Tesis Bronce Al Aluminio ASM 356

CAPITULO IINTRODUCCIN1.1 Realidad problemticaLas aleaciones de aluminio, en particular la familia Al-Si, han generado gran inters en el sector industrial, especialmente en el sector automotriz y aeroespacial, debido a su excelente colabilidad, baja densidad, aceptables propiedades mecnicas y bajo precio. Las propiedades mecnicas de estas aleaciones son fuertemente afectadas por la forma, tamao y distribucin del silicio eutctico y diferente estructuras intermetlicos, composicin qumica, parmetros de fundicin y tratamiento trmico. La aleacin ASM 356 proporciona una deseable combinacin de moldeabilidad, resistencia a fugas por presin, soldabilidad y resistencia a la corrosin. Se usan ampliamente con fines aeronuticos, en el sector automotriz como culatas, pistones, monobloc, etc., en piezas para maquinas herramienta y en piezas fundidos para propsitos generales.

Para un ingeniero, el conocimiento y la comprensin de los parmetros de fundicin de metales y aleaciones es muy significativo as como los productos moldeados. La fundicin de metal, es cualquier proceso de fusin de metal y vertido en el molde a fin de producir las formas requeridas. Los parmetros especficos de fundicin tales como la temperatura de colada, temperatura de molde metlico, velocidad de colada, fluidez y composicin qumica son de importancia en la calidad y propiedades mecnicas de la aleacin fundida.

En la regin el aumento del sector automotriz, y especialmente la demanda de motos y mototaxis, con ello la necesidad de piezas de aleacin de aluminio, como manijas de frenos, pistones, cilindros de motor, carters etc. se ha incrementado notablemente que son fundidas y coladas en moldes permanentes, muchas de estas piezas son importadas por consiguiente tienen un precio elevado.

La mayora de fundiciones que existen en la zona, funden las aleaciones de aluminio en moldes de arena en verde, sin considerar un control de proceso de fundicin y evaluacin de la calidad del producto generando un gran porcentaje de piezas defectuosas. Las escasas fundiciones de la zona, que funden y realizan la colada en coquillas (molde permanente) lo realizan sin ningn control de la temperatura de colada y temperatura de molde obteniendo piezas defectuosas y con sus propiedades mecnicas inferiores a las requeridas. Los problemas de fundir aleaciones de aluminio a temperaturas altas y colar en coquilla a temperaturas elevadas son fisuras en caliente y microporosidades interdendriticas, y fundir a temperaturas bajas y colar en coquilla a temperaturas bajas puede ocurrir un mal llenado del molde debido al choque trmico.

Debido a esto se consider necesario evaluar la influencia simultnea de la temperatura de colada y la temperatura de molde con respecto a la resistencia a la traccin, ductilidad y dureza de una aleacin de aluminio ASM 356 colada en molde permanente.

1.2 AntecedentesSmith W. afirma que: El silicio, en el rango del 5 al 12 por 100 es el elemento de aleacin ms importante en las aleaciones de aluminio de fundicin puesto que aumenta la fluidez del metal fundido y su facilidad para alimentar el molde. La adicin de magnesio en un intervalo entre 0.3 al 1 por 100 da lugar a un aumento de la resistencia, principalmente por endurecimiento por precipitacin mediante tratamiento trmico [1].

Londo P. y Tierra D. investig sobre Desarrollo tecnolgico para la fundicin en troquel de las aleaciones de aluminio ASTM 355 Y ASTM 40E concluye que: Los ensayos mecnicos y metalrgicos demostraron que las probetas de ambos tipos de aleaciones alcanzaron su resistencia mxima para un tiempo de solidificacin de 3 minutos dentro del molde metlico. Adicionalmente, la aleacin de aluminio ASTM 40E (Al-Zn) no requiere de tratamiento trmico alguno, pues alcanza su mxima resistencia en condiciones de fundido en molde metlico, superando significativamente las propiedades mecnicas de barras fundidas en arena [2].

Loizaga A., De la Fuente E. experiment sobre Optimizacin de las propiedades mecnicas de las aleaciones AlSi7Mg moldeadas en arena nos dice que: Las propiedades mecnicas son inferiores, en piezas fabricadas en moldes de arena respecto a las fabricadas en moldes metlicos, como consecuencia de la menor velocidad de solidificacin [3].

Niklas A., Abaunza U. estudi sobre Thermal analysis as a microstructure prediction tool for A356 aluminium parts solidified under various cooling conditions manifiesta que: A medida que la velocidad de enfriamiento aumenta, el tiempo de solidificacin, la temperatura eutctica y la duracin de la meseta eutctica disminuye [4].

Di Sabatino M., Shankar S. investig Influence of temperature and alloying elements on fluidity of Al-Si alloys afirma que: La variacin de la temperatura de colada presenta el cambio ms significativo en la fluidez de la masa fundida. Mayor temperatura de colada resulta en una mayor fluidez [5].

Sadrossadat S., Johansson S. Experiment The effects of casting parameters on residual stresses and microstructure variations of an Al- Si cast alloy certifica que: El incremento en el sobrecalentamiento aumenta las tensiones residuales en ambos diseos de fundicin. La razn puede estar relacionada con la zona afectada por el calor en la arena circundante (especialmente regiones ncleo) que comenzarn a crecer rpido inmediatamente tras la colada. El resultado de ese efecto es mayor penetracin del calor a otras zonas de la fundicin que puede intensificar la falta de uniformidad del calor dentro del componente. La diferencia de temperatura ms alta en el colado puede conducir a tensiones residuales altas [6].

Vallejo M., Cabrera D. en su investigacin sobre la velocidad de rotacin y dosificador de Ti/B en la fundicin centrifuga de aleacin de aluminio ASM 356, concluyen: que la modificacin de la dosificacin del refinador Ti/B desde 0.1 a 0.4% y la velocidad de rotacin en el rango de 600 a 1000 RPM, manteniendo constante la temperatura de colada a 730 C, aumenta la contraccin slida, resistencia a la traccin, dureza y disminuyen la ductilidad de la aleacin de aluminio SAE 356. [7]

1.3 Fundamento terico1.3.1 El aluminioEs uno de los materiales ms abundantes de la tierra ya que constituye aproximadamente el 8% de su corteza, ocupando el tercer lugar en abundancia superado slo por el silicio y el oxgeno. Tiene una densidad de 2.7 g/cm3, la tercera parte de la densidad del acero y un mdulo de elasticidad de 10 x 106 psi. A pesar de las aleaciones de aluminio tienen propiedades de tensin inferiores a las del acero, su resistencia especifica (es decir, su relacin resistencia a peso) es excelente. El aluminio se puede conformar con facilidad, tiene una elevada conductividad elctrica y trmica, y a bajas temperaturas no presenta una transicin de dctil a frgil.

Las propiedades fsicas benficas del aluminio incluyen un comportamiento no magntico y resistencia a la oxidacin y corrosin. Sin embargo el aluminio no exhibe un lmite de resistencia a la fatiga verdadero, por lo que en algn momento, incluso a esfuerzos reducidos, puede ocurrir la falla a fatiga. Debido a su bajo punto de fusin, no funciona bien a altas temperaturas. Adems las aleaciones de aluminio tienen dureza baja y, en consecuencia, su resistencia al desgaste es pobre. Muestra una buena respuesta a mecanismos de endurecimiento.[8]

1.3.2 Clasificacin de las aleaciones de aluminioLas aleaciones de aluminio pueden clasificarse en dos grupos principales, aleaciones para forja y aleaciones para fundicin, dependiendo de su modelo de fabricacin. Las aleaciones para forja, a las cuales se les da forma mediante deformaciones plsticas, tiene composiciones y microestructuras significativamente distintas a las aleaciones para fundicin, lo que refleja los diferentes requerimientos del proceso de manufactura. Dentro de cada grupo podemos dividir las aleaciones en dos subgrupos: las tratables trmicamente y las no tratables trmicamente.[8]

Tabla 1.1. Sistema de designacin para las aleaciones de aluminioAleaciones para forja:

1xxxaAluminio comercialmente puro (>99%Al)No endurecible por envejecimiento

2xxxAl Cu y Al-Cu-LiEndurecible por envejecimiento

3xxxAl-MnNo endurecible por envejecimiento

4xxxAl-Si y Al-Mg-SiEndurecible por envejecimiento

5xxxAl-MgNo endurecible por envejecimiento

6xxxAl-Mg-SiEndurecible por envejecimiento

7xxxAl-Mg-ZnEndurecible por envejecimiento

8xxxAl-Li , Sn, Zr, o BEndurecible por envejecimiento

9xxxNo utilizado actualmente

Aleaciones para fundicin:

