“efecto de las condiciones de enfriamiento y de la...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A2a Materiales:

“Efecto de las condiciones de enfriamiento y de la presencia de inoculantes en la formación de intermétalicos en una aleación SAE 788 (Al-Si-Sn)”

Roberto Cisneros Hernández1, Armando Ortiz Prado2 y Francisco Sánchez Pérez3

Departamento de Manufactura y Diseño de la Facultad de Ingeniería,

Universidad Nacional Autónoma de México

Circuito exterior de Ciudad Universitaria, Coyoacàn, CD MX., C.P. 4510, México.

[email protected], [email protected]

R E S U M E N

En este artículo se analiza el efecto de la presencia de inoculantes en la formación de intermetálicos en la aleación SAE

788 (Sn12Si2.5Pb1.7Cu0.7Sb0.3Al el resto), esto debido a que la presencia de fases duras es perjudicial en la laminación

del material. Asimismo, es conveniente que las fases blandas presenten una distribución más homogénea. Por tal motivo

se desarrolló una metodología experimental para analizar el efecto que tienen los diferentes porcentajes de inoculantes en

la formación de intermetálicos, de tal forma que se produzcan coladas con microestructuras adecuadas mejorando así sus

propiedades mecánicas.

De análisis de resultados se desprende que las mejores características y propiedades mecánicas se obtuvieron en el intervalo

de 0.1-0.2% de refinador Al5TiB, ya que mayores concentraciones saturaban el sistema [2].

Palabras Clave inoculantes, formación de intermétalicos y aleación SAE 788.

A B S T R A C T

In this paper is analyzed the inoculants effect in the intermetallics formation on SAE 788 alloy. The presence of hard

phases is detrimental on the alloy lamination. It’s necessary soft phase homogeneous distribution; a methodology was

development to analyze the effect of the different inoculants concentration on the formation of intermetallics. The main

idea is obtained castings with the best microstructures and mechanical properties.

The best characteristics and mechanical properties were found in the range of Al5TiB 0.1-0.2% of refiner, because with

high concentrations the system is saturated [2].

Key Words inoculants, formation of intermetallics and SAE 788 alloy

1. Introducción

Las aleaciones de aluminio para aplicaciones tribológicas se

han empleado desde aproximadamente 1940, ya en particular

la familia de aleaciones aluminio-estaño-silicio fue

desarrollada en Japón en los años 1980’s [5]. La

microestructura de dicha aleación fue definida de acuerdo

con los resultados obtenidos en ensayos de fatiga; de tal

forma que los procesos de fabricación y las condiciones

particulares de estos permitan la generación de dichas

microestructuras. Las primeras aplicaciones de este tipo de

materiales se orientaron hacia la maquinaria pesada. Sus

bondades dieron auge al desarrollo de las aleaciones base

aluminio para cojinetes de deslizamiento, estimulando así, el

interés aún mayor en éstas [1].

Es un proceso de fundición de una aleación SAE788, con

una composición química que es la siguiente: Sn-12%, Si-

2.5%, Pb-1.7%, Cu-0.7%, Sb-0.3% y el resto de Al.

1.1. Metodología experimental

La experimentación de la aleación SAE 788, se desarrolló

en dos etapas, donde el objetivo fue determinar la cantidad

de inoculante necesario para obtener la más adecuada

presencia de intermetálicos (número y tipo), así como el

efecto que tiene el enfriamiento en la formación de estos.

Para llevar a cabo estas dos etapas, se desarrolló el proceso

de fundición de una aleación SAE788, con una composición

química de Sn-12%, Si-2.5%, Pb-1.7%, Cu-0.7%, Sb-0.3%

y el resto de Al. Con la finalidad de tener muestras

suficientes, para el desarrollo del trabajo experimental, se

ISSN 2448-5551 MM 227 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


realizaron varias coladas en un molde de cobre. El material

del molde fue seleccionado con el fin de disipar el calor de

la fundición de manera rápida. Los lingotes obtenidos se

dividieron en varias zonas, que van del centro hasta los

bordes, esto para observar el efecto de la velocidad de

enfriamiento y de los inoculantes en cada una de éstas. La

fundición se realizó en un horno de gas con un crisol de

carburo de silicio, sobrecalentando el baño a 1100°C, de tal

forma que alcanzada dicha temperatura se ajustó la

composición del material, adicionando los elementos de

aleación según de mayor a menor, para finalmente

desgasificar el baño y proceder al vaciado de la aleación a

900°C.

