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• Luis Angel Moreno Escutia

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Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

Departamento de Ingeniería Metalúrgica

Metalurgia de aleaciones colada base aluminio

Enseñanza Experimental

Informe de: “Utilización de refinador, modificador y tratamiento de limpieza en moldes metálicos y moldes de arena.”

N° de Práctica: 3 Nombre del Alumno: Luis Angel Moreno Escutia Nombre del Profesor: Héctor Israel Quiroga Herrera Grupo: 1 Fecha de entrega: 07 de Diciembre del 2017

1. Marco Teórico. La combinación única de propiedades que presentan el aluminio y sus aleaciones, hacen de este material uno de los más versátiles, económicos y atractivos para una amplia gama de usos y aplicaciones; desde la fabricación de papel de aluminio para embalajes y usos domésticos hasta aplicaciones de ingeniería más exigentes, como ser en fuselajes de aeronaves. Las aleaciones de aluminio ocupan el segundo lugar (con respecto a los aceros) en los materiales que se utilizan con fines estructurales y junto con la alta resistencia en algunas aleaciones de aluminio (próxima o similar a la de algunos aceros estructurales), permite la construcción de estructuras ligeras y resistentes, particularmente ventajosas en vehículos espaciales, aviones, como en todo tipo de vehículos terrestres y náuticos. El aluminio tiene una excelente conductividad eléctrica y térmica, pero algunas aleaciones específicas se han desarrollado con altos grados de resistividad eléctrica. Estas aleaciones son útiles, por ejemplo, motores eléctricos de alto par de torsión. El aluminio se selecciona a menudo por su conductividad eléctrica, que es casi el doble que la del cobre. Los requisitos de alta conductividad y la resistencia mecánica a veces son necesarios en las líneas de alta tensión. La conductividad térmica de las aleaciones de aluminio, aproximadamente 50 a 60% que la del cobre, es ventajosa en intercambiadores de calor, evaporadores, aparatos de calefacción eléctricos, radiadores, etc. La facilidad con la que se puede fabricar en cualquier forma es uno de sus atractivos más importantes. A menudo puede competir con éxito con materiales más baratos que tienen un menor grado de maquinabilidad. Puede ser colado por cualquier método de fundición y se puede laminar a cualquier espesor. Cuando es fabricado en forma de finas hojas, estas pueden ser estampadas fácilmente (por ejemplo tapas de botellas de licores), dibujadas, giradas o enrolladas sin sufrir deterioro alguno. También puede ser martillado o forjado. Los alambres de aluminio, elaborados a partir de barras, pueden ser trenzados en cables de cualquier tamaño y tipo. No hay casi ningún límite a los diferentes perfiles (formas) en las que el metal puede ser extrudido. Para el estudio del aluminio se tiene dos categorías respectivamente las cuales son: I.-Aleaciones de aluminio para proceso de conformado mecánico II.-Aleaciones de aluminio para proceso de fundición

I.- Aleaciones de aluminio por proceso de conformado mecánico Las aleaciones por proceso de conformado mecánico son distintas al proceso de fundición, ya que su clasificación varía con respecto a las modificaciones que se le hicieron a la aleación.

Figura 1. Clasificación de aleaciones de Al por proceso de conformado mecánico En los grupos 2xxx a 8xxx los dos últimos dígitos de la designación no tienen un significado especial, sino que sirven únicamente para identificar las diferentes aleaciones de aluminio en el grupo. El segundo dígito en la designación de la aleación indica las modificaciones de la aleación. Si el segundo dígito en la designación es 0, indica que es la aleación original; los enteros de 1 a 9, que se asignan consecutivamente, indican modificaciones de la aleación. Cada aleación tiene diferentes propiedades mecánicas las cuales se tiene que describir por la aleación a estudiar La serie 1XXX. – Alta resistencia a la corrosión, baja resistencia, pobre maquinabilidad, Alta conductividad eléctrica y térmica. 2XXX. – Relativamente baja resistencia a la corrosión, tratable térmicamente. 3XXX. – De baja a mediana resistencia, buena resistencia a la corrosión, pobre maquinabilidad. 4XXX. – No disponible como producto extruido 5XXX. – De baja a moderada resistencia, Excelente resistencia a la corrosión marina, Muy buena soldabilidad. 6XXX. – La más popular del grupo de aleaciones para extrusión. Buena extracción, buena resistencia, buena resistencia a la corrosión, buena maquinabilidad, buena soldabilidad, tratable térmicamente. 7XXX. – Muy alta resistencia, buena maquinabilidad, tratable térmicamente. 8XXX. – Otros elementos. Por ejemplo hierro y silicio.