1xx.x.bAluminio comercialmente puroNo endurecible por envejecimiento

2xx.x.Al- CuEndurecible por envejecimiento

3xx.x.Al-Si-Cu o Al-Mg-SiAlgunos son endurecibles por envejecimiento

4xx.x.Al-SiNo endurecible por envejecimiento

5xx.x.Al-MgNo endurecible por envejecimiento

7xx.x.Al-Mg-ZnEndurecible por envejecimiento

8xx.x.Al-SnEndurecible por envejecimiento

9xx.x.No utilizado actualmente

a El primer digito muestra el primer elemento de aleacin, el segundo se refiere a la modificacin y los ltimos dos digitos indican el porcentaje decimal de la concentracin de Al ( por ejemplo, 1060 sera una aleacin con 99.6 de Al).

b El ultimo digito indica la forma de producto, 1 o 2 es en lingote(dependiendo de la pureza) y cero es para fundicin

Fuente: Askeland D. Ciencia e Ingenieria de los materiales. p 594

1.3.3 Aleacin binaria de aluminio silicio y sus aplicacionesLas aleaciones de elevado contenido de silicio se designan por diversos nombres registrados (silical, silumin, silafont, entre otros), son resistentes a la corrosin, caracterizndose, adems, por sus excelentes propiedades mecnicas y facilidad de trabajado con mquinas herramientas. La figura 1.1 presentada ilustra el diagrama de equilibrio binario entre aluminio silicio.

Figura 1.1. Diagrama de equilibro binario Aluminio - Silicio. Fuente: Mangonon P. Ciencia de materiales: seleccin y diseo. p 560.

Las aleaciones de aluminio que son utilizadas extensamente para la fabricacin de piezas deben ser resistentes as mismo ligeras para las construcciones aeronuticas, vagones de ferrocarriles de trenes articulados modernos, entre otros. Tambin se emplean para la fabricacin de culatas, carters, y mbolos de motores de explosin. En la edificacin se emplean las aleaciones de aluminio para la construccin de puertas y ventanas, molduras, entre otros.

1.3.4 Proceso de solidificacin.La solidificacin requiere de dos pasos: nucleacin y crecimiento. La nucleacin ocurre cuando una pequea partcula solida se forma dentro del lquido mientras que el crecimiento del solido ocurre cuando los tomos del lquido se unen al solido diminuto hasta que se acabe el lquido. Es de esperarse que un material solidifique cuando el lquido se enfri por debajo de la temperatura de solidificacin del mismo, ya que la energa asociada con la estructura cristalina del solido es en ese momento menor que la energa asociada con la estructura que la energa del lquido. Esta diferencia en energa entre el lquido y el slido es el cambio de energa libre de volumen Gv; conforme aumenta el tamao del slido, Gv se hace mayor. Sin embargo, cuando se forma el slido, se crea una interfase entre este y el resto del lquido, figura 1.2 a. A esta interfase se le asocia una energa libre de superficie , cuanto ms grande sea el slido, mayor ser el incremento en energa de superficie. Entonces, el cambio total de energa libre G, que se muestra en la figura 1.2 b es:

Dnde:: Volumen de embrin esfrico de radio r: rea de la superficie del embrin: Energa libre de superficie: Cambio de energa libre de volumenCuando el slido es muy pequeo, menor que r en la figura 1.2 b, un crecimiento adicional hace que aumente la energa. En vez de crecer, el slido se vuelve a fundir para reducir la energa libre, entonces, el metal permanece en estado lquido. Este solido pequeo se conoce como embrin. El lquido esta subenfriado ya que est por debajo de la temperatura de solidificacin en el equilibrio. El subenfriamiento T es la temperatura de solidificacin al equilibrio, menos la temperatura real del lquido. Pero cuando el slido es mayor que r, el crecimiento adicional hace que la energa total del sistema se reduzca, por lo que el slido formado es estable. La nucleacin se puede ser homognea o heterognea.

(a) (b)Figura 1.2. (a) interfase slido liquido. (b) Energa libre en funcin del radio del slido. Fuente: Askeland D. La Ciencia e Ingeniera de materiales. p 196.

Nucleacin homognea es cuando el lquido se enfra lo suficiente por debajo de la temperatura de solidificacin de equilibrio. Primero, se agrupan los tomos para formar embriones ms grandes. Segundo, la mayor diferencia en energa libre de volumen entre el lquido y el slido reduce el tamao crtico del ncleo. La nucleacin homognea ocurre cuando el subenfriamiento es lo suficiente como para causar la formacin de un ncleo estable.[8]En la nucleacin heterognea las impurezas que estn en contacto con el lquido. Ya sea en suspensin o sobre las paredes del recipiente de lo contiene, proveen una superficie sobre la cual se puede formar el slido, figura 1.3. Ahora se tiene un radio de curvatura mayor que el radio crtico, con una superficie total muy pequea entre slido y lquido. Solamente necesitan agruparse unos cuantos tomos para producir una partcula solida con el radio de curvatura requerido. Para alcanzar este tamao crtico se necesita menos subenfriamiento, por lo que la nucleacin empieza con mayor facilidad.La nucleacin sobre superficies de impurezas se conoce como nucleacin heterognea.

Figura 1.3. Formacin del solido sobre una impureza. Fuente: Askeland D. La Ciencia e Ingeniera de materiales. p 198.

Continuando con el proceso de solidificacin, una vez formados los ncleos, el crecimiento ocurre conforme los tomos se integran a la superficie del slido. La naturaleza del crecimiento del solido depender de la forma en que se va extrayendo el calor del sistema. Deben extraerse dos tipos de calor. El calor especifico del lquido y el calor latente de fusin. El calor especfico es el calor necesario para cambiar en un grado la temperatura de una unidad de peso de material. El calor especfico deber ser eliminado primero, ya sea por radiacin hacia la atmosfera circundante, o por conduccin a travs del molde que contiene al material, hasta que el lquido se enfri a eliminarse de la interfase solido liquido el calor latente de fusin. La manera en la cual se libre o reitere este calor determinara el mecanismo de crecimiento de los ncleos que se da cuando un lquido bien inoculado se enfra al equilibrio, la temperatura del lquido es mayor que la temperatura de solidificacin, y la temperatura del solido esta en o por debajo de esa temperatura. Durante la solidificacin, el calor latente de fusin es eliminando por conduccin desde la interfase solido liquido, a traes del slido y hacia los alrededores. Cualquier pequea protuberancia que empiece a crecer en la interfase estar rodeada de lquido con una temperatura mayor a la de solidificacin, figura 1.4. El crecimiento de la protuberancia se detendr hasta que el resto de la interfase la alcance. Este mecanismo es conocido como crecimiento planar, y ocurre por el desplazamiento de la interfase solido liquido lisa o plana hacia el lquido.

Figura 1.4. Mecanismo de crecimiento planar. Fuente: Askeland D. La Ciencia e Ingeniera de materiales. p 198.

Por otro lado se puede dar el crecimiento dendrtico cuando la nucleacin e dbil es decir, el lquido se subenfria antes de que se forme el slido, figura 1.5. Bajo estas condiciones, una protuberancia solida pequea, llamada dendrita se forma y se crea en la interfase. Conforme crece la dendrita, el calor latente de fusin pasa al lquido subenfriado, elevando su temperatura hacia la temperatura de solidificacin. En los troncos de las dendritas primarias tambin pueden crecer brazos secundarios y terciarios para acelerar la liberacin del calor latente de transformacin. El crecimiento dendrtico contina hasta que el lquido subenfriado alcanza la temperatura de solidificacin. Cualquier lquido restante se solidificara entonces mediante el mecanismo de crecimiento planar. La diferencia entre el crecimiento planar y el dendrtico ocurre debido a las distintas formas de disipar el calor latente. El recipiente o molde debe absorber el calor en el crecimiento planar, mientras que en el crecimiento dendrtico el calor es absorbido por el lquido subenfriado [8].

Figura 1.5. Mecanismo de crecimiento dendritico. Fuente: Askeland D. La Ciencia e Ingeniera de materiales. p 200.El proceso de solidificacin puede ser representado por curvas de enfriamiento las cuales muestran cmo cambia la temperatura del material de acuerdo al tiempo, figura 1.6. en estas curvas podemos encontrar la temperatura de vaciado o colada, de solidificacin, la pendiente de la curva de enfriamiento antes de que se inicie la solidificacin que indica la rapidez de enfriamiento (T/t); as tambin el tiempo de solidificacin total de la fundicin que es el tiempo requerido para eliminar tanto el calor especifico del lquido sobrecalentado como el calor latente de fusin, y el tiempo de solidificacin local el cual es el requerido para eliminar solo el calor latente de fusin en algn sitio particular de la fundicin.

