desarrollo de materiales compuestos base aluminio mediante...

Desarrollo de materiales compuestos base aluminio mediante colada centrífuga Leonir GómezÁrea de Ciencia y TecnologíaCentro de Investigación en Materiales (CIMAT)Universidad Nacional Experimental de Guayana. Puerto Ordaz, [email protected]

ResumenPara el desarrollo de materiales compuestos, además de las técnicas de estado sólido, se utilizan también técnicas convencionales de colada, tanto en su expresión básica del moldeado de un fundido, como incluyendo en éstas, mejoras con el propósito de optimizar las características de mojabilidad y reactividad del compuesto obtenido, así como lograr una buena homogeneidad en la distribución de las partículas de refuerzo, lo que permite mejorar las propiedades del producto final. Estas técnicas combinan una facilidad de procesado con un precio bajo y la posibilidad de utilizar dispositivos y tecnologías disponibles. Sin embargo, presentan desventajas relacionadas con la necesidad de trabajar a altas temperaturas con largos tiempos de permanencia, que conducen a la reacción entre la matriz y el refuerzo, que puede dar lugar a fases en la interfase indeseables en el compuesto. El objetivo de esta investigación consiste en desarrollar materiales compuestos de matriz de aleación de aluminio AA6061 (AMCs), reforzados con partículas cerámicas de TiB2 mediante la técnica de colada por centrifugación, a partir de compactos pulvimetalúrgicos. Por otro lado, se presenta un estudio sobre algunas de las propiedades de los materiales obtenidos y su microestructura. Los resultados indican que se obtienen microestructuras finas con baja reactividad en la interfase matriz-refuerzo, lo cual confiere al material excelentes propiedades mecánicas, si se compara con la aleación base obtenida mediante colada.

Palabras Clave: Colada, Aluminio, Refuerzo, Material Compuesto

AbstractDeveloping Aluminum Based Composite Materials Through Centrifugal Casting

For composite materials developing, in addition to solid-state technology, are also used conventional techniques of casting, both in its basic expression of molding a molten, as including them, further improvements in order to optimize the characteristics of wetability and reactivity of the compound obtained, as well as achieve good uniformity in the reinforcement distribution, which improves the properties of the final product. These techniques combine ease of processing with a low price and the possibility of using devices and technologies available. However, handicaps related to the need to work at high temperatures with long residence times, leading to the reaction between the matrix and reinforcement, which can lead to undesirable phases in the interface in the compound. As an alternative is this, this investigation presents a study on the development of composite materials matrix of aluminum alloy AA6061, reinforced with ceramic particles TiB2 using the technique of casting centrifuge, from compact powder metallurgy. It is found that using the technique are obtained microstructures fine with low reactivity in the interface matrix-reinforcement, which gives the material obtained excellent mechanical properties, when compared with the base alloy obtained by casting.

Keywords: Casting, Aluminum, Reinforcement, Composite Materials

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Desarrollo de materiales compuestos base aluminio mediante colada centrífuga Leonir Gómez

I. INTRODUCCIÓN

En principio, un material compuesto puede ser el resultado de combinar dos constituyentes cuales-quiera, pero existen requisitos que se deben cumplir para poder obtener un material con propiedades ade-cuadas a las aplicaciones deseadas. Es por ello, que la selección de cada uno de sus componentes, ha de hacerse siguiendo la combinación de las mejores ca-racterísticas para obtener un material que cumpla con los requisitos de rendimiento, fabricabilidad, costo y disponibilidad [1]. Estos materiales pueden ser pro-ducidos mediante diferentes técnicas entre las cuales se señalan: colada, extrusión y prensado isostático. Cada una de ellas seguida de procesos ulteriores que le confieren las características deseadas y el acabado final al material.

Cuando se emplea el aluminio o algunas de sus aleaciones como matriz, los materiales compuestos basados en ésta, pueden ser fabricados mediante mé-todos en estado líquido [2-4], tal como la colada y las técnicas que de ella se derivan y mediante vía pulvi-metalúrgica [5-7], como un método de producción en estado sólido.