El análisis se enfocó principalmente en las propiedades

mecánicas, considerando la distribución de las diferentes

fases de la aleación, considerando al silicio y el estaño como

los elementos de aleación más importantes.

El estudio consto de las siguientes etapas:

1. Metalografía

2. Inspección a bajos aumentos

3. Observación de las microestructuras (MEB)

4. Determinación de Tamaño de grano

5. Tamaño de Intermetálicos

6. Análisis Químicos

7. Dureza

8. Análisis de los datos y conclusiones

En lo que se refiere al material se evaluó microestructura,

dureza y composición química. Así mismo se verificó la

presencia de intermetálicos y la distribución de la fase

blanda y dura [2].

1.2 Tamaño de intermetálicos

La cuantificación de los intermetálicos se realizó a 200X,

posteriormente estos se observaron mediante microscopía

electrónica de barrido (figura 1).

1.2. Tamaño de intermetálicos

La cuantificación se llevó acabo a 200X, con imágenes de

microscopía electrónica a partir de las cuales, de forma

manual con el método de intersección lineal, se midió el

tamaño de intermetálicos como se muestra en la (Fig. 1).

Fig. 1 Obtenida con electrones electrodispersados a 500x, se distingue

el intermetálico tipo escritura china” (Fe3SiAl12) y láminas frágiles de

Fe2Si2Al9.

En el caso de la evaluación de los intermetálicos en forma

de agujas, estos se cuantificaron midiendo su longitud y

cantidad (tabla 1); para cada una de las 9 zonas que

componen el lingote. En lo que respecta a los intermetálicos

de morfología de “escritura china”, estos no sé

cuantificaron, debido a que su compleja geometría

representa un obstáculo para definir tamaño y forma [3].

Para analizar estadísticamente los datos medidos, se utilizó

el método de distribución logarítmica normal ajustando

estos. Esto se realizó ordenando los datos de las mediciones

de menor a mayor y graficándolos contra un porcentaje

acumulado como se muestra en la figura 2. Lo cual fue

resultado de numerar desde el primer dato medido hasta el

último y dividir cada uno de los datos entre el último dato,

lo que da un aumento gradual hasta tener un valor máximo,

que finalmente se ajusta a la distribución normal

logarítmica.

Tabla 1 Datos del cálculo de estimación lineal

Efecto de la variación Promedio total

de los

Intermetálicos Vertical Horizontal Refinador

-0.9772 0.0658 -0.4728 32.3

Desviación estándar

0.5277 0.5357 0.8422 1.6231

Figura 2. Porcentaje acumulado vs. el tamaño de los intermetálicos

A cada uno de los lingotes, con diferentes concentraciones

de refinador, se les tomó dureza en las 9 zonas que los

componen (tabla 2). El método de dureza seleccionado fue

el Brinell, esto con base a la microestructura de la aleación

SAE788, ya que esta está compuesta por una fase dura

(intermétalicos) y una fase blanda (estaño-plomo), en este

caso se considera que Brinell permitirá obtener valores

consistentes, ya que el tamaño del indentador garantiza

homogeneidad de región a región.



Tabla 3 – Promedio de tamaño intermetálicos de las diferentes

Coladas y posiciones

% de Refinador 0% 0.10% 0.20% 0.40% 0.80% 1.60%

I 31.0 27.4 28.1 26.2 31.9 34.1

II 30.7 31.6 30.9 40.5 31.5 33.5

III 32.8 28.1 19.0 28.5 28.8 23.0

IV 31.6 43.7 26.5 31.3 28.4 27.3

V 47.0 32.3 29.9 45.6 37.1 24.5

VI 34.3 32.9 27.0 40.0 23.0 20.9

VII 26.1 23.9 25.3 32.9 34.8 44.3

VIII 34.5 36.8 31.2 32.9 37.2 28.7

IX 26.8 28.1 31.8 27.8 24.3 28.8

Desvest 6.1 5.9 3.9 6.6 5.1 7.1

Media 32.4 31.5 27.7 30.2 30.6 29.9

En la Tabla 3 se observa una variación en el tamaño

promedio de los intermetálicos considerando posición y

concentración.

