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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A2a Materiales:
“Efecto de las condiciones de enfriamiento y de la presencia de inoculantes en la formación de intermétalicos en una aleación SAE 788 (Al-Si-Sn)”
Roberto Cisneros Hernández1, Armando Ortiz Prado2 y Francisco Sánchez Pérez3
Departamento de Manufactura y Diseño de la Facultad de Ingeniería,
Universidad Nacional Autónoma de México
Circuito exterior de Ciudad Universitaria, Coyoacàn, CD MX., C.P. 4510, México.
cisner69@servidor.unam.mx, armandoo@servidor.unam.mx
R E S U M E N
En este artículo se analiza el efecto de la presencia de inoculantes en la formación de intermetálicos en la aleación SAE
788 (Sn12Si2.5Pb1.7Cu0.7Sb0.3Al el resto), esto debido a que la presencia de fases duras es perjudicial en la laminación
del material. Asimismo, es conveniente que las fases blandas presenten una distribución más homogénea. Por tal motivo
se desarrolló una metodología experimental para analizar el efecto que tienen los diferentes porcentajes de inoculantes en
la formación de intermetálicos, de tal forma que se produzcan coladas con microestructuras adecuadas mejorando así sus
propiedades mecánicas.
De análisis de resultados se desprende que las mejores características y propiedades mecánicas se obtuvieron en el intervalo
de 0.1-0.2% de refinador Al5TiB, ya que mayores concentraciones saturaban el sistema [2].
Palabras Clave inoculantes, formación de intermétalicos y aleación SAE 788.
A B S T R A C T
In this paper is analyzed the inoculants effect in the intermetallics formation on SAE 788 alloy. The presence of hard
phases is detrimental on the alloy lamination. It’s necessary soft phase homogeneous distribution; a methodology was
development to analyze the effect of the different inoculants concentration on the formation of intermetallics. The main
idea is obtained castings with the best microstructures and mechanical properties.
The best characteristics and mechanical properties were found in the range of Al5TiB 0.1-0.2% of refiner, because with
high concentrations the system is saturated [2].
Key Words inoculants, formation of intermetallics and SAE 788 alloy
1. Introducción
Las aleaciones de aluminio para aplicaciones tribológicas se
han empleado desde aproximadamente 1940, ya en particular
la familia de aleaciones aluminio-estaño-silicio fue
desarrollada en Japón en los años 1980’s [5]. La
microestructura de dicha aleación fue definida de acuerdo
con los resultados obtenidos en ensayos de fatiga; de tal
forma que los procesos de fabricación y las condiciones
particulares de estos permitan la generación de dichas
microestructuras. Las primeras aplicaciones de este tipo de
materiales se orientaron hacia la maquinaria pesada. Sus
bondades dieron auge al desarrollo de las aleaciones base
aluminio para cojinetes de deslizamiento, estimulando así, el
interés aún mayor en éstas [1].
Es un proceso de fundición de una aleación SAE788, con
una composición química que es la siguiente: Sn-12%, Si-
2.5%, Pb-1.7%, Cu-0.7%, Sb-0.3% y el resto de Al.
1.1. Metodología experimental
La experimentación de la aleación SAE 788, se desarrolló
en dos etapas, donde el objetivo fue determinar la cantidad
de inoculante necesario para obtener la más adecuada
presencia de intermetálicos (número y tipo), así como el
efecto que tiene el enfriamiento en la formación de estos.
Para llevar a cabo estas dos etapas, se desarrolló el proceso
de fundición de una aleación SAE788, con una composición
química de Sn-12%, Si-2.5%, Pb-1.7%, Cu-0.7%, Sb-0.3%
y el resto de Al. Con la finalidad de tener muestras
suficientes, para el desarrollo del trabajo experimental, se
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realizaron varias coladas en un molde de cobre. El material
del molde fue seleccionado con el fin de disipar el calor de
la fundición de manera rápida. Los lingotes obtenidos se
dividieron en varias zonas, que van del centro hasta los
bordes, esto para observar el efecto de la velocidad de
enfriamiento y de los inoculantes en cada una de éstas. La
fundición se realizó en un horno de gas con un crisol de
carburo de silicio, sobrecalentando el baño a 1100°C, de tal
forma que alcanzada dicha temperatura se ajustó la
composición del material, adicionando los elementos de
aleación según de mayor a menor, para finalmente
desgasificar el baño y proceder al vaciado de la aleación a
900°C.
