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Estudio comparativo de las aleaciones de aluminio L-2630 y AlSi9Cu3
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO L-2630 Y AlSi9Cu3
L. Solaberrieta1*, J. Cordoba1 y J. Fernández 1
1
UPNA Departamento de Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales. Arrosadía s/n. 31006
Pamplona, España. *E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se dispone de dos tipos de muestras con una composición química similar. La principal diferencia estriba
en el proceso de fabricación. El primer material estudiado es una aleación de aluminio denominada L2630 obtenida mediante el método tradicional de moldeo, mientras que el segundo se nombra como
AlSi9Cu3 y ha sido trabajado en estado semi-sólido durante el proceso de inyección en el molde. En este
trabajo se trata de comparar el comportamiento mecánico de ambos y su estructura granular, para poder
concluir si se dan mejoras en el segundo proceso respecto al primero. Para ello, se han realizado ensayos
de tracción y de Charpy para analizar las propiedades mecánicas y diversas microfotografías para
comparar las microestructuras de los materiales ya que, según el estudio previo del material semi-sólido,
debe mostrar una estructura claramente globular, mientras que en la aleación tradicional se debería
observar una estructura dendrítica. Además, se han realizado también ensayos en cámara de niebla salina
y en cámara Kesternich, para comprobar el comportamiento de los materiales frente a corrosión.
ABSTRACT
Two types of samples with similar chemical composition were tested during this study. Their main
difference lies in the manufacturing process. The material studied in the first place is an aluminium alloy
called L-2630 and obtained by the traditional moulding process, while the second material is named
AlSi9Cu3 and has been worked in semi-solid state during the process of injection into the mould. This
paper addresses the comparison of the mechanical behaviour of both samples and their granular structure
in order to conclude whether there is an improvement in the second process with regard to the first one.
To this end, tensile and Charpy tests have been carried out to analyze their mechanical properties and
different microphotographs taken to compare the materials microstructures. Since, according to the prior
study, the semi-solid material should show a clearly globular structure, and a dendritic structure should be
observed in the traditional alloy. Additionally, in order to check the corrosion behaviour of the materials,
tests in the salt spray chamber and the Kesternich chamber have also been conducted.
Palabras clave: aleación de aluminio L-2630, aleación de aluminio AlSi9Cu3, semi-sólido,
microestructura.
INTRODUCCIÓN
Tanto la aleación 2630-L como la AlSi9Cu3,
pertenecen a la familia de la serie 2000, es
decir, tienen mayor contenido de Si que de
Mg. La aleación de aluminio 2630-L en
concreto, es una de las aleaciones de las
llamadas de resistencia media con una
resistencia a la tracción superior a los 240
MPa en estado F (bruto de colada).
Por otro lado la aleación AlSi9Cu3, es una
aleación con la que se trabaja en lo que se
denomina estado semi-sólido. Este método en
concreto, se caracteriza porque trabaja con el
material en un estado pastoso, es decir, no se
funde como en el método de moldeo
tradicional, sino que se trabaja mientras que
la aleación se encuentra en un estado
intermedio entre líquido y sólido.
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
En resumen, el objetivo de este trabajo, es
establecer
una
comparativa
del
comportamiento mecánico de los dos
materiales así como sus microestructuras,
para poder apreciar las diferencias existentes
entre ambas y así corroborar la idoneidad de
trabajar con el material en estado semi-sólido.
Es decir, comprobar que trabajar con el
material en un estado pastoso, aporta a priori,
mejoras microestructurales y estas a su vez,
no afectan negativamente al comportamiento
mecánico. De este modo, se pretende valorar
las diferencias entre los métodos de
fabricación para aplicaciones futuras.
PARTE EXPERIMENTAL
Para realizar los ensayos se dispone de piezas
de ambas aleaciones.
Los resultados de los ensayos de tracción y los
de los ensayos Charpy, se han obtenido
calculando el valor medio entre tres piezas por
aleación. Para los ensayos de las cámaras sin
embargo, se han necesitado cuatro piezas por
aleación para constatar la velocidad de
corrosión y el grado de degradación.
2.1. Estudio de la aleación 2630-L
El
estudio
metalográfico
de
la
microestructura de las muestras se realiza
mediante microscopía óptica. En lo que se
refiere a su comportamiento frente a
corrosión, se opta por introducir las muestras
en cámaras de niebla salina y de Kesternich.
Finalmente, se procede al estudio del
comportamiento mecánico llevando a cabo
ensayos de tracción y ensayos con péndulo de
Charpy.
