20 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N° 2, 20 - 24

CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE ALEACIONESCOLADAS Al-7Si-Cu y Al-7Si-Ni CON ADICIONES DE Sr.

J. A. García-Hínojosa', C. González R', Y.Houbaert", G. González'.

1. Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Fac. de Química, UNAM, Cd. Universitaria Coyoacan04210, México DF, jagarcia@servidor.unam.mx

2. Laboratory 01Physical Metallurgy, Department 01Metallurgy 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 seestablezca el control microestructural del material durante la solidificación, de forma que esta característica incida en lamejora de sus propiedades mecánicas. Considerando lo anterior en este trabajo se obtuvieron las siguientes aleaciones coladas:AI-7Si-0.5Cu, AI-7Si-1.5Cu, AI-7Si-0.5Ni y AI-7Si-1.0Ni, en dos condiciones sin adición de Sr y con adición de 0.02 % deSr. Las muestras obtenidas fueron preparadas metalográficamente para microscopiaóptica y microscopia electrónica debarrido apoyado con técnicas de microanálisis EDS y WDS, con el propósito de evaluar las características microestructuralesde cada una y compararlas con las aleaciones de referencia AI-7Si sin y con 0.02 % Sr. La caracterización metalográfica secomplemento con la evaluación de las principales propiedades tensiles de cada aleación para determinar el efecto de lasadiciones de Cu y Ni, combinado con la adición de pequeñas cantidades de Sr y de este modo explicar la variación enpropiedades mecánicas. Los resultados finales indican que la adición de Cu en conjunto con Sr produce un fuerte cambiomorfológico del Si eutéctico y de la fase CuAI2, 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 NiAI3, este no es afectado por lapresencia de Sr provocando un decremento en las propiedades mecánicas.

Abstract

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

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

solubilización-envejecimiento para elevar las propiedadesal máximo, pero con la desventaja de incrementar el tiempode producción y aumentar el costo de las mismas. De acuerdoa la bibliografía [1,2] la adición de pequeñas cantidadesde Sr, Na o Sb, produce un fuerte cambio morfológico en elSi eutéctico de acicular a globular-fibroso, para el caso delas aleaciones hipoeutécticas Al-Si, lo que incide en unamejora en sus propiedades mecánicas en condiciones decolada y reduce los tiempos de tratamiento térmico. Porotra parte también se ha reportado [3] que ciertos nivelesde cobre promueven la precipitación de la fase intermetálicaCuAl2, la cual se presenta en forma de bloques o mezcladocon el eutéctico Al-Si y localizado en las regiones

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

1. Introducción

En la actualidad el uso de las aleaciones de aluminioesta teniendo una fuerte demanda, debido a su excelenterelación propiedades/peso. Su baja densidad la hace ser unmaterial muy ventajoso sobre las aleaciones tradicionalesferrosas de acero y hierro colado, así como su relativo bajocosto en relación con las base titanio o magnesia. Laspropiedades mecánicas finales pueden incrementarsemediante dos métodos, el primero se basa en la adicióncontrolada de elementos aleantes y el tratamiento en faselíquida (modificación y/o refinación de grano) con lo cualse controla durante la solidificación la cantidad, distribucióny morfología de las fases presentes. Este puede sercomplementado con prolongados tratamientos de

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interdendriticas, la morfología de esta última faseepende de diversos factores como: la velocidad de

enfriamiento, la cantidad presente de cobre, así como de laencia de Sr, acerca del efecto de este último sobre la

mezcla eutéctica AI-Si-CuAI2 se tiene poca información.or otra parte también se reporta [4] para el caso deiciones de Ni que en ciertas cantidades, se promueve

- damentalmente la precipitación interendritica delrmetálico NiAI3, con morfologías gruesas y masivas,

e mejoran la dureza y resistencia del material a altascemperaturas, pero que también acarrean problemas defragilidad. Considerando lo anterior el objetivo de este

ajo es evaluar por un lado el efecto de la presencia deen y i sobre las características microestructurales, y por

el efecto combinado de la presencia de Cu o Ni con Sr,_ basta que punto estas dos condiciones pueden incrementar

propiedades mecánicas en condiciones de colada.