El análisis se enfocó principalmente en las propiedades
mecánicas, considerando la distribución de las diferentes
fases de la aleación, considerando al silicio y el estaño como
los elementos de aleación más importantes.
El estudio consto de las siguientes etapas:
1. Metalografía
2. Inspección a bajos aumentos
3. Observación de las microestructuras (MEB)
4. Determinación de Tamaño de grano
5. Tamaño de Intermetálicos
6. Análisis Químicos
7. Dureza
8. Análisis de los datos y conclusiones
En lo que se refiere al material se evaluó microestructura,
dureza y composición química. Así mismo se verificó la
presencia de intermetálicos y la distribución de la fase
blanda y dura [2].
1.2 Tamaño de intermetálicos
La cuantificación de los intermetálicos se realizó a 200X,
posteriormente estos se observaron mediante microscopía
electrónica de barrido (figura 1).
1.2. Tamaño de intermetálicos
La cuantificación se llevó acabo a 200X, con imágenes de
microscopía electrónica a partir de las cuales, de forma
manual con el método de intersección lineal, se midió el
tamaño de intermetálicos como se muestra en la (Fig. 1).
Fig. 1 Obtenida con electrones electrodispersados a 500x, se distingue
el intermetálico tipo escritura china” (Fe3SiAl12) y láminas frágiles de
Fe2Si2Al9.
En el caso de la evaluación de los intermetálicos en forma
de agujas, estos se cuantificaron midiendo su longitud y
cantidad (tabla 1); para cada una de las 9 zonas que
componen el lingote. En lo que respecta a los intermetálicos
de morfología de “escritura china”, estos no sé
cuantificaron, debido a que su compleja geometría
representa un obstáculo para definir tamaño y forma [3].
Para analizar estadísticamente los datos medidos, se utilizó
el método de distribución logarítmica normal ajustando
estos. Esto se realizó ordenando los datos de las mediciones
de menor a mayor y graficándolos contra un porcentaje
acumulado como se muestra en la figura 2. Lo cual fue
resultado de numerar desde el primer dato medido hasta el
último y dividir cada uno de los datos entre el último dato,
lo que da un aumento gradual hasta tener un valor máximo,
que finalmente se ajusta a la distribución normal
logarítmica.
Tabla 1 Datos del cálculo de estimación lineal
Efecto de la variación Promedio total
de los
Intermetálicos Vertical Horizontal Refinador
-0.9772 0.0658 -0.4728 32.3
Desviación estándar
0.5277 0.5357 0.8422 1.6231
Figura 2. Porcentaje acumulado vs. el tamaño de los intermetálicos
A cada uno de los lingotes, con diferentes concentraciones
de refinador, se les tomó dureza en las 9 zonas que los
componen (tabla 2). El método de dureza seleccionado fue
el Brinell, esto con base a la microestructura de la aleación
SAE788, ya que esta está compuesta por una fase dura
(intermétalicos) y una fase blanda (estaño-plomo), en este
caso se considera que Brinell permitirá obtener valores
consistentes, ya que el tamaño del indentador garantiza
homogeneidad de región a región.
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Tabla 3 – Promedio de tamaño intermetálicos de las diferentes
Coladas y posiciones
% de Refinador 0% 0.10% 0.20% 0.40% 0.80% 1.60%
I 31.0 27.4 28.1 26.2 31.9 34.1
II 30.7 31.6 30.9 40.5 31.5 33.5
III 32.8 28.1 19.0 28.5 28.8 23.0
IV 31.6 43.7 26.5 31.3 28.4 27.3
V 47.0 32.3 29.9 45.6 37.1 24.5
VI 34.3 32.9 27.0 40.0 23.0 20.9
VII 26.1 23.9 25.3 32.9 34.8 44.3
VIII 34.5 36.8 31.2 32.9 37.2 28.7
IX 26.8 28.1 31.8 27.8 24.3 28.8
Desvest 6.1 5.9 3.9 6.6 5.1 7.1
Media 32.4 31.5 27.7 30.2 30.6 29.9
En la Tabla 3 se observa una variación en el tamaño
promedio de los intermetálicos considerando posición y
concentración.
Figura 3. Media del tamaño de Intermetálicos vs. Porcentaje de
refinador
En la figura 3 se puede observar el efecto de variación
ocurrida en el tamaño de los intermetálicos en algunas zonas
del lingote, en ésta se representa los valores promedios del
tamaño de los intermetálicos y su dispersión. Se puede
observar una variación notoria dentro de un rango 0.05-0.2%
de porcentaje de refinador, de donde se puede considerar que
éste representa la cantidad de óptima de refinador para la
disminución de cantidad y tamaño de intermetálicos del tipo
Al9Si2Fe2. Al9Si2Fe2 [5].
