PROCESO DE FUNDICIÓN A PRESIÓN PARA ALEACIONES LIGERAS

Comparación Entre las Propiedades de Aleaciones de Aluminio Obtenidas Por Diferentes Procesos de Fundición

Julián D. Osorio, Lina M. Hernández, Luís F. Uribe

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

jdosorio@unalmed.edu.co - mhernan1@unalmed.edu.co – lfuribe@unalmed.edu.co

Resumen

Actualmente, las aleaciones ligeras son de gran importancia en la fabricación de diferentes componentes donde las exigencias requieran una alta resistencia con bajo peso. Una de las aleaciones más importantes para este propósito son las aleaciones de aluminio, las cuales están reemplazando componentes hechos en materiales más pesados como el acero permitiendo además un ascendente desarrollo de nuevos materiales, técnicas y tecnologías. En este trabajo se hace un énfasis en las aleaciones de aluminio y en el proceso de fundición a presión que mejora considerablemente las propiedades mecánicas de estas aleaciones respecto a otros procesos convencionales.

Palabras clave

Aleaciones ligeras, Fundición a presión, Propiedades mecánicas, Microestructura

1. Introducción

El término de metales ligeros tradicionalmente ha sido estipulado para el aluminio y el magnesio porque son usados frecuentemente para reducir el peso de componentes y estructuras. El titanio y el berilio también pueden ser incluidos dentro de este grupo de materiales. Éstos poseen una baja densidad comparados con otros metales como el acero, razón por la cual en la actualidad son ampliamente utilizados en los campos de las construcción, el transporte a nivel espacial y vehicular, construcción de contenedores y empaques, conductores eléctricos en el caso del aluminio, maquinaria o equipo.

Debido a la creciente demanda industrial que de estos metales se presenta actualmente, se hace necesario utilizar y desarrollar procesos de manufactura más eficientes. Respecto al proceso de fundición, éste, aunque conserva en esencia su orden, en las últimas décadas se ha mejorado el proceso considerando otras variables como la utilización de la presión. En este trabajo se enfatiza sobre un método de fundición (fundición a presión o esqueeze casting) para aleaciones de aluminio, mucho más desarrollado que los métodos convencionales y que, como se podrá dar cuenta el lector, proporciona mejores propiedades mecánicas y da solución a algunos inconvenientes como la contracción del metal durante la solidificación.

2. Proceso de fundición convencional

Una pieza fundida, representa la fase final de una serie de procesos metalúrgicos que se mantienen casi inalterables desde que se descubrió la fusión y colada de los metales. En estos procesos hay tres fases que desde la Edad de Bronce han marcado las pautas de lo que es una pieza fundida. Estas fases son Moldeo, Fusión y Colada.

La forma más primitiva de molde es la que conocemos en la elaboración de puntas de lanza, herramientas y Útiles de labranza, que se construían en la Edad de Bronce. Estos moldes se elaboraban vaciando con Útiles duros, la superficie de una piedra arenisca (rodeno, galdácano etc.).

Generalmente el molde lo constituían dos placas

que se complementaban previamente selladas con arcilla y en las que ya iba incorporado el embudo de colada.

Un molde consta generalmente de dos semimoldes, llamados semimolde de la parte alta (caja macho) y semimolde de la parte baja (caja hembra). Por lo general el semimolde de la parte alta lleva incorporado el embudo de colada, el bebedero y los respiros, y la parte baja del semimolde aloja los canales de ataque a la pieza y la salida de ésta a los respiros. Estos semimoldes están alojados en sus respectivas cajas de moldeo. El encaje o montado de una caja de moldeo sobre la otra, se hace lo más preciso posible a través de un juego de orejas y guías que cierran las cajas con ayuda de unas bridas. Este tipo de moldeo es el que con ligeras modificaciones está vigente en las fundiciones modernas.

3. Características del aluminio

El aluminio es un metal que reúne una serie de propiedades mecánicas excelentes dentro del grupo de los metales no férreos, de ahí su elevado uso en la industria. El aluminio y sus aleaciones satisfacen como ningún otro metal las actuales demandas que se piden a un material estructural como son:

- Ligereza, la densidad del aluminio es realmente baja comparada con la del acero.

- Buena resistencia mecánica de algunas de sus aleaciones, incluso a altas temperaturas, lo que hace que esté legando a sustituir a aleaciones de titanio en el mundo aeronáutico, donde la ligereza unido a la resistencia mecánica son factores de mucha importancia. - Muy buena resistencia a la corrosión gracias a la película de alúmina, que se forma en su superficie de forma espontánea y lo protege de la corrosión.

