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PROJECTE FI DE CARRERA
TÍTOL: Optimización de los Tratamientos Térmicos T5 y T6 para una Aleación
A356 Conformada por SLC
AUTOR: David Fresno Abad
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial, especialitat mecànica
DIRECTOR: Enric Martín Fuentes
DEPARTAMENT: Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica
DATA: Juliol 2007
TÍTOL: Optimización de los Tratamientos Térmicos T5 y T6 para una Aleación A356
Conformada por SLC
COGNOMS: Fresno Abad
NOM: David
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial
ESPECIALITAT: Mecànica
PLA: 95
DIRECTOR: Enric Martín
DEPARTAMENT: Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica
QUALIFICACIÓ DEL PFC
TRIBUNAL
PRESIDENT
DATA DE LECTURA:
SECRETARI
VOCAL
Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals:
Sí No
PROJECTE FI DE CARRERA
RESUM (màxim 50 línies)
La gran competencia que hay en el sector de la automoción y aeronàutica obliga a las industrias
a producir nuevos componentes de aluminio con mejores propiedades mecánicas, menos
defectos y encontrar fórmulas para reducir los costes de producción, esto se ha conseguido con
las técnicas de conformación en semisólido.
Los componentes conformados con estas técnicas pueden ver mejoradas sus propiedades
mecánicas mediante tratamientos térmicos. Un tratamiento térmico 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 térmicos T6 y T5 para una aleación de
aluminio A356 conformada por Sub Liquidus Casting. Consiste en encontrar las temperaturas y
tiempos mínimos necesarios para proporcionar a la aleación las mayores propiedades
mecánicas.
Para el estudio se ha utilizado una aleación de aluminio A356 conformada por la técnica del Sub
Liquidus Casting. La optimización se ha basado en la obtención de las curvas Dureza- Tiempo
en la etapa de envejecimiento.
Para la optimización del tratamiento térmico T6 se han estudiado 12 condiciones diferentes de
temperaturas y tiempos. Se han seleccionado dos temperaturas de puesta en solución (540º C y
545º C), durante 4 y 5 horas, y tres temperaturas de envejecimiento (160º C, 170º C y 180º C),
con tiempos de envejecimiento de hasta 8 horas.
Para la optimización del tratamiento térmico T5 el estudio se ha realizado tratamientos a 160º C
y 170º C, hasta las 12 horas de envejecimiento.
Una vez encontradas las temperaturas y tiempos óptimos se realiza los ensayos de tracción sobre
probetas tratadas con los tratamientos térmicos óptimos para evaluar el efecto que tiene sobre
las propiedades mecánicas.
Paraules clau (màxim
Aleación de aluminio Sub Liquidus Casting Tratamiento térmico
Propiedades mecánicas
Endurecimiento por
precipitación
SSM
Optimización
Dureza Brinell
Sumario
Página
Resumen
…………………………………………………………………………………………
3
Sumario
1. Aluminio y sus aleaciones
……………………………………………….
1.1. Propiedades de las aleaciones de aluminio
9
………………..
9
……………………………………………….
9
1.1.2. Propiedades mecánicas ………………………………………………
9
1.1.1. Propiedades físicas
…………………………
10
………………………………………………
10
1.2.1. Aleaciones para forja
………………………………………………
10
1.2.2. Aleaciones de moldeo
………………………………………………
10
……………………………………
10
…………………………
11
………………………………………………
12
1.2.3.2. Cobre …………………………………………………………
12
1.2.3.3. Silicio …………………………………………………………
12
………………………………………………
12
1.1.3. Aptitudes para la conformación
1.2. Aleaciones de aluminio
1.2.1.1. Grupo Al-Si-Mg
1.2.3. Efecto de los elementos aleantes
1.2.3.1. Magnesio
1.2.3.4. Manganeso
2. Conformación en Estado Semisólido
…………………………
12
2.1. Introducción
……………………………………………………………………
12
2.2. Antecedentes
……………………………………………………………………
13
2.3. Aspectos teóricos
…………………………………………………………
14
……………………………………
14
2.3.2. Velocidad de agitación aplicada
…………………………
14
2.3.3. Obtención de lingotes no dendríticos
…………………………
15
…………………………………………………………
16
2.3.1. Propiedades tixotrópicas
2.4. Procesos SSM
2.4.1. Sub Liquidus Casting ………………………………………………
2.4.1.1. Tamaño de grano de la aleación
16
........................
17
…….
18
2.4.1.3. Enfriamiento de la aleación en el
conducto de inyección …………………………………….
18
…….
19
……………….
19
…….
19
………………………………………………………
20
2.4.1.2. Control de la temperatura de la aleación
2.4.1.4. Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla
2.4.1.5. Tiempo para desarrollar la mezcla
2.4.1.6. Características y ventajas del proceso SLC
3. Tratamientos térmicos
3.1. Designaciones de los tratamientos térmicos
………………
21
………………………………………………
22
………………………………………………
23
………………
24
…………………………
24
3.2.2. Temple ……………………………………………………………………
24
3.2.3. Envejecimiento …………………………………………………………
24
…………………………
24
……………………………………………...
25
3.2. Tratamiento térmico T6
3.2.1. Puesta en solución
3.2.1.1. Temperatura de puesta en solución
3.2.1.2. Tiempo de solubilización
3.1.3.1. Envejecimiento artificial
3.3. Tratamiento térmico T5
4. Ensayos
………………………………………………………………………………
4.1. Ensayo de dureza Brinell
4.2. Ensayo de tracción
………………………………………………
26
…………………………………………………………
26
5. Procedimiento Experimental
5.1. Introducción
26
………………………………………………
29
……………………………………………………………………
29
5.2. Material utilizado
…………………………………………………………
30
5.2.1. Preparación de las muestras de dureza
……………….
30
5.2.2. Preparación de las muestras de tracción
……….............
32
5.3. Tratamientos Térmicos
………………………………………………
34
5.4. Ensayos de dureza Brinell ………………………………………………
34
5.5. Ensayos de tracción
………………………………………………
35
………………………………………………………………………………
36
6. Resultados
6.1. Optimización tratamientos térmicos
…………………………
36
6.1.1. Optimización del tratamiento térmico T6
………………
37
6.1.2. Optimización del tratamiento térmico T5
………………
46
…………………………………………………………
48
7. Conclusiones
………………………………………………………………………………
50
8. Presupuesto
………………………………………………………………………………
51
6.2. Ensayo de tracción
9. Estudio medioambiental
…………………………………………………………
52
10. Índice de Tablas y Figuras
…………………………………………………………
53
………………………………………………………………………………
56
11. Bibliografía
11.1. Bibliografía complementaria
…………………………………….
58
1. Aluminio y sus aleaciones
El aluminio es uno de los materiales más abundantes de la tierra, constituye aproximadamente el 8% de
su corteza ocupando el tercer lugar en abundancia y sólo el silicio y el oxígeno lo superan.
El aluminio y sus aleaciones son materiales que destacan por su ligereza y resistencia a la corrosión, así
como por su elevada conductividad térmica y eléctrica. Las propiedades mecánicas del aluminio puro
son bastante moderadas, pero aleado con otros elementos las mejora notablemente. Si se comparan la
resistencia o la rigidez específica (en relación con la densidad) las aleaciones de aluminio son más
ventajosos que los aceros en determinadas aplicaciones (aeronáutica, vehículos, piezas a grandes
aceleraciones). Estas cualidades, junto con la gran aptitud para la conformación (deformación en frío,
forja, moldeo, extrusión, mecanizado), han convertido a las aleaciones de aluminio en el segundo grupo
de materiales metálicos más empleados. [1]
1.1. Propiedades de las aleaciones de aluminio
El aluminio tiene una estructura cúbica centrada en las caras y es dúctil incluso a temperatura ambiente.
La resistencia mecánica del aluminio se logra por acritud y por aleación; sin embargo ambos procesos
disminuyen la resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación son cobre, magnesio,
silicio, manganeso y zinc. Algunas de las aplicaciones más comunes de las aleaciones de aluminio son:
partes estructurales de los aviones, latas para bebidas refrescantes, partes de las carrocerías de
autobuses y de los automóviles (culatas, pistones y colectores de escape).
El aluminio genera de forma natural una capa de óxido que lo hace muy resistente a la corrosión. Los
diferentes tipos de tratamiento de revestimiento pueden mejorar aún más esta resistencia. Resulta
especialmente útil para aquellos productos que requieren de protección y conservación.
1.1.1. Propiedades físicas
El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2,7 Mg·m-3),
aproximadamente 1/3 de la de los aceros; conductividad térmica elevada (80 ÷ 230 W·m-1·K-1), cosa
beneficiosa en piezas que deben conducir o disipar calor; conductividad eléctrica elevada (resistividad
28 ÷ 60 nΩ·m); calor específico elevado (865 ÷ 905 J·kg-1·K-1); dilatación térmica elevada (20 ÷ 25
μm·m-1·K-1). El aluminio es un buen reflector tanto de la luz como del calor. [2]
1.1.2. Propiedades mecánicas
A temperatura ambiente, la resistencia a la tracción (150 ÷ 450 MPa), el límite elástico (100 ÷ 300
MPa) y el módulo 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
límite de fatiga definido) y la resiliencia es normalmente elevada excepto para las aleaciones de
aluminio más resistentes (Al-Cu y Al-Zn). La resistencia mecánica decrece rápidamente con la
temperatura, a partir de 100 ÷ 150º C según las aleaciones, la fluencia comienza a manifestarse de
forma acusada y disminuyen considerablemente las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción,
límite elástico y dureza) y, a partir de 350º C la resistencia sólo se mantiene en valores residuales; en el
intervalo 200 ÷ 300º C, el mejor comportamiento mecánico 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
límite elástico y el alargamiento se mantienen hasta temperaturas operativas de –195º C. [2]
9
1.1.3. Aptitudes para la conformación
La baja temperatura de fusión (520 ÷ 650º C) facilita el moldeo de piezas complicadas ya sea en molde
de arena, coquilla o por inyección obteniéndose piezas de gran precisión dimensional). La elevada
ductilidad facilita la conformación de productos o piezas por deformación plástica, (en frío y en
caliente), a través de la laminación (chapas y barras), la forja o la extrusión (perfiles, eventualmente
vacíos, de formas complejas difíciles 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 energía.