1.3. Tamaño de grano
En el caso del Aluminio se utilizó la norma ASTM E112
para cuantificar el tamaño de grano por el método de
intersección lineal, donde para tener una evaluación correcta
se deben realizar por lo menos 50 mediciones. Se eligió este
método sobre los demás porque es simple y por la rapidez a
la que se puede trabajar, además de que los resultados
obtenidos son muy similares a los que se producen por otros
métodos.
De los valores obtenidos mediante estimación lineal tabla 3.
Se puede concluir que existe un efecto, del tamaño de grano
con respecto al porcentaje del refinador utilizado. La figura
4 muestran una variación en un rango de 0.05 a 0.2, se puede
observar que la dispersión de los valores en este rango es
pequeña en comparación con las que están fuera de éste.
Tabla 2. Tamaño de grano de Sn-Pb en cada una de las 9 posiciones
del lingote
% de Refinador 0% 0.10% 0.20% 0.40% 0.80% 1.60%
I 27.3 25.2 26.5 32.6 27.5 27.5
II 30 25.2 31.2 30 27 28
III 30 26.5 26.5 35.3 32.2 30
IV 32.9 28 31.2 26.8 28.8 36.1
V 35.7 29.7 35.7 32.2 33.3 30.6
VI 30.3 28.3 36.6 34.9 36.6 32.9
VII 31.9 29.7 31.2 28.6 33.7 36.6
VIII 34.9 26.3 37.9 30.3 37.5 35.3
IX 31.6 28.3 32.9 30.6 27 36.6
Desvest 2,8 1,9 4 2,7 4,2 3,7
Promedios 31.6 27.5 32.2 31.2 31.5 32.6
Figura 4 Promedios del tamaño de grano vs. Porcentajes de
refinador.
1.4 Efecto de la presencia del refinador sobre la dureza
Los resultados de la dureza para las diferentes condiciones
de proceso (concentración de refinador y velocidad de
enfriamiento) se muestran en la figura 5. Del análisis de los
resultados se concluye que la dureza es homogénea en todo
el lingote, para casi todas las coladas, con excepción de la
probeta con 1.6 % de refinador, ya que en ésta la distribución
es heterogénea (47-74 HB). La heterogénea distribución de
la dureza se relaciona con la distribución de las fases blanda
(Pb-Sn) y dura (intermetálicos) del material. Aunque la
dureza para este porcentaje de refinador es de mayor
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
0 1 2
mic
ras
% de Refinador
Media
Dispesión
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magnitud se descarta para considerarla como la de mejores
propiedades mecánicas por lo antes mencionado.
El lingote de 0.1% de refinador presenta una distribución de
la dureza homogénea, lo cual refiere también a propiedades
mecánicas adecuadas. El rango de durezas para este lingote
es de 47 a 61 HB.
Figura 5 Dureza de las diferentes coladas
Comparando las distribuciones de la dureza de los lingotes
de las diferentes coladas con distintos porcentajes de
refinador como muestran la figura 6. Ordenando las
muestras con relación a la homogeneidad en sus propiedades
se tiene:
1. 0.4 % de refinador
2. 0.8% de refinador
3. 0.1% de refinador
4. s/n refinador
5. 0.2% de refinador
6. 1.6% de refinador
Figura 6 Dureza promedio vs. % de refinador; se observar la dispersión
de la dureza con de los lingotes con respecto a su posición.
Se calcularon los valores de la dureza Brinell por regresión
lineal, sin hacer distinción entre porcentaje de refinador y
posición del lingote, por lo que en base a los resultados
obtenidos existe un efecto favorable, de la concentración de
refinador en la dureza del lingote. Esto con base en los datos
y comportamiento arrojados por la tabla 2.
La figura 5 representa los promedios de la dureza con
respecto en cada uno de los porcentajes de refinador. En ésta
se observa una variación en el comportamiento, para un
rango de 0.05 a 0.2% de refinador, obviamente para
porcentajes mayores de refinador se tienen valores de dureza
superiores con respecto a los demás porcentajes, pero con
una diferencia pequeña de los resultados.