Figura 1.6. (a) Diagrama de fase para un sistema de aleacin cobre-nquel y (b) Curva de enfriamiento asociada para una composicin de 50%Ni 50% Cu durante la fundicin. Fuente: Groover. Fundamentos de manufactura moderna. p 204.

Tiempo de solidificacinEl tiempo de solidificacin es el tiempo necesario para que la fundicin solidifique despus del vaciado. Este tiempo depende del tamao y de la forma de la fundicin expresada por una relacin experimental conocida como la regla de chorinov que establece:

Dnde:: Tiempo de solidificacin total, min: Volumen de la fundicin, pulg3 (cm3)A: rea superficial de la fundicin: Constante del molde, min/pulg2 (min/cm2): Exponente que generalmente es 2

La regla de Chorinov indica que una fundicin con una relacin de volumen y rea superficial se enfriara y solidificara ms lentamente que otra con una relacin ms baja. El tiempo de solidificacin afecta el tamao de las dendritas. Normalmente, tamao de las dendritas se representa midiendo a distancia entre los brazos dendrticos secundarios EBDS, la cual se reduce cuando la fundicin se solidifica con mayor rapidez. Las dendritas ms finas y ms extensas sirven como un conductor ms eficiente del calor latente hacia el lquido subernfriado. Debido al proceso de fundicin se produce una forma simple, macroestructura o tambin conocida como estructura del lingote, la cual est formada de hasta tres partes como se muestra en la figura 1.7. [10]

Figura 1.7. Desarrollo de la macroestructura de una fundicin (a) Se inicia la nucleacin, (b) Se forma la zona templada, (c) Crecimiento preferencial produce la zona columnar y (d) La nucleacin adicional crea la zona equiaxial Fuente: Askeland D. La Ciencia e Ingeniera de materiales. p 206.

La zona templada, que es una estrecha banda de granos, orientados al azar y localizada sobre la superficie de la pieza. El metal que esta sobre la pared del molde es el primero en enfriarse a una temperatura igual a la temperatura de solidificacin. La pared del molde tambin tiene muchos puntos de contacto en los cuales puede ocurrir la nucleacin heterognea.

Zona columnar, que contiene granos alargados, orientado en una direccin cristalogrfica particular. Conforme el material del molde extrae calor de fundicin, los granos de la zona fra crecen en direccin opuesta al flujo de calor o desde las reas ms fras de la pieza a las ms calientes. Esta tendencia por lo general significa que los granos crecern perpendicularmente a la pared del molde. La formacin de la zona columnar queda determinada principalmente por los fenmenos de crecimiento y no por los de nucleacin. Los granos pueden estar compuestos de muchas dendritas si originalmente el lquido esta subenfriado. Si no hay subenfriamiento, los granos columnares pueden crecen en forma planar al avanzar la solidificacin.

En la zona equiaxial aunque el slido puede continuar creciendo de manera columnar hasta transformarse todo el lquido frecuentemente en el centro de la fundicin o lingote se forma una zona de granos equiaxiales. La zona equiaxial contiene granos nuevos orientados al azar. A menudo estos granos se generan por una baja temperatura de vaciado o por la incorporacin de elementos aleantes, refinadores de grano e inoculantes. Estos granos crecen en forma relativamente redonda o equiaxial, con orientacin cristalogrfica aleatoria y deteniendo el crecimiento de los granos columnares. La formacin de la zona equiaxial es un proceso controlado por la nucleacin, y hace que esta porcin de la fundicin presente comportamiento isotrpico.

1.3.5 La fusin de aluminio y de sus aleacionesTodos los metales y aleaciones exigen, para su fusin, procesos y materiales que responden a ciertas exigencias intrnsecas de sus propiedades especficas; el aluminio y su aleacin, aunque tienen temperatura de fusin y de colada inferiores a la de los metales con base hierro con base cobre, no estn fuera de esta regla.

Un metal fundido de calidad debe tener una composicin qumica comprendida en unas tolerancias bien definidas y no debe ser alterado fsicamente por las condiciones mismas de la fusin.

Siendo las principales propiedades fsicas del aluminio y de sus aleaciones en estado lquido, la facilidad de oxidacin la absorcin de gas, y la accin sobre el hierro. Los principios generales de la fusin conducirn, naturalmente a obtener: Una composicin correcta Ausencia de xido en el metal Un contenido suficientemente escaso de gas.A estos tres puntos importantes aadimos: Obtencin de un grano fino.

Comprobacin de la composicin qumica correctaLa diferencias de composicin en relacin con la composicin qumica definidas en normas para las aleaciones, puedan tener distintas causas: Composicin de las cargas Enriquecimiento o empobrecimiento de un elemento durante la fusin. Heterogeneidad del bao.Composicin de las cargasLos metales nuevos (lingotes de primera fusin) tienen una composicin bien determinado y conocida: esta composicin permite obtener piezas cuyos contenidos de elementos e impurezas queda incluido dentro del lmite impuesto por la norma. Si la fusin de impurezas queda incluida dentro los limites impuesto por la norma. Si la fusin se ha efectuado en buenas condiciones en todo momento.

Las chatarras propias de la fabricacin pueden provocar alteracin muy graves, si su dosificacin no se ha realizado de una forma rigurosa. Otra causa de alteracin de una aleacin, a pesar de las precauciones tomados al afectar la composicin de las cargas, pueden prevenir de una deficiente limpieza de los hornos o de los crisoles, despus de cada fusin o cada colada, los crisoles o cucharas deben ser limpiados cuidadosamente.Se empleara si es posible, un crisol para cada aleacin o al menos para cada grupo de aleaciones [11].

Enriquecimiento o empobrecimiento de un elemento durante la fusin:Puede ocurrir como consecuencia de refusiones sucesivas.El magnesio, Las tolerancias de este elemento varan segn las aleaciones de aluminio, pero son siempre muy reducidas. El magnesio es fcilmente oxidable, todo sobrecalentamiento.O todo mantenimiento a temperatura de utilizacin (caso de moldeo en coquilla) hace bajar el contenido de magnesio. La utilizacin de ciertos fundentes puede, igualmente, hacer bajar el contenido de Mg, siendo necesarias utilizar fundentes apropiados y evitar emplearlos con exceso.

Enriquecimiento en hierro. El hierro en la mayor parte de las aleaciones de aluminio debe ser considerado como una impureza perjudicial a las propiedades mecnicas. Por ejemplo en aleaciones aluminio silicio (al Si) el Fe < 0.7% y es ms perjudicial todava con la temperatura y el tiempo en el cual estn en contacto.

Heterogeneidad del bao.Esta heterogeneidad puede resultar de una homogeneidad insuficiente del bao, en el caso de aleaciones aluminio que contienen, sobre todo, elementos pesados (cobre, niquel) o poco solubles (titanio). Se homogeniza el bao, de forma que haga subir el metal del fondo antes de la colada, o peridicamente durante el mantenimiento, pero trabajando bajo la superficie protegido por su fundente.

La oxidacinEn estado slido, la oxidacin del aluminio es lenta y limitada, por encima de 600 C, la oxidacin es ms acusada, pero aun as limitada, aumenta con el tiempo de permanencia a esa temperatura.

En estado lquido y a la temperatura practica de colada (700 -800 C), la formacin de pelcula de almina sobre el bao es instantnea. La oxidacin en el estado lquido continua, favorecida por la difusin a alta temperatura del oxgeno a travs de la capa (nata) de almina ya formada. Lo que permite deducir una regla de fusin. Evitar una permanencia prolongada de la aleacin a temperatura elevada.En efecto una aleacin oxidada presenta: Disminucin en sus caractersticas mecnicas Alteracin en sus propiedades tecnolgicas: disminucin de la colabilidad , tendencia creciente a la formacin de grietas, mayor tendencia a la porosidadEn razn a la probabilidad de acumulacin de escorias pesadas en el fondo del crisol, lo que permite deducir una regla de fusin: Se debe evitar emplear en el moldeo, el metal o aleacin de los fondos de los hornos o de los crisoles. [11]

Absorcin de los gasesEn todos los metales o aleaciones, los gases pueden ser retenidos mecnicamente (gas ocluido), y qumicamente (solucin solida o constituyente aislado). La solubilidad de los gases en los metales fundidos aumenta con la temperatura y la presin; en el caso del aluminio y aleaciones de aluminio, los numerosos estudios realizados han demostrado que el hidrgeno es el ms soluble, seguido del metano, el anhdrido carbnico, el oxgeno, el xido de carbono y el nitrgeno.