_ Metodología Experimental

Para la realización de la fase experimental, se utilizo_ IDO materia prima la aleación A356 comercial como

eación base para fabricar las aleaciones experimentalesajo estudio, su composición química evaluada por

Espectrometría de Emisión Atómica (Spectrolab M8) seenta en la tabla l.

Las aleaciones experimentales se fabricaron colocandogas de 3 Kg en un crisol de SiC calentado en un horno

e éctrico de resistencia, después de fundirse la aleación base_ alcanzar una temperatura de 700°C, se adicionaron las

tidades correspondientes de Cu o Ni en forma de metaless, con la finalidad de obtener la composición química

:!eseada. Una vez disuelto e incorporado el elemento aleante_ antes de colar se procedió a des gasificar con gas argón el

- o metálico, posteriormente se escorifico y se llenaron- Ides metálicos de hierro colado, en donde se obtuvieron

estras cilíndricas de 15 cm de longitud por 2.5 cm de, etro. Para el caso de las muestras con Sr este se

rporo en conjunto con las adiciones de Cu o Ni en formaaleación maestra AI-lOSr. Las barras fabricadas fueron

- quinadas para obtener muestras para análisisográfico. El análisis metalográfico se realizo por dosos, el primero mediante Microscopía óptica (MO) y

segundo mediante Microscopía Electrónica de Barridocomplementado con técnicas de microanálisis EDS

_ WDS. Por el primer método se evaluaron algunasterísticas comunes de las aleaciones coladas como: el.amiento interendrítico secundario, el % de porosidad,

ivel de modificación (grado del cambio morfológico de- fases), así como la ubicación y morfología de las fases

intermetálicas principales, para ello las muestras fueronpreparadas por técnicas convencionales de metalografía ysometidas en su fase final a un ataque con solución frescade HF al 0.5 ó 1.0 % en volumen .. Con relación a lacaracterización por SEM, la preparación metalográfica fuesimilar, variando solamente las condiciones de ataque, parael cual se aplico un ataque más severo utilizando reactivoTucker, para resolver con mayor nitidez las fases presentes.Mediante EDS se obtuvo la composición química de lasprincipales fases y por WDS la distribución de losprincipales elementos en la microestructura de la aleación,cabe hacer notar que no fue posible la detección de Sr debidoa los bajos niveles presentes en las aleacionesexperimentales. En la parte final de la metodología experi-mental, se obtuvieron barras de tensión por triplicado paraobtener las propiedades tensiles promedio, se aplico lametodología reportada en la Norma ASTM B557-80. Lacomposición química de la aleación de referencia, así comola de las experimentales fue evaluada por Espectrometríade Emisión Atómica, los resultados se muestran en la tabla2.

Tabla 2. Composición química de las aleaciones de referencia AI-Si Ylas experimentales Al-Si-Cu y AI-Si-Ni

Muestra Composición química (% en peso)Si Cu Ni Sr

AI-7Si 7.1 0.22 0.02 0.0AI-7Si-Sr 6.93 0.21 0.02 0.019AI-7Si-Cu 7.0 0.49 0.01 0.0AI-7Si-Cu-Sr 6.9 0.50 0.015 0.021Al-7Si-Cu 6.93 1.47 0.01 0.0AI-7Si-Cu-Sr 6.9 1.52 0.015 0.02AI-7Si-Ni 6.89 0.2 0.49 0.0AI-7Si-Ni-Sr 6.85 0.21 0.51 0.19AI-7Si-Ni 6.92 0.20 0.98 0.0AI-7Si-Ni-S¡· 6.90 0.20 0.99 0.021

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

3. Resultados y discusión

3.1 Características. microestructurales

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

De los resultados mostrados en la tabla 3 se puedeobservar que la presencia de Sr en la aleación de referenciaAI-7Si provoca un sensible cambio morfológico en el Si dela fase eutéctica Al-Si, lo cual indicaría que las propiedadesdeben ser incrementadas, esto concuerda con lo reportadoen la bibliografía por algunos autores [5].