1.5 Ensayo de tracción (ASTM E8M-00)
Dada la limitada cantidad de material de los lingotes se
realizó una adecuación de la Norma ASTM E8M-00
“Standard Test Methods of Testing of Metallic Materials”
[Metric] en una escala 2:1. La velocidad del ensayo fue de
2.5 mm/min. Los datos obtenidos se presentan en la tabla 3.
Tabla 3. Resultados de los ensayos de Tracción de las probetas de la
Aleación SAE788
%
ref.
Def. Ing.
Máxima
[mm/mm]
Esf. Ing.
Máxima.
[MPa]
Tenacidad
MJ/m3
Sig. 0.2%
[MPa]
s/n 0.06575 119.968 4.756 12.269
0.10161 128.742 4.755 15.683
Desv. 0.02536 6.20415 0.0007 2.4140
Prom .0.08368 124.355 4.756 13.976
0.1% 0.11220 112.261 4.872 17.767
0.15025 122.938 6.120 15.701
0.15284 117.551 7.623 17.043
Desv. 0.02275 5.33857 1.3775 1.0481
Prom 0.13843 117.583 6.205 16.837
0.2% 0.11745 123.054 6.300 16.729
0.10524 120.384 4.807 18.832
Desv. 0.00863 1.88797 1.0557 1.4870
Prom 0.11134 121.719 5.554 17.781
0.4% 0.08513 115.945 6.794 18.510
0.14229 120.620 5.910 33.706
Desv 0.04042 3.3057 0.6251 10.745
Prom 0.11371 118.283 6.352 26.108
0.8% 0.10065 119.737 8.630 18.577
0.12288 137.166 10.750 18.335
Desv 0.01572 12.3242 1.4991 0.1711
Prom 0.11176 128.452 9.690 18.456
1.6% 0.10418 123.858 8.608 20.557
0.09045 116.762 7.161 18.112
0.09029 127.922 3.954 21.040
Desv 0.00797 5.64822 2.382 1.5697
Prom 0.09497 122.712 6.574 19.903
En las figuras 7 y 8, se muestra la gráfica esfuerzo-
deformación de donde se puede observar la variación de la
resistencia con relación a la concentración del refinador y
velocidad de enfriamiento. En la figura 7 las muestras de
mayor resistencia son las de 0.1% y s/n refinador, para la
figura 8 se tiene a las muestras de mayor porcentaje de
refinador 1.6% y 0.8% las de mayor resistencia.
Dureza Brinell
20
30
40
50
60
70
80
I II III IV V VI VII VIII IX
Posición
BH
N
Sin Refinador
0.1 % de Refinador
0.2% de Refinador
0.4% de Refinador
0.8% de Refinador
1.6% de Refinador
30
40
50
60
70
80
90
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
% de Refinador
Du
reza B
HN
Serie2
Serie1
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Figura 7. Curva esfuerzo-deformación de las coladas
SAE 788 con diferentes % de refinador
Figura 8. Curva esfuerzo-deformación de las coladas
SAE 788 con diferentes % de refinador.
1.6 Observación metalográfica
A continuación, se presentan las microestructuras de las
probetas más representativas del lingote, donde las
observaciones se llevaron a cabo mediante microscopía
electrónica de barrido empleando el detector de electrones
retrodispersados como se muestran en las figuras 9 y 10. Se
observa en éstas que la heterogénea distribución del Sn-Pb.
Así como también la presencia de intermetálicos del tipo
aguja que se colocan en el límite de grano de la aleación [3].
Fig.10 Microfotografía a 100X lingote sin refinador donde se observa
la homogenización del estaño y con una adecuada definición del límite
de grano.
Las muestras que corresponden a aquellas zonas que se
enfrían a mayor velocidad, esto es en contacto directo con la
lingotera, presentan mayor homogeneidad. En contraste las
muestras correspondientes al centro de la lingotera (figura
11), se caracterizan por un enfriamiento más lento, lo que
ocasiona que las partículas de Sn-Pb tengan una distribución
heterogénea y crezcan más; esto debido a un proceso
difusivo. Asimismo se presentan algunos poros de forma
esférica de un tamaño considerable y también una gran
cantidad de intermetálicos del tipo aguja Fe2Si2Al9, en forma
de red, con una morfología comúnmente llamada estructura
celular.