1.2. Aleaciones de aluminio
Como con otros metales, se hace distinción entre las aleaciones de forja (incluyen los de extrusión y
laminación), por un lado, y las de moldeo, por otro.
1.2.1. Aleaciones para forja
Las aleaciones para forja se conforman por deformación plástica 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 fabricación. Dentro de cada
grupo se pueden subdividir en tratables térmicamente y no tratables térmicamente.
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 contracción relativamente pequeña y la no formación
de fisuras en la contracción causa de la fragilidad. Las temperaturas de fusión relativamente bajas de las
aleaciones de aluminio permiten utilizar, además de moldes de arena, moldes metálicos (coquillas),
donde el material se introduce o bien por gravedad o bien por presión (moldeo a baja presión y moldeo
por inyección). Este último proceso, que exige un molde específico para cada pieza y una máquina de
inyectar muy caros, permite obtener piezas de una elevada precisión dimensional y excelentes acabados
superficiales que requieren poca o nula mecanización posterior, por lo cual es muy utilizado en la
fabricación de piezas complejas de grandes series (bombas de gasolina, carburadores, planchas
domésticas).
Las aleaciones de aluminio para moldeo más importantes son las de la familia Al-Si.
1.2.2.1. Grupo Al-Si-Mg
Con la adición de pequeños 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 térmico 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 máquinas. La
aleación EN AC-AlSi7Mg es más resistente y de mejor maquinabilidad a costa de una menor facilidad
de moldeo.
10
En la Figura 1.1 se observa el diagrama de equilibrio para una aleación Al-MgSi.
Figura 1.1. Diagrama de equilibrio Al-MgSi.
Las aleaciones de aluminio A356 están compuestas básicamente por Si (6,5-7,5%) y Mg (0,2-0,6%) y
se corresponde con la EN AC-AlSi7Mg. Son aleaciones comunes de fundición, con buenas
características de colada y buenas propiedades mecánicas, aceptable maquinabilidad y con
posibilidades de ser tratadas térmicamente.
El Si se adiciona a las aleaciones de fundición para mejorar las condiciones de colada. El límite elástico
y la resistencia a tracción se ven poco afectados con el incremento de silicio, pero la ductilidad del
material decrece al aumentar el porcentaje de fase eutéctica. [2]
El Mg se adiciona para producir la formación de precipitados coherentes precursor del componente
ínter metálico Mg2Si. El grado de endurecimiento depende de la cantidad de elementos endurecedores
en solución sólida y de su forma de precipitación.
El Fe reacciona con el Al, Si y Mg para formar intermetálicos insolubles que actúan en detrimento de la
resistencia y la ductilidad del material. La cantidad de Mg disponible para el endurecimiento por
envejecimiento decrece con la precipitación de intermetálicos de Fe.
La composición química de la aleación de aluminio A356, se presenta en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1. Composición química de la aleación A356, en % en peso. [23]
Si
6.5-7.5
Fe
0.2 máx.
Cu
0.2 máx.
Mn
0.1 máx.
Mg
0.25-0.45
Zn
0.1 máx.
Al
Restante
1.2.3. Efecto de los elementos aleantes
Los elementos aleantes que encontramos en la composición de las aleaciones de aluminio de forja o de
moldeo están en grupos muy diversos. Podemos distinguir tres categorías: [23]
11
a) Elementos de adición más elevada como el cobre, magnesio, manganeso, silicio y zinc, donde su
composición varía en % en cada aleación.
b) Elementos de adición inferior, el contenido de éstos no supera nunca el 1 %, como puede ser el
cromo,
hierro, zirconio, níquel y cobalto.
c) Elementos de adición especial, normalmente no superan el 0,5 % y se destinan para aleaciones con
uso particular, estos elementos son el antimonio, berilio, plomo, estaño y la plata.
A continuación se citaran algunas características de los elementos aleantes que forman parte de la
composición de la aleación en estudio.
1.2.3.1. Magnesio
Es la causa principal del endurecimiento y la ductilidad de las aleaciones de aluminio sometidos a
tratamientos térmicos, y se utiliza en aleaciones más complejas las cuales también contienen cobre, níquel y
otros elementos con el mismo propósito.
1.2.3.2. Cobre
El cobre aumenta la dureza y la ductilidad en piezas de fundición tratadas o no térmicamente. Reduce la
resistencia a la corrosión en algunas composiciones i condiciones específicas del material.
1.2.3.3. Silicio
Es un elemento presente en las aleaciones de fundición, ya que aporta un aumento en la fluidez del material
además de proporcionarle una elevada capacidad de colabilidad.
1.2.3.4. Manganeso
Se considera como una impureza en las aleaciones de fundición, y se controla en niveles bajos en muchas
composiciones de moldeo por gravedad.
2. Conformación en Estado Semisólido
2.1. Introducción
La conformación de las aleaciones de aluminio en estado líquido se ha llevado a cabo tradicionalmente
por los procesos de colada por gravedad o mediante inyección. Estas técnicas de procesado en estado
líquido tienen el inconveniente de la formación de microporosidad o porosidad, debido al régimen
turbulento en el llenado del molde, al gas disuelto y a la contracción en la solidificación. Estos defectos
fragilizan el material y reducen las propiedades mecánicas, que tampoco pueden mejorarse por
tratamientos térmicos debido a la aparición de ampollas. A causa de estos inconvenientes la fundición
inyectada no se ha utilizado para la obtención de piezas con prestaciones mecánicas mejoradas y su
campo de aplicación se ve limitado.
12
Los nuevos procesos de conformación en estado semisólido (SSM) permiten superar estas limitaciones
y abren nuevas perspectivas a la producción de componentes de aluminio con mejores propiedades
mecánicas y a costes próximos a los de la fundición inyectada. Estas ventajas se deben a que en estos
procesos la inyección es a baja temperatura, sin turbulencias, y con una mayor uniformidad en las
condiciones de enfriamiento.
El conformado de materiales en estado semisólido puede considerarse como un proceso intermedio
entre la conformación por moldeo y la conformación en estado sólido. Ello permite libertad en el diseño
del molde y en la velocidad de producción de la fundición así como una calidad metalúrgica y unas
propiedades mecánicas superiores a las de la fundición inyectada. El interés de estas técnicas radica en
la necesidad de producir nuevos componentes con menos defectos y a un coste inferior, y se
fundamenta en las propiedades reológicas de los materiales cuando coexisten una fase líquida y una
fase sólida esferoidal. [1]
Las ventajas de los productos conformados en estado semisólido son:
-productos de excepcional calidad, con una porosidad inferior al 0,1%.
-buena combinación de resistencia mecánica 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 conformación en
estado líquido.
-pueden ser tratadas térmicamente. [3]
2.2. Antecedentes
Los principios para la aplicación industrial del conformado en estado semisólido [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 semisólido está en el comportamiento del flujo de material
que contiene partículas sólidas de forma no dendrítica.
Se observó que la viscosidad de la aleación disminuía con la agitación y se atribuyó a la estructura
globular producida durante el experimento. Es decir, la viscosidad disminuye al aumentar las fuerzas de
cizalla que actúan sobre el material, con lo que se comporta, prácticamente, como un sólido en
ausencia de estas fuerzas de cizalla, y puede entonces manipularse fácilmente [5].
No es hasta 1990 cuando la industria tomó conciencia de las potenciales ventajas que podían ofrecer
estas tecnologías.
Posteriormente Joly y otros [8] publicaron un estudio sobre la reología de las aleaciones parcialmente
solidificadas. Mostraron que la viscosidad era muy sensible a la velocidad de enfriamiento, además de a
la velocidad de cizalladura: bajas velocidades de enfriamiento y altas velocidades de cizalladura hacen
disminuir la viscosidad para una fracción de sólido dada.
El comportamiento tixotrópico se caracteriza porque la viscosidad depende también del tiempo de
aplicación de la fuerza cortante τ. Así 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.
13
Figura 2.1. Corte de un lingote de rheocasting. [1]
El proceso de conformado en estado semisólido de materiales puede dividirse en dos tipos. Cuando la
aleación 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
tixotrópicas adquiridas por la aleación, el lingote de Rheocasting puede calentarse a la temperatura
adecuada y recuperar las características tixotrópicas.
Por lo tanto una aleación solidificada con estructura no dendrítica (de Rheocasting) puede calentarse
hasta la temperatura de estado semisólido y conformarse mediante un proceso de forja (Thixoforging) o
inyección (Thixocasting).
En los últimos años, se han desarrollado nuevas tecnologías de conformado en estado semisólido
(SSM): New Rheocasting, Sub Liquidus Casting, etc.
2.3. Aspectos teóricos
2.3.1. Propiedades tixotrópicas
La tixotropía es la característica según la cual un fluido viscoelástico disminuye su viscosidad aparente
al ser agitado violentamente hasta alcanzar un estado estacionario después de un tiempo de agitación
[4]. Esto implica una disminución de la viscosidad o de la tensión de cortadura con el tiempo,
produciéndose ésta bajo condiciones isotérmicas y velocidades de cortadura estacionaria [9].