En la practica el aluminio y aleacin de aluminio disuelve al hidrogeno (se puede decir que es el ms temible). Sin embargo al solidificarse el aluminio el metal solido solo retiene una fraccin pequea de hidrogeno en su estructura cristalina, el exceso de hidrogeno que no puede incorporarse en la estructura cristalina del metal o aleacin solida forma burbujas que pueden quedar atrapadas en el metal slido, produciendo porosidades de gas o picaduras o sopladuras. La figura 1.8, muestra la solubilidad del hidrogeno en el aluminio, esta con prcticamente nula a 700 C, crece muy rpidamente con la temperatura lo que significa que se debe evitar todo sobrecalentamiento del metal. [11]

Figura 1.8. Curva de solubilidad del hidrogeno en el aluminio Fuente: Barrand P. Enciclopedia del aluminio. p 18.

La cantidad de gas que se puede disolver en el metal fundido se determina por la ley de sievert

Donde:: Presin parcial del gas en contacto con el metal.: Constante que para determinado sistema de metal y gas aumeta con la temperaturaEste efecto conduce a: Disminucin de las caractersticas mecnicas Mala estanquidad Mal aspecto de las partes fabricadas, y sobre todo, de las partes pulidasEl hidrogeno puede encontrarse: En los gases producidos por la combustin o en la atmosfera mnima del horno En estado naciente el vapor de agua es reducido por el aluminio lquido, produciendo hidrogeno y oxgeno, lo que acelera ms todava la formacin de almina.Para reducir al mnimo los riesgos de absorcin de gas por el metal, se debe: Evitar el sobrecalentamiento Evitar toda humedad (coque, crisoles, refractarios, herramientas de fusin, metal, fundente, etc) Evitar el contacto metal gas de combustin.

Sistemas para la obtencin de un grano finoLas aleaciones de aluminio tienden a poseer un grano tosco a causa de sobrecalentamientos, refusiones sucesivas, mantenimientos prolongados en estado lquido. Esta tendencia es ms o menos notable segn las aleaciones.

Este engrosamiento del grano disminuye las propiedades mecnicas de la aleacin y la aptitud de estanquidad, aumentando la tendencia o formacin de grietas.Por lo tanto hay necesidad de afinar el grano Este afinado es a menudo necesario en el caso del moldeo en arena, menos necesario en el caso de moldeo en coquilla y moldeo bajo presin, que producen de por si grano fino, como consecuencia de un enfriamiento rpido debido a la naturaleza del molde.

Para aleaciones de aluminio se afina por medio de fundente introduciendo generalmente titanio o boro (Ti/B).

Moldeo en molde permanente o coquilla por gravedadEn la fundicin en el molde permanente (coquilla) se fabrican dos mitades de un molde con materiales de alta resistencia a la erosin y a la fatiga trmica como hierro fundido (fundicin gris) o acero. Aqu el molde se reutiliza muchas veces.

La fundicin en molde permanente usa un molde metlico, construido en dos secciones que estn diseadas para cerrar y abrir con precisin y facilidad. Las cavidades junto con el sistema de vaciado se forman por maquinado en dos metales del molde a fin de logra una alta precisin dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden comnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre. [10]

En este proceso es posible usar noyos (corazones) que forman la superficie interior del producto de fundicin. Los noyos pueden ser metlicos, pero su forma debe permitir la remocin de la fundicin o debe ser mecnicamente desmontable para permitir esta operacin. Los pasos en el proceso de fundicin con molde permanente se describe en la figura 1.9

Figura 1.9. Pasos en la fundicin de molde permanente: (1) el molde se precalienta y se recubre; (2) se insertan los corazones (en su caso) y se cierra el molde; (3) el metal fundido se vacea en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada se muestra en (5). Fuente: Groover M. Fundamentos de manufactura moderna. p. 273.

Los moldes se precalientan primero para prepararlos y se recubre la superficie del molde con un recubrimiento refractario. El precalentamiento facilita el flujo del material o travs del sistema de vaciado y de la cavidad, los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fcilmente la fundicin. A diferencia de los moldes desechables, los moldes permanentes no se contraen, as que deben abrirse antes que ocurre la contraccin trmica o por enfriamiento a fin de evitar grietas en la fundicin. Las ventajas de la fundicin en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, adems la solidificacin ms rpida genera una estructura de grano fino que pueden producir fundiciones ms resistentes.

Temperatura de molde y temperatura de coladaPor regla general se debe colar un metal lquido frio en un molde caliente. Una temperatura suficientemente elevada del molde permite reducir los riesgos de las grietas. Porque reduce la contraccin de pieza en el interior de la coquilla. La temperatura excesiva de una zona del molde puede dar lugar a la formacin de grietas si el llenado es defectuoso.

Las partes tpicas que se producen con el proceso del molde permanente incluyen pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles [10].

1.3.6 Contraccin, ocurre en tres pasos: 1) Contraccin lquida durante el enfriamiento antes de la solidificacin, 2) Contraccin durante el cambio de fase de lquido a slido llamada contraccin de solidificacin, y 3) Contraccin trmica de la fundicin solidificada durante el enfriamiento hasta temperatura ambiente. Figura 1.10.

Figura 1.10.Contraccin de una fundicin cilndrica durante la solidificacin y enfriamiento. Fuente: Groover M. Fundamentos de manufactura moderna. p. 252.

El metal fundido inmediatamente despus de vaciado se muestra en la parte (0) de la serie. La contraccin del metal lquido durante el enfriamiento desde la temperatura de vaciado hasta la temperatura de solidificacin, causa que la altura del lquido se reduzca desde el nivel inicial como en (1) de la figura 1.10. La cantidad de esta contraccin lquida es generalmente alrededor del 0.5%. La parte (2) muestra la contraccin de solidificacin, tiene dos efectos: Primero la contraccin causa una reduccin posterior a la altura de la fundicin. Segundo la cantidad de metal lquido disponible para alimentar la porcin superior del centro de la fundicin se restringe. Esta es usualmente la ltima regin en solidificar, la ausencia de metal crea un vaco llamado rechupe, una vez solidificada, la fundicin experimenta una contraccin posterior en altura y dimetro mientras se enfra como en (3). Esta contraccin se determina por el coeficiente de expansin trmica del metal slido, que de este caso se aplica a la inversa para determinar la contraccin. [10]

1.3.7 Ensayo de traccin, se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. En este ensayo, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que se produce en un tiempo relativamente corto. En La figura 1.11 se ilustra esquemticamente cmo se realiza el ensayo a traccin.

La fuerza (carga) que acta sobre la muestra sometida al ensayo se dibuja en el registrador mediante el desplazamiento del papel de registro, mientras que la deformacin correspondiente se obtiene de la seal generada por un extensmetro externo sujeto a la muestra y tambin se dibuja en el papel del registro.

Figura 1.11. Ilustracin esquemtica que muestra cmo trabaja la mquina de ensayos. Fuente: Smith W. Ciencia e ingeniera de materiales. p 127.

El tipo de probeta en los ensayos de traccin vara considerablemente. La probeta ms utilizada en el ensayo de traccin tiene una longitud entre marcas de 50 mm (2 pulg). Los valores de fuerza contenidos en el grfico de la mquina de ensayo se pueden convertir a valores de tensin convencional y construir el diagrama tensin convencional- deformacin convencional o diagrama convencional [1].

1.3.8 Dureza, se define como la resistencia que opone un material a la penetracin. La dureza de una fundicin maleable es generalmente medida por el ensayo Brinell.

La prueba de dureza Brinell, se aplica principalmente para determinar la dureza de secciones pesadas, como los elementos forjados o colados. De todos los mtodos de indentacin es el que necesita de menor preparacin de la superficie sea relativamente lisa y est libre de suciedad y escamas.

Esta prueba se realiza imprimiendo una bola de acero de 10 mm de dimetro con una carga de 3000 Kg en la superficie durante un tiempo estndar, que por lo general es de 30 s. Figura 1.12. Para los metales no ferrosos, la carga se reduce a 500 Kg y en los metales muy duros se usa una esfera de tungsteno. Se mide el dimetro promedio de la impresin que resulta y de esto se puede determinar el nmero de dureza Brinell (NDB) con la formula:

En la que P= carga aplicada(Kg); D= dimetro de la esfera(mm); d=dimetro de la impresin(mm)Esta forma representa simplemente la carga (P) dividida entre el rea de la superficie de una impresin de dimetro d. En la prctica real, no es necesario hacer clculos; puesto que la carga es constante, los valores NDB que corresponden a varios dimetros de impresin se leen en una tabla. [10]2 Figura 1.12. Mtodo de ensayo de dureza Brinell Fuente: Groover M. Fundamentos de manufactura moderna. p. 58.

1.4 ProblemaCul es la Influencia de la temperatura de colada y de la temperatura de molde sobre la, resistencia a la traccin, ductilidad y dureza de una aleacin de aluminio ASM 356 colada en molde permanente?

1.5 HiptesisIncrementando la temperatura de colada desde 680 C hasta 800 C y la temperatura de molde desde 200 C hasta 300 C disminuye la resistencia a la traccin, la ductilidad y dureza de la aleacin ASM 356 colada en molde permanente (coquilla).

