J.A. García-Hinojosa¹ , C. González R.¹ , Y. Houbaert² , G. González M.¹

¹Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Fac. de Química, UNAM, Cd. Universitaria Coyoacan 04210, México DF, jagarcia@servidor.unam.mx 

²Laboratory of Physical Metallurgy, Department of Metallurgy and Materials Science, Ghent University , Bélgica.

Resumen

La producción de aleaciones de aluminio en condiciones de colada de alta calidad involucra procesos en los cuales se establezca el control microestructural del material durante la solidificación, de forma que esta característica incida en la mejora de sus propiedades mecánicas. Considerando lo anterior en este trabajo se obtuvieron las siguientes aleaciones coladas: Al-7Si-0.5Cu, Al-7Si-1.5Cu, Al-7Si-0.5Ni y Al-7Si-1.0Ni, en dos condiciones sin adición de Sr y con adición de 0.02 % de Sr. Las muestras obtenidas fueron preparadas metalográficamente para microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido apoyado con técnicas de microanálisis EDS y WDS, con el propósito de evaluar las características microestructurales de cada una y compararlas con las aleaciones de referencia Al-7Si sin y con 0.02 % Sr. La caracterización metalográfica se complemento con la evaluación de las principales propiedades tensiles de cada aleación para determinar el efecto de las adiciones de Cu y Ni, combinado con la adición de pequeñas cantidades de Sr y de este modo explicar la variación en propiedades mecánicas. Los resultados finales indican que la adición de Cu en conjunto con Sr produce un fuerte cambio morfológico del Si eutéctico y de la fase CuAl₂, lo cual se manifiesta en un sensible incremento en propiedades mecánicas. Mientras que la adición de Ni que promueve la formación del intermetálico masivo de NiAl₃, este no es afectado por la presencia de Sr provocando un decremento en las propiedades mecánicas.

Palabras clave: aleaciones Al-Si, efecto de Sr, modificación, aleaciones Al-Si-Cu, aleaciones Al-Si-Ni.

Abstract

This work shows the results of the microstructural characterization on Al-7Si-Cu and Al-7Si-Ni cast alloys without and with small addition of Sr. Its characteristics were compared with the Al-7Si reference cast alloy, also without and with Sr. The major phases and the chemical composition of each one were evaluated applying SEM with EDS and WDS microanalysis techniques. Other microstructural characteristics as: dendritic arm spacing, morphology of the phases, location of the intermetallic compounds were evaluated by Optical microscopy ( OM ). Finally the microstructure was linked to the increasing or decreasing in mechanical properties of each cast alloy.

Key words: Al-Si cast alloys, Sr effect, modification by Sr, Al-Si-Cu cast alloys, Al-Si-Ni cast alloys.

Introducción

En la actualidad el uso de las aleaciones de aluminio esta teniendo una fuerte demanda, debido a su excelente relación propiedades/peso. Su baja densidad la hace ser un material muy ventajoso sobre las aleaciones tradicionales ferrosas de acero y hierro colado, así como su relativo bajo costo en relación con las base titanio o magnesio. Las propiedades mecánicas finales pueden incrementarse mediante dos métodos, el primero se basa en la adición controlada de elementos aleantes y el tratamiento en fase líquida (modificación y/o refinación de grano) con lo cual se controla durante la solidificación la cantidad, distribución y morfología de las fases presentes. Este puede ser complementado con prolongados tratamientos de solubilización-envejecimiento para elevar las propiedades al máximo, pero con la desventaja de incrementar el tiempo de producción y aumentar el costo de las mismas. De acuerdo a la bibliografía [1,2] la adición de pequeñas cantidades de Sr, Na o Sb, produce un fuerte cambio morfológico en el Si eutéctico de acicular a globular-fibroso, para el caso de las aleaciones hipoeutécticas Al-Si, lo que incide en una mejora en sus propiedades mecánicas en condiciones de colada y reduce los tiempos de tratamiento térmico. Por otra parte también se ha reportado [3] que ciertos niveles de cobre promueven la precipitación de la fase intermetálica CuAl₂, la cual se presenta en forma de bloques o mezclado con el eutéctico Al-Si y localizado en las regiones interdendriticas, la morfología de esta última fase depende de diversos factores como: la velocidad de enfriamiento, la cantidad presente de cobre, así como de la presencia de Sr, acerca del efecto de este último sobre la mezcla eutéctica Al-Si-CuAl₂ se tiene poca información. Por otra parte también se reporta [4] para el caso de adiciones de Ni que en ciertas cantidades, se promueve fundamentalmente la precipitación interendritica del intermetálico NiAl₃, con morfologías gruesas y masivas, que mejoran la dureza y resistencia del material a altas temperaturas, pero que también acarrean problemas de fragilidad. Considerando lo anterior el objetivo de este trabajo es evaluar por un lado el efecto de la presencia de Cu y Ni sobre las características microestructurales, y por otro el efecto combinado de la presencia de Cu o Ni con Sr, y hasta que punto estas dos condiciones pueden incrementar las propiedades mecánicas en condiciones de colada.