2.3.3. Velocidad de agitación aplicada
La viscosidad es también función de la velocidad de enfriamiento, es decir, mínimas velocidades de
enfriamiento y elevados niveles de cortadura hacen que la viscosidad disminuya para una determinada
fracción sólida. Sin embargo, si al preparar los productos semisólidos se aumenta la velocidad de
cortadura, se obtienen menores viscosidades [4].
La microestructura de las aleaciones sometidas a agitación durante su solidificación está controlada por
cuatro variables [4].
14
• Velocidad de enfriamiento.
• Velocidad de cortadura.
• Tiempo de aplicación de la cortadura.
• Porcentaje de fase sólida a cada temperatura.
El paso de la estructura dendrítica a una forma globular se atribuye a tres mecanismos que se comentan
en el apartado siguiente. Se produce una fragmentación de la estructura dendrítica seguida de una
morfología de tipo roseta como resultado de la coalescencia, cortadura y abrasión entre las partículas de
la fase sólida y finaliza con una estructura globular (Figura 2.2).
Figura 2.2. Evolución microestructural.
2.3.4. Obtención de lingotes no dendríticos
Para que las aleaciones a conformar tengan propiedades tixotrópicas es necesario que el material tenga
una estructura de solidificación globular, y no una estructura dendrítica típica de los procesos de
solidificación.
La forma de obtener una estructura globular consiste, básicamente, en agitar el material durante la
solidificación del mismo, de forma que se rompan las dendritas de solidificación.
El procedimiento original, con el que se descubrió la tixotropía, fue la agitación mecánica de la
aleación en estado semisólido durante su enfriamiento, este método presenta ciertas dificultades: así,
por ejemplo, aleaciones con elevado punto de fusión pueden ser muy agresivas, tanto química como
mecánicamente, 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
continuación. [21]
1.- Agitación mecánica o electromagnética, o tratamiento intensivo mediante vibraciones supersónicas
durante la solidificación.
2.- Refusión parcial de aleaciones deformadas u obtenidas por “spray
compaction”.
3.- Enfriamiento controlado durante el proceso de solidificación (NRC, SLC,…)
15
Figura 2.3. Métodos de obtención de estructuras no dendríticas por agitación del líquido: a)
agitación mecánica del líquido, b) agitación mecánica y proceso continuo, c) agitación
electromagnética y proceso continuo (MHD, SSP) [1].
Los métodos del segundo tipo tienen altos costes de producción y, además, durante el recalentamiento
se produce el crecimiento de grano. Por otra parte, el método supersónico tiene el inconveniente de
producir un mayor tamaño de grano. Por todo ello, los métodos de agitación electromagnética (Magneto
Hidrodinamic Stirring y Single Slug Production) han sido los más utilizados en la fabricación de
lingotes para Thixoforming [1].
También se pueden producir estructuras no dendríticas a partir del líquido sin agitación. 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 semisólido, se genera un material thixotrópico. 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 tamaños de
grano menores de 100 μm [1].
2.4. Procesos SSM
En el apartado anterior se han expuesto los métodos para obtener lingotes con una estructura no
dendrítica. Estos métodos se denominan Rheocasting y son el punto de partida de diferentes procesos
de conformación en estado semisólido (SSM) a escala industrial: Thixoforming, Compocasting,
Thixomolding, New Rheocasting, Sub Liquidus Casting y Semi-Solid Rheocasting.
A continuación se describirá el proceso de conformación en estado semisólido Sub Liquidus Casting, el
utilizado para la conformación de las piezas utilizadas en este proyecto.
2.4.1. Sub Liquidus Casting
En el año 2001, la empresa THT Presses patentó en Estados Unidos la técnica del Sub Liquidus Casting
(SLC®-THT).
Este proceso utiliza lingotes obtenidos por fundición normal, tanto de aleaciones primarias como
secundarias, y es capaz de reutilizar el material sobrante. Además no necesita maquinaria alternativa,
simplemente utiliza una máquina de inyección vertical con pequeñas variaciones.
16
No necesita de un procesado del lingote, ya que utiliza unos controles especiales de la temperatura que
hacen que el tratamiento de la aleación se pueda llevar a cabo en el interior de la máquina de inyección,
sin aumentar los tiempos de ciclo. [17]
Este proceso utiliza una máquina compacta que se muestra en la Figura 2.4.
Figura 2.4. Máquina de inyección SLC.
Los aspectos a tener en cuenta al realizar este método de conformación son:
● Tamaño de grano de la aleación
● Control de la temperatura de la aleación
● Enfriamiento de la aleación en el conducto de inyección
● Fluidez necesaria de la mezcla en la coquilla
● Tiempo para desarrollar la mezcla
2.4.1.1. Tamaño de grano de la aleación
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 progresará rápidamente y se conseguirá un
máximo rendimiento del proceso. Si se consigue un grano más grueso se tardará más tiempo en
conseguir la mezcla hasta el punto que si tenemos un tamaño 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.
17
2.4.1.2. Control de la temperatura de la aleación
La temperatura de la mezcla en la cámara de inyección ha de estar controlada. La temperatura ideal de
la mezcla en este proceso está a 1º C o 2º C por encima de la temperatura liquidus. Los tiempos de
permanencia en el conducto de inyección y la temperatura del metal dependerá 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 aleación en el conducto de inyección
El objetivo es conseguir que el metal inyectado en el molde presente fracciones de sólido entre un 40%
y un 60%.
Para realizar este proceso es necesario que el pistón tenga un diámetro bastante grande y que el
recorrido de este sea corto. Si no fuera así se necesitaría de una aportación de calor exterior o de
cualquier método exterior a la máquina, lo cual haría aumentar los tiempos de ciclo.
El sistema THT permite mayor productividad, y un control más estricto de la temperatura del metal,
necesario para el procesado del lodo. Así mismo, reduce la velocidad de llenado, y de este modo se
reducen drásticamente las presiones al final de cada inyección. [19]
En la Figura 2.6 se muestra un pistón y una cámara de inyección de una máquina de SLC.
Figura 2.6. Cámara de inyección y pistón. [1]
18
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 sólido, se deposita una placa
que separa la coquilla y los conductos de inyección, dejándolo 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 α necesaria en la mezcla
antes de se inyecte en la coquilla. Este puede ser el elemento más difícil de controlar en el proceso.
Los aspectos de tiempo y temperatura del procesado de los lingotes de inyección SSM han marcado las
pautas a seguir en la técnica del SLC. Los lingotes necesitan de minutos para recalentarse y ser útiles
para el procesado SSM y también necesitan de un control de la temperatura par conseguir una
colabilidad consistente. Por todo esto es difícil comprender como las mezclas del proceso SLC se
pueden procesar en segundos y en un cierto intervalo de temperaturas. [19] [20]
La fracción sólida de la mezcla determina su viscosidad, y esta determina a su vez la velocidad con que
la mezcla puede fluir en la coquilla y así mantener un avance del metal estable.
La clave de la técnica SLC radica en la habilidad de llenar rápidamente las cavidades de la coquilla
manteniendo un avance del metal estable, esto permite la producción de piezas con detalles y secciones
finas, evitando la aparición de óxidos y gas atrapado.
2.4.1.6. Características y ventajas del proceso SLC
● Características principales
-
Muy buen control dimensional.
o
o
Mínima mecanización
Mínimo contenido de material
-
Gran capacidad de reproducir detalles en las piezas.
-
Son tratables térmicamente mejorando sus propiedades mecánicas.
-
Utiliza tanto aleaciones primarias (A356, A354, A357…), como secundarias (380, 333…) y
aleaciones de difícil inyección o con propiedades especiales (6061…).
-
Reducción de las temperaturas de inyección.
-
Menos coste de energía.
● Ventajas
-
Utiliza aleaciones normales.
-
Se puede reciclar el material en planta.
19
-
Solo se requiere del control de temperatura y tiempo para obtener la microestructura
deseada.
-
El lingote no necesita de un proceso previo.
-
Buena viscosidad, mínima turbulencia al ser inyectado.
3. Tratamientos térmicos
Para obtener las propiedades óptimas del aluminio y sus aleaciones, generalmente es necesario
someterlas a tratamientos térmicos.
Un tratamiento térmico 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 término tratamiento térmico se refiere usualmente a las operaciones
empleadas para incrementar la resistencia y la dureza de las aleaciones de forja o de moldeo
endurecibles por precipitación.
Es muy importante someter las piezas a un buen tratamiento térmico. Un tratamiento térmico
defectuoso puede echar a perder todo el trabajo en el diseño de las piezas.
En la Tabla 3.1 se especifican las designaciones de los tratamientos térmicos en aleaciones de
aluminio.
Tabla 3.1. Designación de los tratamientos térmicos. The Aluminium Association. [25]
Enfriamiento desde una temperatura elevada en el proceso de conformado y envejecimiento artificial
T5 (tratamiento térmico de precipitación)
T6 Puesta en solución y envejecimiento artificial
Los requisitos fundamentales para que una aleación presente endurecimiento por envejecimiento son
los siguientes:
1- Que la aleación 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 más solutos en solución, pueda ser templado o
congelado cuando la aleación se enfría a la temperatura ambiente o por debajo de ella. Puesto que
la aleación templada contiene más soluto a temperatura ambiente que cuando está en equilibrio, se
trata de una solución sobresaturada, inestable, que tiende a precipitar el exceso de solución o fase.
Con base a estos requisitos, el proceso de tratamiento térmico para conseguir el endurecimiento por
precipitación consiste en las etapas siguientes, las cuales se ilustran en la Figura 3.1.