En las figuras 11 y 12 se observa una distribución
homogénea de las partículas de plomo-estaño sobre la matriz
de aluminio, donde se presentan algunos poros aislados,
estos se forman por pequeños espacios líquidos sin
comunicación unos con otros. Cada pequeña porción líquida
puede considerarse como una pieza muy pequeña, donde su
cavidad está formada por las superficies de cristales sólidos
que lo limitan. Al descender la temperatura, la aleación
líquida va a sufrir una contracción, después al solidificarse,
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-0.01 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15
Esfu
erz
o i
ng
en
ieri
l(M
Pa)
Deformación ingenieril (mm/mm)
0.40%
0.80%
0.80%
1.60%
1.60%
1.60%
0.40%
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0.05 0.1 0.15
Esfu
erz
o(M
Pa)
Deformación (mm/mm)
S/N
S/N
0.10%
0.10%
0.10%
0.20%
0.20%
0.20%
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experimentará la contracción de solidificación, por lo que
ocupará un volumen menor al de la cavidad y se formará un
hueco. Se tienen diferencias en la distribución del estaño,
como del tamaño de grano, pero éstas no son muy notorias.
Por lo que se puede concluir que con 0.1% de refinador se
obtiene un grano más fino y una mejor distribución del
estaño-plomo en la matriz de aluminio.
En la figura 10 se observa una distribución homogénea del
estaño-plomo en la superficie y en los límites de grano sobre
la matriz de Aluminio, En las figuras 11 se encuentran
algunas partículas de estaño-plomo de mayor tamaño de
forma irregular y de forma alargada, ubicadas en los límites
del grano. Por su parte en la figura 12 muchas de éstas
tienden a ser cuasicirculares, asimismo su distribución es
homogénea. Por otra parte en dicha imagen se observa una
gran cantidad de intermetálicos del tipo aguja Fe2Si2Al9 en
forma de red, y con una morfología comúnmente llamada
estructura celular. La colada no muestra porosidad.
Fig. 11 Microfotografía a 100X, del lingote con 0.1% de refinador, se
observa una distribución heterogénea.
Fig. 12 Microfotografía a 100X lingote con 0.2% de refinador, se
observa homogénea la distribución de estaño
En la figura 13 se observa una distribución homogénea del
estaño-plomo en la superficie y en los límites de grano sobre
la matriz de aluminio, donde se encuentran partículas de
estaño-plomo de gran tamaño cuasi circulares y las de forma
alargada que se encuentran en los límites del grano. También
presenta un poco de porosidad.
Fig. 13 Microfotografía a 100X lingote con 0.4% de refinador, se
observa una distribución homogénea del estaño.
La figura 14 presenta una gran cantidad de intermetálicos
del tipo aguja Fe2Si2Al9 en forma de red, y con una
morfología denominada como estructura celular. La colada
no muestra porosidad, pero existe una notable disminución
del tamaño de grano, así como de diferencias en la
distribución del estaño.
La fase blanda de estaño-plomo tiene una distribución
homogénea sobre la matriz de aluminio en comparación con
las coladas anteriores, colocándose parte del estaño-plomo
en el límite de grano. Lo que beneficia a las aleaciones para
usos tribológicos donde deben tenerse fases blandas para dar
lubricidad de la aleación al disminuir la fricción entre
elementos. Se observa partículas grandes cuasi circulares y
las de forma alargada que se encuentran en los límites del
grano y se tienen zonas pequeñas donde falta estaño, de lo
que se puede concluir que fue el enfriamiento y el refinador
que no permitió la distribución homogénea de la fase blanda.
Fig. 14 Microfotografía a 100X lingote 0.8% de refinador, se observa
en la probeta posición centro un crecimiento del grano y presencia de
intermetálicos
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En la figura 15 puede observarse una menor cantidad de
intermetálicos del tipo aguja Fe2Si2Al9 en forma de red, y
con una morfología celular, esto comparado con las
anteriores figuras [4]. La colada no muestra porosidad, pero
existe una notable disminución del tamaño de grano, así
como una distribución más homogénea de éste. El estaño se
encuentra presente en el límite de grano que forma la matriz
de aluminio.
El plomo tiene una distribución homogénea sobre el estaño,
formando de esta manera la fase blanda necesaria para dar
lubricidad a la aleación disminuir la fricción entre
elementos.
Fig. 15 Microfotografía a 100X lingote 1.6% de refinador, se observa
una distribución del estaño homogénea.
1.7 Caracterización de las fases
A continuación, se muestra una serie de imágenes a través
de las que se caracterizan las fases de cada uno de los
elementos más representativos de las diferentes coladas con
concentraciones distintas de refinador.
Solo se muestra el análisis de las coladas más significativas,
para realizar una comparación entre ambas. Se seleccionó
las coladas con diferentes características, ya sean
defectuosas y no defectuosas, en donde se observarán todas
las fases presentes en la microestructura, así como su
morfología y los defectos.