Para la realización de la fase experimental, se utilizo como materia prima la aleación A356 comercial como aleación base para fabricar las aleaciones experimentales bajo estudio, su composición química evaluada por Espectrometría de Emisión Atómica (Spectrolab M8) se presenta en la tabla 1.

Tabla 01 Composición química de la aleación base

Las aleaciones experimentales se fabricaron colocando cargas de 3 Kg en un crisol de SiC calentado en un horno eléctrico de resistencia, después de fundirse la aleación base y alcanzar una temperatura de 700 °C, se adicionaron las cantidades correspondientes de Cu o Ni en forma de metales puros, con la finalidad de obtener la composición química deseada. Una vez disuelto e incorporado el elemento aleante y antes de colar se procedió a desgasificar con gas argón el baño metálico, posteriormente se escorifico y se llenaron moldes metálicos de hierro colado, en donde se obtuvieron muestras cilíndricas de 15 cm de longitud por 2.5 cm de diámetro. Para el caso de las muestras con Sr este se incorporo en conjunto con las adiciones de Cu o Ni en forma de aleación maestra Al-10Sr. Las barras fabricadas fueron maquinadas para obtener muestras para análisis metalográfico. El análisis metalográfico se realizo por dos métodos, el primero mediante Microscopía óptica (MO) y el segundo mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) complementado con técnicas de microanálisis EDS y WDS. Por el primer método se evaluaron algunas características comunes de las aleaciones coladas como: el espaciamiento interendrítico secundario, el % de porosidad, el nivel de modificación (grado del cambio morfológico de las fases), así como la ubicación y morfología de las fases intermetálicas principales, para ello las muestras fueron preparadas por técnicas convencionales de metalografía y sometidas en su fase final a un ataque con solución fresca de HF al 0.5 ó 1.0 % en volumen. Con relación a la caracterización por SEM, la preparación metalográfica fue similar, variando solamente las condiciones de ataque, para el cual se aplico un ataque más severo utilizando reactivo Tucker, para resolver con mayor nitidez las fases presentes. Mediante EDS se obtuvo la composición química de las principales fases y por WDS la distribución de los principales elementos en la microestructura de la aleación, cabe hacer notar que no fue posible la detección de Sr debido a los bajos niveles presentes en las aleaciones experimentales. En la parte final de la metodología experimental, se obtuvieron barras de tensión por triplicado para obtener las propiedades tensiles promedio, se aplico la metodología reportada en la Norma ASTM B557-80. La composición química de la aleación de referencia, así como la de las experimentales fue evaluada por Espectrometría de Emisión Atómica, los resultados se muestran en la tabla 2.

Tabla 02 Composición química de las aleaciones de referencia Al-Si y las experimentales Al-Si-Cu y Al-Si-Ni

En todas las aleaciones el aluminio es el balance de la composición química indicada.

Características microestructurales

Los resultados de la caracterización microestructural realizada por Microscopía óptica de todas las muestras, son resumidos en la tabla 3.

Tabla 03 Características microestructurales de las aleaciones Al-7Si, Al-7Si-Cu y Al-7Si-Ni, sin y con Sr.

