde dando un tamaño de grano
pequeño con una estructura fina eutéctica, con dendritas pequeñas. La modificación de las
micro estructuras de fundición a presión también es posible y el silicio eutéctico laminar se
convertirá a una estructura de fibra fina.
Cuanto mayor sea el nivel de silicio en una aleación, mayor será la cantidad del elemento
modificador que se necesita para cambiar la estructura. Cuanto más rápida sea la
velocidad de enfriamiento, menor será la cantidad de modificador de la necesaria. Los
modificadores hipos eutécticos se basaron primero en el sodio y siguen siendo
ampliamente utilizados en la actualidad a pesar de "fade", la pérdida gradual de sodio con
el tiempo, puede conducir a problemas de control. El sodio tiene un efecto muy grande de
hipotermia por lo que es particularmente útil en procesos de colada, se enfría lentamente,
como la fundición en arena. Debido a su reactividad, el sodio es envasado al vacío en
envases de aluminio para la adición conveniente.
El estroncio como un modificador tiene la ventaja sobre el sodio de que es menos reactivo
y se puede añadirse en forma de aleaciones maestras para tener un control preciso sobre
las adiciones y su desaparición sólo se produce durante un período de varias horas, pero
es menos eficaz en la sección pesada piezas de fundición.
Aleaciones híper eutécticas deben ser modificadas con el fósforo, lo que resulta en una
multa de tamaño de partículas de silicio primario.
Tratamientos Térmicos
El tratamiento más usado es la T6, solución tratada térmicamente y envejecimiento
artificial.
Muchas aleaciones son usadas en condiciones As-cast, pero algunas aplicaciones requieren
mayores propiedades que el material en bruto de la colada. La elasticidad de piezas de
fundición de la aleación Al-SI7 Mg (LM25), por ejemplo, puede ser más del doble de un
tratamiento térmico completo. Para la arena, la gravedad y piezas fundidas a baja presión,
todos los tratamientos son posibles, aunque no todos están estandarizados. Piezas
fundidas a presión no son tratadas en solución y templadas de la misma manera como en
la arena y fundición de molde permanente. La mayoría de piezas fundidas a presión
contienen burbujas de aire o gas del lubricante que “mueren” atrapados en el metal, ya
que se inyecta en el molde. Si las coladas son tratadas en solución, las burbujas de gas
atrapadas pueden causar “erupciones” y la distorsión en la superficie de la fundición. Las
piezas fundidas a presión son realizadas con procesos especiales, tales como fundición a
presión de vacío o presión de fundición, contienen menos gas y la solución puede ser
tratada.
Todas las piezas fundidas a presión pueden ser templadas en la matriz, tratadas por
precipitación y alivio de tensiones sin sufrir efectos perjudiciales.
Tratamiento térmico en el Horno
Algunos tratamientos térmicos se llevan a cabo cerca del punto de fusión de las piezas de
fundición para controlar la temperatura exacta que se necesita. La circulación de aire
forzado dentro del horno se utiliza para garantizar que la temperatura de todas las piezas
es constante.
Alivio de tensiones y recocido (TS)
Las fundiciones que poseen cambios de sección o tienen formas complejas son propensas a
desarrollar tensiones internas en el molde o se destruyen a causa del enfriamiento
diferencial. Las tensiones pueden ser liberadas cuando la fundición es a máquina,
causando cambios dimensionales.
Para eliminar las tensiones internas, las piezas se calientan a una tempera 200°C durante 5
horas seguido de un enfriamiento lento en el horno.
Tratamiento de soluciones (TB)
Las fundiciones se calientan a temperaturas justo por debajo de la temperatura de fusión
durante mucho tiempo para tomar los componentes de aleación en solución sólida. Las
piezas fundidas son luego rápidamente enfriadas a temperatura ambiente para conservar
los elementos de solución. Agua (a menudo caliente) o se utilizan temples. Los tanques de
enfriamiento se colocan cerca del horno para asegurar un enfriamiento rápido.
Solución tratada y estabilizada (TB7)
La solución tratada es seguida por un recocido para aliviar las tensiones.
Tratamiento de precipitación (TE)
La precipitación controlada de los componentes de una aleación es promovida por un
calentamiento de la fundición a una temperatura entre 150-200°C durante un tiempo
adecuado. La fuerza y la dureza se incrementan. Con piezas de fundición en frío (hecho en
dados), es posible obtener un cierto aumento en la fuerza de los componentes de piezas en
bruto por el tratamiento de precipitación desde el enfriamiento rápido de la matriz que
conserva algunos de los componentes de la aleación en solución. El tiempo del tratamiento
es importante, ya que demasiado tiempo a una temperatura dará lugar a una reducción en
las propiedades mecánicas. Cada aleación posee un ciclo de tratamiento térmico óptimo,
se dan ejemplos en la tabla siguiente.
Solución tratada, templada, tratada por precipitación y estabilizada (TF)
Las fundiciones utilizadas a temperaturas elevadas, tales como pistones, pueden
beneficiarse de un tratamiento de estabilización a 200-250°C después del tratamiento de
precipitación. A veces ocurre una reducción en las propiedades mecánicas.
Edad de endurecimiento y envejecimiento artificial.
Algunas aleaciones de fundición mejoran su resistencia y dureza mientras pasa a la
temperatura ambiente. El proceso puede tardar varias semanas, pero puede acelerarse por
el calentamiento por encima de la temperatura ambiente.