20
Figura 3.1. Etapas del endurecimiento
por precipitación. [27]
Si el proceso de precipitación no produce las etapas de transición coherentes, por más precipitación que
ocurra, no habrá precipitación ni aumento de resistencia. En la Figura 3.2 se muestra la colocación de
los precipitados coherentes y no coherentes dentro de la matriz. Las aleaciones que presentan
precipitaciones sin endurecimiento, se describen como no tratables térmicamente. Las aleaciones
binarias de aluminio y silicio y de aluminio y manganeso presentan un grado considerable de
precipitación cuando se trata térmicamente, pero los cambios que se observan en las propiedades
mecánicas son relativamente insignificantes y las aleaciones son, por tanto, no tratables térmicamente.
Los principales sistemas de aleación de aluminio tratables térmicamente 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. Colocación de los precipitados dentro de la matriz en la etapa de envejecimiento. [26]
3.1. Designaciones por condiciones de tratamiento térmico
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 térmico o procesamiento térmico). La W
indica una condición inestable y ordinariamente no se utiliza. La designación T va seguida de un
número, del 1 al 10, que indica el procesamiento aplicado a la aleación forjada o fundida. A
continuación se exponen las designaciones de temple con explicaciones breves de los procesamientos:
21
• T1, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada y envejecido de forma
natural hasta una condición de considerable estabilidad.
• T2, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada, trabajado en frío y
envejecido de forma natural hasta una condición de considerable estabilidad.
• T3, térmicamente tratado por disolución, trabajado en frío y envejecido de forma natural hasta
una condición de considerable estabilidad.
• T4, térmicamente tratado por disolución y envejecido de forma natural hasta una condición de
considerable estabilidad.
• T5, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada y envejecido de una
forma artificial.
• T6, térmicamente tratado por disolución y envejecido en forma artificial. Esta designación se
aplica a productos que no se trabajan en frío después de un tratamiento térmico por disolución,
y cuyas propiedades mecánicas, o su estabilidad dimensional, o ambas cosas, han sido
mejoradas en grado importante por envejecimiento artificial (esto es, endurecimiento por
precipitación a temperaturas superiores al ambiente). Esta designación también se aplica en
productos en los que los efectos del trabajo en frío impartido por aplanado o rectificado no se
tienen en cuenta en los límites de propiedades específicas.
• T7, térmicamente tratado por disolución y sobreenvejecido o estabilizado.
• T8, térmicamente tratado por disolución, trabajado en frío y envejecido de forma artificial.
• T9, térmicamente tratado por disolución, envejecido artificialmente y trabajado en frío.
• T10, enfriado desde un proceso de conformado a temperatura elevada, trabajado en frío y
envejecido en forma artificial.
3.2. Tratamiento térmico T6
Las propiedades mecánicas de determinadas aleaciones de aluminio pueden mejorarse por medio del
tratamiento térmico denominado bonificación o T6, que consta de tres fases:
Recocido por disolución. El término “disolución” indica que se calienta la aleación a una temperatura
en la que aumenta la cantidad de soluto en la solución sólida. “Recocido” indica que el calentamiento
también reblandece la aleación.
Templado para formar una solución sobresaturada. Ésta etapa más crítica de la serie de procedimientos
de tratamiento térmico. La velocidad de templado debe ser mayor que la velocidad de enfriamiento
crítico para conservar la composición a la temperatura de recocido por disolución y para formar una
solución sobresaturada del soluto o fase. Esto crea la fuerza impulsora de la precipitación del soluto o
fase en exceso.
Precipitación del exceso de soluto o fase. El endurecimiento de la aleación se consigue precipitando el
exceso de soluto o fase en forma de un precipitado transitorio, metaestable y coherente. El
22
endurecimiento se debe a la formación de la red (deformación coherente) inducido por el precipitado
coherente.
En la Figura 3.3 puede observarse un esquema con las diferentes etapas del tratamiento térmico T6.
Figura 3.3. Esquema con las etapas del tratamiento térmico T6. [24]
La variación de solubilidad de los elementos de aleación con la temperatura es la causa fundamental del
efecto de los tratamientos térmicos en las propiedades de la aleación.
En una aleación Al-Si-Mg la temperatura de solubilización está dentro del intervalo de 500º C y 570º C.
Poniendo el material entre estas temperaturas, se conseguirá tener una concentración máxima de silicio
y de magnesio en la red del aluminio, sin que se haya llegado al punto de fusión. [23]
Una vez conseguida la solubilización 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 rápido, se retiene todo el silicio y el magnesio en solución sólida sobresaturada. Esta
solución sólida sobresaturada implica que existirá una tendencia a precipitar el exceso del elemento
soluto.
Esta precipitación del elemento soluto sobresaturado se consigue de diferentes maneras. Hay aleaciones
donde a temperatura ambiente se produce la precipitación de los elementos de aleación. En este caso la
velocidad de precipitación es muy variable, para conseguir una estructura estable puede ir desde horas
hasta días.
Para acelerar este proceso la velocidad de precipitación puede ser modificada produciendo un
calentamiento del material a una temperatura moderada superior a la ambiente.
3.2.1 Puesta en solución
La finalidad del tratamiento de solubilización es obtener una solución sólida con la máxima
concentración del elemento de aleación endurecedor, esto de consigue a una temperatura elevada
determinada, entre 520º C y 550º 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 térmico es muy importante, para ello se
ha de estudiar la influencia de los diferentes factores que intervienen en un tratamiento térmico.
23
3.2.1.1 Temperatura de puesta en solución
Existe una temperatura óptima de solubilización. Si la temperatura es superior a la óptima las
características mecánicas no serán las mejores, ya que la aleación sufre lo que se llama quemado de la
aleación, que es una fusión parcial de los constituyentes eutécticos en los límites de grano. Por el
contrario si la temperatura es inferior a la óptima las características mecánicas tampoco serán las
mejores ya que no se habrá conseguida una solubilización completa de los constituyentes activos de la
aleación.
La solubilización de las aleaciones de aluminio tiene la característica de que su cinética no depende de
la temperatura, así, si aumentamos la temperatura de solubilización no se consigue reducir los tiempos.
3.2.1.2 Tiempo de solubilización
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 someterían serían más
cortos, pero esto no es así ya que desde el primer momento la solidificación se produce de forma
heterogenea. Por ello se utilizan tiempos largos, para que las fases precipitadas en el límite de grano
puedan difundirse hacia el interior del grano. Esta difusión será más rápida si el tamaño de grano es
más pequeño.
3.2.2 Temple
Una vez realizada la puesta en solución, la aleación ha de ser enfriada enérgicamente para obtener la
solución sólida sobresaturada a temperatura ambiente.
El temple es muy importante ya que es un factor que afecta directamente a la última fase del
tratamiento térmico, la maduración. Si se enfría de forma suficientemente rápida se conseguirá retener
en la solución el máximo de elementos endurecedores.
Los factores que influyen en la velocidad de enfriamiento son diversos. El calor específico 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 más importantes.
El agua a temperatura ambiente es el fluido refrigerante que más se utiliza, ya que proporciona
velocidades de enfriamiento superiores a cualquier otro fluido.
3.2.3 Envejecimiento
Es la última etapa del tratamiento térmico de bonificado. Se puede realizar a temperatura ambiente
(envejecimiento natural) o sometiendo la pieza a temperaturas moderadas superiores a la ambiente.
Consiste en una evolución estructural que se caracteriza por la formación de aglomeraciones
submicroscópicas de átomos, coherentes y/o semicoherentes con la matriz de aluminio que dificultan
las deformaciones plásticas y endurecen la aleación.
24
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 precipitación son acelerados consiguiendo una mejora en las propiedades
mecánicas. En general se consigue un aumento de la carga de ruptura, del límite elástico y de la dureza,
y una disminución 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 óptimo, el cual proporciona las mejores
propiedades mecánicas, si este tiempo se sobrepasa entonces se produce una pérdida de las
propiedades, y se produce el sobreenvejecimiento, con la pérdida total de coherencia de los precipitados
con la matriz de aluminio.
Una vez realizada la maduración se puede enfriar con el método 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 sucesión de precipitados durante las diversas etapas de tratamiento
considerando también el sobreenvejecimiento.
Figura 3.4. Etapas de la microestructura en el envejecimiento. [26]
Las fases GP (Guinier Preston) y θ’’ pertenecen a la etapa de envejecimiento, mientras que las fases θ’
y θ son específicas del sobreenvejecimiento.
3.2 Tratamiento térmico T5
El tratamiento térmico T5 consiste solo en la última etapa del tratamiento térmico T6, es decir de una
maduración artificial. En este caso la pieza se somete a un temple al salir del molde, así la aleación ya
tiene parte de los elementos en solución sólida sobresaturada.
En la Figura 3.5 se representa el esquema del tratamiento térmico T5.
25
Figura 3.5. Esquema de las etapas del tratamiento
térmico T5. [24]
Es más simple y menos costoso económicamente que el tratamiento térmico T6, pero al no conseguir la
solubilización máxima, las propiedades mecánicas tampoco serán 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 diámetros, 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 Ecuación 4.1.
P= 0,102*KD2
(Ecuación 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 están entre 10 y 15.
D: Diámetro del indentador que se va a utilizar en la prueba.
Aunque existen algunas máquinas de ensayo de Brinell que dan una lectura directa, normalmente, para
determinar
el
número
de
dureza,
se
utiliza
la
Ecuación
4.2.
(Ecuación 4.2)
26
Donde:
P: Carga utilizada.
D: Diámetro del indentador.
d: Diámetro de la huella.
La carga se aplica durante 30 segundos y luego se retira. Inmediatamente se lee en milímetros el
diámetro de la impresión.
4.2. Ensayo de tracción
Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su
comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción,
donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra
móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.