II.-Aleaciones de aluminio por proceso de fundición Las aleaciones por este proceso tienen características especiales las cuales son: Buena fluidez para el llenado de secciones finas Punto de fusión bajo en comparación con los requeridos para muchas otras transferencias de metales, proporcionando ciclos de fundición más cortos. El hidrogeno es el único gas con solubilidad en el aluminio el cual nos puede causar ciertos defectos en las piezas, es por eso que se utiliza control del mismo ya sea por gases inertes (desgasificación) o sales. Muchas aleaciones de aluminio están relativamente libres de grietas y tendencias al desgarro. Una estabilidad química cuando se está fundiendo Acabo superficial lustroso y pocas imperfecciones

Figura 2. Clasificación de aleaciones de Al por proceso de fundición Hay diferentes formas de procesar el aluminio por un proceso de fundición, los cuales son los siguientes. Molde permanente - permanent mold Molde de arena en verde-green sand mold Molde de arena seca-dry sand Colada en molde cerámico-investment and plaster casting Colada a presión-die casting Colada centrifuga-centrifugal casting Molde evaporable o perdido-lost foam Colada a baja presión-low pressure casting Colada al vacío - vacuum casting

Colada contragravedad-Counter gravity casting Las aleaciones más usadas en la industria son las que contienen Cu, Cu-Si, Si, Mg, Zn, Sn y Li los cuales son de una matriz base aluminio. Aleaciones Al-Si (serie 3XX.X) Las aleaciones de la serie 3XX.X tiene propiedades mecánicas bajas con respecto a la resistencia tensión y a la corrosión..

Figura 3. Composición de aleaciones Al-Si más comunes. Las propiedades mecánicas de las aleaciones Al-Si dependen principalmente de la forma, tamaño y distribución de la fase formada por el Si. Tratamientos del metal líquido Refinación: La refinación del grano es la incorporación de agentes nucleante para modificar el tamaño del grano (macro-ataque) para poder así obtener un tamaño de grano pequeño (tamaño con respecto #ASTM). Las aleaciones maestras de mayor uso como refinadores de grano son aluminio-titanio (Al-Ti), aluminio-boro (Al-B) y aluminio-titanio-boro (Al- Ti-B), este último de los más comunes. Los tres principales métodos para el refinamiento de grano en las aleaciones de aluminio son:   

Enfriamiento Agitación (mecánica rápida, electromagnética y vibración ultrasónica) durante la solidificación. Adición de refinador de grano.

En el primer método, la estructura fina del grano es formada durante el vaciado debido a la reducción del crecimiento de grano durante el proceso de solidificación, el gradiente de temperatura entre la pared de la lingotera y la fase sólida es un factor determinante buscando que este sea lo mayor posible.

El segundo método de refinamiento de grano se lleva a cabo mecánicamente con una ruptura de las dendritas recientemente formadas y aún en un estado semi-sólido (pastoso), normalmente el grado de refinamiento depende de la energía de entrada dentro del mismo metal solidificado.