- Como propiedades físicas del aluminio caben resaltar, su alta conductividad térmica y eléctrica, esta última le hace adecuado para muchas aplicaciones dentro de la industria eléctrica, su baja temperatura de fusión unido a su elevada temperatura de ebullición hacen al aluminio muy idóneo para la fundición. El aluminio cristaliza en la

red FCC (ó CCC) y no sufre cambios alotrópicos, lo que le confiere una alta plasticidad, aunque las propiedades mecánicas varían enormemente según sean los elementos aleantes y los tratamientos termomecánicos a los que se haya sometido.

- La mayor desventaja del aluminio es la alta contracción de 3.5 a 8.5 % que ocurre durante la solidificación. Por esta razón el molde debe ser diseñado de tal forma que garantice una precisión dimensional y para evitar problemas como rotura en caliente, esfuerzos residuales y porosidad.

4. Características de las Aleaciones de Aluminio

El aluminio tiene baja temperatura de fusión 660 °C lo que limita mucha su aplicabilidad a temperaturas moderadas. La resistencia mecánica se consigue por acritud y por aleación. Sin embargo, estos procesos generalmente disminuyen la resistencia a la corrosión. Las aleaciones de aluminio suelen contener Cu, Mn, Mg, Si, Zn y Li en proporciones variables entre el 0.1 y el 5 %. Estas aleaciones son muy utilizadas en componentes de medios de transporte debido al ahorro de combustible que conlleva la disminución de peso con prestaciones de seguridad similares. 1) Aleaciones (Al - Cu) tienen alta resistencia a la fractura por lo que se utiliza en partes estructurales de aviones, carrocerías de automóviles y autobuses, tanques de combustibles. El duraluminio (96%Al 4 % Cu) es una aleación muy utilizada en casas (puertas y ventanas), transporte, etc. 2) Aleaciones (Al - Mn) tienen buena capacidad para ser trabajadas, son fáciles de soldar e inertes químicamente y se utilizan en tanques de almacenaje, latas para bebidas refrescantes, utensilios de cocina, cañerías, etc. 3) Aleaciones (Al - Si) tienen bajos coeficientes de expansión térmica y bajos puntos de fusión por lo que se utilizan en alambres de soldadura y para piezas fundidas. 4) Aleaciones (Al - Mg) tienen alta resistencia a la corrosión, buena capacidad para ser soldadas y trabajadas y se utilizan en aplicaciones marítimas, blindaje de vehículos militares, extremos de botes de bebida y para maletines. 5) Aleaciones (Al - Mg - Si) tienen buena resistencia al calor y buena capacidad de ser moldeados por lo que se utilizan en partes estructurales de transportes, mobiliario y componentes en arquitectura. 6) Aleaciones (Al -

Zn) tienen alta resistencia a las tensiones y al calor y encuentran aplicaciones en componentes de aeronaves. 7) Aleaciones (Al - Li) tienen muy baja densidad y son moderadamente resistentes al calor con aplicaciones aeroespaciales. 8) Aleaciones (Al - Si - Cu) tienen alta resistencia a la tensión y se pueden moldear, se utilizan en componentes de motores de automóviles.

5. Fundición de Aleaciones de Aluminio

Los procesos más comunes utilizados para la fundición de aluminio son: fundición de arena, fundición de molde permanente, fundición en coquilla y fundición a presión de cámara fría. Los moldes de arena son alimentados con el metal fundido por gravedad. El metal fundido usada un la fundición de moldes permanentes son también alimentados por gravedad o utilizando una baja presión de aire o otros gases para forzar el metal para que entre al molde. En la fundición a presión en una cámara, el aluminio fundido es forzado a una matriz de acero a alta presión por la acción de un apisonador hidráulico.

Las siguientes son las aleaciones más comunes utilizadas en los diferentes procesos de fundición: - Funciones en arena: aleaciones 208 (Al – 4Cu – 3Si), 413 (Al – 11.5Si), 213 (Al – 7Cu – 2Si – 2.5Zn), 356 (Al – 7Si – 0.3Mg).

- Fundición en moldes permanentes: las aleaciones 332 (Al – 9Si – 3Cu – 1Mg) y 319 (Al – 6Si – 4Cu).

- Fundición en matriz a presión: aleaciones 380 (Al – 8.5Si – 3.5Cu) y 413 (Al – 11.5Si).

A continuación se presenta un poco más detallado cada proceso de fundición:

Fundición de arena: Es el más sencillo y versátil de los procesos de fundición del aluminio. Es normalmente elegido para la producción de:

- Cantidades pequeñas de piezas fundidas idénticas.