Figura 3. Media del tamaño de Intermetálicos vs. Porcentaje de

refinador

En la figura 3 se puede observar el efecto de variación

ocurrida en el tamaño de los intermetálicos en algunas zonas

del lingote, en ésta se representa los valores promedios del

tamaño de los intermetálicos y su dispersión. Se puede

observar una variación notoria dentro de un rango 0.05-0.2%

de porcentaje de refinador, de donde se puede considerar que

éste representa la cantidad de óptima de refinador para la

disminución de cantidad y tamaño de intermetálicos del tipo

Al9Si2Fe2. Al9Si2Fe2 [5].

1.3. Tamaño de grano

En el caso del Aluminio se utilizó la norma ASTM E112

para cuantificar el tamaño de grano por el método de

intersección lineal, donde para tener una evaluación correcta

se deben realizar por lo menos 50 mediciones. Se eligió este

método sobre los demás porque es simple y por la rapidez a

la que se puede trabajar, además de que los resultados

obtenidos son muy similares a los que se producen por otros

métodos.

De los valores obtenidos mediante estimación lineal tabla 3.

Se puede concluir que existe un efecto, del tamaño de grano

con respecto al porcentaje del refinador utilizado. La figura

4 muestran una variación en un rango de 0.05 a 0.2, se puede

observar que la dispersión de los valores en este rango es

pequeña en comparación con las que están fuera de éste.

Tabla 2. Tamaño de grano de Sn-Pb en cada una de las 9 posiciones

del lingote

% de Refinador 0% 0.10% 0.20% 0.40% 0.80% 1.60%

I 27.3 25.2 26.5 32.6 27.5 27.5

II 30 25.2 31.2 30 27 28

III 30 26.5 26.5 35.3 32.2 30

IV 32.9 28 31.2 26.8 28.8 36.1

V 35.7 29.7 35.7 32.2 33.3 30.6

VI 30.3 28.3 36.6 34.9 36.6 32.9

VII 31.9 29.7 31.2 28.6 33.7 36.6

VIII 34.9 26.3 37.9 30.3 37.5 35.3

IX 31.6 28.3 32.9 30.6 27 36.6

Desvest 2,8 1,9 4 2,7 4,2 3,7

Promedios 31.6 27.5 32.2 31.2 31.5 32.6

Figura 4 Promedios del tamaño de grano vs. Porcentajes de

refinador.

1.4 Efecto de la presencia del refinador sobre la dureza

Los resultados de la dureza para las diferentes condiciones

de proceso (concentración de refinador y velocidad de

enfriamiento) se muestran en la figura 5. Del análisis de los

resultados se concluye que la dureza es homogénea en todo

el lingote, para casi todas las coladas, con excepción de la

probeta con 1.6 % de refinador, ya que en ésta la distribución

es heterogénea (47-74 HB). La heterogénea distribución de

la dureza se relaciona con la distribución de las fases blanda

(Pb-Sn) y dura (intermetálicos) del material. Aunque la

dureza para este porcentaje de refinador es de mayor

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

0 1 2

mic

ras

% de Refinador

Media

Dispesión



magnitud se descarta para considerarla como la de mejores

propiedades mecánicas por lo antes mencionado.

El lingote de 0.1% de refinador presenta una distribución de

la dureza homogénea, lo cual refiere también a propiedades

mecánicas adecuadas. El rango de durezas para este lingote

es de 47 a 61 HB.

Figura 5 Dureza de las diferentes coladas

Comparando las distribuciones de la dureza de los lingotes

de las diferentes coladas con distintos porcentajes de

refinador como muestran la figura 6. Ordenando las

muestras con relación a la homogeneidad en sus propiedades

se tiene:

1. 0.4 % de refinador

2. 0.8% de refinador


4. s/n refinador



Figura 6 Dureza promedio vs. % de refinador; se observar la dispersión

de la dureza con de los lingotes con respecto a su posición.

Se calcularon los valores de la dureza Brinell por regresión

lineal, sin hacer distinción entre porcentaje de refinador y

posición del lingote, por lo que en base a los resultados

obtenidos existe un efecto favorable, de la concentración de

refinador en la dureza del lingote. Esto con base en los datos

y comportamiento arrojados por la tabla 2.