Esta máquina nos proporciona una curva Carga- Desplazamiento como se muestra en la Figura 4.1.
Partiendo de esta gráfica y utilizando la ecuación 4.3 y ecuación 4.4 obtenemos la curva TensiónDeformación.
Figura.4.1. Curva Carga- Desplazamiento [28]
El área bajo la curva Carga- Desplazamiento es la energía almacenada en la muestra durante la
deformación (elástica + plástica).
(Ecuación 4.3)
Donde, F es la carga (Fuerza) y A0 es la sección inicial de la probeta.
27
(Ecuación 4.4)
Donde, l0 es la longitud inicial y l es la longitud final de la probeta.
De esta curva Tensión- Deformación podemos extraer propiedades del material tales como, módulo
elástico (E), límite elástico (σ0,2), la resistencia a la tracción (σUTS) y el alargamiento, tal como se
muestra en la Figura 4.2.
La deformación elástica es una deformación temporal y se recupera totalmente cuando la carga es
eliminada. El material absorbe energía elástica que después devuelve.
A la ley que nos relaciona las tensiones con la deformación en el campo elástico se denomina ley de
Hooke (en honor a su descubridor R. Hooke 1635-1703) y puede expresarse según la Ecuación 4.5.
(Ecuación 4.5)
Donde,
: es el módulo de elasticidad longitudinal.
: es la tensión aplicada.
: es la deformación unitaria.
E mide la oposición que ejerce el material a ser deformado a tracción. Representa la rigidez del
material. Se calcula experimentalmente de la gráfica.
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 gravitación universal. Esta ley es aproximada, basada en observaciones hechas en
el laboratorio y que sólo es aplicable bajo determinadas condiciones experimentales (esfuerzos lo
suficientemente pequeños).
La deformación plástica es una deformación permanente y no se recupera cuando se elimina la carga,
aunque se recupera una pequeña componente elástica.
El mecanismo fundamental de la deformación plástica es la distorsión y reformación de los enlaces
atómicos. La naturaleza de este mecanismo son las relaciones entre las dislocaciones y la deformación
mecánica.
28
Figura 4.2. Curva Tensión- Deformación. [28]
Se alcanza la región plástica una vez superado el límite elástico.
Se toma como Límite elástico (YS, Yield Strenght) el esfuerzo necesario para provocar una
deformación permanente del 0.2% en el material.
Las leyes constitutivas de la deformación plástica describen la relación entre los parámetros básicos de
la deformación a una temperatura dada, las características del material y la microestructura. Los
parámetros de la deformación o variables macroscópicas son la tensión σ, la temperatura T y la
velocidad de deformación , que es la derivada de la deformación como indica la ecuación 4.6. La
mayoría de estas relaciones son empíricas o basadas en una aproximación teórica particular.
(Ecuación 4.6)
La Ecuación 4.7 más conocida como ecuación de Hollomon es la más empleada para describir el
comportamiento plástico de un material.
σ = K·
n
(Ecuación 4.7)
Donde K es el coeficiente de resistencia y n el exponente de endurecimiento por deformación.
5. Procedimiento Experimental
5.1. Introducción
En el presente apartado se describirá los pasos seguidos para la realización de dicho proyecto,
empezando por la extracción y preparación de las probetas, los tratamientos térmicos realizados y los
ensayos mecánicos realizados, ensayo de tracción y ensayo de dureza, así como el análisis de los
29
resultados obtenidos.
Por optimización entendemos conseguir la mayor dureza con el mínimo de temperatura y tiempo, ya
que esto se traduce en un menor coste.
El procedimiento que se sigue para la optimización de los tratamientos térmicos se basa en la obtención
final de las curvas HBW- Horas (dureza-tiempo) de las muestras expuestas a distintas temperaturas y
tiempos, tanto en la puesta en solución 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 aleación de aluminio
A356 conformadas con la técnica del Sub Liquidus Casting (SLC) y enfriadas al aire después de su
extracción 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. Preparación de las muestras para los ensayos de dureza
Para la optimización del tratamiento térmico T6 se han utilizado tres componentes de la misma serie
con la identificación Y44, Y45 y Y46, de la cuales se han extraído 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 localización de las muestras en la pieza antes de su extracción.
La marcación de las piezas se ha realizado a partir del segundo numero de la pieza, por ejemplo, si una
30
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 número corresponde a la situación de la muestra en la pieza, tal y
como se muestra en la Figura 5.2.
Para la optimización del tratamiento térmico T5 se ha requerido una pieza, se han utilizado las muestras
número 1, 2, 3 y 4. La pieza para el tratamiento térmico T5 ha sido sometida a un temple con agua a la
salida del molde.
Figura 5.2. Localización de las muestras.
En la preparación 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 numérico Emco F1- CNC,
para dejar las caras de las muestras completamente paralelas, para obtener un resultado lo más 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 granulometría 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 relación de temperaturas y tiempos en la puesta en solución
y en el envejecimiento que han sido sometidas cada una de las muestras utilizadas en la optimización
del T6.
31
Tabla 5.1. Relación de muestras en la puesta en solución.
Temperatura
Tiempo
4 horas
540º C
5 horas
Puesta en Solución
4 horas
545º C
5 horas
Nº de muestra
4.5 / 4.4
5.8 / 5.2
6.8 / 6.2
4.8 / 4.2
5.7 / 5.1
6.5 / 6.3
4.7 / 4.1
5.5 / 5.4
6.7 / 6.1
4.6 / 4.3
5.6 / 5.3
6.6 / 6.4
Tabla 5.2. Relación de muestras en el envejecimiento.
Temperatura
Tiempo
2-4-8 horas
160º C
3-6 horas
2-4-8 horas
Envejecimiento
170º C
3-6 horas
2-4-8 horas
180º C
3-6 horas
Nº de muestra
4.5
4.8
4.7
4.6
4.4
4.2
4.1
4.3
5.8
5.7
5.5
5.6
5.2
5.1
5.4
5.3
6.8
6.5
6.7
6.6
6.2
6.3
6.1
6.4
5.2.2. Preparación de las muestras para los ensayos de tracción
Se han utilizado tres piezas. Las probetas de tracción se han sacado de la zona superior de la pieza, tal
como muestra la Figura 5.4.
32
Figura 5.4. Zonas de extracción de las probetas de tracción.
En la preparación de las probetas se ha utilizado la tronzadora Struers Labotom, para el corte de las
piezas dejándolas 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 diámetro 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
térmicos T5 y T6 óptimos correspondientes. Una vez finalizados las probetas se acaban de mecanizar
para la realización del ensayo de tracción.
Las dimensiones de la probeta de tracción se muestran en la Figura 5.6.
Figura 5.6. Dimensiones de la probeta de tracción.
33
5.3. Tratamientos Térmicos
El tratamiento térmico T6 se ha realizado a dos temperaturas (540º C y 545º C) y a dos tiempos (4 horas
y 5 horas) distintos de puesta en solución, y a un envejecimiento de tres temperaturas diferentes (160º
C, 170º C y 180º C) durante un máximo de 10 horas, teniendo un total de 12 condiciones diferentes de
estudio.
Tanto la puesta en solución como el envejecimiento se han realizado en un horno Hobersal con control
PID de temperaturas, situado en el laboratorio de tratamientos térmicos L-007 de la EPSEVG, tal como
se muestra en la Figura 5.7.
Figura 5.7. Horno de tratamientos térmicos Hobersal
En el tratamiento térmico T5, el estudio se ha realizado a dos temperaturas, 160º C y 170º C con un
tiempo máximo de 12 horas en una estufa de tratamientos térmicos Hobersal, como se observa en la
Figura 5.8, situado en el laboratorio L-002 de la EPSEVG.
Figura 5.8. Estufa de tratamientos térmicos.
5.4. Ensayo de dureza Brinell
Los ensayos de dureza Brinell se han realizado según la norma UNE-EN ISO 6506-1.
El equipo utilizado es un durómetro universal Metrocom RC-MP situado en laboratorio de ensayos de
materiales L-003 de la EPSEVG, se muestra en la Figura 5.9.
34
Figura 5.9. Durómetro universal
marca Metrocom
La carga utilizada ha sido en todos los casos de 612,9 N con un penetrador esférico de WC con un
diámetro de 2,5 mm.
Cada ensayo ha constado de 3 penetraciones.
En el tratamiento térmico T6 se han realizado en estado de colada, después del temple de la puesta en
solución y a las 2- 3- 4- 6 y 8 horas en el envejecimiento.
En el tratamiento térmico T5 las penetraciones se han realizado en estado de colada y a las 2- 3- 4- 6- 810 y 12 horas.
5.5. Ensayo de tracción
Los ensayos de tracción se han realizado siguiendo la norma UNE-EN 10002-1.
La maquina de tracción 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 tracción marca Zwick, modelo Z100
El ensayo de tracción se ha realizado sobre muestras en estado de colada, con el tratamiento térmico T6
óptimo y con el tratamiento térmico T5 óptimo.
35
Los ensayos se han realizado a temperatura ambiente y a una velocidad de separación de las mordazas
de 5 mm/ min. Cada ensayo ha constado de 3 probetas.
6. Resultados
6.1. Optimización tratamientos térmicos
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
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
Desviación St.
4,16
2,51
1,15
2
2,08
0,57
1,52
1,52
HBW
Tabla 6.4. Durezas Estada de colada de la pieza Y45.
Muestra
HBW
HBWm
Desviación St.
5.1
70
73
70
71
1,73
5.2
70
70
72
70
1,15
5.3
70
71
70
70
0,57
5.4
72
71
65
69
3,78
5.5
64
66
65
65
1
5.6
64
62
66
64
2
5.7
71
63
71
68
1,52
5.8
64
60
58
61
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
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
Desviación St.