El tercero es el método más usado en la industria, donde se adiciona un agente nucleante en forma de una aleación maestra o sales. El refinamiento de grano obtenido durante la solidificación puede ser en función del subenfriamiento (ΔT) que se produce durante el enfriamiento del metal al pasar de un estado líquido a un estado sólido. Cuando hay un gran número de agentes nucleante tendremos un bajo ΔT, que significa una mayor eficiencia de la aleación maestra lo cual se obtendrá un tamaño de grano pequeño.(Figura 4)

Figura 4. Parte de la curva de enfriamiento relativa a la solidificación primaria de aleaciones de aluminio. Modificación El proceso de modificación ocurre al cambiar la estructura de la fase de silicio la cual su grano puede terminar en punta y modificarla para que termine en forma casi circular, de modo que se tenga una mayor concentración de la misma en la pieza a tratar. Los modificadores tales como sodio o estroncio tienden a reducir la tensión interfacial entre las fases eutécticas. La reducción en la tensión interfacial incrementa el ángulo de contacto entre el aluminio y el silicio, permitiendo al aluminio cubrir y detener el crecimiento del cristal de silicio. Esto depende de las condiciones de crecimiento, velocidad de la interfase y gradiente de temperatura, y la concentración del caldo, la fase de menor importancia del silicio puede adoptar una variedad de morfologías. A bajas velocidades de enfriamiento el silicio se presenta grueso, y como laminillas

aciculares interconectadas. Estas laminillas actúan como iniciadoras de grietas, y consecuentemente, el material falla de una forma frágil. El efecto del modificador con respecto a un análisis térmico se puede apreciar en la figura 5, la cual nos representa la disminución de la temperatura de solidificación, la cual afecta a la fase de silicio mencionada anterior mente.

Figura 5. Parte de la curva de enfriamiento relativa a la región eutéctica Al-Si. 2. Objetivo Evaluar el efecto que tiene la velocidad de enfriamiento en el tamaño de la aleación A 356 para terminar si es necesario aplicar tratamiento de refinación de grano Evaluar la eficiencia de la modificación en base a la microestructura Evaluar la eficiencia del tratamiento de refinación de grano en base al análisis macroestructural. 3. Proceso experimental 1.-Fabricación de 6 lingotes de la aleación A356 para su uso. 2.-Cortar cada uno de los lingotes por la mitad para obtener 12 pequeños lingotes los cuales deben de tener el tamaño adecuado para introducirse en los crisoles y pesar cada uno de los lingotes. 3.-Establecer un % de refinación y % modificación para todas los lingotes(De preferencia hacer una tabla en Microsoft Excel). 4.-Establecer un método de preparación para cada uno de los lingotes utilizando: Fundente de limpieza, Modificador, Refinador, Molde metálico y molde de arena. 5.-Fundir cada uno de los lingotes con su respectivo método de preparación (ejemplo pieza 1. Limpieza y molde de arena).

6.-Obtencion de fotos metalográficas para cada pieza (Micro ataque y Macro ataque) 7.-Evaluar cada una de las micro y macro estructuras de cada pieza.

4. Resultados Pieza de llegada (Sin tratamiento de Limpieza, sin modificador y sin refinador) presentación en Lingote

Foto 1: Pieza de llegada a 100X

Foto 2: Pieza de llegada a 100X

Foto 3: Pieza de llegada con macro ataque ataque

Foto 4: Pieza de llegada con macro

Pieza 1.- Molde metálico (Con tratamiento de Limpieza, sin modificador y sin refinador)

Foto 5: Pieza 1 a 50X

Foto 6: Pieza 1 a 100X

Foto 7: Pieza 1 Macro Ataque

Pieza 2.- Molde de arena (Con tratamiento de Limpieza, sin modificador y sin refinador)

Foto 8: Pieza 2 a 100X

Foto 9: Pieza 2 a 100X

Foto 10: Pieza 2 con Macro Ataque

Pieza 3.- Molde de arena (Con tratamiento de Limpieza, con modificador y sin refinador)

Foto 11: Pieza 3 a 100X

Foto 12: Pieza 3 a 400X

Pieza 4.- Molde metálico (Con tratamiento de Limpieza, con modificador y sin refinador)

Foto 13: Pieza 4 a 100X

Foto 14: Pieza 4 con Macro Ataque

Pieza 5.- Molde de arena (Con tratamiento de Limpieza, con modificador y con refinador)

Foto 15: Pieza 5 a 100X

Foto 16: Pieza 5 con Macro Ataque

Pieza 6.- Molde metálico (Con tratamiento de Limpieza, con modificador y con refinador)