- Piezas fundidas complejas con núcleos complicados

- Grandes piezas fundidas.

- Piezas fundidas para la construcción.

Fundición con molde permanente: Se vierte el metal fundido en un molde metálico permanente bajo gravedad y bajo presión centrífuga solamente.

Las piezas fundidas así tienen una estructura de grano más fino, y son más resistentes que las piezas fundidas con moldes de arena, debido a que la velocidad de enfriamiento es más rápida. Además, las piezas fundidas en molde permanente poseen generalmente menores contracciones y porosidad que las piezas fundidas en arena. Sin embargo, los moldes permanentes tienen limitaciones de tamaño, y para piezas complejas puede resultar difícil o imposible.

Fundición en coquilla: Se funden piezas idénticas al máximo ritmo de producción forzando el metal fundido bajo considerables presiones en los moldes metálicos. Las dos partes de la matriz de metal son engatilladas de forma segura para poder resistir la alta presión. El aluminio fundido es obligado a repartirse por las cavidades de la matriz. Cuando el metal se ha solidificado, las matrices son desbloqueadas y abiertas para extraer la pieza fundida caliente. Algunas ventajas de la fundición a presión son:

- Las piezas están casi acabadas y pueden producirse a un alto ritmo.

- Las tolerancias adimensionales de cada parte de la pieza fundida pueden ser mantenidas más sólidamente.

- Es posible la obtención de superficies suaves

- El proceso puede ser automatizado.

Composiciones de aleaciones de aluminio para fundición. Las aleaciones de aluminio para fundición han sido desarrolladas habida cuenta de que proporcionan calidades de fundición idóneas, como fluidez y capacidad de alimentación, así como valores optimizados para propiedades como resistencia a la tensión, ductilidad y resistencia a la corrosión. Difieren bastante de las aleaciones para forja.

6. Proceso de fundición a presión (squeeze casting)

Este proceso involucra la aplicación de una compresión del metal líquido en una prensa hidráulica durante su solidificación en un molde o matriz. La aplicación de la presión compensa efectivamente la contracción natural que ocurre en el metal cuando transforma de un estado líquido a un estado sólido; su magnitud es de alrededor de 200 Mpa, este valor corresponde a un orden mayor que la presión de fusión experimentada en prácticas en fundiciones convencionales. Como una consecuencia de la alta presión, el flujo de metal fundido entra contrayendo los poros y los gases que quedan, de esta forma, atrapados y tienden a mantenerse en solución. Sin embargo, ésta también promueve el contacto íntimo entre el metal y las paredes del molde o estampado. La extracción de calor de forma asistida permite obtener un cierto control en la refinación de la microestructura.

Existen dos deferentes tipos de procesos de fundición a presión basado sobre diferentes aproximaciones del movimiento del metal durante el llenado de la matriz (o molde): estos han sido llamado fundición a presión directa e indirecta respectivamente [1].

En la fundición a presión directa, contadas cantidades de metal fundido es vaciado dentro de una matriz similar a la utilizada en fundición de molde permanente; la presión es aplicada al metal que está solidificando moviendo la mitad de la matriz. Para el método indirecto, el metal fundido primero es vaciado en una máquina de inyección y luego inyectado verticalmente dentro de una matriz por un pistón que sostiene la presión durante la solidificación. En ambos casos, el alto rendimiento es obtenido porque los corredores y los sistemas alimentadores no son requeridos, virtualmente todo el metal fundido ingresa a la cavidad de la matriz. La masa de la fundición puede variar entre 200 g a35 kg dependiendo de la capacidad de la máquina.

Fig 1. Esquema del proceso de fundición a presión directa.

Fig 2. Esquema del proceso de fundición a presión Indirecta para una aleación de magnesio

Una de las ventajas más importantes de este proceso respecto a otros es una notable mejora en la ductilidad. Tabla 1. Otra ventaja es que es posible utilizar este método en algunas aleaciones complejas y de alta resistencia que son solamente producidas a través del proceso de forja. Por ejemplo, la aleación Al – Zn – Mg – Cu utilizada en el aeronáutica (7010), ha sido exitosamente obtenida por fundición a presión.

Tabla 1. Propiedades mecánicas de la aleación 357 de aluminio para diferentes procesos de fundición.

Proceso deFundición

0.2% Prueba de esfuerzo

(MPa)

Resist. a tensión

(MPa)

Elong.