1.6 Objetivos1.6.1 Objetivo generalDeterminar la Influencia de la temperatura de colada y de la temperatura de molde sobre la resistencia a la traccin, ductilidad y dureza de la aleacin de aluminio ASM 356 colada en molde permanente, con el fin de obtener nuevos conocimientos en el manejo de las variables en mencin.

1.6.2 Objetivos especficos Determinar la temperatura de colada ptima para obtener las mejores propiedades de resistencia a la traccin, ductilidad y dureza de la aleacin de aluminio ASM 356 colada en molde permanente. Determinar la temperatura de molde optima, para obtener las mejores propiedades de resistencia a la traccin, ductilidad y dureza de una aleacin de aluminio ASM 356 colada en molde permanente. Determinar la influencia de la interaccin de la temperatura de colada con la temperatura de molde sobre la resistencia a la traccin, ductilidad y dureza de una aleacin de aluminio ASM 356 fundida y colada en molde permanente.

CAPITULO IIMATERIALES Y MTODOS

2.1. Material de estudioAleacin de aluminio ASM 356 suministrado en forma de lingotes con un peso de 3 kg cada lingote.

Caractersticas del material de estudioa. Composicin qumicaTabla 2.1. Composicin qumica de aleacin de aluminio ASM 356.ElementoSiFeCuMgTiAl

% 7.00.450.250.2-0.450.20Resto

Fuente: ASM Handbook Volume 2. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. p 57.

b. Propiedades mecnicasTabla 2.2. Propiedades mecnicas de aleacin de aluminio ASM 356.Resistencia a la traccin(Kg/mm2)Ductilidad(% elongacin)Dureza(HB)

14-173.070-75


Tabla 2.3. Propiedades fsicas de la aleacin de aluminio ASM 356.Temperatura de colada (C)Temperatura liquidus(C)Densidad(g/cm3)

680-7506182.685


2.1.1. MuestraLas muestras fueron obtenidas de barras de dimetro 20 mm x 200 mm de longitud de aleacin aluminio ASM 356, colada en molde metlico o coquilla.

Figura 2.1 Dimensiones de la barra cilndrica de aleacin de aluminio ASM 356 para la obtencin de probetas.

Para el ensayo de durezaLas probetas para el ensayo de dureza fueron cilndricas, segn norma ASTM E140 de dimetro 15 mm x 20 mm de altura. Las medidas se muestran en la figura 2.2. Las mismas que se utilizaron para el anlisis metalogrfico.

20.00

U.M.: mm.

15.00Figura 2.2 Probetas para el ensayo de dureza y anlisis microestructural segn norma ASTM E -140.

Para el ensayo de traccinLas probetas se maquinaron de las barras de dimetro 20 mm x 200 mm de longitud, segn la norma ASTM E370 97a, cuya forma y medidas, se muestran en la figura 2.3

Figura 2.3. Probeta para el ensayo de traccin segn Norma ASTM E 370-97a.

2.1.2. Equipos, materiales e instrumentosa. Equipos Torno MHSA de 1.5 m de bancada (maquinado de probetas). Horno elctrico tipo mufla: 5 Kw temperatura de 0 a 1200 C, automatico. Crisol de acero inoxidable 12 puntos Cortadora de disco metasinex Durmetro digital Time THBRVP-187.5. Escala Brinell (HB) Microscopio metalogrfico Leica: 0 -1000X. Mquina de traccin universal: Carl Louis (USA) de 5 t. Cmara metalogrfica digital Canon de 8 Mpx. Molde metlico (coquilla).b. Instrumentos Pirmetro shimaden: 0 1200 C Termocupla K Vernier mitutoyo. 8 pulg.c. Reactivos y materiales consumibles Lingotes de aleacin de aluminio 356 Coveral Desgaser 190 Alumina (Al2O3), 1, 0.5 y 0.3 m Resina epoxica (encapsulado de probetas) Papel abrasivo. 100, 220, 320, 400, 600, 1000. Alcohol 90, algodn, franela y pana. Almina (Al2O3): 1, 0.5 y 0.3 m Agua destilada Resina epxica (encapsulado de probetas)

2.2. Mtodos y tcnicas2.2.1. Modelo experimentalEn este estudio se utiliz el diseo experimental bifactorial y se consider: Variables independientes: A: temperatura de colada (C): 680 720 760 800 B: temperatura de molde permanente (coquilla) (C): 200 -250 -300 Variables dependientes: Resistencia a la traccin (Kg/mm2) Ductilidad (%) Dureza: Brinell (HB)Entonces el nmero de probetas (P) fue:P = AxBxRdonde:P = nmero de probetas.N = Niveles de variable independiente A.m = Niveles de variable independiente B.R = nmero de repeticiones.Por lo tanto el nmero de probetas fue:P = 4 x 3 x 3 = 36, probetas.

2.2.2. Matriz de datosTabla 2.4. Modelo matricial de dos factores para anlisis de los resultadosFACTOR B: Temperatura de molde(C)

200250300

Factor A: temperatura de colada(C)680y111, y112, y113y121, y122, y123y131, y132, y133

720y211, y212, y213y221, y222, y223y231, y232, y233

760y311, y312, y313y321, y322, y323y331, y332, y333

800y411, y412, y413Y421, y422, y423y431, y432, y433

Donde: yijr : dureza (HB), Resistencia a la traccin (Mpa), ductilidad(%)

Tabla 2.5.Matriz de orden de datos del experimento de dos factores, para determinar la dureza y resistencia a la traccin, ductilidad y contraccin.FACTOR B: Temperatura de molde(C)

200250300

Factor A: temperatura de colada(C)68024; 2; 147; 13; 3522; 4; 8

72027; 6;1128; 23; 512; 31; 21

76029; 19; 315; 25; 101; 9; 16

80017; 30; 3618; 26; 3320; 32; 34

2.2.3. Procedimiento experimental:Se realiz segn el diagrama de bloques de la figura 2.4.

Figura 2.4. Diagrama de bloques del procedimiento experimental.

a. Fabricacin del molde metalico (coquilla), material utilizado fue fundicin gris.b. Calentamiento del molde permanente (coquilla) a las temperaturas de estudio (200-250-300 C)c. Fusin de la aleacin de aluminio ASM 356 a las temperaturas de estudio (680-720-760-800 C), utilizando el crisol de acero inoxidable de 12 puntos y horno elctrico de 5 Kw, agregando coveral 11 y desgaser 190.d. Colada de la aleacin de aluminio ASM 356 desde la temperatura de estudio, en el molde permanente calentada a las temperatura de estudio.e. Desmoldeo y corte de canales para la obtencin de barras de 20 mm de dimetro x 200 mm de longitud.f. Maquinado para la obtencin de probetas de las barras ( dimetro 20 mmx 200 mm de longitud) para la obtencin de probetas para el ensayo de traccin, segn la norma ASTM A370 97a y para el ensayo de dureza se maquinaran segn la norma ASTM E140.g. Ensayo de traccinLas probetas obtenidas segn la norma ASTM A 370 (figura 2.1) fueron ensayadas, con uso del equipo de traccin Carl Louis (usa) de 5 t. (Instituto nueva esperanza), estas sirvieron para obtener los valores de la resistencia a la traccin y la ductilidad en trminos de porcentaje de elongacin haciendo uso de la siguiente formula:

Donde:Lo= longitud inicial de la probetaLf= Longitud final de la probeta

h. Ensayo de durezaSe obtuvo de probetas de 20 mm de dimetro x 15 mm de altura segn la norma ASTM E -140 (figura 2.2). Se utiliz el durmetro digital INDENTEC en la escala Brinell (HB)i. Anlisis metalogrfico Se utiliz las mismas probetas para dureza y preparacin como sigue: Se desbasto utilizando papel abrasivo de numero 100 hasta 1000 Se puli usando almina como abrasivo Para ataque qumico se utiliz el reactivo Keller Luego se tomaran los respectivos fotomicrografas, en el microscopio metalogrfico Leica.

