00 Influencia y Control Aluminio 1-Hh Ppt (1)

CURSO INFLUENCIA Y CONTROL DE DEFECTOS EN ALEACIONES DE Al-Si

Profesor: Aguedo Enrique Arteaga - 1

1. ALUMINIO Y SUS ALEACIONES.

Propiedades y su estructura cristalina.

Se considera que toda la materia est compuesta de sustancias unitarias conocidas como elementos qumicos, que son las unidades ms pequeas que pueden distinguirse con base en su actividad qumica y propiedades fsicas. Los elementos estn constituidos por tomos que tienen una estructura distinta, caracterstica de cada elemento. El aluminio es un elemento metlico de color blanco argentino, que funde a 659,8 C y hierve a 2270 C. Aparte del magnesio, es el ms ligero de los metales corrientes; su densidad es 2,70 g/cm3. Es el tercer elemento abundante en la naturaleza Tabla 1. Es dctil y maleable, entre 100 C y 150 C puede ser laminado y forjado como convenga, pero al acercarse a su punto de fusin se vuelve quebradizo y frgil. Comparando alambres de igual seccin, la conductividad (elctrica) del aluminio viene a ser 2/3 de la del cobre. Sin embargo, como el aluminio es mucho ms ligero que el cobre, de dos alambres de igual longitud y peso, el mejor conductor es el alambre de aluminio por presentar una seccin transversal mucho mayor en comparacin a la del alambre de cobre. Como los tomos tienden a adoptar posiciones relativamente fijas, esto da a lugar a la formacin de cristales en el estado slido. La estructura de este cristal corresponde, a la de una agrupacin compacta de esferas iguales que se disponen de manera que forman una red cristalina, Figura 1. (a) y (b), formada por los enlaces de los tomos en una sucesin de celdas unitarias.



Tabla 1. Abundancia de elementos en la naturaleza.

(a) Red cristalina en 3D. Las estructuras cristalinas HC y CCC. Los tomos estn representados por esferas. En la estructura CCC, se ha cortado un vrtice para exponer un plano compacto y mostrar su orientacin entro del cubo.



(b) Celda unitaria, estructura cristalogrfica del aluminio (FCC),

(c) Agrupacin compacta de esferas iguales que se disponen de manera que forman una red cristalina vista en el plano

d) La naturaleza de los tomos metlicos con la formacin de enlaces conforma la celda unitaria, que agrupadas conforman la red cristalina.

Figura 1.1. Estructura cristalina



Las escalas fsicas asociadas a las dendritas en el proceso de solidificacin de una aleacin se esquematizan en la siguiente figura 1.2.

Figura 1.2. En esta figura se presenta la visin magnificada de las regiones del slido, de la zona pastosa, y del lquido, donde encontramos un nmero importante de estructuras microscpicas; todas ellas, caracterizadas por diferentes escalas y por diferentes dinmicas de crecimiento.



Aleaciones Aluminio Silicio A 356.0.

El aluminio en su estado puro es un material con baja resistencia mecnica a la traccin, entre 10.000 y 13.000 psi., equivalente a 7,0 y 9,2 Kg/mm2. Al alearlo con diferentes elementos puede alcanzar valores que llegan hasta 68.000 psi (47,9 Kg/mm2) en el caso con 4 % de Cu, principalmente.

Aleacin Al-Si 356.0.

Para el caso de esta aleacin, donde el principal elemento de aleacin es el silicio con un contenido que va de 6,5 a 7,5 %, de acuerdo a la Norma ASTM B-108-03 debe tener una resistencia a la traccin de 38,0 Ksi (38.000 psi); para llevar este valor a kg/mm2, se divide entre 1420 y se obtiene 26,8 kg/mm2 de esfuerzo mximo. Adems su porcentaje de deformacin mnimo debe ser 5%.



1.2. Diagrama binario de las aleaciones Al Si.

Diagramas Binarios.