Foto 17: Pieza 6 a 100X

Foto 18: Pieza 6 con Macro Ataque

Pieza 7.- Molde de arena (Con tratamiento de Limpieza, sin modificador y con refinador)

Foto 19: Pieza 7 a 100X

Foto 20: Pieza 7 con Macro Ataque

Pieza 8.- Molde metálico (Con tratamiento de Limpieza, sin modificador y con refinador)

Foto 21: Pieza 8 con Macro Ataque

5. Análisis de resultados  Pieza de llegada vs pieza 1 y pieza 2: Pieza 1 Metalografía.- Se puede apreciar en la foto 5 y 6, como la fase eutéctica, en la pieza tiene un arreglo dendrítico más ordenado (pareciendo que tiene un bajo nivel de modificador), esto es debido al enfriamiento que tuvo en molde metálico, ocasionando que la fase eutéctica no nucleara de forma normal y dispersa. Ya que en la pieza de llegada tenemos dendrita segregada en la fase eutéctica. Macro ataque.- En la pieza de llegada tenemos un grano de #ASTM de 7 el cual pudo formarse por un enfriamiento lento y en la foto 7 tenemos un tamaño de # ASTM de 1.5 con lo cual nos dice que el enfriamiento fue súbito por las paredes del molde metálico. Pieza 2 Metalografía.- Las fotos 8 y 9, en la fase eutéctica de la pieza tiene un arreglo dendrítico ligeramente ordenado (pareciendo que tiene un bajo nivel de modificador o tuvo una mala agregación del modificador), esto es debido al enfriamiento que tuvo en molde de arena ocasionando que se pareciera la metalografía a la pieza de llegada pero, teniendo un enfriamiento ligeramente rápido en la parte superior. Macro ataque.- En la pieza de llegada tenemos un grano de #ASTM de 7 el cual pudo formarse por un enfriamiento lento y en la foto 10 tenemos un tamaño de # ASTM de 1.5, ya que tuvo en la parte superior del molde una abertura el metal solidifico de manera rápida, ocasionando que creciera el grano a ese tamaño. Pieza 1 vs pieza 2: Metalografía.- Las fotos 5 y 6, en la fase eutéctica de la pieza 1 tiene un arreglo dendrítico más ordenado debido al molde metálico utilizado, para que así la solidificación de la pieza fuera de manera más rápida, con lo cual la fase eutéctica tuviera un mejor acomodo dendrítico en comparación con las fotos 8 y 9, las cuales se parecen casi a la pieza de llegada Macro ataque.- En comparación de la foto 7 con la foto 10 es casi igual el tamaño del #ASTM, el cual es 1.5.

 Pieza de llegada vs pieza 3 y pieza 4: Pieza 3 Metalografía.- Se puede apreciar en las fotos 11 y 12, como la fase eutéctica, en la pieza tiene un arreglo dendrítico más ordenado, esto es debido a la agregación de modificador al metal líquido, teniendo en cuenta que la fase eutéctica tendrá un arreglo dendrítico con mejor propiedades mecánicas que la pieza de llegada. Macro ataque.- No se cuenta con foto de macro ataque de la pieza 3 para compararlo con la pieza de llegada Pieza 4 Metalografía.- La foto 13, en la fase eutéctica de la pieza tiene un arreglo dendrítico ligeramente mejor que la pieza de llegada, ya que se agregó modificador a la pieza y teniendo un arreglo dendrítico mejor que la pieza de llegada. Macro ataque.- En la pieza 4 tenemos un grano de #ASTM de 4 el cual se puede apreciar como el modificador tuvo una pequeña influencia en el grano ocasionado que se retardara la solidificación y ayudando a que el grano pasara a un tamaño más pequeño, que la pieza de llegada el cual tiene un# ASTM de 1.5. Pieza 3 vs pieza 4: Metalografía.- La foto 11 en comparación con la foto 13, en la fase eutéctica de la pieza 3 tiene un arreglo dendrítico más ordenado debido al molde de arena utilizado, para que así la solidificación de la pieza fuera de manera más lenta, con lo cual la fase eutéctica tuviera un mejor acomodo dendrítico en comparación con la foto 13. Macro ataque.- No se cuenta con foto del macro ataque de la pieza 3 para compararlo con la pieza 4  Pieza de llegada vs pieza 5 y pieza 6: Pieza 5 Metalografía.- Se puede apreciar en la foto 15, como la fase eutéctica, en la pieza tiene un arreglo dendrítico más ordenado, esto es debido a la agregación de modificador al metal líquido, teniendo en cuenta que la fase eutéctica tendrá un arreglo dendrítico con mejor propiedades mecánicas que la pieza de llegada y se puede apreciar mejor que la pieza 5 esta modificada