En las imágenes obtenidas por MEB se pueden observar las
partículas de estaño (en gris claro) y plomo que son las que
se observan de color blanco debido a su mayor densidad,
donde el plomo aparece dentro de las partículas de estaño en
forma de pequeñas partículas, esto se debe principalmente
por ser los elementos de menor punto de fusión, y por lo
tanto son los últimos en solidificar, después que la estructura
cristalina del aluminio está totalmente solidificada, tanto el
estaño como el plomo siguen en forma líquida, por lo que
los límites de grano de la matriz de aluminio se convierte en
pequeñas lingoteras donde solidifican ambos elementos [5].
En la figura 16 se puede observar que en las muestras sin
refinador de los extremos del lingote en la cual se ve
claramente la presencia de intermetálicos del tipo de
escritura china (Fe3SiAl12) y los de las láminas (Fe3Si2Al9),
así como también partículas muy grandes de estaño con una
distribución poco homogénea [4].
Fig. 16 Microfotografía a 800X, del lingote sin refinador.
En la figura 17 se observa la microestructura del extremo del
lingote con 0.1% de refinador, en ésta la presencia de estaño
está en forma de partículas muy grandes y heterogéneas.
Asimismo se tiene la presencia de intermetálicos de forma
de láminas (Fe3Si2Al9) de distintos tamaños y formas.
Fig. 17 Microfotografía a 800X, del lingote con 0.1% de refinador.
En los extremos de las coladas con 0.2% de refinador de la
figura 18, se puede observar que la distribución del Sn es
heterogénea y en partículas de gran tamaño, así como la
formación de intermetálicos del tipo de escritura china
(Fe3SiAl12) y láminas de (Fe3Si2Al9 de menores
dimensiones. La distribución del Sn es heterogénea y en
forma de partículas de gran tamaño, así como también la
formación de intermetálicos del tipo de láminas frágiles
(Fe3Si2Al9) [6].
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Fig. 18 Microfotografía a 400X, del lingote con 0.2% de refinador.
En la figura 19 se presenta la microestructura
correspondiente a una muestra de la región central del
lingote. En ésta se tiene una gran cantidad de estaño que está
distribuido heterogéneamente, con distintos tamaños y
formas. También se observa la presencia de una gran
cantidad de partículas de intermetálicos del tipo de escritura
china (Fe3SiAl12) y las láminas frágiles (Fe3Si2Al9). En
donde los intermetálicos de escritura china se encuentran por
encima de las partículas de Pb-Sn.
Fig. 19 Microfotografía a 800X, del lingote con 0.4% de refinador.
La figura 20 corresponde con los extremos del lingote con
0.8% de refinador; en éste se tienen grandes partículas de
estaño y éstas están distribuidas heterogéneamente, con la
presencia de intermetálicos de la forma de láminas frágiles
(Fe3Si2Al9) de gran tamaño y también con distribución
heterogénea.
Fig. 20 Microfotografía a 800X, del lingote con 0.8% de refinador.
En la figura 21 se observa la homogénea distribución del
estaño, con algunas partículas de un tamaño grande y
pequeñas cantidades de intermetálicos de la forma laminar
(Fe3Si2Al9) de tamaño pequeño. La distribución del Sn es
homogénea con algunas partículas de gran tamaño, así como
la presencia de una red de intermetálicos de la forma de
láminas frágiles (Fe3Si2Al9), en esta colada la operaci´on de
desgasificado fue mal realizada, lo cual se manifiesta por la
gran cantidad de poros.
De las imágenes anteriores se observa que la distribución del
estaño, intermetálicos del tipo de escritura china (Fe3SiAl12)
y de láminas frágiles (Fe3Si2Al9), para diferentes coladas y
velocidades de enfriamiento, sin bien presentan variaciones
tamaño y forma; sin embargo, comparando éstas con las
reportadas en otros estudios, presentan mejores
características [1], ya que el estaño es más homogéneo y que
la cantidad de intermetálicos es menor y con una mejor
distribución en la matriz de aluminio [7].
Fig. 21 Microfotografía a 800X, del lingote con 1.6% de refinador.
4. Conclusión
Considerando los resultados obtenidos, se tiene que el
refinador presenta diferentes efectos sobre la
microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación
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AlSnSiCuPb, es por tal motivo que éstas se analizan en
forma independiente.