La figura 5 representa los promedios de la dureza con

respecto en cada uno de los porcentajes de refinador. En ésta

se observa una variación en el comportamiento, para un

rango de 0.05 a 0.2% de refinador, obviamente para

porcentajes mayores de refinador se tienen valores de dureza

superiores con respecto a los demás porcentajes, pero con

una diferencia pequeña de los resultados.

1.5 Ensayo de tracción (ASTM E8M-00)

Dada la limitada cantidad de material de los lingotes se

realizó una adecuación de la Norma ASTM E8M-00

“Standard Test Methods of Testing of Metallic Materials”

[Metric] en una escala 2:1. La velocidad del ensayo fue de

2.5 mm/min. Los datos obtenidos se presentan en la tabla 3.

Tabla 3. Resultados de los ensayos de Tracción de las probetas de la

Aleación SAE788

%

ref.

Def. Ing.

Máxima

[mm/mm]

Esf. Ing.

Máxima.

[MPa]

Tenacidad

MJ/m3

Sig. 0.2%

[MPa]

s/n 0.06575 119.968 4.756 12.269

0.10161 128.742 4.755 15.683

Desv. 0.02536 6.20415 0.0007 2.4140

Prom .0.08368 124.355 4.756 13.976

0.1% 0.11220 112.261 4.872 17.767

0.15025 122.938 6.120 15.701

0.15284 117.551 7.623 17.043

Desv. 0.02275 5.33857 1.3775 1.0481

Prom 0.13843 117.583 6.205 16.837

0.2% 0.11745 123.054 6.300 16.729

0.10524 120.384 4.807 18.832

Desv. 0.00863 1.88797 1.0557 1.4870

Prom 0.11134 121.719 5.554 17.781

0.4% 0.08513 115.945 6.794 18.510

0.14229 120.620 5.910 33.706

Desv 0.04042 3.3057 0.6251 10.745

Prom 0.11371 118.283 6.352 26.108

0.8% 0.10065 119.737 8.630 18.577

0.12288 137.166 10.750 18.335

Desv 0.01572 12.3242 1.4991 0.1711

Prom 0.11176 128.452 9.690 18.456

1.6% 0.10418 123.858 8.608 20.557

0.09045 116.762 7.161 18.112

0.09029 127.922 3.954 21.040

Desv 0.00797 5.64822 2.382 1.5697

Prom 0.09497 122.712 6.574 19.903

En las figuras 7 y 8, se muestra la gráfica esfuerzo-

deformación de donde se puede observar la variación de la

resistencia con relación a la concentración del refinador y

velocidad de enfriamiento. En la figura 7 las muestras de

mayor resistencia son las de 0.1% y s/n refinador, para la

figura 8 se tiene a las muestras de mayor porcentaje de

refinador 1.6% y 0.8% las de mayor resistencia.

Dureza Brinell

20

30

40

50

60

70

80

I II III IV V VI VII VIII IX

Posición

BH

N

Sin Refinador

0.1 % de Refinador

0.2% de Refinador

0.4% de Refinador

0.8% de Refinador

1.6% de Refinador

30

40

50

60

70

80

90

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

% de Refinador

Du

reza B

HN

Serie2

Serie1



Figura 7. Curva esfuerzo-deformación de las coladas

SAE 788 con diferentes % de refinador

Figura 8. Curva esfuerzo-deformación de las coladas

SAE 788 con diferentes % de refinador.

1.6 Observación metalográfica

A continuación, se presentan las microestructuras de las

probetas más representativas del lingote, donde las

observaciones se llevaron a cabo mediante microscopía

electrónica de barrido empleando el detector de electrones

retrodispersados como se muestran en las figuras 9 y 10. Se

observa en éstas que la heterogénea distribución del Sn-Pb.

Así como también la presencia de intermetálicos del tipo

aguja que se colocan en el límite de grano de la aleación [3].

Fig.10 Microfotografía a 100X lingote sin refinador donde se observa

la homogenización del estaño y con una adecuada definición del límite

de grano.

Las muestras que corresponden a aquellas zonas que se

enfrían a mayor velocidad, esto es en contacto directo con la

lingotera, presentan mayor homogeneidad. En contraste las

muestras correspondientes al centro de la lingotera (figura

11), se caracterizan por un enfriamiento más lento, lo que

ocasiona que las partículas de Sn-Pb tengan una distribución

heterogénea y crezcan más; esto debido a un proceso

difusivo. Asimismo se presentan algunos poros de forma

esférica de un tamaño considerable y también una gran

cantidad de intermetálicos del tipo aguja Fe2Si2Al9, en forma

de red, con una morfología comúnmente llamada estructura

celular.