Figura 1.3 Diagrama binario.

El diagrama binario general mostrado en la figura 1.3, sirve para estudiar las transformaciones que se dan durante la solidificacin de la aleacin, este diagrama es un como un mapa que indica los cambios de temperatura de fusin y solidificacin de las aleaciones en funcin del contenido de cada elemento, as como las fases que se forman en las respectivas aleaciones, el estudio morfolgico microestructural se realiza en base a las siguientes caractersticas, referidas a esta figura:



1.- Los metales y las sustancias puras, pueden solidificar de manera planar o de manera dendrtica, las cuales han sido sealadas con la letra (a); 2.- Las soluciones slidas, sealadas con la letra (b), cuya solidificacin dendrtica puede contener precipitacin interdendrtica o puede no contenerla; 3.- Las aleaciones que solidifican en dos etapas, sealadas con la letra (c), donde habr dendritas junto a precipitacin interdendrtica que puede ser peritctica o eutctica; 4.- Las aleaciones de composicin peritctica, sealadas con la letra (d), cuya solidificacin pudiera englobarse en la letra (c), pero que debido a que durante el enfriamiento despus de la solidificacin sufre la transformacin peritctica, se ha realizado su separacin, y 5.- Las aleaciones de composicin eutctica, sealadas con la letra (e), cuyo crecimiento puede ser cooperativo o no cooperativo.



Diagrama Al Si.

Figura 1.4. Diagrama binario Aluminio-Silicio

Para el caso de las aleaciones de base aluminio, se encuentran los siguientes hechos: en las aleaciones hipoeutcticas del sistema binario aluminio-silicio, en su distribucin en el lquido, el silicio se comporta como si sus racimos tuvieran mayor densidad que la matriz; mientras que las aleaciones hipereutcticas, el gradiente de concentracin de los racimos de silicio tienen un comportamiento de menor densidad que la matrz. Para explicar estos hechos, se ha postulado que en las aleaciones hipoeutcticas el silicio est presente en forma de racimos del compuesto (Al-Si) y que en las aleaciones hipereutcticas, los racimos son de silicio elemental.



En el sistema binario aluminio-silicio, Figura 1.4., la distribucin del silicio en las aleaciones hipoeutcticas e hipereutcticas, se puede controlar mediante modificacin; para las aleaciones hipoeutcticas, es a travs de la inoculacin del lquido con estroncio; y para las hipereutcticas es con fsforo. Figura 1.5 y 1.6

Figura 1.7. Aleacin comercial fundida aluminio-silicio. b.-) Aleacin hipoeutctica, (1,65-12,6 % Si) 150x. c.-) Aleacin eutctica (12,6 %). c.-) Aleacin hipereutctica (Si> 12,6 %)



a) Cristales de silicio sin modificar de una aleacin A-356, despus de un profundo ataque qumico. 3a.- X 100, 3b.- X1000. Formas acicular tipo hojilla.

b) Cristales de silicio modificados de una aleacin A-356, despus de un profundo ataque qumico. 3a.- X 100, 3b.- X1000. Formas redondeadas.

Figura 1.8. a) Silicio sin modificar y b) modificado.



1.3. Transferencia de calor: conduccin, conveccin y radiacin.

TRANSFERENCIA DE CALOR Los mtodos de transferencia de calor se analizan en base a tres leyes que son:

a.) Fourier, para transferencia de calor por conduccin, de acuerdo a la expresin:

)()(

12

12.

xx

TTkAqcond

=

b.) Newton, para la transferencia de calor por conveccin, descrita por:

)( 12. TThAqconV = c.) Stefan Boltzman, para la transferencia de calor por radiacin:

)( 4241. TTAqrad =

Donde A es la superficie de transferencia de calor y T1 y T2 son las temperaturas de los medios, K, y son constantes de

transferencia de los medios. Se ve que el calor transferido por unidad de rea, A, es proporcional a los siguientes parmetros:

Al gradiente de temperatura, cuando es conduccin; a la diferencia de temperaturas entre una superficie a una temperatura y el fludo a otra temperatura, cuando hay conveccin, y la diferencia de temperaturas en grados absolutos, para la radiacin. Los coeficientes de proporcionalidad, respectivamente son: de conduccin trmica k; de transferencia de calor, h; y las constantes de Stefan-Boltzman y la de emisividad.