(%)De arena

(Sand Cast)200 226 1.6

Fundición fría

(Chill Cast)

248 313 6.9

A Presión (Squeeze

Cast)

283 347 9.3

(Cosworth) 242 312 9.8

Una característica importante de este método es que la fundición presenta propiedades isotrópicas mientras que las forjas sufren variación en diferentes direcciones.

Las propiedades pueden ser adicionalmente incrementadas incorporando fibras o partículas dentro de las aleaciones fundidas a presión. De esta forma, la fundición a presión es superior a otras técnicas de baja presión para infiltrar el metal líquido dentro de una malla; este último procedimiento ha tenido una considerable limitación en el pasado.

Este proceso de fundición a presión es ampliamente utilizado para aleaciones de Aluminio y para aleaciones de Magnesio.

7. Microestructuras de Fundición a Presión

La combinación de altas presiones y el molde metálico controlan los altos coeficientes de transferencia de calor, los cuales en turnos son responsables de la alteración de la microestructura. La más obvia manifestación de los altos coeficientes de transferencia de calor es el refinamiento de la microestructura [2]. La figuras 3 muestra la microestructura de la aleación AL – 7010, fundida bajo deferentes presiones

Fig 3. Microestructura del Al – 7010 (a) fundición por gravedad, (b) fundición a presión

directa a 300 MPa

La ecuación Clausius-Clapeyron indica el grado esperado en el cambio en las temperaturas de enfriamiento de un material con el incremento de la temperatura:

=

Donde Tf es la temperatura de equilibrio de congelamiento, Vl es el volumen específico del líquido, Vs es el volumen específico del sólido, y L f

es el calor latente de enfriamiento.

Para el Aluminio puro, el incremento esperado en la temperatura de congelamiento es alrededor de 6K para 100 MPa de presión.

Esto fue mostrado cerca de 1931, que el diagrama de fase de la aleación AL – Si bajo presiones de 1300 MPa, la temperatura del eutéctico y la composición fue elevada a 613°C y 17.4% Si respectivamente. En las prácticas hecha por Chadwick and Yue, la presión varía entre 100 y 150 MPa. Experimentos recientes para la aleación AL – 7010 por fundición a presión con 300 MPa han indicado un movimiento hacia arriba de la temperatura de liquidus de 18°C, se encontró que este efecto térmico puede tener una pequeña o ninguna influencia en el refinamiento de la estructura del grano, contrario a algunas afirmaciones que se encuentran en la literatura. El único efecto significativo de la presión en la microestructura de aleaciones de aluminio comerciales es causada no por cambios térmicos pero si por incrementos en los coeficientes de transferencia de calor, los cuales se incremental a un valor máximo de cerca de 100 MPa. [2].

Fig 4. Curva de enfriamiento para una aleación por fundición a presión AL-7010 a 300 MPa.

Algunas aleaciones comerciales AL – Si han sido fundidas a presión (squeeze casting) y sus propiedades valoraras y comparadas con las obtenidas con otros métodos diferentes de fundición, aparece en la tabla 2.

Tabla 2. Propiedades mecánicas típicas de algunas aleaciones Al – Si comerciales obtenidas por diferentes técnicas de fundición.

Se observa que enormes mejorar en propiedades pueden ser logradas con el método de fundición a presión.

8. Composición de las aleaciones ligeras

Siempre que un material posee regiones porosas, éstas dominan todas las respuestas mecánicas a carga. Sólo cuando las fundiciones tiene cero porosidades, las partículas o fibras de refuerzo se convierten en una en una gran ventaja; es decir es cuando la función a presión presenta una clara ventaja sobre otras técnicas alternativas. La fundición a presión también permite que fibras preformadas se coloque en áreas críticas de los componentes donde se requiere un alto rendimiento.

9. Conclusiones

El proceso de fundición a presión ha sido probado y se considera como un camino ideal para producir componentes con una alta cualidad ingenieril.

En general, se puede concluir que para las aleaciones de aluminio obtenidas por medio de fundición a presión, la adición de partículas o fibras como refuerzo mejora las propiedades mecánicas.

10. Referencias

[1] G.A. Chadwick and T.M. Yue, Met. Mater., 1 (1989) 6.[2] Squeeze casting of light alloys and their composites G.A. * I. J. POLMEAR, Light Alloys Metallurgy of the Light metals. Third Edition. New York 1996 Chadwick and T.M. Yue, Met. Mater., May (1995).* WILLIAM D. CALLISTER, Jr. “Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales”. 1995. Ed. Reverté, S.A * WILLIAM F. SMITH “Fundamentos de la ciencia e ingenieria de materiales”. 1993. De. McGraw Hill.* http://enciclopedia.us.es/index.php