2.2 Estudio de la microestructura
El estudio de la microestructura de los
materiales, es la parte más importante de este
trabajo. Esto se debe a que teóricamente la
mayor diferencia que existe entre las dos
aleaciones es que la aleación 2630-L,
obtenida mediante el método tradicional debe
presentar una microestructura dendrítica,
mientras que la aleación AlSi9Cu3 debe
mostrar una microestructura globular debido
al método semi-sólido por el que se ha
obtenido.
En primer lugar, se analiza la estructura de
las muestras por microscopía óptica para
determinar la estructura dendrítica. Para ello,
inicialmente se procede a la preparación de
las muestras, la cual consiste en un
empastillado con resina de las mismas y
posterior lijado y pulido. Para ver con mayor
nitidez la estructura granular, se les aplica un
ataque ácido por inmersión en una disolución
acuosa de HF al 0,5% durante 30 segundos y
otra inmersión en un preparado Barker
durante 45 segundos.
2.3. Ensayo de corrosión en cámara de
niebla salina
Se analiza el comportamiento de las muestras
a ensayar cada 24h, con un total de 200h,
según norma ASTM B-117. Para ello se ha
procedido a su colocación en dicha cámara,
de manera que su inclinación respecto a la
vertical sea de 15-30º y siempre de forma
paralela a la dirección principal del flujo de
niebla a una temperatura más o menos
constante de 35 ºC y a 1,5 bares de presión.
La disolución salina utilizada en el ensayo se
corresponde con una disolución típica de 5%
de NaCl en agua destilada. A su vez, las
muestras han sido adecuadamente preparadas,
limpiándolas con acetona para eliminar
residuos y tapando con cinta aislante los
bordes y la cara trasera de las muestras, para
que no se viese afectado el proceso de
corrosión por regiones con alto grado de
deformación mecánica.
2.4.Ensayo
Kesternich
de
corrosión
en
cámara
Se analiza el comportamiento de las muestras
a ensayar cada 24h, con un total de 200h,
según norma DIN 50018. Cada ciclo de 24h
incluye una exposición de las muestras de 8h
en el interior de la cámara seguida de una
exposición en la atmósfera ambiente durante
16h. Durante las 8h de exposición del
material, la atmósfera de la cámara se
encuentra compuesta por una mezcla de aire
húmedo y SO2, 2dm3 de agua destilada y 0,2
dm3 de SO2 respectivamente. La temperatura
de trabajo de la cámara oscila entre 39 y 42
ºC. La preparación de las muestras ha sido
idéntica a la de las ensayadas en cámara de
niebla salina.
2.5. Ensayo de tracción
El ensayo de tracción se lleva a cabo
siguiendo lo especificado en la Norma UNE
EN 10002-1 Ensayos Mecánicos. “Ensayo de
tracción a temperatura ambiente”.
2.6. Ensayo de Charpy
Estos ensayos dinámicos se realizan para
valorar la capacidad de resistencia a impacto
de los materiales metálicos y determinar su
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tendencia a la fractura frágil. La velocidad de
deformación en el caso de los ensayos
dinámicos supera en varios órdenes a la
velocidad de deformación en los ensayos
estáticos. El ensayo de Charpy se ha
realizado según norma ASTM E23-72.
2.7. Estudio la aleación AlSi9Cu3
Con la aleación de aluminio AlSi9Cu3 se han
realizado exactamente los mismos ensayos
que con la aleación 2630-L, descritos
anteriormente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.Estudio al microscopio óptico
Para el estudio al microscopio después de
pulir las muestras se han atacado dos de ellas
con ácido fluorhídrico (HF) y otros dos con
reactivo Barker, como se puede apreciar en
las figuras 1,2,3 y 4.
Fig. 2.- Aleación AlSi9Cu3 atacada con HF
Fig. 3.- Aleación 2630-L ataque Barker
Fig. 1.- Aleación 2630-L atacada con HF
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Fig.4.- Aleación AlSi9Cu3 ataque Barker
3.2. Cámara de niebla salina
Los resultados de las muestras después de
haber estado 200h en la cámara de niebla
salina pueden verse en las siguientes
microfotografías (Fig.5 y Fig.6). Las dos
primeras fotografías corresponden a las
metalografías de la aleación 2630-L y las dos
últimas, a las metalografías de la aleación
AlSi9Cu3.
Fig.5.- Fotografías de las muestras de la
aleación 2630-L
Fig.-6.- Fotografías de las muestras de la
aleación AlSi9Cu3
3.3. Cámara Kesternich de SO2
Se han introducido cuatro muestras en total
por cada aleación, tal y como se ha realizado
en la cámara de niebla salina. Las muestras se
pueden observar en las figuras 7 y 8.