2,64
0,57
2,51
1,73
0,57
2,51
3
2
HBW
36
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 solidificación son procesos en los cuales no hay una homogeneidad absoluta.
6.1.1. Optimización del tratamiento térmico T6
Las siguientes tablas, Tabla 6.6, Tabla 6.7, Tabla 6.8 y Tabla 6.9 corresponden a las durezas
obtenidas después del temple una vez realizada la puesta en solución.
Tabla 6.6. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas.
Muestra
HBW
HBWm
Desviación St.
4.4
63
61
60
61
1,52
4.5
58
62
63
61
2,64
5.8
67
57
57
60
5,77
5.2
62
62
60
61
1,15
6.8
58
62
61
60
2,08
6.2
62
69
58
63
5,56
5.1
52
54
54
53
1,15
6.5
54
58
56
56
2
6.3
58
57
57
57
0,57
5.5
52
58
52
54
3,46
6.1
54
60
55
56
3,21
6.7
63
66
64
64
1,52
5.3
55
54
54
54
0,57
6.6
65
54
58
59
5,56
6.4
58
53
53
55
2,88
Tabla 6.7. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas.
Muestra
HBW
HBWm
Desviación St.
4.8
50
50
51
50
0,57
4.2
54
51
52
52
1,52
5.7
53
54
51
53
1,52
Tabla 6.8. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas.
Muestra
HBW
HBWm
Desviaciónt St.
4.1
52
53
55
53
1,52
4.7
59
59
56
58
1,73
5.4
57
56
51
55
3,21
Tabla 6.9. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas.
Muestra
HBW
HBWm
Desviación St.
4.6
51
52
50
51
1
4.3
52
51
52
52
0,57
5.6
56
58
54
56
2
37
En las tablas anteriores referentes a la puesta en solución se observa un descenso de la dureza al
incrementar la temperatura y el tiempo de la Puesta en Solución, debido a que se obtiene una solución
sólida metaestable, sobresaturada de soluto, con los átomos de soluto colocados de manera aleatoria y
la desaparición de la fase estable θ. La mayor dureza se obtiene para una Puesta en Solución a 540º C
durante 4 horas.
A continuación se muestran en la Tabla 6.10, Tabla 6.11 y Tabla 6.12 las durezas promedio obtenidas
para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y un envejecimiento de 160º C, 170º C y 180º 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 Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C (muestras 4.5 y 4.4).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
61
2
92
3
105
4
94
6
107
8
93
Tabla 6.11. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 170º C (muestras 5.8 y 5.2).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
60
2
71
3
81
4
82
6
100
8
99
Tabla 6.12. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 180º C (muestras 6.8 y 6.2).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
61
2
82
3
100
4
99
6
102
8
105
Tal como muestra la Tabla 6.10 en una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas la mayor dureza se
obtiene con un envejecimiento a 160 º C durante 6 horas, proporcionando una dureza de 107 HBW.
En el envejecimiento a 170º C, como muestra la Figura 6.11, la mayor dureza queda 7 unidades por
debajo de la conseguida a 160º C, a las 6 horas de tratamiento se obtiene una dureza de 100 HBW.
Si observamos la Figura 6.12, para un envejecimiento a 180º C su máxima dureza se consigue a las 8
horas de tratamiento, siendo de 105 HBW. En este caso se requiere de más tiempo para conseguir una
precipitación de elementos parecido al conseguido a 160º C.
Si observamos la Figura 6.1 vemos claramente que en el envejecimiento a 160º C hay un aumento más
rápido de la dureza que en las otras temperaturas de envejecimiento.
38
T6. Puesta en Solución a 540ºC durante 4 horas
120
Dureza / HBW
100
80
160º C
170º C
60
180º C
40
20
0
0
2
4
6
8
Tie m po / h
Figura 6.1. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento posterior.
39
10
En la Tabla 6.13, Tabla 6.14 y Tabla 6.15 así como en la Figura 6.2 se muestran las durezas que
hacen referencia a una Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 160º C, 170º C
y 180º C respectivamente.
Tabla 6.13. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 160º C (muestras 4.8 y
4.2).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
51
2
83
3
77
4
88
6
96
8
88
Tabla 6.14. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 170º C (muestras 5.7 y 5.1).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
53
2
71
3
81
4
90
6
101
8
102
Tabla 6.15. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 180º C (muestras 6.5 y 6.3)
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
56
2
77
3
98
4
97
6
105
8
102
Al aumentar el tiempo de puesta en solución no se consigue mejorar los resultados anteriores. Con una
puesta en solución de 4 horas es suficiente para conseguir una concentración máxima de Mg2Si en la
red del aluminio.
Si seguimos con una Puesta en Solución a 540º C pero aumentamos el tiempo de tratamiento a 5 horas,
observamos en la Tabla 6.13 que para un envejecimiento a 160º C el tiempo óptimo vuelve a ser de 6
horas aunque en este caso no se alcanza un valor de dureza equivalente al anterior, encontramos una
dureza máxima de 96 HBW.
A 170º 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 óptimo
a 170º C vuelve a ser de 6 horas. La dureza obtenida también es similar a la encontrada en la puesta en
solución de 4 horas.
En cambio, en la Tabla 6.15, a una temperatura de envejecimiento de 180º 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 solución.
40
Figura 6.2. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento posterior.
41
En la Tabla 6.16, Tabla 6.17, Tabla 6.18 y la Figura 6.3 corresponden a las durezas para una Puesta en
Solución de 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C, 170º C y 180º C respectivamente.
Tabla 6.16. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C (muestras 4.7 y 4.1).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
55
2
89
3
100
4
101
6
101
8
99
Tabla 6.17. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 170º C (muestras 5.5 y 5.4).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
54
2
76
3
77
4
86
6
97
8
106
Tabla 6.18. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 180º C (muestras 6.7 y 6.1).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
60
2
81
3
98
4
94
6
103
8
99
Si aumentamos la temperatura de puesta en solución a 545º C no notamos ningún cambio sustancial en los
resultados obtenidos en el envejecimiento, ya que no se llega a una temperatura lo suficientemente alta como
para provocar la fusión parcial del silicio eutéctico.
Como se observa en la Tabla 6.16, a temperatura de 160º 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 170º C durante 8 horas se obtiene la mayor dureza de 106 HBW
para esta condición de puesta en solución.
Para el envejecimiento a 180º C, como indica la Tabla 6.18, la dureza máxima de 103 HBW se obtiene a las
6 horas de tratamiento, coincidiendo sin grandes variaciones con los obtenidos en las condiciones de puesta
en solución anteriores.
42
T6. Puesta en Solución a 545ºC durante 4 horas
120
100
Dureza / HBW
80
160ºC
60
170ºC
180ºC
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Tiem po / h
Figura 6.3. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento posterior.
43
8
9
En la Tabla 6.19, Tabla 6.20, Tabla 6.21 así como en la Figura 6.4 se exponen las durezas obtenidas para
una Puesta en Solución de 545º C durante 5 horas y un envejecimiento a 160º C, 170º C y 180º C
respectivamente.
Tabla 6.19. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento a 160º C (muestras 4.6 y 4.3).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
51
2
83
3
83
4
96
6
94
8
95
Tabla 6.20. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento a 170º C
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
55
2
69
3
83
4
82
6
99
(muestras 5.6 y 5.3).
8
97
Tabla 6.21. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento a 180º C (muestras 6.6 y 6.4).
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
57
2
84
3
99
4
99
6
103
8
106
10
102
A temperatura de 160º C la mayor dureza es de 96 HBW que se obtiene a las 4 horas de envejecimiento,
estos valores continúan 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 170º C el valor máximo de 99 HBW lo
obtenemos a las 6 horas de envejecimiento.
Con un envejecimiento a 180º C, como indica la Tabla 6.21, se consigue un valor similar a los máximos
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 evolución, la cual nos muestra que a
partir de las 8 horas la dureza disminuye.
44
T6. Puesta en Solución a 545ºC durante 5 horas
120
100
Dureza / HBW
80
160ºC
60
170ºC
180ºC
40
20
0
0
2
4
6
8
Tiem po / h
Figura 6.4. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento posterior.
45
10
12
Para determinar la condición óptima de tiempos y temperaturas del tratamiento térmico T6, buscamos para
cada condición los valores de dureza máximos.
Para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas (Figura 6.1), se obtiene una dureza máxima de 107
HBW para un envejecimiento a 160º C durante 6 horas.
En una Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas (Figura 6.2), la dureza máxima de 105 HBW se
encuentra para un envejecimiento de 180º C durante 6 horas.
En la Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas (Figura 6.3), obtenemos la máxima dureza de 106 HBW
para un envejecimiento de 170º C durante 8 horas.
Y para una Puesta en Solución de 545º C durante 5 horas (Figura 6.4), la máxima dureza de 106 HBW, se
encuentra para un envejecimiento a 180º C durante 8 horas.
Todos los datos anteriores son los máximos valores de dureza obtenidos para cada condición y se observa
que todos ellos son muy similares, con variaciones máximas de dos unidades de dureza. Si miramos los
tiempos y temperaturas mínimas de tratamiento se ve claramente que las condiciones óptimas del
tratamiento térmico T6 son de una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y un envejecimiento de 6
horas a 160º C.
Observando los resultados expuestos en las tablas anteriores podemos decir que el tiempo óptimo de
envejecimiento a 160º C se encuentra alrededor de las 6 horas, mientras que para temperaturas superiores de
170º C y 180º C el tiempo óptimo se encuentra entre la 6 y las 8 horas.