CAPITULO IIIRESULTADOSLos resultados correspondientes a la pruebas experimentales de probetas de aleacin de aluminio ASM 356 fundidas a las temperaturas de 680 720 -760 y 800 C y colada en molde permanente (coquilla) precalentados a la temperatura de 200 250 y 300 C. Son detalladas en tablas y figura que a continuacin se presentan:

3.1. Resultados del ensayo de traccina) Resistencia a la traccinLos datos obtenidos de las pruebas experimentales de resistencia a la traccin se muestran en la tabla 3.1 y figura 3.1 y figura 3.2.Tabla 3.1. Resultados del ensayo de resistencia a la traccin (Kg/mm2) de probetas de aleacin de aluminio ASM 356, en las condiciones de estudio.Temperatura de colada (C) Temperatura de molde (C)Resistencia a la traccin Mpa (kg/mm2)

R1R2R3Promedio

68020017.2015.1016.3016.20

25018.6020.8021.2020.20

30013.7014.1014.3014.00

72020022.2021.7019.8021.20

25027.1026.7028.3027.40

30018.1016.9016.2017.10

76020019.3020.1018.9019.40

25027.2025.4025.0025.90

30017.2016.3016.8016.80

80020010.1010.3012.4010.90

25015.3014.4014.1014.60

30010.209.808.709.60

Figura 3.1. Influencia de la temperatura de colada sobre la resistencia a la traccin a diferentes temperaturas de molde (coquilla) de la aleacin de aluminio ASM 356.

Figura 3.2. Influencia de la temperatura de molde permanente (coquilla) sobre la resistencia a la traccin a diferentes temperaturas de colada de la aleacin de aluminio ASM 356.b) De la ductilidad (% elongacin)Estos resultados se midieron en porcentaje de elongacin y se muestran en la tabla 3.2 y figura 3.3 y 3.4Tabla 3.2. Resultados de la ductilidad (% elongacin), obtenidos de probetas de aleacin de aluminio ASM 356, en las condiciones de estudio.Temperatura de colada (C) Temperatura de molde (C)Porcentaje de elongacin(%)

1 2 3Promedio

6802000.951.00.981.00

2502.102.151.952.10

3001.251.351.401.30

7202001.201.151.051.10

2502.152.202.282.20

3001.401.501.451.50

7602001.201.301.451.30

2502.452.282.502.40

3001.902.102.202.10

8002000.800.700.600.70

2501.201.151.301.20

3000.901.001.101.00

Figura 3.3. Influencia de la temperatura de colada sobre la ductilidad a diferentes temperaturas de molde (coquilla) de la aleacin de aluminio ASM 356.

Figura 3.4. Influencia de la temperatura de molde (coquilla) sobre la ductilidad a diferentes temperaturas de colada de la aleacin de aluminio ASM 356.3.2. Resultados del ensayo de durezaLos resultados del ensayo de dureza obtenidos experimentalmente se muestran en la tabla 3.3 y figura 3.5 y 3.6.Tabla 3.3. Resultados de ensayo de dureza (HB) de probetas de aleacin de aluminio ASM 356, en las condiciones de estudio.Temperatura de colada (C) Temperatura de molde (C)Dureza(HB)

D1D 2D 3Promedio

68020076737574.70

25080797778.70

30070716970.00

72020086858986.70

25088919290.30

30085828182.70

76020083858484.00

25089868887.70

30083808181.30

80020063606261.70

25067646866.30

30058565957.70

Figura 3.5. Influencia de la temperatura de colada sobre la dureza a diferentes temperatura de molde (coquilla) de aleacin de aluminio ASM 356.

Figura 3.6. Influencia de la temperatura de molde (coquilla) sobre la dureza a diferentes temperaturas de colada de la aleacin de aluminio ASM 356.CAPTULO IVDISCUSIN DE RESULTADOS4.1. Del ensayo de traccina) Del ensayo de resistencia a la traccin.Los resultados obtenidos de la resistencia a la traccin en probetas de aleacin de aluminio ASM 356 fundida a las temperaturas de 680 -720 -760 y 800 C y colada en molde permanente (coquilla) precalentadas a las temperaturas de 200 250 y 350 C se muestran en la tabla 3.1 y figura 3.2. Se observa que los valores de resistencia a la traccin aumentan conforme se increment la temperatura de colada hasta 760 C y luego disminuye hasta 800 C de temperatura de colada para todos los niveles de temperatura de molde (coquilla) en estudio. Se debe a que la oxidacin en estado liquido es favorecida por la difusin de oxigeno a temperaturas altas, que se vuelve muy activo a 800 C, produciendo grietas y porosidad disminuyendo sus caractersticas mecnicas, tambin a que la solidificacin de la aleacin en aluminio ASM 356 colada en coquilla fue heterogenea que genera un fenmeno conocido como contraccin interdendritica , que es minima a temperatura menores a 760 C obteniendo dendritas de tamao pequeas en forma de placas delgadas y planas que aparecen aciculares que son frgiles de Mg2Si , de este modo la contraccin fue mas fina y uniformemente distribuida. Y para temperaturas mayores de 760 C, las dendritas fueron de tamao grande, produciendo granos gruesos y microgrietas producido por la absorcin de oxgeno e hidrogeno que es mximo a 800 C.

Tambin se observa que los valores ms altos de resistencia a la traccin (kg/mm2) es para la temperatura de molde (coquilla) de 250 C para todos los niveles de temperatura de colada y los valores mas bajos son para la temperatura de molde de 300 C, para todos los niveles de temperatura de colada. Debido a que a temperatura de molde (coquilla) a 200 C, la solidificacin es rpida y forzada produciendo una solidificacin no uniforme, para 250 C de temperatura de molde (coquilla), que seria la temperatura adecuada para las condiciones de estudio, porque la solidificacin es uniforme obtenindose dendritas de tamao pequeos y tambin uniforme, mientras que para 300 C de temperatura de molde (coquilla) la resistencia a la traccin se obtuvieron los valores mas bajos para todos los niveles de temperatura de colada en estudio, debido a la alta temperatura de molde que aumenta el tiempo de solidificacin, creando microgrietas en caliente y crecimiento de grano.

b) De la ductilidadEstos resultados se midieron en porcentaje de elongacin y se muestran en la tabla 3.2, figura 3.3 y figura 3.4. Se aprecia que la ductilidad se incrementa ligeramente conforme se aumenta la temperatura de colada desde 680 C hasta 760 C. Y despus decrece ligeramente hasta 800 C, para todos los niveles de temperatura de molde (coquilla). Tambien muestra que la ductilidad se incrementa conforme se aumenta la temperatura de molde para todos los niveles de temperatura de colada. Obteniendose los valores de ductilidad mas altos para la temperatura de colada de 760 C y los valores mas bajos de ductilidad para la temperatura de colada de 800 C. Se debe a que durante la solidificacin al incrementar la temperatura de colada desde 680 C a 800 C el tiempo de solidificacin tambin se incrementa, produciendo al solidificar una solidificacin dendrtica , con una distancia de brazos dendriticos secundarios (EBDS) pequeas hasta 760 C y a temperatura mayores hasta 800 C, estos brazos dendriticos crecen rpidamente produciendo una contraccin interdendritica que produce pequeos poros o microporosidad disminuyendo drsticamente la ductilidad. Ademas muestra que los mejores valores de ductilidad se obtuvieron para temperatura de molde de 250 C, debido a que esta temperatura se obtiene una estructura homognea.

4.2. De la durezaLos resultados del ensayo de dureza Brinell (HB) en probetas de aleacin de aluminio ASM 356 en las condiciones de estudio se muestran en la tabla 3.3, figura 3.5 y figura 3.6. Donde se aprecia un incremento de la dureza al aumentar la temperatura desde 680 C hasta 760 C y despus un decremento de la dureza hasta 800 C, tambin se observa que los valores mas altos de dureza es para la temperatura de 720 C y los valores mas bajos de dureza es para 800 C para todos los niveles de temperatura de molde. El incremento de la dureza , se explica al fenmeno que ocurren dentro del proceso de solidificacin que produce una solidificacin de dendrita pequeas hasta 760 C, estas dendritas tienen una distancia de brazos dendriticos secundarios pequeos (EBDS), resultando tamao de grano fino lo que permite obtener una mayor rea superficial en los bordes de grano, lo que implica un mayor endurecimiento y una estructura compacta de la aleacin de aluminio ASM 356 y a temperatura mayores de 760 C el tiempo de solidifiacion ( ts) aumenta y adems existe mayor absorcion de oxigeno y nitrgeno produciendo microporosidad haciendo menos compacto y por ende menos duro la aleacin de aluminio ASM 356. Tambin se observa que para la temperatura de colada de 720 C y temperatura de molde de 250 C se obtuvieron los mejores valores de dureza.