Tamaño de grano;
El refinador de grano se considera que forma núcleos
primarios de solidificación, por lo que el número de éstos
afectará el tamaño de grano del material obtenido. Dicho
efecto se presenta a través de las figuras 4 y 5, en donde se
denota un comportamiento no lineal del tamaño de grano
con la concentración de refinador. Se observa que al agregar
mayor cantidad de refinador el tamaño de los cristales se
mantiene constante, esto se puede explicar a través de la
sobresaturación del sistema. De los mismos datos se puede
concluir que para el 0.1% de refinador se tiene un tamaño de
grano de 27.4 m , mientras su valor máximo es para 1.6%
de refinador con 32.6 m , con una variación entre estos del
19%.
Intermetálicos
El efecto de los intermetálicos se relaciona con su tipo
(composición) y tamaño, afortunadamente mediante la
metalografía son fácilmente identificables estos por su
morfología característica. Resulta de primordial importancia
que se formen intermetálicos que no afecten de manera
negativa las propiedades mecánicas de la aleación, como son
el caso de los de tipo Fe2Si2Al9 (Morfología tipo de agujas)
que por esta composición son perjudiciales para aleaciones
de uso tribológicos, ya que estas agujas son frágiles y factor
de inicio de fracturas en el material [9]. Sin embargo, los
intermetálicos del tipo Fe3SiAl12 (Morfología de escritura
china) son idóneos para estas aleaciones, ya que no se
fracturan fácilmente, dando lugar a la fase dura que requiere
el material. Se puede concluir que se tiene una relación no
lineal (figura 4) con la presencia de refinador de grano, ya
que muestra un cambio en su comportamiento para 0.2% de
refinador alcanzando dimensiones del orden 27.6 µm,
mientras que su máximo se presentó en las muestras sin
refinador (32.3 µm), con una variación de 17% entre ellas.
El refinador no tiene efecto sobre las fases secundarias, sin
embargo, la velocidad de enfriamiento, si tiene una marcada
influencia sobre ellas, ya que un enfriamiento rápido
favorece la formación masiva de granos y abundantes sitios
de nucleación que no permiten el crecimiento de los
íntermetálicos, así como tampoco de los granos de la matriz.
Lo observado permite confirmar que la solidificación
presenta una nucleación heterogénea, debida a las
condiciones de enfriamiento; ésta se modifica desde las
paredes de la lingotera hacia el centro del lingote. Lo antes
expuesto es debido a que el gradiente de temperatura es
mayor en la superficie de la lingotera. Esto confirma lo
observado en las diferentes micrografías donde presenta un
mayor tamaño de grano, de intermetálico y concentración de
estos que en las muestras centrales del lingote.
Dureza
El cambio en el tamaño de grano, así como en la distribución
y tipo de intermetálicos tiene efecto en la dureza del
material. Resulta por tanto evidente que, si la concentración
de refinador afecta a dichos parámetros, ya que este no
permite el crecimiento de los granos, por lo que grano será
de un tamaño menor entonces por su cantidad de límites de
grano es más duro Esto se observa en el efecto que es no
lineal, ya que varía esta propiedad entre 47.9 BHN para
0.2% de refinador, mientras que la mayor dureza se presentó
para 1.6% de refinador y fue del orden de 56 BHN, con una
variación del 17% entre estos valores. Se concluye que a
mayor cantidad de refinador incrementa la dureza, lo
contrario a los resultados obtenidos del tamaño de grano en
los cuales se presenta una saturación en el sistema. Debido
a que se tiene una nucleación heterogénea, la cual, por su
contenido de impurezas insolubles, inclusiones u óxidos
reduce la energía requerida para la formación de núcleos,
que afectan la distribución de las fases y tamaño de grano en
los lingotes.
Resistencia, deformación y tenacidad
Resistencia máxima ( max )
Se obtuvo un mínimo valor de la resistencia para 0.1% de
refinador, alcanzando un esfuerzo máximo del orden de
117.6 MPa. La mayor resistencia se alcanzó para el 0.8% de
refinador, siendo ésta del orden 128.5 MPa. La mínima
variación (9%) entre dichos valores demuestra que el
refinador, no tiene efecto significativo sobre la resistencia.