El vaciado tanto de piezas como de lingotes es el proceso industrial que requiere de la transformacin lquido-slido, cuando no hay fuente externa de calor caracterizado porque a medida que se produce el enfriamiento, siempre hay flujo continuo de calor del sistema metal-molde hacia el medio que lo rodea, el cual tambin est variando continuamente con el tiempo. En la figura 1.9 se representa (1) el flujo de calor en un lingote cuando se solidifica. De manera simplificada, se esquematiza en la figura 2.24 (11,12). El modelo usado en la mayora de los anlisis.

Figura 1.9. Transferencia de calor en un molde.

La integridad estructural de las piezas vaciadas est ntimamente ligada a su historia tiempo-temperatura de solidificacin; en consecuencia, el conocimiento de la velocidad a la cual el metal o la aleacin solidifican y la distribucin de temperaturas a travs de la seccin tanto de molde como del metal, es de extrema importancia para el control de parmetros industriales de proceso como son: solidificacin direccional; ubicacin y tamao de mazarotas; sistemas de entrada al molde; generacin de esfuerzos de solidificacin; tiempos de desmoldeo; y velocidades de produccin y profundidad de la piscina de lquido en colada continua.



CALOR LATENTE

Recordemos algunos conceptos bsicos de aplicacin termodinmica como son: Capacidad Calorfica de un sistema como la cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura del sistema en 1 C. Calor Especfico de una sustancia es definida como la cantidad de calor requerida para aumentar en 1 C la temperatura de un gramo de sustancia. Calor de Transformacin es el cambio en entalpa producido cuando 1 mol de sustancia sufre un cambio fsico especfico (fusin, evaporacin, modificacin alotrpica). Calor de Solucin es el cambio en entalpa que se produce cuando una sustancia se disuelve en otra, el cual depende de la concentracin de la solucin. El calor de solucin aumenta a medida que decrece la concentracin de la solucin. Usualmente se considera que el calor de solucin es el cambio en entalpa producido cuando se aade un mol de solucin para formar una solucin de una determinada concentracin (calor integral de solucin). Cuando el soluto es aadido a un gran volumen de solucin de una composicin particular y no produce cambios significativos en la composicin qumica de dicha solucin, se le llama calor parcial o calor diferencial de solucin.

El mayor problema en solidificacin es el de la remocin tanto del calor de sobrecalentamiento como del calor latente de transformacin y posterior enfriamiento a la temperatura de ambiente requerida, dada por la expresin:

[ ])()( TfTcCpHTaTfCpmQ liqsoltotal ++=

Donde: m = la masa del lquido; Cpsol = el calor especfico medio del slido; Tf =Temperatura de fusin o solidificacin Ta = Temperatura ambiente o requerida Tc = Temperatura de colada H = el calor latente de fusin/solidificacin por unidad de masa; y Cpliq = el calor especfico del lquido



Ejercicio: Utilizando los datos que se tienen en la tabla de calores latentes, tenemos que para fundir una tonelada de aluminio el siguiente planteamiento: Primero llevamos los 1000 kg a moles, ya que los valores vienen referidos a moles.

molg

molkggkgmolesN 078.37

97,261

*1000*1000 ==

++= C

molCcal

molcalC

molCcal

molQtotal )660720(.

0,72550)35660(.

80,6078.37

Kcal 267.705cal 7,2267.704.85 ==totalQ



Tabla 2. Calores latentes y especficos de algunos metales.

