Aplicación de refinador de grano y modificador a una

CONAMET/SAM-2008
APLICACIÓN DE REFINADOR DE GRANO Y MODIFICADOR
A UNA ALEACIÓN VACIADA AL-12 Si.
Sergio Haro R.a, Rafael E. Goytia R.a, Audel Santos B.a, D. K. Dwivedi. b
Maestría en Procesos y Materiales, Unidad Académica de Ingeniería, Universidad Autónoma de
Zacatecas, Av. López Velarde 801, Centro, Zacatecas, Zac. C.P. 98000, México.
E- mail: [email protected]
b
Department of Mechanical & Industrial Engineering, Indian Institute of Technology, Roorkee, Roorkee:
24667, India.
a
Palabras clave: Aleaciones de aluminio, refinación de grano, modificación.
Resumen:
Se estudió el refinamiento y modificación de una aleación de aluminio vaciada Al-12Si, usando
aleaciones maestras Al-5Ti-1B como refinador y Al-10Sr como modificador. Se experimentaron dos
niveles de cada uno y se añadieron por separado. Los resultados muestran que tanto la adición de titanio
como la de estroncio favorecieron el mejoramiento de las propiedades de tensión de la aleación Al-12Si
vaciada, a través de la modificación de la microestructura, sin embargo la adición de 0.06% de Sr en
forma de aleación maestra produjo la microestructura mas adecuada y presentó la mejor combinación de
propiedades mecánicas.
1. INTRODUCCION
Las aleaciones binarias aluminio-silicio
exhiben excelente fluidez, facilidad de vaciado y
resistencia a la corrosión. Esas aleaciones
presentan baja resistencia y deficiente
maquinabilidad. La ductilidad, la cual puede ser
excepcional, es función de la concentración de
impurezas baja y de las características
microestructurales. [1]
Las propiedades mecánicas de las aleaciones
Al-Si dependen principalmente del tamaño, forma
y distribución de las partículas de silicio. Las
partículas de silicio de segunda fase afectan la
resistencia, tenacidad, ductilidad y aspectos
tribológicos [2,3] El uso de las aleaciones de Al-Si
encuentra aplicaciones en automóviles (pistones,
cabezas de cilindros, monoblocks, múltiples de
admisión, carcazas de cajas de engranes, entre
otros), industrias aeroespacial y de ingeniería. [2-7]
Las aleaciones aluminio-silicio mayormente
empleadas son las hipoeutécticas o eutécticas. La
microestructura de la aleación comercial Al 12 %
en peso de Si presenta dendritas de _- aluminio, así
como silicio en forma de cuboides y eutécticos con
silicio de una morfología acicular o laminar. [8]
El refinamiento de aluminio primario _ y
silicio, y de la mezcla eutéctica se conoce mejora
las propiedades mecánicas. Se usan refinadores de
grano y modificadores para el mismo objetivo.
[9,10] El refinamiento de grano es una de las
inoculaciones hechas en la operación de fundición
para alterar la estructura del metal vaciado. Se
hace para producir un grano fino y equiaxial
durante la solidificación. Las aleaciones que
contienen cantidades considerables de elementos
que tienen alta solubilidad sólida en aluminio
(tales como cobre, magnesio y zinc) desarrollan
granos equiaxiales compactos de tamaño mas
pequeño que lo hacen las aleaciones con apreciable
cantidad de silicio. [11]
Las aleaciones maestras de mayor uso como
refinadores de grano son aluminio-titanio (Al-Ti),
aluminio-boro (Al-B) y aluminio-titanio-boro (AlTi-B), este último de los mas comunes. Se
adicionan en forma de aleaciones maestras
disponibles en lingotes, otras formas o mezcla de
sales. [12]
El termino “modificación” describe una
condición de marcado refinamiento de la
estructura del silicio en el eutéctico aluminiosilicio de este tipo de aleaciones.