En las figuras 11 y 12 se observa una distribución

homogénea de las partículas de plomo-estaño sobre la matriz

de aluminio, donde se presentan algunos poros aislados,

estos se forman por pequeños espacios líquidos sin

comunicación unos con otros. Cada pequeña porción líquida

puede considerarse como una pieza muy pequeña, donde su

cavidad está formada por las superficies de cristales sólidos

que lo limitan. Al descender la temperatura, la aleación

líquida va a sufrir una contracción, después al solidificarse,

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-0.01 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15

Esfu

erz

o i

ng

en

ieri

l(M

Pa)

Deformación ingenieril (mm/mm)

0.40%

0.80%

0.80%

1.60%

1.60%

1.60%

0.40%

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0.05 0.1 0.15

Esfu

erz

o(M

Pa)

Deformación (mm/mm)

S/N

S/N

0.10%

0.10%

0.10%

0.20%

0.20%

0.20%



experimentará la contracción de solidificación, por lo que

ocupará un volumen menor al de la cavidad y se formará un

hueco. Se tienen diferencias en la distribución del estaño,

como del tamaño de grano, pero éstas no son muy notorias.

Por lo que se puede concluir que con 0.1% de refinador se

obtiene un grano más fino y una mejor distribución del

estaño-plomo en la matriz de aluminio.

En la figura 10 se observa una distribución homogénea del

estaño-plomo en la superficie y en los límites de grano sobre

la matriz de Aluminio, En las figuras 11 se encuentran

algunas partículas de estaño-plomo de mayor tamaño de

forma irregular y de forma alargada, ubicadas en los límites

del grano. Por su parte en la figura 12 muchas de éstas

tienden a ser cuasicirculares, asimismo su distribución es

homogénea. Por otra parte en dicha imagen se observa una

gran cantidad de intermetálicos del tipo aguja Fe2Si2Al9 en

forma de red, y con una morfología comúnmente llamada

estructura celular. La colada no muestra porosidad.

Fig. 11 Microfotografía a 100X, del lingote con 0.1% de refinador, se

observa una distribución heterogénea.

Fig. 12 Microfotografía a 100X lingote con 0.2% de refinador, se

observa homogénea la distribución de estaño

En la figura 13 se observa una distribución homogénea del

estaño-plomo en la superficie y en los límites de grano sobre

la matriz de aluminio, donde se encuentran partículas de

estaño-plomo de gran tamaño cuasi circulares y las de forma

alargada que se encuentran en los límites del grano. También

presenta un poco de porosidad.

Fig. 13 Microfotografía a 100X lingote con 0.4% de refinador, se

observa una distribución homogénea del estaño.

La figura 14 presenta una gran cantidad de intermetálicos

del tipo aguja Fe2Si2Al9 en forma de red, y con una

morfología denominada como estructura celular. La colada

no muestra porosidad, pero existe una notable disminución

del tamaño de grano, así como de diferencias en la

distribución del estaño.

La fase blanda de estaño-plomo tiene una distribución

homogénea sobre la matriz de aluminio en comparación con

las coladas anteriores, colocándose parte del estaño-plomo

en el límite de grano. Lo que beneficia a las aleaciones para

usos tribológicos donde deben tenerse fases blandas para dar

lubricidad de la aleación al disminuir la fricción entre

elementos. Se observa partículas grandes cuasi circulares y

las de forma alargada que se encuentran en los límites del

grano y se tienen zonas pequeñas donde falta estaño, de lo

que se puede concluir que fue el enfriamiento y el refinador

que no permitió la distribución homogénea de la fase blanda.

Fig. 14 Microfotografía a 100X lingote 0.8% de refinador, se observa

en la probeta posición centro un crecimiento del grano y presencia de

intermetálicos



En la figura 15 puede observarse una menor cantidad de

intermetálicos del tipo aguja Fe2Si2Al9 en forma de red, y

con una morfología celular, esto comparado con las

anteriores figuras [4]. La colada no muestra porosidad, pero

existe una notable disminución del tamaño de grano, así

como una distribución más homogénea de éste. El estaño se

encuentra presente en el límite de grano que forma la matriz

de aluminio.