Macro ataque.- Ya que se agregó un refinador de grano a la pieza, se puede ver como cambio el tamaño de grano de un #ASTM de 1.5 a un # ASTM de 7 a 11 aproximadamente en la foto 16 Pieza 6 Metalografía.- La foto 17, en la fase eutéctica de la pieza tiene un dendrítico ligeramente mejor que la pieza de llegada, ya que se modificador a la pieza, pero llega a parecerse a la pieza de llegada, ocasionado a que el molde metálico tuvo efecto en la nucleación de eutéctica impidiendo que la fase eutéctica se nucleara de manera lenta

arreglo agregó eso es la fase

Macro ataque.- En la pieza 6 en la foto 18 tenemos un grano de #ASTM de 7 a 11con el cual se puede ver como el refinador de grano influyo mucho en el crecimiento de grano ya que se tiene un grano parecido al de la pieza de llegada. Pieza 5 vs pieza 6: Metalografía.- La foto 15 en comparación con la foto 17, en la fase eutéctica de la pieza 5 tiene un arreglo dendrítico más ordenado debido al molde arena utilizado, para que así la solidificación de la pieza fuera de manera más lenta, con lo cual la fase eutéctica tuviera un mejor acomodo dendrítico en comparación con la foto 17. Macro ataque.- Se puede ver que el # ASTM de cada pieza es del 7 al 11 en tamaño de grano. Por lo cual se puede tener el mismo tamaño de grano aunque se tenga diferente tipo de molde.  Pieza de llegada vs pieza 7 y pieza 8: Pieza 7 Metalografía.- Se puede apreciar en la foto 19, como la fase eutéctica, en la pieza tiene un arreglo dendrítico ordenado, aunque ya no cuente con modificador. Macro ataque.- Ya que se agregó un refinador de grano a la pieza 7, se puede ver como el tamaño de grano es parecido al tamaño de grano de la pieza de llegada ya que una parte tiene un# ASTM de 7 a 11 y en una parte tiene un #ASTM de 4. Esto es debido a que donde tiene un #ASTM de 4 tuvo una solidificación más rápida ya que estuvo expuesto a la intemperie. Pieza 8 Metalografía.- No se cuenta con foto de la microestructura de la pieza 8 para comparar con la pieza de llegada.

Macro ataque.- En la pieza 8 tenemos un grano de #ASTM de 7 a 11 ya que es parecido al tamaño de grano de la pieza de llegada y en algunas partes se tiene un # ASTM de 4 debido a la solidificación que tuvo por la exposición del metal a la intemperie. Pieza 7 vs pieza 8: Metalografía.- No se cuenta con metalografía de la pieza 8 para comparar con la pieza 7 Macro ataque.- Se puede observar que la foto 20 comparada con la foto 21 tiene un #ASTM de grano de 7 a 11 entre las dos y en ciertas secciones también se tiene un # ASTM de grano 4 por la exposición que tuvo el metal a la intemperie. 6. Conclusiones.  El agregar modificador, refinador y sobre todo también tratamiento de limpieza a la pieza de colada puede influir muy fuertemente a las propiedades mecánicas de la pieza a tratar.  Cada una de ellas es importante y esencial para poder tener un acabado de pieza con los requerimientos necesario para cumplir con las especificaciones del cliente y algunas veces no es necesario agregar uno o varios de los elementos que modifiquen ya sea el grano o la fase eutéctica, ya que se puede controlar ciertas cosas con la solidificación (ya sea molde metálico o molde de arena).