Los
modificadores tales como sodio o estroncio
tienden a reducir la tensión interfacial entre las
fases eutécticas. La reducción en la tension
interfacial incrementa el ángulo de contacto entre
el aluminio y el silicio, permitiendo al aluminio
cubrir y detener el crecimiento del cristal de
silicio.
La resistencia, ductilidad y facilidad de
vaciado de aleaciones de aluminio silicio
hipoeutécticas puede mejorarse adicionalmente por
la modificación del eutectico aluminio silicio. La
modificación es particularmente ventajosa en
fundiciones en arena y puede conseguirse a través
de la adición controlada de sodio o estroncio.
Velocidades altas de solidificación también
promueven una microestructura del eutéctico fina,
no modificada. [11]
La cantidad de adición de Ti o Sr varían
dependiendo de la aleación y de las condiciones de
vaciado. Existen numerosas recomendaciones
sobre las cantidades a añadir de Ti.
Recomendaciones se sitúan típicamente en el
rango de 0.25 a 3.0 gr. /Kg. en forma de aleación
maestra Al-5Ti-1B (equivalente a 0.00125-0.015
% en peso de Ti) [13] Otras fuentes [11]
recomiendan un contenido entre 0.05-0.15% Ti,
0.04% B para producir un adecuado refinamiento
de grano. Lo mismo ocurre con el modificador, la
cantidad de adición de Sr varia dependiendo de la
aleación y de las condiciones de vaciado, por lo
que típicamente se sitúa en el rango de 4 a 6 gr.
/Kg. de aleación maestra Al-10Sr (equivalente a
0.04 y 0.06 % en peso de Ti) [13] Mientras que
otras fuentes [11] recomiendan un contenido entre
0.01 a 0.02% Sr en la aleación para obtener una
modificación aceptable del silicio eutéctico.
En las pruebas realizadas en este estudio, se
determinaron los efectos del refinador Al-5Ti-1B y
modificador Al-10Sr, ambos con dos niveles de
adición, sobre la microestructura y propiedades
mecánicas en la aleación vaciada Al-12Si.
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
La composición nominal de la aleación se muestra
en la tabla I.
Tabla 1
Composición química de la aleación Al-12Si empleada.
Elemento
Si
% en peso
12.53
Fe
Cu
Mn
0.44 2.95 0.010
Mg
Zn
Ti
Ni
0.34
0.020
0.08
2.13
La fusión de la aleación se realizó en un
horno eléctrico de resistencias, marca MIFCO (Mc
Enflevan Industrial Furnace Company, Inc.).
Subsecuentemente se añadieron las cantidades
correspondientes de Ti en forma de aleación
maestra Al-5Ti-1B o Al-10Sr (Al-10Sr). Después
de una ligera agitación la mezcla fue desgasificada
por soplo en el metal líquido de argón con una
lanza de tapón poroso durante 20 minutos, a la
temperatura de 725°C. Después de ello, las
muestras se vaciaron a la temperatura de 725°C, en
moldes de arena shell pre-secados a la temperatura
de 200°C. Las dimensiones de la cavidad cilíndrica
de los moldes, para fabricar las probetas de
tensión, fueron de 25 mm de diámetro y 190 mm
de largo.
metalografía se realizó usando un microscopio
óptico Union Versamet-3, Union Optical Co. Ltd.
Para determinar el efecto de la adición de Ti y
estroncio sobre las propiedades mecánicas de la
aleación, se elaboraron muestras para ensayos
mecánicos de acuerdo al estándar ASTM B 55706. [14] Los ensayos de tensión se realizaron en
una máquina universal Shimadzu, modelo AG-I,
tipo SFL-100, la velocidad de desplazamiento fue
de 1 mm/min. Asimismo, se realizaron pruebas de
dureza (HRB), en un durómetro AFFRI, modelo
206RT, el diámetro del penetrador fue de1.587
mm y la carga aplicada de 100 Kg. f (981 newton).