El plomo tiene una distribución homogénea sobre el estaño,

formando de esta manera la fase blanda necesaria para dar

lubricidad a la aleación disminuir la fricción entre

elementos.

Fig. 15 Microfotografía a 100X lingote 1.6% de refinador, se observa

una distribución del estaño homogénea.

1.7 Caracterización de las fases

A continuación, se muestra una serie de imágenes a través

de las que se caracterizan las fases de cada uno de los

elementos más representativos de las diferentes coladas con

concentraciones distintas de refinador.

Solo se muestra el análisis de las coladas más significativas,

para realizar una comparación entre ambas. Se seleccionó

las coladas con diferentes características, ya sean

defectuosas y no defectuosas, en donde se observarán todas

las fases presentes en la microestructura, así como su

morfología y los defectos.

En las imágenes obtenidas por MEB se pueden observar las

partículas de estaño (en gris claro) y plomo que son las que

se observan de color blanco debido a su mayor densidad,

donde el plomo aparece dentro de las partículas de estaño en

forma de pequeñas partículas, esto se debe principalmente

por ser los elementos de menor punto de fusión, y por lo

tanto son los últimos en solidificar, después que la estructura

cristalina del aluminio está totalmente solidificada, tanto el

estaño como el plomo siguen en forma líquida, por lo que

los límites de grano de la matriz de aluminio se convierte en

pequeñas lingoteras donde solidifican ambos elementos [5].

En la figura 16 se puede observar que en las muestras sin

refinador de los extremos del lingote en la cual se ve

claramente la presencia de intermetálicos del tipo de

escritura china (Fe3SiAl12) y los de las láminas (Fe3Si2Al9),

así como también partículas muy grandes de estaño con una

distribución poco homogénea [4].

Fig. 16 Microfotografía a 800X, del lingote sin refinador.

En la figura 17 se observa la microestructura del extremo del

lingote con 0.1% de refinador, en ésta la presencia de estaño

está en forma de partículas muy grandes y heterogéneas.

Asimismo se tiene la presencia de intermetálicos de forma

de láminas (Fe3Si2Al9) de distintos tamaños y formas.

Fig. 17 Microfotografía a 800X, del lingote con 0.1% de refinador.

En los extremos de las coladas con 0.2% de refinador de la

figura 18, se puede observar que la distribución del Sn es

heterogénea y en partículas de gran tamaño, así como la

formación de intermetálicos del tipo de escritura china

(Fe3SiAl12) y láminas de (Fe3Si2Al9 de menores

dimensiones. La distribución del Sn es heterogénea y en

forma de partículas de gran tamaño, así como también la

formación de intermetálicos del tipo de láminas frágiles

(Fe3Si2Al9) [6].




En la figura 19 se presenta la microestructura

correspondiente a una muestra de la región central del

lingote. En ésta se tiene una gran cantidad de estaño que está

distribuido heterogéneamente, con distintos tamaños y

formas. También se observa la presencia de una gran

cantidad de partículas de intermetálicos del tipo de escritura

china (Fe3SiAl12) y las láminas frágiles (Fe3Si2Al9). En

donde los intermetálicos de escritura china se encuentran por

encima de las partículas de Pb-Sn.


La figura 20 corresponde con los extremos del lingote con

0.8% de refinador; en éste se tienen grandes partículas de

estaño y éstas están distribuidas heterogéneamente, con la

presencia de intermetálicos de la forma de láminas frágiles

(Fe3Si2Al9) de gran tamaño y también con distribución

heterogénea.


En la figura 21 se observa la homogénea distribución del

estaño, con algunas partículas de un tamaño grande y

pequeñas cantidades de intermetálicos de la forma laminar

(Fe3Si2Al9) de tamaño pequeño. La distribución del Sn es

homogénea con algunas partículas de gran tamaño, así como

la presencia de una red de intermetálicos de la forma de

láminas frágiles (Fe3Si2Al9), en esta colada la operaci´on de

desgasificado fue mal realizada, lo cual se manifiesta por la

gran cantidad de poros.