Las aplicaciones actuales y emergentes de mate-riales compuestos de matriz metálica obtenidos por colada, en una variedad de industrias como las del automóvil, aerospacial, electrónica y de útiles de con-sumo [8-9], ejemplifican la naturaleza del campo de estos materiales. Esto debido a que los principios cien-tíficos en que se basa la evolución microestructural en la solidificación y que gobiernan las propiedades del compuesto han sido establecidos en gran medida, a partir de los primeros trabajos de Flemings [10] sobre aleaciones monolíticas y algunos de sus mas recien-tes estudios de solidificación de metales reforzados. Existen en la actualidad varias técnicas de produc-ción partiendo del fundido de la matriz o del conjunto matriz-refuerzo. Todas ellas de alguna manera rela-cionados, tales como la colada directa con agitación o compocasting, colada con presión o squeeze casting, empleado en la producción de compuestos caracteri-zados por formas relativamente sencillas (colada con presión directa o direct squeeze casting) o para fabri-car compuestos con formas geométricas mas comple-jas (colada con presión indirecta o indirect squeeze casting). También existen otros métodos en estado líquido o semilíquido como reofusión o rheocasting,

infiltración líquido-metal, obtención “in situ” del ma-terial de refuerzo y la deposición por spray.

Busquets y colaboradores [11] y Salvador [12], han aplicado el método de fusión por inducción y colada por centrifugación, para obtener compuestos de matriz aluminio reforzados con partículas cerá-micas. Sus resultados muestran un gradiente de dis-tribución de las partículas aunque con presencia de algunas aglomeraciones debido fundamentalmente a la velocidad de colada del material y la velocidad lenta de solidificación, que permite una segregación de las partículas hacia el frente de solidificación de los granos. Sin embargo, estos materiales mostraron un incremento en la tensión de rotura y en el límite de elasticidad, pero este aumento es significativamente inferior a los parámetros de los materiales obtenidos por extrusión, debido posiblemente a formación de una incipiente cantidad de partículas de reacción en la interfase matriz-refuerzo, que permite la transfe-rencia de los esfuerzos mecánicos.

Tomando en cuenta lo anterior, en este trabajo se presenta como una técnica novedosa, la colada por centrifugación a partir de un fundido por inducción y solidificación rápida, para desarrollar materiales compuestos de matriz de aluminio, específicamente la aleación AA6061, reforzada con partículas cerá-micas de TiB2. El análisis microestructural y la de-terminación de las propiedades mecánicas de estos materiales se centran en las características estructu-rales del compuesto, tales como la distribución de las partículas, la interfase metal/cerámica, la resistencia mecánica y la dureza.

II. DESARROLLO

1. ExperimentalLa aleación AA6061 en forma de polvo, fue em-

pleada como matriz del material compuesto. Este polvo, obtenido por atomización por gas y suminis-trado por Aluminium Powder Co. Ltd, posee un ta-maño promedio de partículas <75 μm. Como refuerzo se empleó polvo cerámico de TiB2, con un tamaño medio de partículas de 9,4 μm, obtenidas por síntesis por reacción y suministrado por Advanced Refractory Technologies Inc. Las composiciones de los polvos de aluminio y de TiB2 son mostradas en las tablas I y II, respectivamente, mientras que en las micrografías 1a. y 1b, obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), se muestran los polvos empleados.

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Tabla I. Composición de la aleación de aluminio utilizada en este trabajo y comparación con la designación de la Aluminium Associa-

tion (AA)

%Cr %Fe %Si %Mg %Cu %Al

Aleación utilizada* 0.21 0.03 0.63 1.04 0.23 Bal.

AA6061 0,04 - 0,35 < 0,7 0,4 - 0,8 0,8 - 1,2 0,15 - 0,40 Bal.

* Aluminium Powder Co. Ltd

Tabla II. Composición de los polvos de TiB2. (Advanced Refractory Technologies Inc)

%Fe %C %O %B %Ti

TiB2 0.9 0.8 1.3 30.2 Bal.

Figura 1. Micrografías mediante MEB de los polvos de los materia-les empleados en este trabajo: a) aleación de aluminio AA6061 y b)

partículas de TiB2

Los polvos de refuerzo fueron empleados en propor-ciones volumétricas de 5, 10 y 15%, calculándolas de acuerdo a la regla de las mezclas al relacionar la

densidad del material con sus respectivas masas, ver tabla III. Ambos polvos fueron mezclados en un mo-lino de bolas de alúmina a una velocidad de 90 rpm durante 120 minutos, con una razón de carga de 25:1. Con este procedimiento, se logra obtener una buena homogeneidad en la distribución de las partículas. Paso seguido se compactó el polvo compuesto bajo una carga de 12 t. a fin de lograr una presión aproxi-mada de 250 MPa, para obtener compactos de 15 a 25 mm de diámetro y desde 3 hasta unos 30 mm de lon-gitud, con una densidad y resistencia suficientemente adecuada para su posterior manejo (Fig. 2a).