3. RESULTADOS
Para la adición de modificador, la aleación se
fundió a 725° C y se desgasificó durante 20
minutos, posteriormente se introdujo el
modificador Al-10Sr, agitando ligeramente la
mezcla durante 2 minutos asegurando así una
mejor dilución y homogeneidad del metal líquido.
Se estabilizó la temperatura a 725°C y se vaciaron
las muestras en moldes de arena shell.
La tabla II detalla las cantidades de titanio y
estroncio añadidos en las muestras de prueba.
Tabla II Detalles de la adición de Ti y Sr en las
muestras de prueba, añadidos en forma de aleación
maestra.
Lote No.
Adición de Ti. Adición de Sr.
(% en peso)
(% en peso)
1
--------2
0.00125
----3
0.015
---4
----0.04
5
-----0.06
Para la observación metalográfica se
obtuvieron muestras de cada composición
experimental, se prepararon por medios mecánicos
convencionales y atacaron químicamente con una
solución acuosa conteniendo 10 gr. de K4[Fe
(CN)6], 5 gr. de NaOH y 60 ml de agua. La
a
3.1 Influencia de las adiciones de Ti y Sr sobre
la microestructura.
Las figuras 1 a 5 muestran las microestructuras de
las diferentes condiciones experimentadas.
La microestructura de la Al-12Si, sin adición de
refinador y modificador, tiene la presencia de
eutécticos de Si-Al en matriz de _-Al, partículas
cuboides de silicio y partículas aciculares _ (AlFe-Si) que indican excesivo contenido de hierro.
[11] Las fases aciculares _ presentes son largas y
varían en longitud desde 150 a 400 m, figura 1
(a).
La adición de 0.00125 % en peso de Ti,
produjo una transformación notable de la
microestructura, desaparecieron las fases
aciculares, transformándose a fases mas regulares.
Figura 2 (a y b). En la primera, 2 (a), se observa la
microestructura laminar del eutéctico,
prevaleciendo las partículas de silicio en forma
cuboides. En la figura 2(b) se aprecia el cambio de
la morfología de las partículas _ (fases obscuras),
mas la presencia de fases tipo script, que en
aleaciones Al-Fe-Si suelen ser preferentemente del
tipo Al5 (Mn, Fe)3 Si2. [11]
b
Si
Si
_
_
Si
Figura 1. Metalografía óptica de la aleación Al-12Si. a) Se observa la presencia de partículas cuboides
de Si y de fases aciculares tipo _ sobre la matriz _-Al b) Detalle de las partículas de silicio y la fase tipo _
en la matriz _-Al.
a
b
Figura 2. Microestructura de la aleación Al-12 Si con adición de 0.00125 % en peso de Ti. a) Se muestra
la naturaleza laminar del eutéctico con la presencia de algunas partículas preexistentes de silicio de forma
cuboide. b) Se muestra la modificación de las fases tipo _, fases obscuras.
a
b
Figura 3. Microestructura de la aleación Al-12 Si con adición de 0.015 % en peso de Ti. a) Matriz de _-Al
con partículas de silicio. b) Mezcla de partículas de silicio y fases tipo _ sobre la matriz _-Al.
a
b
Si
modificado
dendritas Al _
Figura 4. Microestructura de la aleación Al-12 Si con adición de 0.04 % en peso de Sr. a) Se observa el
efecto del modificador Al-10Sr, presentando una parcial modificación del Si eutéctico, aún se conservan
las dendritas de la matriz _-Al. b) El Si eutéctico laminar comienza fraccionarse en pequeñas piezas.
a
b
Silicio
modificado
Figura 5 Microestructura de la aleación Al-12 Si con adición de 0.06 % en peso de Sr. a) Partículas de
silicio modificadas y distribuidas uniformemente en la matriz _-Al. B) Partículas obscuras ricas en Fe,
que cambiaron su morfología producto de la adición del modificador Al-10Sr.