De las imágenes anteriores se observa que la distribución del

estaño, intermetálicos del tipo de escritura china (Fe3SiAl12)

y de láminas frágiles (Fe3Si2Al9), para diferentes coladas y

velocidades de enfriamiento, sin bien presentan variaciones

tamaño y forma; sin embargo, comparando éstas con las

reportadas en otros estudios, presentan mejores

características [1], ya que el estaño es más homogéneo y que

la cantidad de intermetálicos es menor y con una mejor

distribución en la matriz de aluminio [7].


4. Conclusión

Considerando los resultados obtenidos, se tiene que el

refinador presenta diferentes efectos sobre la

microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación



AlSnSiCuPb, es por tal motivo que éstas se analizan en

forma independiente.

Tamaño de grano;

El refinador de grano se considera que forma núcleos

primarios de solidificación, por lo que el número de éstos

afectará el tamaño de grano del material obtenido. Dicho

efecto se presenta a través de las figuras 4 y 5, en donde se

denota un comportamiento no lineal del tamaño de grano

con la concentración de refinador. Se observa que al agregar

mayor cantidad de refinador el tamaño de los cristales se

mantiene constante, esto se puede explicar a través de la

sobresaturación del sistema. De los mismos datos se puede

concluir que para el 0.1% de refinador se tiene un tamaño de

grano de 27.4 m , mientras su valor máximo es para 1.6%

de refinador con 32.6 m , con una variación entre estos del

19%.

Intermetálicos

El efecto de los intermetálicos se relaciona con su tipo

(composición) y tamaño, afortunadamente mediante la

metalografía son fácilmente identificables estos por su

morfología característica. Resulta de primordial importancia

que se formen intermetálicos que no afecten de manera

negativa las propiedades mecánicas de la aleación, como son

el caso de los de tipo Fe2Si2Al9 (Morfología tipo de agujas)

que por esta composición son perjudiciales para aleaciones

de uso tribológicos, ya que estas agujas son frágiles y factor

de inicio de fracturas en el material [9]. Sin embargo, los

intermetálicos del tipo Fe3SiAl12 (Morfología de escritura

china) son idóneos para estas aleaciones, ya que no se

fracturan fácilmente, dando lugar a la fase dura que requiere

el material. Se puede concluir que se tiene una relación no

lineal (figura 4) con la presencia de refinador de grano, ya

que muestra un cambio en su comportamiento para 0.2% de

refinador alcanzando dimensiones del orden 27.6 µm,

mientras que su máximo se presentó en las muestras sin

refinador (32.3 µm), con una variación de 17% entre ellas.

El refinador no tiene efecto sobre las fases secundarias, sin

embargo, la velocidad de enfriamiento, si tiene una marcada

influencia sobre ellas, ya que un enfriamiento rápido

favorece la formación masiva de granos y abundantes sitios

de nucleación que no permiten el crecimiento de los

íntermetálicos, así como tampoco de los granos de la matriz.

Lo observado permite confirmar que la solidificación

presenta una nucleación heterogénea, debida a las

condiciones de enfriamiento; ésta se modifica desde las

paredes de la lingotera hacia el centro del lingote. Lo antes

expuesto es debido a que el gradiente de temperatura es

mayor en la superficie de la lingotera. Esto confirma lo

observado en las diferentes micrografías donde presenta un

mayor tamaño de grano, de intermetálico y concentración de

estos que en las muestras centrales del lingote.

Dureza

El cambio en el tamaño de grano, así como en la distribución

y tipo de intermetálicos tiene efecto en la dureza del

material. Resulta por tanto evidente que, si la concentración

de refinador afecta a dichos parámetros, ya que este no

permite el crecimiento de los granos, por lo que grano será

de un tamaño menor entonces por su cantidad de límites de

grano es más duro Esto se observa en el efecto que es no

lineal, ya que varía esta propiedad entre 47.9 BHN para

0.2% de refinador, mientras que la mayor dureza se presentó

para 1.6% de refinador y fue del orden de 56 BHN, con una

variación del 17% entre estos valores. Se concluye que a

mayor cantidad de refinador incrementa la dureza, lo

contrario a los resultados obtenidos del tamaño de grano en

los cuales se presenta una saturación en el sistema. Debido

a que se tiene una nucleación heterogénea, la cual, por su

contenido de impurezas insolubles, inclusiones u óxidos

reduce la energía requerida para la formación de núcleos,

que afectan la distribución de las fases y tamaño de grano en

los lingotes.