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Tabla 3. Características microestructurales de las 'aleacionesAI-7Si, Al-7Si-Cu y AI-7Si-Ni, sin y con Sr.

Muestra DA.'3 MR %P Fases importantes(jLm)

Al-7Si 27 1 U Si acieulerAt.7Si·O .02 Sr 26 5 2.5 Si g)obular

Al-7Si-OjO Cu 31 1 1< Si aciculer, Al1Cuen bloques

Al-7Si-O.50Cu-Si globular, colo-

0.02Sr32 6-5 1< nias eutécticas finas

de (AI-Al2Gu)

Al-7Si-! .scc 30 3-2 1<Si acicu1ar, bloquesde Al2Cu

Al-7Si-l.5Cu- Si globutar, colo-

0.02Sr32 6-5 1< nias eutécticas finas

de (Al-AlzCu)Si acicular, bloques

AI-O.5Ni 32 1 1< masivos inter dendrí-tices de NiI'Jl

Al-O .5Ni-O.02Sr 31 5 1<Si @obular, partícu-las masivas deN iA13

.' Si aeicular, conglo-Al-1.0Ni 30 2-1 1< rn erados de NiAl3Si globular mez-

Al-l.ONi-O.02Sr 31 5-4 1< elado con partí culasmasivas de NiAl,

DAS''''-espaciamiento dendritico, MR = nivel de modificación,1 sin modificar y 6 bien modificado, %P porcentaje deporosidad --.

Cuando se adiciona a la deación base AI-7Si solamentecobre, este promueve ra t )rwación y precipitación delintermetálico CuAl2, la cantidad presente de esta fase esfunción de la cantidad de cobre adicionado. Unacaracterística importante de esta fase es su morfología la

cual tiene forma de bloques precipitados en las regionesinterdendriticas en conjunto con el eutéctico Al-Si. Cuandolas dos aleaciones AI-7Si-0.5Cu y AI-7Si-l.5Cu son tratadascon pequeñas adiciones de Sr, es decir 0.02 % en peso, lamorfología del Si de la fase eutéctica Al-Si y también la delintermetálico CuAlz son cambiadas drásticamente, el Si deacicular a globular fibras a mientras que el CuAl2 de bloquesa globular, lo anterior desde el punto de vista relaciónestructura-propiedades se debe interpretar como una mejorespropiedades mecánicas, asociada a la morfología de las faseseutécticas de las aleaciones mencionadas. Mediante análisispor SEM-EDS-WDS, se complementó el estudio de lamicroestructura de estas aleaciones, fotografías de estas sepresentan en las figuras 1a y 1b, en las cuales se puedeobservar con detalle las fases presentes, es decir, la soluciónsólida de a(AI), el Si eutéctico y el intermetálico CuA12 enforma de bloques para las aleaciones que no contiene Sr.Por otro lado se puede apreciar el significativo cambiomorfológico de las fases cuando se adiciona Sr. Lacomposición química de las fases antes mencionadas fuecuantificada mediante análisis puntual EDS, los valorespromedio de cada una de ellas se reporta en la tabla 4.

Tabla 4. Composición química (% atm) de las principales fasede las aleaciones Al-7Si-1.5Cu con y sin Sr.