H Calor Latente de

fusin/solidificacin (cal/mol)

Cp Calor

especfico medio del

slido (cal/C.mol)

Cp Calor

especfico del lquido

(cal/C.mol)

Peso molecular

(gr/mol)

Temperatura de fusin

(C)

Aluminio

2550

6,80

7,0

26,97

660

Cobre

3110

6,66

7,5

63,57

1083

Hierro

3560

8,28

8,15

55,85

1537



2. SOLIDIFICACIN: NUCLEACIN Y CRECIMIENTO.

SOLIDIFICACIN Solidificacin es el proceso mediante el cual un slido crece a expensas de un lquido con el que est en contacto. Involucra los eventos de nucleacin y de crecimiento de una nueva fase cuya interfaz slido-lquido avanza continuamente, donde en ella se producen cambios bruscos en la estructura de esa intercara. En general, los productos metlicos se originan en una primera etapa en estado lquido, luego del cual se pasa al estado slido mediante moldes o por colada continua. Debido a la conexin existente con el producto final, la manufactura de piezas involucra a la transformacin del estado lquido al estado slido, es decir se refiere al proceso de solidificacin en donde la naturaleza del estado inicial es de incuestionable importancia. El proceso de vaciado es extremadamente complejo porque involucra interacciones entre flujos de masa, de calor, y de fludos. En consecuencia debe existir gran inters por parte del metalrgico en conocer la estructura de los metales en el estado lquido, ya que esa estructura se basa fundamentalmente en que, desde el punto de vista de la nucleacin y del crecimiento, la morfologa de las estructuras vaciadas pueden ser modificadas mediante tratamientos en el estado lquido.



El proceso de solidificacin es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso en esta etapa, ser muy difcil efectuar las correcciones en el procesamiento posterior.

Defectos frecuentes de la etapa de fusin y solidificacin son:

1 porosidades

2 microgrietas

3 inclusiones no metlicas

4 segregacin de elementos de aleacin

5 formas de granos muy heterogneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos pequeos) 6 rechupes, (huecos debidos a la contraccin del metal lquido al solidificarse y que no han sido llenados por ms metal lquido).

Estas peculiaridades son el resultado de los siguientes factores y parmetros que controlan la solidificacin en piezas vaciadas: (1) La microestructura de solidificacin depende de las diferencias en composicin entre el lquido y el slido a medida que sucede el proceso, donde se considera que hay equilibrio local en la intercara lquido-slido. En esta interfaz hay flujo de solutos y/o de solvente que, para el caso de aleaciones se crea un borde de interfase en cuyo interior se acumula el soluto rechazado. Son fundamentalmente esa acumulacin de soluto delante de la intercara lquido-slido junto al flujo de calor a travs de ella, los verdaderos factores controlantes de las proporciones de fases y de la distribucin de no-equilibrio de ellas durante la solidificacin.



(2) La morfologa que adquiere la intercara lquido-slido durante la solidificacin es el resultado de la interaccin entre ciertas caractersticas de los diagramas de fase y los parmetros de enfriamiento, entre ellos encontramos: el intervalo de temperaturas de solidificacin de las aleaciones bajo consideracin, los coeficientes de difusin de los elementos soluto en el lquido delante de la intercara lquido-slido, y la velocidad de enfriamiento. Adicionalmente, es necesario tener en cuenta que las propiedades de servicio de las piezas vaciadas y de los lingotes, en gran parte, dependen de otros factores adicionales como: las caractersticas de la carga, las condiciones de fusin en hornos de diferente construccin, el tratamiento del metal dentro del horno a travs de las escorias lquidas y la modificacin del metal. Todos estos factores permiten la produccin de piezas de calidad y adems facilitan el establecimiento de la mecanizacin y de la automatizacin de los procesos de fundicin, incluyendo la produccin de piezas en las fundiciones automatizadas.