La figura 3, muestra que no hay efecto
importante del refinador sobre la microestructura
con la adición de 0.015% en peso de Ti, respecto
de la adición de 0.00125 %Ti, figura 2, pues la
microestructura es semejante. En la figura 3 (b) se
aprecia una microestructura mixta con fases ricas
en Fe (tipo _) y partículas de Si en la matriz de _Al.
Una observación importante es que el
refinador de grano modifica la morfología y
distribución de las fases aciculares tipo _ (Al-FeSi) lo que favorece un incremento en las
propiedades mecánicas de la aleación.
a
Por otra parte, la adición de 0.04% Sr,
produce una modificación parcial del Si eutéctico
en la aleación Al-12Si. Figura 4 (a, b). La
modificación del Si puede describirse como de
escala #3, esta estructura se refiere generalmente
como “parcialmente modificada”. [11] A bajos
aumentos (100X) se observó la presencia aún de la
estructura dendrítica de la matriz _-Al. Figura 6
(a). La adición de 0.06% en peso de Sr, produjo
también la modificación parcial de las partículas
de Si eutéctico, pero con una mejor distribución en
la matriz _-Al. Figura 5 (a). A bajos aumentos
(100X) no se observó la presencia de estructura
dendrítica. Figura 6 (b).
b
Figura 6. Microestructura de la aleación Al-12 Si a 100X. a) Con la adición de 0.04 % en peso de Sr
aunque hay modificación de las partículas de Si, existe la presencia de la estructura dendrítica de la matriz
_-Al. b) La adición de 0.06 % en peso de Sr produce la distribución uniforme de las partículas de silicio
en la matriz _-Al.
3.2 Influencia de las adiciones de Ti y Sr
sobre las propiedades mecánicas.
La figura 7 muestra el efecto de la adición
de Ti como aleación maestra Al-5Ti-1B en la
aleación Al-12Si. Una pequeña adición de Ti
(0.00125% en peso) incrementó la resistencia a
la tensión en un 52%, respecto del metal base
sin adición de Ti, mientras que la ductilidad se
incrementó en un 68%.
La adición de Sr en forma de Al-10Sr,
también fue favorable para mejorar la
resistencia a la tensión y ductilidad de la
aleación. Figura 8. La adición de 0.04 % en
peso de Sr produjo una mejora del 55% en la
resistencia a la tensión y del 94% en la
ductilidad. Mientras que 0.06% en peso Sr
produjo una mejora del 66% en la resistencia y
un 85% en la ductilidad, respecto de la del metal
base. En suma, la adición del Sr, produjo mayor
resistencia y ductilidad que la adición de Ti en
la aleación.
La figura 9 muestra el efecto de la adición
de Ti y Sr sobre la dureza, ambos elementos la
reducen, sin embargo la reducción de la dureza
es mayor con la adición de Sr, consecuente con
el incremento en la ductilidad.
140
Deformación Máxima, %
Resistencia a la tensión, MPa
160
120
100
80
60
40
20
0
Sin adición de Ti
0.00125 % Ti
0.015 % Ti
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Sin adición de Ti
0.00125 % Ti
0.015 % Ti
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Sin adición de Sr
6
Deformación Máxima, %
Resistencia a la tensión, MPa
Figura 7. Efecto de la adición del Ti en forma de aleación maestra Al-5Ti-1B, sobre la resistencia a la
tensión y la ductilidad.
0.04 % Sr
5
4
3
2
1
0
Sin adición de Sr
0.06 % Sr
0.04 % Sr
0.06 % Sr
64
64
62
62
60
60
Dureza HRB
Dureza HRB
Figura 8. Efecto de la adición del Sr en forma de aleación maestra Al-10Sr, sobre la resistencia a la
tensión y la ductilidad.