CAPTULO VCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. Conclusiones Se determin que la temperatura de colada desde 680 a 800 C y la temperatura de molde (coquilla) desde 200 a 300 C, influyen significativamente en la resistencia a la traccin, ductilidad y dureza en la aleacin de aluminio ASM 356. A medida que aumenta la temperatura de colada en el rango de 680 a 800 C, la resistencia a la traccin y ductilidad (% elongacin) aumenta hasta 760 C y luego disminuye hasta 800 C. Obteniendose los mejores valores para la temperatura de molde de 250 C, y los valores ms bajos para la temperatura de molde de 300 C en la aleacin de aluminio ASM 356. En cuanto a la dureza (HB), el aumento de la temperatuar de colada desde 680 C hasta 720 C, la dureza se incrementa luego disminuye hasta 800 C obtenindose los valores mas altos para temperatura de molde de 250 C. De la temperatura de colada y temperatura de molde en estudio. La temperaturas de colada 720 y 760 C y temperatura de molde (coquilla) de 250 C son las ms adecuadas porque se obtuvieron los mejores resultados de las propiedades mecnicas en estudio. Los valores bajos de resistencia a la traccin y de ductilidad en la aleacin de aluminio ASM 356, se debe a la presencia de placas delgadas y planas de silicio-magnesio (Mg2Si), que parecen aciculares ,segn el anlisis microestructural, que actan como concentradores de esfuerzos.

5.2. Recomendaciones Ampliar el estudio de la temperatura de colada y dosificacin del refinardor Ti/ B colada en molde metalico (coquilla) precalentado a 250 C en la aleacin de aluminio ASM 356. Estudiar la velocidad de rotacin y temperatura de molde metalico en una fundicin centrifugada de aleacin de aluminio ASM 356, sobre las propiedades mecnicas.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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APNDICE IANLISIS ESTADSTICOI.1 Calculo del tamao de la muestra o nmero de replicasEl tratamiento del anlisis estadstico de los datos obtenidos se trabaj con al 95% de confiabilidad, tomando como modelo experimental un diseo bifactorial AxB.Variables:A: Temperatura de molde (C)B: Temperatura de colada (C)Niveles:A: 3B: 4Calculo de la desviacin estndar:

Tabla I.1 Calculo de numero de repeticiones y nivel de confiabilidadR2a-1a*b(n-1)P=(1- )

24.542.1290.150.85

36.812.62180.020.98

Se observa que para n=3 rplicas produce un nivel para = 0.02 o una probabilidad de 98% de rechazar la hiptesis nula, si la diferencia en el nivel medio de la dureza para un determinado nivel de temperatura, no es mayor a 13.03 HB. Por lo tanto se concluye que tres replicas son suficientes para proporcionar el nivel deseado de sensibilidad, siempre que no exista error en la estimacin de (10.6)I.2 Anlisis de varianza para el diseo bifactorialTabla I.2 Tabla de datos a calcular para el anlisis de varianza bifactorialFuente de variacinSuma de CuadradosGrados de LibertadMedia de CuadradosFo

Factor ASSA(a-1)

Factor BSSB(b-1)

Interaccin BSSinter(a-1)* (b-1)

ErrorSSerrora*b (n-1)

TotalSSTa*b*n -1

Calculo de suma total de cuadrados (SST)

Calculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)

Calculo de suma de cuadrados de factor B (SSB)

Calculo de suma de cuadrados de factor AB (SSA)

Calculo de suma de cuadrados de error (SSerror)

Se utilizara el anlisis de varianza para probar la hiptesis nula, Ho: 1= 2= 3= 4; contra la hiptesis alternativa H1: algunas medidas son diferentes; a fin de aceptar o rechazar la hiptesis nula. Las sumas de los cuadrados requeridos se calculan de la siguiente manera:

I.2.1. Anlisis de varianza de resultados de resistencia a la traccinCalculo de suma total de cuadrados (SST)

SST = 982.892


SSA = 569.246


SSB = 363.304

Calculo de suma de cuadrados de factor AB (SSAB)

SSInter = 28.443Calculo de suma de cuadrados de error (SSerror)

SSerror = 21.900

Tabla I.3 Anlisis de varianza para los datos de resistencia a la traccinFuente de varianzaSuma de cuadradosGrados de LibertadMedia de cuadradosfoft

Factor A569.2462284.623311.9152.904

Factor B363.3043121.101132.7142.904

Interaccin28.44364.7405.1952.19

Error21.900240.913

Factor982.89235

Puesto que los fo tanto del factor A (311.915) como del B (132.714) son mayores a los ft (de tabla); se rechaza la hiptesis nula, Ho y se concluye que las medias de los tratamientos difieren; esto es; las temperaturas de colada y de molde afectan significativamente la resistencia a la traccin de la aleacin de aluminio en estudio.

I.2.2.Anlisis de varianza de resultados de ductilidad (% elongacin)

Calculo de suma total de cuadrados (SST)

SST = 10.464


SSA = 4.277


SSB = 5.362


SSInter = 0.608


SSerror = 0.216

Tabla I.4 Anlisis de varianza para los datos de ductilidadFuente de varianzaSuma de cuadradosGrados de LibertadMedia de cuadradosfoft

Factor A4.27722.139237.1162.61

Factor B5.36231.787198.1762.61

Interaccin0.60860.10111.2262.19

Error0.216240.009

Factor10.46435

Puesto que los fo tanto del factor A (237.116) como del B (198.176) son mayores a los ft (de tabla); se rechaza la hiptesis nula, Ho y se concluye que las medias de los tratamientos difieren; esto es; las temperaturas de colada y de molde afectan significativamente la ductilidad de la aleacin de aluminio en estudio.

I.2.3.Anlisis de varianza para resultados del ensayo de durezaCalculo de suma total de cuadrados (SST)

SST = 3859.639


SSA = 3418.306


SSB = 368.222


SSInter = 6.444


SSerror = 66.667

Tabla I.5 Anlisis de varianza para los datos del ensayo de durezaFuente de varianzaSuma de cuadradosGrados de LibertadMedia de cuadradosfoft

Factor A3418.30621709.153615.2952.61

Factor B368.2223122.74144.1872.61

Interaccin6.44461.0740.3872.19

Error66.667242.778

Factor3859.63935

Puesto que los fo tanto del factor A (615.295) como del B (44.187) son mayores a los ft (de tabla); se rechaza la hiptesis nula, Ho y se concluye que las medias de los tratamientos difieren; esto es; las temperaturas de colada y de molde afectan significativamente la dureza superficial de la aleacin de aluminio en estudio.

I.3ANLISIS DE RESIDUOSI.3.1 Resultados de la resistencia mxima a la traccinTabla I.6 Residuos de los resultados de resistencia mxima a la traccinOrdenpkResiduopk=(k-1/2)/36Proba.(1-pk)*100

1.00-1.470.0198.61

2.00-1.330.0495.83

3.00-1.030.0793.06

4.00-1.000.1090.28

5.00-1.000.1387.50

6.00-0.970.1584.72

7.00-0.930.1881.94

8.00-0.700.2179.17

9.00-0.670.2476.39

10.00-0.630.2673.61

11.00-0.600.2970.83

12.00-0.470.3268.06

13.00-0.430.3565.28

14.00-0.270.3862.50

15.00-0.230.4059.72

16.00-0.100.4356.94

17.00-0.070.4654.17

18.00-0.030.4951.39

19.000.130.5148.61

20.000.170.5445.83

21.000.200.5743.06

22.000.270.6040.28

23.000.330.63Figura I.1 Grafica de probabilidad normal para los residuos de los datos de resistencia mxima37.50

24.000.470.6534.72

25.000.470.6831.94

26.000.500.7129.17

27.000.530.7426.39

28.000.630.7623.61

29.000.670.7920.83

30.000.830.8218.06

31.000.870.8515.28

32.000.870.8812.50

33.000.870.909.72

34.001.100.936.94

35.001.430.964.17

36.001.600.991.39

I.3.2 Resultados de los residuos de la ductilidadTabla I.7 Residuos de los resultados de ductilidad

OrdenpkResiduopk=(k-1/2)/36Proba.(1-pk)*100

1.00-0.130.0198.61

2.00-0.130.0495.83

3.00-0.100.0793.06

4.00-0.100.1090.28

5.00-0.090.1387.50

6.00-0.080.1584.72

7.00-0.080.1881.94

8.00-0.070.2179.17

9.00-0.070.2476.39

10.00-0.070.2673.61

11.00-0.050.2970.83

12.00-0.040.3268.06

13.00-0.030.3565.28

14.00-0.030.3862.50

15.00-0.020.4059.72

16.00-0.020.4356.94

17.00-0.020.4654.17

18.000.000.4951.39

19.000.000.5148.61

20.000.000.5445.83

21.000.000.5743.06

22.000.010.60Figura I.2 Grafica de probabilidad normal para los residuos de los datos de ductilidad40.28

23.000.020.6337.50

24.000.020.6534.72

25.000.030.6831.94

26.000.050.7129.17

27.000.060.7426.39

28.000.070.7623.61

29.000.080.7920.83

30.000.080.8218.06

31.000.100.8515.28

32.000.100.8812.50

33.000.120.909.72

34.000.120.936.94

35.000.130.964.17

36.000.170.991.39

I.3.3 Datos del ensayo de durezaTabla I.8 Residuos de los resultados del ensayo de dureza