MECANISMOS DE NUCLEACIN Crecimiento: tipos de crecimiento: facetado (Si) y no facetado (Al, dendrtico) estructuras de solidificacin y segregacin. Figura 2.1. El crecimiento de los ncleos puede ser:

segn caras planas o "facetado". segn caras irregulares o "no facetado".

Los metales, como el aluminio crece normalmente de manera irregular o no facetado, y sus cristales presentarn superficies externas de formas irregulares. En cambio, los metaloides como el Bi, Ga, Sb, As y los semiconductores Si, Ge tienen Sf > 2R y crecen con caras planas o facetado, observndose en ellos el tpico aspecto "cristalino".

Figura 2.1. Crecimiento a) No facetado y b) Facetado.



Figura 2.2 Crecimiento dendrtico.

El crecimiento de las dendritas no es simplemente el avance de alguna protuberancia en la interfase. Los brazos de las dendritas crecen en ciertas direcciones cristalogrficas especficas, determinadas por la estructura cristalogrfica de cada metal. Figura 2.2.



Aleaciones Aluminio-Silicio, Al-Si Otro eutctico de importancia tecnolgica es el de la aleacin Al-Si. El Silicio se desarrolla en forma facetada. Cuando el crecimiento se efecta a baja velocidad, la fase Si se desarrolla con formas geomtricas ms regulares Si se agrega Sr a la aleacin el Silicio toma forma de fibras ms cortas aumentando la ductilidad de la aleacin Figura 2.3

Figura 2.3 Silicio modificado a diferentes aumentos.



Refinadores de grano (titanio) Segn el tipo y curso de la solidificacin puede presentarse en algunas aleaciones de aluminio una estructura basta que tiene menor resistencia que la estructura de grano fino. Se puede conseguir una estructura de grano ms fino con caractersticas mejores por adicin de substancias nucleantes en el metal lquido. Los afinadores de grano que se aaden generalmente en forma salina, reaccionan con el bao segn procesos complicados y actan en forma de boruro de aluminio, boruro de titanio, carburo de titanio y carburo de zirconio, como ncleos auxiliares. Tales preparados (en parte junto con aditivos de polvo de aluminio y carbono) se pueden conseguir en el comercio bajo distintos nombres.

El afinador ms utilizado es el tibor con una proporcin Al-5%Ti-1%B, posee una alta eficiencia en cuanto la reduccin del tamao del grano en las coladas. No obstante haberse implementado este sistema hace algn tiempo, todava existen facetas desconocidas en, relacin a su mecanismo de reaccin, efectos secundarios y limitaciones. La estructura ideal para ser extrada debe ser aquella que contengan granos equiaxiales de pequeos tamaos, debido a que ofrecen un mnimo de resistencia para el subsiguiente flujo de metal en esto radica la importancia de las adiciones del Al-Ti-B en las coladas; aunados a esta notable accin sobre la microestructura que ejerce el refinador de grano se encuentran los siguientes aspectos:



Incremento de velocidades de colada: Se ha comprobado que mediante el uso de refinador puede aumentar la velocidad de colada en un 20%, esto tiene su origen en el aumento de la velocidad de solidificacin (favorece las condiciones de enfriamiento) Reduccin de grietas: las adiciones de afinador de grano tienden a reducir las grietas, al moldear las violentas condiciones de enfriamientos.

Reduccin de la segregacin: como se sabe la segregacin proviene de solidificacin propia de colada semicontinuas redundara en una reduccin de la segregacin

Reduccin de la porosidad estructural: la porosidad causada por contraccin durante el enfriamiento, es reducida con las adiciones de refinador de grano

Mejores caractersticas para la deformacin mecnica: los bordes de grano son reas de alta energa, en los cuales las fracturas por grietas pueden iniciarse y propagarse fcilmente. Pequeos granos orientados aleatoriamente, minimizan esta tendencia y provee una mejor ductilidad en la forma de elongacin total, reducciones en el rea y la fractura son fuertes. Modificadores (estroncio). El Sr como elemento modificador en las aleaciones Al-Si, es el ms usado, en las que contienen de 9-13% Si, con pequeas cantidades adicionalmente de cobre y nquel. Estas aleaciones son de composicin aproximadamente eutcticas, hecho que las hace eminentemente adecuadas para el vaciado a presin, puesto que su regin de solidificacin ser pequea.