Resistencia, deformación y tenacidad

Resistencia máxima ( max )

Se obtuvo un mínimo valor de la resistencia para 0.1% de

refinador, alcanzando un esfuerzo máximo del orden de

117.6 MPa. La mayor resistencia se alcanzó para el 0.8% de

refinador, siendo ésta del orden 128.5 MPa. La mínima

variación (9%) entre dichos valores demuestra que el

refinador, no tiene efecto significativo sobre la resistencia.

Deformación máxima max

Por su microestructura la aleación Al-Sn en general no

presentan una notable ductilidad, situación que resulta más

marcada en las AlSnSiCuPb. Esto se demuestra de los

resultados obtenidos en los ensayos de tracción, ya que en la

muestra sin refinador la deformación presentó una mínima

deformación alcanzando tan solo el 8.36%. Por su parte la

mayor ductilidad se obtuvo para el 0.1% de refinador,

alcanzando el 13.8%; todo lo cual representa una variación

sustancial, que en su mayor expresión alcanza el 65%. La

aleación AlSnSiCuPb se procesa por laminado requiriendo

de etapas de colaminación para unir ésta con una capa de

aluminio puro y posteriormente con la cinta de acero.

Resulta evidente entonces que una propiedad fundamental

del material es su capacidad para deformarse plásticamente

razón por la que los resultados obtenidos en este rubro son

de fundamental importancia.

Tenacidad

El menor valor obtenido, se presentó para la muestra sin

refinador, alcanzando un valor de 4.76 3/MJ m , y el

mayor se obtuvo para un 0.8% de refinador del orden 9.69 3/MJ m , con una variación significativa del 103%. Se

tiene entonces que la tenacidad se incrementa con el



contenido de refinador, alcanzando su máximo para el 0.8%.

Conclusiones Generales

La mayor homogeneidad de la fase estaño-plomo se alcanzó

para el 0.1% de refinador, lo cual se manifiesta con su mayor

ductilidad, propiedad que se deberá manifestar durante la

laminación del material. Dado que todos los lingotes

estudiados se enfriaron bajo las mismas condiciones, se

puede concluir que una concentración de refinador entre 0.1

a 0.2% se correlaciona con una disminución en la presencia

de intermetálicos observados que son del tipo Fe3SiAl12 con

morfología de escritura china, los cuales se caracterizan por

no afectar negativamente la capacidad de la aleación para ser

laminada, en virtud de presentar una estructura con una

menor conectividad.

En el caso de los lingotes producidos sin refinador se

observó que los intermetálicos presentes eran del tipo de

Fe2Si2Al9, los cuales se caracterizan con una morfología

acircular. Al tratarse de una fase dura y frágil, la cual es

continua a través de la microestructura, por lo que tiene

conectividad entre agujas, se tiene entonces que ésta

determina el comportamiento del material, favoreciendo la

aparición de fracturas durante el proceso de laminación del

lingote.

Por otra parte, se ha demostrado que entre el 0.8 y 1.6% de

refinador se alcanza la mayor resistencia, tenacidad y

dureza. Sin embargo, la ductilidad alcanza su mayor

expresión para concentraciones entre el 0.1 y 0.2%, lo cual

a su vez corresponde con las microestructuras con mejores

características de homogeneidad e intermetálicos presentes.

Por otra parte para dichas condiciones las propiedades

mecánicas, como la resistencia, alcanzan valores aceptables.

Resulta evidente que a nivel industrial el uso de refinadores

de grano en las coladas eleva los costos de producción, por

lo que su empleo debe estar perfectamente normado de tal

forma que se garanticen las mejores propiedades al menor

costo condición que ha sido definido a través del presente

proyecto.

REFERENCIAS

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Bristow D. J., Acta Materíalia, Vol. 48,

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Tesis

[8] Ramírez Díaz Edgar Isaac, Evolución de la

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durante la fundición y tratamiento térmico, Facultad de

Ingeniería, UNAM, 2004.

[9] Torres Castillo José A., Optimización del proceso

termomecánico de la aleación SAE783 para cojinetes de

deslizamiento, Facultad de Ingeniería, UNAM, Marzo 2006


“efecto de las condiciones de enfriamiento y de la...

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