Elemento Al Si Cu Ni

«(Al) 95.5 15 14 ----

Si acicular 3 95 0.3 ---

CuAh 46 0.5 54 ---

Con relación a las características microestructurales delas aleaciones AI-7Si-Ni, se puede observar de la tabla 3,que la presencia de Ni en los dos niveles bajo estudio,

"' ~ ...Fig. 1. Aleación colada AI-7Si-1.5Cu (a) sin Sr y (b) con 0.02 % Sr

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provoca la precipitación de una fase masiva localizadaen las regiones interdendríticas, la cual por Microscopíaóptica y considerando su morfología característica seidentifica como NiAI3, la cantidad presente de esta fasetambién depende de la cantidad de Ni presente en laaleación. Cuando estas muestras son tratadas con Sr enpequeñas cantidades, la presencia de este elemento soloproduce cambios morfológicos de acicular a fibroso del Sieutéctico, mientras que la morfología del intermetálico NiAl3permanece inalterada. Desde el punto de vista depropiedades mecánicas esto puede significar dos cosas, laprimera que el cambio parcial de la fase eutéctica promuevaUD ligero incremente en las propiedades mecánicas o,egundo que la presencia de fases masivas intermetálicas,

duras y frágiles tendría un efecto superior al efecto delcambio morfológico del Si, provocando una disminuciónde las propiedades mecánicas. Desde el punto de vista dee tudios por SEM-EDS-WDS, al igual que para lasaleaciones AI-Si-Cu, también se determinaron lascomposiciones químicas promedio de las fases principales,las cuales son: la solución sólida de a(Al), el Si de la faseeutéctica Al-Si y la fase intermetálica NiAI3• La tabla Spresenta la composición química promedio de dichas fase.

Tabla 5. Composición química (% atm) de las principales fasesde las aleaciones Al-Si-INi

Al Si Cu NiQ(Al) 98 1.2 ... 0.18Si acicular 3.2 95 --- 0.5

NiA13 58 1.1 --- 38.5

En este caso los mapeos elementales de Ni realizadospor WDS corroboran la presencia de altas concentracionesde Ni en donde fue ubicado el intermetálico NiAI3.

Fotografías de las microestructuras se presentan en lasfiguras 2a y 2b.

3.2 Propiedades Mecánicas

Con el objeto de corroborar las hipótesis mencionadasen el análisis microestructural sobre la relación estructura-propiedades, fueron evaluadas las principales propieda-des tensiles, es decir: resistencia a la tensión, resistencia ala cedencia, % de elongación, así como la dureza Brinell.Los resultados promedio del ensayo de tensión y la durezaevaluados por triplicado, se presentan en la tabla 6.

Tabla 6. Propiedades mecánicas delas aleaciones de referencia ylas aleaciones Al-Sí-Cu y Al-Sí-Ni.

MuestraUTS YS 0/0 E HBMpa lVIJla

AI-7Si 160 80 3 54Al-7Si-0.02Sr 180 130 5 55Al-7Si-0.5Cu 150 140 1.4 64Al-7Si-0.5Cu·0.02Sr 200 160 4.1 66AI-7Si -1.5Cu 159 154 1 ., 65.:>

Al-7Si-1.5Cu-0.02Sr 268 176 4.0 70AI-7Si-0.5Ni 156 146 2.2 57Al-7Si-0.5Ni-0.02Sr 186 150 1.3 61Al-7Si-LONi 154 135 2.5 59AI-Si- LONi-0.02Sr 178 154 1.6 63

UTS resistencia a la tensión, YS resistencia a la cedencia, %Eporcentaje de elongación, HB dureza Brinell,

Fig. 2. Aleación colada Al-7Si-lNi (a) sin Sr y (b) con 0.02 % Sr

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Analizando la tabla 6, se puede observar 1.0siguiente,considerando las aleaciones de referencia AI-7Si, en gen-eral la adición de cobre o níquel y sin presencia de Sr, noproduce incremento en las propiedades mecánicas, losvalores de la resistencia a la tensión se presentan entre 1SOY 159 MPa que son muy similares a los de la aleación AI-7Si sin Sr, el % de elongación muestra una disminuciónpara todos los casos, la resistencia a la cedencia sufre unligero incremento, un caso similar es el de la dureza lacual se incrementa en algunos puntos Brinell. Cuando elcobre es adicionado en 'conjunto con el Sr, como ya semenciono en el análisis microestructural, las fases presentessufren cambios mórfológicos significativos, esto produceun incremento significativo en resistencia a la tensión yresistencia a la cedencia, la cual alcanza sus valoresmáximos en la aleación experimental AI-7Si-1.5Cu-0.02Sr,mientras que el porciento de elongación alcanza valoresmuy cercanos al de la aleación base Al-7Si con Sr, lo ante-rior significa que la presencia de la fase CuAI2, a pesar deser modificada con Sr, tiene un efecto ligeramente negativoen esta propiedad, finalmente el incremento de durezaalcanza un aumento promedio de 10 puntos Brinell, lo cuales atribuidos a la presencia del Cu Al.. L.Oanterior corroboralas hipótesis mencionadas en la etapa de análisis ycaracterización metalográfica mencionadas en párrafosanteriores, con lo cual se puede establecer claramente enfunción de las características microestructurales la relacióncon sus propiedades mecánicas.