También se observa que para temperaturas de envejecimiento de 160º C y 180º C, el aumento de dureza con
respecto al tiempo de tratamiento es mayor que a la temperatura de 170º C.
6.1.2. Optimización del tratamiento térmico T5
A continuación se muestran los resultados obtenidos en la optimización del tratamiento térmico T5, en la
Tabla 6.22 se muestran los resultados obtenidos para un envejecimiento a 160º C y en la Tabla 6.23 para un
envejecimiento a 170º C. En la Figura 6.5 se comparan los resultados obtenidos a 160º C y 170º C.
Tabla 6.22. Durezas envejecimiento a 160º C.
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
68
2
73
3
76
4
75
6
80
8
80
10
86
12
83
8
84
10
89
12
86
Tabla 6.23. Durezas envejecimiento a 170 º C.
Tiempo / h
Dureza / HBW
0
67
2
76
3
79
4
81
6
84
En el tratamiento térmico T5 tanto a la temperatura de 160º C como a 170º C la mayor dureza se obtiene a
las 10 horas de tratamiento, siendo la dureza del envejecimiento a 170º C la de valor ligeramente superior
que el conseguido a 160º C. Las durezas obtenidas son menores que las del tratamiento térmico T6, debido a
que en la salida del molde y posterior enfriamiento en agua, la matriz de aluminio no presenta en su
estructura un máximo de elementos endurecedores en solución sólida, por lo tanto no se consigue el máximo
de densidad de precipitadotes endurecedores.
46
T5
100
90
80
Dureza / HBW
70
60
160ºC
50
170ºC
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
Tiempo / h
Figura 6.5. Gráfica Dureza- tiempo envejecimiento a 160º C y 170º C.
47
10
12
14
6.2. Ensayo de tracción
En las siguientes tablas, Tabla 6.24, Tabla 6.25 y Tabla 6.26 aparecen los valores de los parámetros
obtenidos en los ensayos de tracción para probetas en estado de colada, con tratamiento térmico T5 y
tratamiento térmico T6 respectivamente, así como la Figura 6.6 donde se comparan las gráficas TensiónDeformación para cada uno de los casos anteriores.
Tabla 6.24. Valores de los parámetros obtenidos en estado de colada.
Módulo elástico
64
GPa
Límite elástico
99
MPa
Resistencia tracción
216
MPa
Alargamiento
12,5
%
Tabla 6.25. Valores medios de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T5.
Módulo elástico
73
GPa
Límite elástico
145
MPa
Resistencia a la tracción
219
MPa
8
%
Alargamiento
Tabla 6.25. Valores de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T6.
Módulo elástico
74
GPa
Límite elástico
233
MPa
Resistencia tracción
304
MPa
Alargamiento
9,9
%
Los resultados obtenidos en los ensayos de tracción nos muestran que las piezas que son sometidas a
tratamientos térmicos T6 aumentan sus valores de, límite elástico y resistencia a tracción, y disminuye su
alargamiento respecto al estado de colada, esto se debe al precipitado Mg2Si que aumenta la resistencia.
Con el tratamiento térmico T5 únicamente se ha observado un incremento significativo del límite elástico.
48
Tensión- Deformación
Tensión / N/mm
350
300
250
T6
200
Estado de colada
150
T5
100
50
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
Deformación / %
Figura 6.6. Diagrama Tensión – Deformación para muestras en estado de colada y con tratamiento térmico T5 y T6.
49
7. Conclusiones
En la determinación del tratamiento térmico T6 óptimo los ensayos de dureza Brinell realizados en las
diferentes condiciones muestran en todos los casos un incremento de la dureza al finalizar los tratamientos
térmicos T5 y T6.
Observando los resultados expuestos anteriormente, podemos decir que es suficiente una puesta en solución
a 540º C durante 4 horas y un envejecimiento a 160º C durante 6 horas para conseguir una concentración
máxima de soluto en la solución sólida, es decir, obtener un máximo de elementos de aleación
endurecedores dentro de la matriz de aluminio y una precipitación adecuada de estos elementos.
En la etapa de envejecimiento se ha observado que los tiempos óptimos varían dependiendo de la
temperatura del tratamiento, siendo de 6 horas a 160º C y entre 6 y 8 horas en las temperaturas de 170º C y
180º C.
Al realizar el temple se ha observado que la dureza disminuía con respecto al estado de colada, y también al
aumentar la temperatura.
En nuestro caso la temperatura de puesta en solución no es un factor determinante en el endurecimiento de
la aleación ya que principalmente tiene la función de obtener una solución sólida con la máxima
concentración de los elementos de aleación. Las temperaturas de 540º C y 545º C no difieren mucho el uno
del otro y en ningún caso la temperatura es lo suficientemente alta como para que se produzca la fusión
parcial del eutéctico, ni lo bastante baja como para no obtener el máximo de elementos endurecedores de la
aleación. El objetivo principal es encontrar la mínima temperatura para que los elementos de aleación se
disuelvan en la matriz de aluminio.
También puede observarse que para cada temperatura de envejecimiento existe un tiempo óptimo para que
la precipitación dé los mejores resultados en la aleación. A 160º C el tiempo óptimo lo encontramos a las 6
horas aproximadamente, y a 170º C y 180º C el tiempo óptimo está entre 6 y 8 horas.
A lo que se refiere al tratamiento térmico T5 en ambos casos las durezas son similares, 86 HBW para un
envejecimiento a 160º C y de 89 HBW para un envejecimiento a 170º C, siendo el tiempo de mantenimiento
el mismo en los dos casos.
Los resultados obtenidos en los ensayos de tracción nos muestran que las piezas que son sometidas a
tratamientos térmicos T6 aumentan sus valores de límite elástico y resistencia a tracción, y disminuye su
alargamiento con respecto al estado de colada por consecuencia del incremento de resistencia
experimentado por el precipitado Mg2Si.
En el tratamiento térmico T5 únicamente se ha observado un incremento significativo del límite elástico.
El tratamiento térmico T5 tiene la ventaja de ser más simple y menos costoso económicamente y evita
además distorsiones que puedan aparecer en la pieza al ser enfriada, no alterándose la estabilidad
dimensional.
50
8. Presupuesto
Orden
Concepto
Màquina
Horas
Máquina
Coste
Màquina
Técnico
(€/h)
(h)
(€)
(€/h)
(h)
(€)
(€)
Horas técnico Coste técnico
Coste total
1
Documentación
-
-
-
7
45
315
315
2
Preparación provetas dureza
45
20
900
39
35
1365
2265
3
Preparación provetas tracción
45
10
450
39
15
585
1035
4
Tratamientos térmico T6
55
36
1980
39
8
372
2352
5
Tratamiento térmico T5
50
20
1000
39
4
156
1117
6
Ensayos de dureza
39
8
312
39
10
390
702
7
Ensayos de tracción
137
2
274
65
5
325
599
8
Redacción del PFC
-
-
-
65
110
7150
7150
Subtotal
4916
10658
15574
IVA 16%.
786,56
1705,28
2491,84
12363,28
18065,84
Suma total
96
5702,56
51
242
9. Estudio medioambiental
La conformación en estado semisólido permite optimizar las propiedades mecánicas 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 técnica de conformado de las piezas utilizadas en este estudio, el Sub Liquidus
Casting, encontramos que es de las técnicas de conformado en estado semisólido que ayuda a reducir el
impacto medioambiental, ya que optimiza la utilización de la energía que se necesita durante el proceso.
En otras técnicas la energía 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 técnica SLC el material solo se
funde una vez i se mantiene en un horno a temperatura constante hasta el momento de conformación.
El material utilizado en este estudio también favorece al medioambiente, ya que la utilización de las
aleaciones de aluminio en la conformación de piezas para la automoción y aeronáutica disminuyen el peso
de los vehículos y eso afecta al consumo de combustible que afecta directamente con la emisión de gases de
efecto invernadero.
El efecto directo que ha tenido este proyecto con el medioambiente puede considerarse mínimo. La única
generación de residuos aparece en el mecanizado de las probetas de tracción donde la viruta extraída se
recicla para un uso posterior.
El factor más importante es el gasto de energía que se ha realizado durante el proceso experimental para
determinar los parámetros de tiempo y temperatura, ya que se ha utilizado el horno durante muchas horas a
elevadas temperaturas. La optimización de los tratamientos térmicos al tener como finalidad obtener las
propiedades máximas con las menores temperaturas y tiempos, contribuye a minimizar el impacto
medioambiental de los procesos productivos.
52
10. Índice de tablas y figuras
Pág.
……………………………………………….
11
…………….
11
………………………………………
14
Figura 2.2. Evolución microestructural. ……………………………………………………….
15
Figura 2.3. Métodos de obtención de estructuras no dendríticas por agitación del líquido …..
16
………………………………………………
17
…………………….
17
……………………………..
18
……………………………………………….
18
……
20
………………………………
21
Figura 3.2. Colocación de los precipitados dentro de la matriz.
………………………
21
Figura 3.3. Esquema con las etapas del tratamiento térmico T6. [24]
………………………
22
Figura 3.4. Etapas de la microestructura en el envejecimiento. [26]
………………………
25
Figura 3.5. Esquema de las etapas del tratamiento térmico T5. [24]
……………………...
25
Figura.4.1. Curva Carga- Desplazamiento.
……………………………………………….
27
Figura.4.2.Curva Tensión- Deformación.
……………………………………………….
28
……………………………………….
29
Figura 5.2. Localización de las muestras.
………………………………………………..
30
Figura 5.3. Muestra totalmente preparada.
………………………………………………..
30
………………………………
32
Tabla 5.2. Relación de muestras en el envejecimiento. ………………………………………
32
………………………………
33
Figura 5.5. Forma de la probeta antes de mecanizar.