DAS = espaciamiento dendritico, MR = nivel de modificación, 1 sin modificar y 6 bien modificado, %P porcentaje de porosidad

De los resultados mostrados en la tabla 3 se puede observar que la presencia de Sr en la aleación de referencia Al-7Si provoca un sensible cambio morfológico en el Si de la fase eutéctica Al-Si, lo cual indicaría que las propiedades deben ser incrementadas, esto concuerda con lo reportado en la bibliografía por algunos autores [5] . Cuando se adiciona a la aleación base Al-7Si solamente cobre, este promueve la formación y precipitación del intermetálico CuAl₂, la cantidad presente de esta fase es función de la cantidad de cobre adicionado. Una característica importante de esta fase es su morfología la cual tiene forma de bloques precipitados en las regiones interdendriticas en conjunto con el eutéctico Al-Si. Cuando las dos aleaciones Al-7Si-0.5Cu y Al-7Si-1.5Cu son tratadas con pequeñas adiciones de Sr, es decir 0.02 % en peso, la morfología del Si de la fase eutéctica Al-Si y también la del intermetálico CuAl₂ son cambiadas drásticamente, el Si de acicular a globular fibrosa mientras que el CuAl₂ de bloques a globular, lo anterior desde el punto de vista relación estructura-propiedades se debe interpretar como una mejores propiedades mecánicas, asociada a la morfología de las fases eutécticas de las aleaciones mencionadas. Mediante análisis por SEM-EDS-WDS, se complementó el estudio de la microestructura de estas aleaciones, fotografías de estas se presentan en las figuras 1a y 1b, en las cuales se puede observar con detalle las fases presentes, es decir, la solución sólida de a (Al), el Si eutéctico y el intermetálico CuAl₂ en forma de bloques para las aleaciones que no contiene Sr. Por otro lado se puede apreciar el significativo cambio morfológico de las fases cuando se adiciona Sr. La composición química de las fases antes mencionadas fue cuantificada mediante análisis puntual EDS, los valores promedio de cada una de ellas se reporta en la tabla 4.

Tabla 04 Composición química (% atm) de las principales fase de las aleaciones Al-7Si-1.5Cu con y sin Sr.

Finalmente los mapeos elementales de Cu confirman la ubicación del Cu en las fases que fueron identificadas como CuAl₂, estos resultados confirman que esta fase es cambiada por la presencia de Sr.

Con relación a las características microestructurales de las aleaciones Al-7Si-Ni, se puede observar de la tabla 3, que la presencia de Ni en los dos niveles bajo estudio, provoca la precipitación de una fase masiva localizada en las regiones interdendríticas, la cual por Microscopía óptica y considerando su morfología característica se identifica como NiAl₃, la cantidad presente de esta fase también depende de la cantidad de Ni presente en la aleación. Cuando estas muestras son tratadas con Sr en pequeñas cantidades, la presencia de este elemento solo produce cambios morfológicos de acicular a fibroso del Si eutéctico, mientras que la morfología del intermetálico NiAl₃ permanece inalterada. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas esto puede significar dos cosas, la primera que el cambio parcial de la fase eutéctica promueva un ligero incremente en las propiedades mecánicas o, segundo que la presencia de fases masivas intermetálicas, duras y frágiles tendría un efecto superior al efecto del cambio morfológico del Si, provocando una disminución de las propiedades mecánicas. Desde el punto de vista de estudios por SEM-EDS-WDS, al igual que para las aleaciones Al-Si-Cu, también se determinaron las composiciones químicas promedio de las fases principales, las cuales son: la solución sólida de a (Al), el Si de la fase eutéctica Al-Si y la fase intermetálica NiAl₃ . La tabla 5 presenta la composición química promedio de dichas fase

Tabla 05 Composición química (% atm) de las principales fases de las aleaciones Al-Si-1Ni

En este caso los mapeos elementales de Ni realizados por WDS corroboran la presencia de altas concentraciones de Ni en donde fue ubicado el intermetálico NiAl₃.

Figuras 01 Aleación colada Al-7Si-1Ni (a) sin Sr y (b) con 0.02 % Sr

Propiedades Mecánicas

Con el objeto de corroborar las hipótesis mencionadas en el análisis microestructural sobre la relación estructura-propiedades, fueron evaluadas las principales propieda-

des tensiles, es decir: resistencia a la tensión, resistencia a la cedencia, % de elongación, así como la dureza Brinell. Los resultados promedio del ensayo de tensión y la dureza evaluados por triplicado, se presentan en la tabla 6.

Tabla 06 Propiedades mecánicas delas aleaciones de referencia y las aleaciones Al-Si-Cu y Al-Si-Ni.