Figura 2.4 Efecto de la modificacin del silicio sobre la resistencia mecnica a la traccin en funcin del contenido de silicio.

El proceso de modificacin consiste en la adicin de pequeas cantidades de por peso de la carga, a aleaciones AI - Si eutcticas e hipoeutcticas, encontrndose la carga fundida antes de vaciar. El efecto que produce la adicin de este elemento es retrasar la precipitacin del silicio cuando se alcanza la temperatura eutctica normal y tambin causar un desplazamiento de la composicin eutctica hacia la derecha del diagrama de equilibrio (hacia contenidos ms altos de silicio). Por lo tanto puede tenerse hasta 14% de Si en una aleacin modificada sin formacin de cristales primarios de silicio en la estructura. Figura 2.5.



Se aprecia que el estroncio acta similar que los inoculantes en el hierro vaciado; es decir, cubriendo inclusiones no metlicas con una pelcula que evita que acten como ncleo de cristalizacin; as pues, el subenfriamiento se presenta siendo responsable por la estructura del grano relativamente fino que se forma finalmente. Debido a la obstaculizacin de la difusin de los tomos de Si en el caldo y del crecimiento cristalino, se forman cristales muy finos y de aspecto ms o menos redondeado. La estructura corresponde a la de un metal fundido enfriado muy rpidamente, que presenta muy buenas caractersticas de resistencia mecnica. La introduccin del sodio se realiza mediante sodio metlico, sales, tabletas o medio de afino en bloque. En este ltimo caso se trata de refinadores para uso especial en hornos de vertido que se descomponen lentamente y ceden, a la vez estroncio, durante largo tiempo. En el caldo del recipiente de vertido (por ejemplo, en el horno de vertido de coquillas, de depresin) se mantiene durante un amplio intervalo un grado de afino uniforme al que colabora el modo en que se realiza el vaciado del recipiente.

La refundicin viene a restaurar la estructura original debido a la perdida de estroncio por oxidacin. El proceso de modificacin eleva la resistencia a la tensin de 1,25 a 2,00 Ton/cm2 y el alargamiento de 5 a ms del 15%.



Frente a la modificacin de aleaciones de aluminio hipoeutecticas con sodio, el estroncio tiene una accin modificadora de larga duracin (punto de fusin del estroncio 757 C, punto de ebullicin 1366C), adems, los fundido s afinados con estroncio muestran un mejor comportamiento en la fluidez. Los materiales afinados con estroncio presentan, an despus de larga permanencia del caldo y de haberse refundido varias veces, una estructura refinada. Por eso las industrias metalrgicas suministran actualmente a la fundidoras aleaciones AlSi hipoeutcticas y eutcticas en el estado que se suele designar como refinado de larga duracin, con un contenido en estroncio de algunas centsimas. Se puede realizar, a voluntad, otra aleacin posterior en la fundidora con aleacin madre de estroncio (por ejemplo, una aleacin de aluminio con 5% de estroncio). Un afino duradero con estroncio es habitual en la fabricacin en serie de ruedas fundidas, partiendo de una aleacin de AlSi casi eutctica, en muchas versiones, utilizndose preferentemente un proceso de fundicin en coquilla a presin.

Figura 2.5 .En la figura (a) se muestra la morfologa del silicio en aleaciones de aluminio de fundicin y en (b) se observa el efecto modificador del estroncio sobre el cristal de silicio, finalmente (c) se observa un detalle del

cristal de Si modificado.

a b

c

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