El proceso continúa con la elaboración de los mol-des utilizando la técnica de colada a la cera perdida. Los modelos en cera de las probetas se realizaron con dimensiones de 70 mm de longitud y 5 mm de diáme-tro, montadas en conjunto en un “árbol”, tal como se muestra en la figura 2b. El modelo fue cubierto con un revestimiento de fosfatos en un cilindro de colada de 80 mm de diámetro y 60 mm de altura. El conjunto fue introducido en un horno de cocción (figura 3a) a 530 ºC, durante 1 hora a fin de eliminar la cera y man-tener el sistema a una temperatura óptima para recibir el material colado y evitar algún choque térmico.

Tabla III. Fracción volumétrica para la mezcla de polvos (densidad TiB2= 4.50 g/cm3).

% Vol. Refuerzo(TiB2)

% Vol. Matriz(AA6061)

Densidad compuesto

Masa refuerzo

Masa deMatriz

5 95 2,790 3,31340 41,0861

10 90 2,880 6,6268 42,4115

15 85 2,970 9,9402 43,7369

Basados en un compacto de 25 mm de diámetro y 30 mm de longitud

.



Figura 2. a) Compactos obtenidos mediante prensado uniaxial de polvos compuestos. b) Modelo de cera para dos probetas.

Figura 3. a) Horno de secado de la cera con el cilindro de colada en su interior. b) Horno de fusión por inducción para la colada

centrífuga

Una vez asegurado el secado de la cera y haber prepa-rado el horno de inducción (figura 3b) e introducido el compacto en verde en un crisol de este horno, el cilin-dro de colada se colocó junto al crisol, conectándose mediante una mazarota. El crisol, con el compacto en verde se calienta mediante una bobina de inducción que trabaja a una frecuencia de 30 kHz, alcanzándose una temperatura máxima de 900 ºC, medida mediante un pirómetro óptico acoplado a la parte superior del crisol. Durante el proceso de centrifugación, que tar-da de 40 a 120 segundos, el horno se mantuvo bajo atmósfera inerte de argón. Al finalizar, el molde es retirado y enfriado rápidamente, luego de lo cual se extraen las probetas de 5 mm de diámetro y 70 mm de longitud tal como se observa en la figura 4.

Figura 4. Árbol de dos muestras obtenidas en la colada porcentrifugación

Las muestras obtenidas fueron luego rectificadas con un micromotor y luego mediante un torno, fueron maquinadas en su zona central para obtener probe-tas para los ensayos de tracción. De los especimenes también se cortaron muestras destinadas a ensayos de dureza y estudios microscópicos.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El carácter dendrítico de la aleación AA6061 obte-nida por colada, así como la defectología del material debido al proceso, son mostrados en los cortes trans-versales de las muestras cilíndricas que se presentan en las micrografías de la figura 5, obtenidas por mi-croscopía óptica. En ellas se revelan las zonas de se-gregación en las distintas regiones de la muestra, tal

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como se indica en el modelo, acompañadas de cierto grado de porosidad.

Externo(E)

Interno(I)

Central(C)

Figura 5. Corte transversal de las muestras cilíndricas mostrando la microestructura de colada para la aleación AA6061

El tamaño dendrítico mayor en la zona central co-rrobora un enfriamiento más lento lo que producirá la segregación de partículas de segunda fase más densas, tal como se observan en las micrografías ópticas mos-tradas en la figuras 6 a 8, correspondientes a AMCs reforzados con 5, 10 y 15% en volumen de TiB2 res-pectivamente. Los compactos de estos materiales, se han fundido bien, aunque el tiempo de inducción se duplica respecto a compactos de la matriz, llegando a los dos minutos, mientras que la temperatura del pirómetro varía entre 805-869ºC.