Con relación a las aleaciones coladas AI-Si-Ni, en lascuales se plantearon dos posibles comportamientos porefecto de la presencia de Ni, se puede observar que solo lapresencia de este elemento causa disminución en laspropiedades evaluadas a excepción de la dureza la cual seincrementa, esto es asociado a la presencia de la fase masi vaNiA13. Cuando estas aleaciones son tratadas con Sr, elcambio morfológico solo es parcial y afecta al Si de la faseeutéctica, conduciendo a solo ligeros incrementos en laresistencia a la tensión y la resistencia a la cedencia, quetienen valores muy similares a los de aleación de referenciaAI-7Si tratada con Sr. Estas aleaciones con Ni y Sr sufremuy poco incremento en sus niveles de dureza, la cualaparentemente esta afectada tanto por la presencia ymorfología del NiAl3 y la del Si de la fase eutéctica.

En términos de incremento de propiedades, expresadocorno % sobre la aleación base Al-7Si sin Sr, la adición de1.5 % de cobre en conjunto con 0.02 % de Sr alcanza un67.5 % 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 mecánicasde las aleaciones en condiciones de colada, pueden serincrementadas por adición controlada de aleantes y un

adecuado tratamiento en fase líquida de la aleación, el cualpromueva la formación de microestructuras concaracterísticas morfológicas benéficas que incidan en mejorade propiedades mecánicas, de forma tal que se valide larelación estructura-propiedades mediante el conocimientode los fenómenos involucrados durante la solidificación quepermitan establecer el control microestructural de lasaleaciones para aplicaciones ingenieriles.

4. Conclusiones

Considerando los resultados obtenidos en la fase experi-mental, así como la discusión de las característicasmicroestructurales y su relación con las propiedadesmecánicas, las conclusiones finales de trabajo son: laadiciones de los aleantes Cu o Ni en aleaciones AI-7Si decolada, promueven la formación de intermetálicos demorfologías y composiciones definidas, los cuales precipitanen las regiones interdendriticas en conjunto con la faseeutéctica Al-Si, dichos intermetálicos son el CuAl2 para lasaleaciones AI-Si-Cu y el NiAl3 para las aleaciones base AI-Si-Ni. La adición de pequeñas cantidades de Sr, en estecaso del 0.02 %, promueven un significativo cambiomorfológico de la microestructura en las aleaciones AI-Si-Cu, en donde el Si de la fase eutéctica y el intermetálicoCu Al, presentan formas globulares fibrosas, que impactanfuertemente en las propiedades tensiles del material:resistencia a la tensión y resistencia a la cedencia, inclusoen la dureza. La presencia de Ni como elemento ale ante enconjunto con el Sr para la aleación Al-Si, no produce uncambia morfológico benéfico global, ya que sol.Oafecta alSi eutéctico, mientras que el NiAI3 conserva su formamasiva, la cual no tiene ningún efecto positivo en laspropiedades mecánicas, e incluso algunas de ellas sondeterioradas por la presencia de esta' fase.

Agradecimientos

Se agradece la colaboración por el apoyo prestado en lafase de fabricación de las aleaciones a los IQM A.M. AmaroV, e. Atlatenco T.e 1. Beltrán P.

Referencias

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