58
56
54
56
54
52
52
50
Sin adición de Ti
58
50
0.00125 % Ti
0.015 % Ti
48
Sin adición de Sr
Figura 8. Efecto de la adición de Ti y Sr sobre la dureza de la aleación Al-12Si.
0.04 % Sr
0.06 % Sr
4. DISCUSION.
En la aleación sin adición de Ti o Sr, se tiene
la presencia de partículas cuboides de Si y de fases
aciculares ricas en Fe que reducen la resistencia y
la ductilidad de la aleación. Las fases aciculares _
presentes son largas y varían en longitud desde
150 a 400 m, figura 1 (a). La fase _ (Al5FeSi) es
considerada indeseable debido a que reduce la
ductilidad, las fracturas muestran descohesión de
la matriz desde las partículas tipo placa. [11]. Así
mismo la forma acicular reduce la resistencia de la
aleación, pues favorece el desplazamiento de
microgrietas.
La adición de 0.00125 % en peso de Ti,
produjo una transformación notable de la
microestructura, las fases aciculares cambiaron de
forma a fases mas redondeadas. Esto produjo una
mejora en la resistencia a la tensión y en la
ductilidad, un cuando algunas recomendaciones
indican la adición de una cantidad mayor de Ti
(entre 0.05-0.15% Ti, 0.04% B) [11] para producir
un adecuado refinamiento de grano y mejora en las
propiedades mecánicas. La adición de mayor
contenido de Ti, (0.015% en peso de Ti) no
presentó ventaja sobre la mejora en la resistencia.
En cuanto al modificador, la adición del 0.6
% Sr presentó mejor resistencia a la tensión
producto de la modificación parcial de las
partículas de Si eutéctico y una mejor distribución
en la matriz _-Al. La adición de 0.04 % Sr fue
favorable, presentando en algunas zonas una
modificación completa del silicio eutéctico,
aunque en otras conservó estructura dendrítica de
la matriz _-Al.
La modificación de la microstructura,
mediante la adición de Sr elevó la resistencia a la
tensión y la ductilidad, reduciendo también la
dureza de la aleación.
Una recomendación usual sobre la adición de
estroncio como modificador para aleaciones
hipoeutécticas y eutécticas [11] es que la aleación
deberá contener entre 0.01 a 0.02 % de Sr para
obtener una adecuada modificación de Si, en este
trabajo la adición de Sr fue mayor. Considerando
un factor de recuperación del 80% en la adición, se
podría esperar que las muestras experimentadas
contengan un 0.032 y 0.048 % en peso de Sr,
respectivamente, aunque esta cantidad deberá
comprobarse mediante espectrometría de emisión
atómica.
5. CONCLUSIONES
La presencia del 0.4% en peso de Fe en la
aleación Al-12Si vaciada, ocasiona la presencia de
una gran cantidad de fases aciculares tipo _
originando propiedades mecánicas reducidas.
Tanto la adición de Ti como de Sr, en forma
de aleaciones maestras, favorecieron el incremento
de las propiedades de tensión de la aleación Al12Si vaciada.
La adición de 0.00125% en peso, produce una
transformación de la microestructura del metal
base, refinando el eutéctico Al-Si y cambiando
particularmente la morfología de las partículas
aciculares ricas en Fe.
La adición de 0.04 y 0.06 % Sr en forma de
aleación maestra Al-10Sr, ocasiona la
modificación parcial de los eutécticos de silicio y
de las fases aciculares que contienen Fe. Lo cual
mejora notablemente las propiedades de tensión de
la aleación secundaria vaciada.
La mejora en las propiedades mecánicas de
tensión se obtuvo con la adición de Ti y Sr, en
menores cantidades que las que se recomiendan de
manera usual para las aleaciones Al-Si,
hipoeutécticas y eutécticas.
AGRADECIMIENTOS.
Al Dr. Horacio Flores Zúñiga, por las aportaciones
al presente trabajo.
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