El crecimiento dendrítico, un tiempo de inducción mayor y el mismo proceso centrífugo, hacen prever una segregación de las partículas de refuerzo hacia los bordes de grano y hacia zonas preferenciales del material debido principalmente a la diferencia de densidad en los constituyentes. Es por ello que la dis-tribución del refuerzo no se presenta homogénea en las muestras con 5% de TiB2, observándose grandes aglomeraciones de partículas y con gran tendencia a estar en el borde de grano (figura 6).

a) Centro

b) Periferia

Figura 6. Micrografías ópticas mostrando las microestructura del compuesto AA6061 reforzado con 5% en volumen de TiB2



Se observa una aparente mejor distribución de las partículas en el material compuesto reforzado con un 10% de TiB2, tal como se presentan en la secuencia de la figura 7, obtenidas mediante microscopía óptica. Sin embargo, a mayores aumentos se puede observar la persistencia de la segregación hacia los bordes de grano. En la periferia, el gradiente de distribución es mayor conllevando a una distribución no homo-génea de partículas de refuerzo, debido al frente de solidificación proveniente de las paredes externas del material.

a) Centro

b) Periferia

Figura 7. Micrografías ópticas mostrando las microestructura del compuesto AA6061 reforzado con 10% en volumen de TiB2.

De igual manera, se encuentra que la distribución de partículas para materiales reforzados con un 15%, mantiene este mismo patrón, observándose con clari-dad el crecimiento dendrítico en la matriz y porosidad importante (Figura 8).

a) Centro x400

b) Periferia

Figura 8. Micrografías ópticas mostrando las microestructura del compuesto AA6061 reforzado con 15% en volumen de TiB2

Mediante el proceso de colada por centrifugación de los compactos con refuerzo, se han obtenido ma-teriales que no presentan problemas de reactividad, pero la distribución y homogeneización de las partí-culas de refuerzo en la matriz no acaba de resolverse adecuadamente. A manera de ejemplo, la micrografía por MEB de la figura 9, muestra el aspecto de la dis-tribución del refuerzo. Como se observa, la presencia de los gradientes en la distribución de refuerzos va acompañada de una porosidad importante.

Figura 9. Micrografía mediante MEB, de AMC reforzado con un 5% de TiB2

De los ensayos de tracción realizados, se obtie-nen los valores de la resistencia máxima (Rmax) y se presentan gráficamente en función de la fracción volumétrica de refuerzo en el material, en la figura 10, la cual representa la evolución de este parámetro para AMCs obtenidos por colada y comparadas con un material compuesto reforzado con SiC como re-ferencia, tanto en estado T1, es decir sin tratamiento de endurecimiento posterior a la colada, como en es-tado T6 o tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación o envejecido. Se observa un incremento de la resistencia en función de la fracción volumé-trica de refuerzo presente en el material, ya que el aumento conseguido es suficientemente importante al tratarse de un refuerzo con partículas y habida cuen-ta de las posibilidades y facilidad de obtención por colada de estos materiales compuestos. Con el trata-miento térmico esta característica se ve fuertemente afectada de manera positiva manteniendo el patrón de aumento respecto al contenido de refuerzo, indicati-vo de la buena interacción entre la matriz y las par-tículas de refuerzo, tal como se muestra en la figura 11 correspondiente a una micrografía mediante MEB de una superficie de fractura para un AMC reforzado con 10% de TiB2, con y sin tratamiento térmico de endurecimiento.

Figura 10. Resistencia máxima desarrollada por los AMCs en función del refuerzo tipo TiB2 y comparación con los valores de un

material reforzado con SiC, utilizado como referencia[13].

Figura 11. Micrografía mediante MEB, de la fractura de un AMC reforzado con un 10% de TiB2. a) condición T1, b) condición T6.

III. CONCLUSIONES

Se han desarrollado materiales compuestos de matriz aluminio (AMCs), reforzados con partículas cerámicas de TiB2, empleando la técnica de colada centrífuga a partir de polvos compactados.

Se observó un elevado gradiente de distribución de las partículas de refuerzo de TiB2, debido a un proce-so de segregación de las partículas de refuerzo hacia los bordes de grano, debido principalmente a la dife-rencia de densidades de los constituyentes.

Dada la alta estabilidad del refuerzo en la matriz y a pesar de emplear altas temperaturas en esta técni-ca en estado líquido, no se observaron productos de reacción en las interfaces matriz/refuerzo, pero si la presencia de una cantidad importante de porosidad.

La resistencia mecánica de los AMCs, tanto para el estado T1 como el estado T6 se ve influenciada por la presencia de partículas de refuerzo, siendo mayor su aumento en aquellos materiales tratados térmicamen-te, lográndose alcanzar en la matriz un aumento de mas del 50% en esta característica. Sin embargo, para contenidos de refuerzos mayores de 10%, se consigue una desmejora en la resistencia debido fundamental-mente, a la presencia de aglomerados de partículas que entorpecen la transferencia de cargas de la matriz al refuerzo.

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