Analizando la tabla 6, se puede observar lo siguiente, considerando las aleaciones de referencia Al-7Si, en general la adición de cobre o níquel y sin presencia de Sr, no produce incremento en las propiedades mecánicas, los valores de la resistencia a la tensión se presentan entre 150 y 159 MPa que son muy similares a los de la aleación Al-7Si sin Sr, el % de elongación muestra una disminución para todos los casos, la resistencia a la cedencia sufre un ligero incremento, un caso similar es el de la dureza la cual se incrementa en algunos puntos Brinell. Cuando el cobre es adicionado en conjunto con el Sr, como ya se menciono en el análisis microestructural, las fases presentes sufren cambios morfológicos significativos, esto produce un incremento significativo en resistencia a la tensión y resistencia a la cedencia, la cual alcanza sus valores máximos en la aleación experimental Al-7Si-1.5Cu-0.02Sr, mientras que el porciento de elongación alcanza valores muy cercanos al de la aleación base Al-7Si con Sr, lo anterior significa que la presencia de la fase CuAl₂, a pesar de ser modificada con Sr, tiene un efecto ligeramente negativo en esta propiedad, finalmente el incremento de dureza alcanza un aumento promedio de 10 puntos Brinell, lo cual es atribuidos a la presencia del CuAl₂. Lo anterior corrobora las hipótesis mencionadas en la etapa de análisis y caracterización metalográfica mencionadas en párrafos anteriores, con lo cual se puede establecer claramente en función de las características microestructurales la relación con sus propiedades mecánicas.

Con relación a las aleaciones coladas Al-Si-Ni, en las cuales se plantearon dos posibles comportamientos por efecto de la presencia de Ni, se puede observar que solo la presencia de este elemento causa disminución en las propiedades evaluadas a excepción de la dureza la cual se incrementa, esto es asociado a la presencia de la fase masiva NiAl₃. Cuando estas aleaciones son tratadas con Sr, el cambio morfológico solo es parcial y afecta al Si de la fase eutéctica, conduciendo a solo ligeros incrementos en la resistencia a la tensión y la resistencia a la cedencia, que tienen valores muy similares a los de aleación de referencia Al-7Si tratada con Sr. Estas aleaciones con Ni y Sr sufre muy poco incremento en sus niveles de dureza, la cual aparentemente esta afectada tanto por la presencia y morfología del NiAl₃ y la del Si de la fase eutéctica.

En términos de incremento de propiedades, expresado como % sobre la aleación base Al-7Si sin Sr, la adición de 1.5 % de cobre en conjunto con 0.02 % de Sr alcanza un 67.5 % en aumento de resistencia a la tensión, un 120 % en resistencia a la cedencia, un 29.6 % en dureza y un 33 % en la elongación.

Lo anterior quiere decir que las propiedades mecánicas de las aleaciones en condiciones de colada, pueden ser incrementadas por adición controlada de aleantes y un adecuado tratamiento en fase líquida de la aleación, el cual promueva la formación de microestructuras con características morfológicas benéficas que incidan en mejora de propiedades mecánicas, de forma tal que se valide la relación estructura-propiedades mediante el conocimiento de los fenómenos involucrados durante la solidificación que permitan establecer el control microestructural de las aleaciones para aplicaciones ingenieriles.

Conclusiones

Considerando los resultados obtenidos en la fase experimental, así como la discusión de las características microestructurales y su relación con las propiedades mecánicas, las conclusiones finales de trabajo son: la adiciones de los aleantes Cu o Ni en aleaciones Al-7Si de colada, promueven la formación de intermetálicos de morfologías y composiciones definidas, los cuales precipitan en las regiones interdendriticas en conjunto con la fase eutéctica Al-Si, dichos intermetálicos son el CuAl₂ para las aleaciones Al-Si-Cu y el NiAl₃ para las aleaciones base Al-Si-Ni. La adición de pequeñas cantidades de Sr, en este caso del 0.02 %, promueven un significativo cambio morfológico de la microestructura en las aleaciones Al-Si-Cu, en donde el Si de la fase eutéctica y el intermetálico CuAl₂ presentan formas globulares fibrosas, que impactan fuertemente en las propiedades tensiles del material: resistencia a la tensión y resistencia a la cedencia, incluso en la dureza. La presencia de Ni como elemento aleante en conjunto con el Sr para la aleación Al-Si, no produce un cambio morfológico benéfico global, ya que solo afecta al Si eutéctico, mientras que el NiAl₃ conserva su forma masiva, la cual no tiene ningún efecto positivo en las propiedades mecánicas, e incluso algunas de ellas son deterioradas por la presencia de esta fase.

Agradecimientos

Se agradece la colaboración por el apoyo prestado en la fase de fabricación de las aleaciones a los IQM A.M. Amaro V, C. Atlatenco T.e I. Beltrán P.