OrdenpkResiduopk= (k-1/2)/36Proba.(1-pk)*100

1.00-2.330.0198.61

2.00-2.330.0495.83

3.00-1.670.0793.06

4.00-1.670.1090.28

5.00-1.670.1387.50

6.00-1.330.1584.72

7.00-1.330.1881.94

8.00-1.330.2179.17

9.00-1.330.2476.39

10.00-1.330.2673.61

11.00-1.000.2970.83

12.00-1.000.3268.06

13.00-0.670.3565.28

14.00-0.670.3862.50

15.00-0.330.4059.72

16.00-0.330.4356.94

17.00-0.330.4654.17

18.00-0.330.4951.39

19.00-0.330.5148.61

20.000.000.5445.83

21.000.000.57Figura I.3 Grafica de probabilidad normal para los residuos de los datos de dureza43.06

22.000.330.6040.28

23.000.670.6337.50

24.000.670.6534.72

25.001.000.6831.94

26.001.000.7129.17

27.001.330.7426.39

28.001.670.7623.61

29.001.670.7920.83

30.001.670.8218.06

31.001.670.8515.28

32.001.670.8812.50

33.001.670.909.72

34.001.670.936.94

35.002.330.964.17

36.002.330.991.39

APNDICE IICLCULOS COMPLEMENTARIOSII.1.Calculo de la resistencia a la traccin de probetas de aleacin de aluminio ASM 356 fundidas a las temperaturas de 680 -720 -760 y 800 C y coladas en molde permanente (coquillas) precalentadas a 200 250 y 300 C.Las probetas fueraon preparadas segn la norma ASTM A370 97, dimetro (D) = 8 mmrea (A): Esfuerzo de traccin () =

Segn esto, las tensiones a los diferentes condiciones de estudio se muenstran en la tabla II.1

Tabla II.1.Resistencia a la traccin (kg/mm2) de probetas de aleacin de aluminio ASM 356 en las condiciones de estudio.Temperatura de colada (C)Temperatura de molde (C)MedidaResistencia a la traccin (Kg/mm2)

R1R2R3promedio

680200Carga864.60759.08819.4016.20

Tensin17.2015.1016.30

250Carga935.021045.621065.7020.20

Tensin18.6020.8021.20

300Carga688.70708.80718.9014.00

Tensin13.7014.1014.30

720200Carga1116.001090.86995.3521.20

Tensin22.2021.7019.80

250Carga1362.321342.211422.6427.40

Tensin27.1026.7028.30

300Carga909.89844.60814.3717.10

Tensin18.1016.9016.20

760200Carga970.211010.43950.1019.40

Tensin19.3020.1018.90

250Carga1367.341276.861256.7525.90

Tensin27.2025.4025.00

300Carga864.60819.40844.5416.80

Tensin17.2016.3016.80

800200Carga507.73517.78623.3510.90

Tensin10.1010.3012.40

250Carga769.13723.89708.8114.60

Tensin15.3014.4014.10

300Carga512.75492.65482.609.60

Tensin10.209.809.60

II.2.Calculo de la ductilidad (% de elongacin)

L0=50 mmL= Lf-L0Se evalu el porcentaje de elongacin, para lo cual se aplic la siguiente ecuacin Segn esta ecuacin los valores de ductilidad (% elongacin) de probetas de aleacin de aluminio ASM 356 en las condiciones de estudio ser:

Tabla II.2.Ductilidad (% elongacin) de probetas de aleacin de aluminio ASM 356 en las condiciones de estudio.Temperatura de colada (C)Temperatura de molde (C)MedidaDuctilidad (%)

123promedio

680200L(mm)0.4750.5000.4901.00

(%)0.951.00.98

250L(mm)1.0501.0700.9752.07

(%)2.102.151.95

300L(mm)0.6250.6750.7001.30

(%)1.251.351.40

720200L(mm)0.6000.5750.5251.10

(%)1.201.151.05

250L(mm)1.0751.1001.1402.21

(%)2.152.202.28

300L(mm)0.7000.7500.7251.45

(%)1.401.501.45

760200L(mm)0.6000.6500.7251.30

(%)1.201.301.45

250L(mm)1.2251.1401.252.41

(%)2.452.282.50

300L(mm)0.951.0501.1002.07

(%)1.902.102.20

800200L(mm)0.4000.3500.3000.70

(%)0.800.700.60

250L(mm)0.6000.5750.6501.20

(%)1.201.151.30

300L(mm)0.4500.5000.5501.00

(%)0.901.001.10

APENDICE IIIANLISIS MICROESTRUCTURALSe sigui la siguiente secuencia: corte, encapsulado, desbaste, pulido, ataque qumico (nital 3%), anlisis metalogrfico, toma molde permanente (coquilla) precalentada a las temperaturas de 200 250 -300 C. Se muestran en la figura III.1 a figura III.6.de fotomicrografa en el microscopio leica de 50 - 1000X.

La microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356 fundidos a las temperaturas de 680 720 760 - 800 C y colada en

Fotomicrografas de la aleacin de aluminio ASM 356 fundida a 680C y colada en molde metlico (coquilla) precalentado a 200, 250 y 300 C.

Figura III.2Microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356 fundida a 680 C y colada en coquilla precalentada a 250 C. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500XFigura III.1Microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356 fundida a 680 C y colada en molde coquilla precalentada a 200 C. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500X

Figura III.3Microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356, fundido a 680 C y colada en coquilla precalentada a 300 C. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500X

La III.1, III.2 y III.3, muestra la microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356 fundida a 680 C y colada en molde permanente (coquilla) precalentada a la temperatura de 200, 250 y 300 C. Se observa que las microestructuras estn formadas por placas delgadas y planas de forma aciculares de magnesio silicio (Mg2Si) y eutcticas aluminio silicio. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500X

Fotomicrografas de la aleacin de aluminio ASM 356 fundida a 800C y colada en molde metlico (coquilla) precalentado a 200, 250 y 300 C.

Figura III.4Microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356, fundido a 800 C y colada en coquilla precalentada a 200 C. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500XFigura III.5Microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356, fundido a 800 C y colada en coquilla precalentada a 300 C. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500X

Figura III.6Microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356, fundido a 800 C y colada en coquilla precalentada a 250 C. Ataque qumico Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500X

La III.4, III.5 y III.6, muestra la microestructura de la aleacin de aluminio ASM 356 fundida a 800 C y colada en molde permanente (coquilla) precalentada a la temperatura de 200, 250 y 300 C. Se observa que las microestructuras estn formadas por placas delgadas y planas de forma aciculares de magnesio silicio (Mg2Si) de tamao ligeramente ms grande que los anteriores y eutctico: aluminios silicio y grietas producidas por la alta temperatura de colada. Ataque qumico: 95.5%H2O + 4.5%HF. 500X

FOTOGRAFIAS

Figura A.2Precalentamiento de molde metlico o coquilla a las temperaturas de 200 250 300 C en el horno elctrico con control de temperatura automtico.Figura A.1Molde metlico o coquilla para la obtencin de barras de dimetro 20 mm x 200 mm de longitud.

Figura A.3Fusin de la aleacin de aluminio ASM 356 a las temperaturas de 680 720 760 - 800 C en el horno elctrico tipo mufla con u crisol de acero inoxidableFigura A.4Adicin de fundente coveral a la aleacin liquido de ASM 356, para la remocin de escoria.

Figura A.7Probetas de aleacin de aluminio ASM 356 para el ensayo de traccin segn norma ASTM A370-98.Figura A.8Probetas de traccin fracturadas despus del ensayo de traccinFigura A.6Desmoldeo de las barras de aleacin de aluminio ASM 356 del molde metlico coquilla.Figura A.5Colada de la aleacin cuproaluminio ASM 356 liquida en el molde coquilla precalentada a 200 250 -300C.

Figura A.11Durmetro universal digital TIME THBRVp 187.5.Figura A.12Microscopio metalogrfico Leica: 50 -1000XFigura A.9Mquina de traccin universal Carl Luis (USA). Capacidad 5 t. Instituto nueva esperanza.Figura A.10Obtencin de la ductilidad midiendo la longitud Lo y Lf con vernier digital Truper 6 pulgadas.29

Confeccin de molde metlico (coquilla)

Precalentamiento de molde metalico (200,250,300C)

Fusin a temperatura: 680, 720, 760, 800 C

Maquinado de barras para la obtencin de probetas de traccin segn norma ASTM

Colada

Desmoldeo y corte de canales, obtencin de barras

Anlisis metalogrfico

Ensayo de traccin

Anlisis de resultados

Redaccin del informe

Ensayo de dureza

Aleacin de aluminio ASM 356

Tesis Bronce Al Aluminio ASM 356

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