Fig. -7.-Fotografías de las muestras de la
aleación 2630-L
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3.5. Ensayos Charpy
Tal y como se ha realizado con los ensayos
de tracción, se utilizaron tres probetas por
aleación para la consecución de este ensayo,
cuyos valores se presentan en las siguientes
Tablas (Tabla-3 y Tabla-4).
Tabla-3. Resultados de ensayos de Charpy de
la aleación 2630-L
Er (energía de
destrucción de
PROBETA la probeta) (J)
Fig. 8.- Fotografías de las muestras de la
aleación AlSi9Cu3
3.4. Ensayos de tracción
El número de muestras ensayadas han sido
tres por cada aleación. De este modo, se
puede obtener su valor medio y poder así
deducir la resistencia del material.
Los resultados de dichos ensayos son los que
se muestran en la Tabla-1 y en la Tabla-2.
Lo
(mm)
1
50
5467,00 145,00 160,55
13,49
2
50
6276,67 185,00 196,64
18,15
3
50
6539,00 169,00 213,70
14,75
6094,22 166,33 190,30
15,46
Rm
At (%)
(MPa)
Tabla-2. Resultados de ensayos de tracción
de la aleación AlSi9Cu3
Lo
PROBETA (mm)
Fm (N)
Rp0,2
(MPa)
Rm
(MPa)
At
(%)
1
50
892,00
238,00 606,79
7,70
2
50
575,00
153,00 510,00
6,20
3
50
2689,00 717,00 785,83
2,05
1385,33 369,33 634,21
5,32
MEDIA
2
25,1
3
24,8
VALOR
MEDIO
24,7
Er (energía de
destrucción de
la probeta)
PROBETA
(J)
PROBETA
MEDIA
Rp0,2
(MPa)
24,3
Tabla-4. Resultados de ensayos de Charpy de
la aleación AlSi9Cu3
Tabla-1. Resultados de ensayos de tracción
de la aleación 2630-L
Fm (N)
1
1
25,5
2
26
3
25,9
VALOR
MEDIO
25,8
CONCLUSIONES
La primera conclusión clara que se puede deducir de
las microfotografías realizadas a ambas aleaciones,
es su notable diferencia en la microestructura.
Mientras que la aleación 2630-L presenta un grano
de naturaleza dendrítica, se puede observar que la
aleación AlSi9Cu3 muestra una microestructura más
globular. Además, los granos de esta última son
notablemente mayores y con menos cantidad de
precipitados.
En cuanto a los ensayos de corrosión,
contrariamente a lo que se esperaba, la aleación
trabajada en estado semi-sólido presenta menor
resistencia a la corrosión. Las muestras introducidas
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
en la cámara de niebla salina, pueden haber
mostrado un comportamiento frente a corrosión
similar. Aun así, la aleación tradicional comenzó a
mostrar picaduras varias horas más tarde que la
aleación semi-sólida. La diferencia clara se observa
en el caso de las piezas ensayadas en la cámara
Kesternich. En este caso, han sufrido mayor grado
de corrosión y de mayor intensidad las piezas de la
aleación AlSi9Cu3. De todos modos, es reseñable el
hecho de que las piezas se corroen con mucha más
facilidad en un ambiente salino que en uno
industrial, puesto que el tiempo necesario para
corrosión completa de ambas aleaciones en la
cámara de SO2 ha sido mayor, en torno a 72 horas.
En lo que se refiere a los ensayos mecánicos, lo
primero que se observa es la diferencia en el tipo de
fractura. Tanto de los ensayos de tracción, como de
los ensayos Charpy, se deduce que mientras la
aleación 2630-L sufre una rotura dúctil, la aleación
AlSi9Cu3 sufre por el contrario una fractura frágil.
Además de por los datos obtenidos, podemos
confirmar lo dicho por el aspecto de la superficie de
fractura que se produce en las piezas.
REFERENCIAS
[1] Liu,D., Atkinson,H.V., Kapranos,P.
,Jirattiticharoean,W.
and
Jones,
J.
Microstructural evolution and tensile
mechanical properties ofthixoformed high
performance aluminium alloys; Material
Science and Engineering A306, pp. 213-224,
2003.
[2] Menargues, S., Baile,M.T. and Forn,A.;
Nuevos tratamientos T6 para aleaciones de
AlSi obtenidas por conformación en estado
semi-sólido, Revista de Metalurgia, 49,
pp.266-274.
[3]
Menargues,S.,
Optimización
de
componentes de aluminio obtenidos por subliquidus casting. Ph.D. Thesis, Universidad
Politécnica de Cataluña, España, 2011.
[4] Norma ASTM B-117
[5] Norma DIN 50018
[6] Norma UNE EN 10002-1
[7] Norma ASTM E23-72
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