Deformación máxima max
Por su microestructura la aleación Al-Sn en general no
presentan una notable ductilidad, situación que resulta más
marcada en las AlSnSiCuPb. Esto se demuestra de los
resultados obtenidos en los ensayos de tracción, ya que en la
muestra sin refinador la deformación presentó una mínima
deformación alcanzando tan solo el 8.36%. Por su parte la
mayor ductilidad se obtuvo para el 0.1% de refinador,
alcanzando el 13.8%; todo lo cual representa una variación
sustancial, que en su mayor expresión alcanza el 65%. La
aleación AlSnSiCuPb se procesa por laminado requiriendo
de etapas de colaminación para unir ésta con una capa de
aluminio puro y posteriormente con la cinta de acero.
Resulta evidente entonces que una propiedad fundamental
del material es su capacidad para deformarse plásticamente
razón por la que los resultados obtenidos en este rubro son
de fundamental importancia.
Tenacidad
El menor valor obtenido, se presentó para la muestra sin
refinador, alcanzando un valor de 4.76 3/MJ m , y el
mayor se obtuvo para un 0.8% de refinador del orden 9.69 3/MJ m , con una variación significativa del 103%. Se
tiene entonces que la tenacidad se incrementa con el
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contenido de refinador, alcanzando su máximo para el 0.8%.
Conclusiones Generales
La mayor homogeneidad de la fase estaño-plomo se alcanzó
para el 0.1% de refinador, lo cual se manifiesta con su mayor
ductilidad, propiedad que se deberá manifestar durante la
laminación del material. Dado que todos los lingotes
estudiados se enfriaron bajo las mismas condiciones, se
puede concluir que una concentración de refinador entre 0.1
a 0.2% se correlaciona con una disminución en la presencia
de intermetálicos observados que son del tipo Fe3SiAl12 con
morfología de escritura china, los cuales se caracterizan por
no afectar negativamente la capacidad de la aleación para ser
laminada, en virtud de presentar una estructura con una
menor conectividad.
En el caso de los lingotes producidos sin refinador se
observó que los intermetálicos presentes eran del tipo de
Fe2Si2Al9, los cuales se caracterizan con una morfología
acircular. Al tratarse de una fase dura y frágil, la cual es
continua a través de la microestructura, por lo que tiene
conectividad entre agujas, se tiene entonces que ésta
determina el comportamiento del material, favoreciendo la
aparición de fracturas durante el proceso de laminación del
lingote.
Por otra parte, se ha demostrado que entre el 0.8 y 1.6% de
refinador se alcanza la mayor resistencia, tenacidad y
dureza. Sin embargo, la ductilidad alcanza su mayor
expresión para concentraciones entre el 0.1 y 0.2%, lo cual
a su vez corresponde con las microestructuras con mejores
características de homogeneidad e intermetálicos presentes.
Por otra parte para dichas condiciones las propiedades
mecánicas, como la resistencia, alcanzan valores aceptables.
Resulta evidente que a nivel industrial el uso de refinadores
de grano en las coladas eleva los costos de producción, por
lo que su empleo debe estar perfectamente normado de tal
forma que se garanticen las mejores propiedades al menor
costo condición que ha sido definido a través del presente
proyecto.
REFERENCIAS
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Bristow D. J., Acta Materíalia, Vol. 48,
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to grain refinement of aluminum by Al-Ti-B, Páginas 2823-
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Al-Si Ternary System, Materials Characterization, Vol. 49,
Páginas 269-281, Noviembre2002.
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K. E., Todel L y van der Zwaag S , Materials
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techniques for quantification of a-Al(FeMn)Si and P-AlFeSi
intermetallics in AA 6xxx alloys, Páginas 409-420,
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[5] Warren J. Whitney, Patente de la aleación para cojinetes
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Highway Sothfield Michigan US 48034
[6] Kuijpers N C W Tirel J., Hanlon D. N. y van del Zwaag
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evolution of the 3D intermetallic structure in a 6005A
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Páginas, 379-392, Julio 2002.
[7] Yuan G. C., U Z. J., Lou Y. X. y Zhang X. M., Mater.
Sci. Eng. A, Vol. 280, Study on cristallization and
microstructure for new series of Al-Sn-Si alloys, Páginas
108-115, Marzo 2000.
Tesis
[8] Ramírez Díaz Edgar Isaac, Evolución de la
microestructura de la aleación SAE788 (Al-Sn-Si-Pb-Cu)
durante la fundición y tratamiento térmico, Facultad de
Ingeniería, UNAM, 2004.
[9] Torres Castillo José A., Optimización del proceso
termomecánico de la aleación SAE783 para cojinetes de
deslizamiento, Facultad de Ingeniería, UNAM, Marzo 2006
ISSN 2448-5551 MM 236 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
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