……………………………………….
33
Figura 5.6. Dimensiones de la probeta de tracción.
………………………………………..
33
Figura 1.1. Diagrama de equilibrio Al-MgSi.
Tabla 1.1. Composición química de la aleación A356, en % en peso. [23]
Figura 2.1. Corte de un lingote de rheocasting. [1]
Figura 2.4. Máquina de inyección SLC.
Figura 2.5. Microestructura de un componente conformado por SLC.
Figura 2.6. Esquema del proceso Sub Liquidus Casting [15].
Figura 2.7. Cámara de inyección y pistón.
Tabla 3.1. Designación de los tratamientos térmicos. The Aluminium Association. [25]
Figura 3.1. Etapas del endurecimiento por precipitación.
Figura 5.1. Platinas de moto conformadas por SLC.
Tabla 5.1. Relación de muestras en la puesta en solución.
Figura 5.4. Zonas de extracción de las probetas de tracción.
53
…………………………………………
34
…………………………………………………
34
…………………………………………
35
Figura 5.7. Horno de tratamientos térmicos Hobersal.
Figura 5.8. Estufa de tratamientos térmicos.
Figura 5.9. Durómetro universal marca Metrocom.
Figura 5.10. Maquina de tracción marca Zwick, modelo Z100.
………………………………… 37
…………………………………………. 37
Tabla 6.3. Durezas Estado de colada de la pieza Y44.
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 Solución a 540º C durante 4 horas.
…………………………
38
Tabla 6.7. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas.
…………………………
38
Tabla 6.8. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas.
…………………………
38
Tabla 6.9. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas.
…………………………
38
Tabla 6.10. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C. ……
39
Tabla 6.11. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 170º C. …....
39
Tabla 6.12. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas y envejecimiento a 180º C. ……
39
Figura 6.1. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 540º C durante 4 horas
y envejecimiento posterior.
…………………………………………………………....
40
Tabla 6.14. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 170º C.……
41
Tabla 6.13. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 160º C. ……
41
Tabla 6.15. Durezas Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas y envejecimiento a 180º C.……..
41
Figura 6.2. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 540º C durante 5 horas
y envejecimiento posterior.
……………………………………………………………
42
Tabla 6.16. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 160º C.…….
43
Tabla 6.17. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 170º C.…….
43
Tabla 6.18. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas y envejecimiento a 180º C.…….
43
Figura 6.3. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 545º C durante 4 horas
y envejecimiento posterior.
……………………………………………………………
44
Tabla 6.19. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento a 160º C.…….
45
54
Tabla 6.20. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento a 170º C.…….
45
Tabla 6.21. Durezas Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas y envejecimiento a 180º C.…….
45
Figura 6.4. Gráfica Dureza- tiempo para una Puesta en Solución a 545º C durante 5 horas
y envejecimiento posterior.
……………………………………………………………
46
……………………………………………………
47
Tabla 6.23. Durezas envejecimiento a 170 º C. ……………………………………………………
47
Figura 6.5. Gráfica Dureza- tiempo envejecimiento a 160º C y 170º C. …………………………
48
………………………….
49
Tabla 6.25. Valores de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T5.
…………………
49
Tabla 6.25. Valores de los parámetros obtenidos con tratamiento térmico T6.
…………………
49
Figura 6.6. Diagrama Tensión – Deformación para muestras en estado de colada
y con tratamiento térmico T5 y T6.
……………………………………………………
50
Tabla 6.22. Durezas envejecimiento a 160º C.
Tabla 6.24. Valores de los parámetros obtenidos en estado de colada.
55
11. Bibliografía
[1].
Mª. Teresa Baile Puig, “Estudio de la Conformación de Componentes AluminioSilicio en Estado Semisólido”, Tesis Doctoral. (2005) (3-4-2007)
[2].
P. Barrand., R. Gadeau, “Metalurgia estructural del aluminio, Fusión y colada de
placas y tochos, Fabricación anexas”, Enciclopedia del aluminio vol.2 Ed. Urmo,
pp 13-57, 88-159.
[3].
A. Forn, Mª. T. Baile, J. A. Picas y E. Martin, Propiedades Mecánicas y Análisis
Factográfico de Componentes AlSiMg Conformados en Estado Semisólido. (2005)
[4].
Valer, J., Rodríguez, J. M. y Urcola, J. J., Conformado de Aleaciones en Estado
Semisólido. Aplicación a Aleaciones Hipereutécticas de Al-Si, Rev. Metal, Madrid,
pp. 231-247. (1996)
[5].
M. C. Flemings, R. G. Riek, K. P. Young, “Rheocasting”, Materials Science and
Engineering, vol. 25, pp. 103-117. (1976)
[6].
Kirkwood, D. H., Semisolid Metal Processing, University of Sheffield, vol. 39, pp.
173-189. (1995)
[7].
Baser, T. Pehlke R. Sachdev, A. The Effect of Microstructure on the T6 Mechanical
Properties of Semi-Solid formed A357 Aluminium, Proceedings from Material
Solutions Conference, pp. 27-34. (2001)
[8].
Jolym, P. A. and Mehrabian, R. J., Materials Science, vol. 11, pp. 1392-1418.
(1992)
[9].
Streeter, V. L., Handbook of Fluid Dinamics, McGraw Hill Book Company. (1961)
[10].
Brown, S. B., Human, P. and Martin, C. L., Proc. 2nd Int. Conference Processing of
Semi-Solid Alloys and Composites, Ed. S. B. Brown and M. C. Flemings, pp. 183192. (1992)
[11].
Quaak, C. J. y Kool, W. H., Materials Science Engineering, vol. A188, pp. 957-981.
(1994)
[12].
Flemings, M. C., Proceedings of 3rd International Conference on Processing of
Semi-Solid Alloys and Components (Ed. M. Kiuchi), Institude of Industrial Science,
University of Tokyo, Japan. (1994)
[13].
Forn, A., Menargues, S., Martín, E., Modelización del Conformado por SubLiquidus Casting (SLC): Predicción y Estudio de los Defectos en un Componente
de Automoción. (2004)
[14].
Flemings, M. C., Proceedings of Semi-Solid Alloys and Composites, 2nd
International Conference on Semi-Solid, Ed. S.B. Brown and M. C. Flemings, TMS,
Massachusets. (1992)
56
[15].
John L. Jorstad, “Sub-Liquidus Casting: Process Concept and Product Properties”,
American Foundry Society, 107th Casting Congress, Milwakee. (2003)
[16].
Wolfe R. and Bailey R., “High Integrity Structural Aluminium Casting Process
Selection”, SAE Paper Number 2000-01-0760, Society of Automotive Engineers,
Warrendale, PA. (2000)
[17].
Chul P., Sangshikk K., Yongman K., “Mechanical and corrosion properties of
rheocast and low-pressure cast A356-T6 alloy”, Mater. Sci. Eng. A. (2005)
[18].
Jorstad J.L., “Economical Semi Solid Metal (SSM) Processing Automotive
components”. DAE 2002 World Congress, Detroit (USA). (2005)
[19].
Atkinson H. V., “Modelling the semisolid processing of metallic alloys”. Progress
in Materials Science 50, pp. 341-360. (2005)
[20].
Fleming M. C., “Behaviour of metal alloys in the semisolid state”, Metal. Trans.
22A, pp. 957. (1991)
[21].
Spencer D. B., Meherabian R., Fleming M. C., “Rehological behaviour of Sn-15Pb
in the crystallization range”, Metal. Trans., 3. (1972)
[22].
Gil Mur F. J., Aparicio C., “Aleaciones ligeras” Edicions UPC, Barcelona. (2001)
[23].
“Aluminium and aluminium alloys”, J. R. Davis, ASM International Handbook
Committee (vol.15): ASM International. (1993)
[24].
www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos.html (3-4-2007)
[25].
ANSI, “Alloy and Temper Designation Systems for Aluminium, Aluminium
Association. (2001)
[26].
alumnat.upv.es/pla/visfit/4957/AAAGNXAAXAAAD5RACu/unidad15.pdf (20-52007)
[27].
http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-862/Lecturas/LP1M2.pdf ( 20-5-2007)
[28].
http://www.tecnun.es/asignaturas/Materiales1/docu/tema4.pdf (22-6-2007)
11.1. Bibliografía complementaria
[A].
A. Herrero, F. Vivas, “VIII Congreso Nacional de Tratamientos Térmicos y de
Superficie”, Barcelona Junio 2000.
[B].
www.matweb.com. (20-3-2007)
[C].
UNE-EN-1002-1 “Materiales metálicos, ensayos de tracción parte 1: Método de
ensayo a temperatura ambiente”.
57
[D].
http://www.cdaltec.com/cdalcat/home.htm (12-3-2007)
[E].
UNE-EN ISO 6506-1 “Materiales metálicos, Ensayo de dureza Brinell parte 1:
Método de ensayo”.
[F].
Menargues Muñoz, Sergi, “Simulación del Proceso de Conformación de una Rótula
de Dirección por Thixocasting”. Proyecto Final de Carrera. (2005)
https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3181/1/40884-1.pdf
(3-4-2007)
[G].
Campillo Betbesé, Manel, “Simulación de procesos para la obtención de pistones
mediante la conformación en estado semisólido: SLC y NRC”. Proyecto Final de
Carrera. (2005) https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3194/1/500971.pdf (3-4-2007)
[H].
Cuadrado Lafoz, Núria, “Millores en l'avaluació de propietats mecàniques
mitjançant identació instrumentada: aspectes experimentals i simulacions per
elements
finits”,
Proyecto
Final
de
Carrera.
(2006)
https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3199/1/54311-1.pdf
(3-4-2007)
58