revestimiento de aluminio en aleaciones zn-al: mediante proceso...

Superficies y Vacío 11, 66-69, Diciembre 2000 Sociedad Mexicana de Ciencia de Superficies y de Vacío.

*E-mail: javcer@servidor unam.mx 66

Revestimiento de aluminio en aleaciones Zn-Al: mediante proceso clad rolling

Javier Cervantes*, C., Arturo Barba P., Gabriel Torres V.Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica, UNAM

Anexo de Ingeniería, circuito exterior, Ciudad Universitaria.México D. F., C.P. 04510 tel: (5) 550 00 41 y (5) 622 80 50, fax: (5) 655 80 55

There is a variety of reasons lo produce bimetallic materials. We can mention some of them: to increase the corrosionresistance, to substitute expensive alloys, to get more mechanic and abrassion resistance. and to improve thesuperficial outlook. With this understanding, the major objective of this investigation is to give the results obtainedfrom the union between the Zinalco and the aluminum by cladding technics. With this. it is intended to improve thegrayish color that through the time is shown in the Zinalco as the result of its superficial oxidation, because thisoxidation decreases the quality of the manufactured parts with it. Likewise, the oxide layer that is generated inhibitthe adhesion capacity that some coatings presents, for example. the electrolytic coatings or some enamels and paints.In this work they are reported the different parameters under which the tests were made, as temperatures. rollingvelocities, reduction percentage and cleaning methods. Furthermore, they are shown some tests results that hadallowed the bimetallic material characterization (Zinalco Aluminum ), as tension tests, scanning electron microscopyand drawing tests, in order to evaluate its conformation capacity.

Puede haber una diversidad de razones para producir materiales bimetalicos. Entra ellas podemos mencionar aumentarla resistencia a la corrosión, reemplazar aleaciones costosas, obtener mayor resistencia mecánica, resistencia aldesgaste o mejorar el aspecto superficial. En este sentido la presente investigación tiene por objeto mostrar losresultados logrados en la unión de Zinalco y aluminio mediante técnicas de laminado conjunto (cladding, en ingles),con lo que se pretende mejorar la coloración grisácea que a través del tiempo se presenta en el Zinalco, comoresultado de su oxidación superficial, ya que dicha oxidación reduce la calidad de las piezas fabricadas con dichomaterial, asimismo la capa de oxido que se genera inhibe la capacidad de adhesión que presentan algunosrecubrimientos como pueden ser los recubrimientos electrolíticos o algunos esmaltes y pinturas. En el trabajo sereportan los diferentes parámetros bajo los que se realizaron las pruebas como son temperaturas, velocidades delaminación, porcentaje de reducción y métodos de limpieza, asimismo se presentan los resultados de los ensayos quehan permitido la caracterización del material bimetalico (Zinalco-aluminio), como son pruebas de tensión,microscopia electrónica de barrido y de embutido a fin de evaluar su capacidad de conformado

Keywords:

1. Introduccion

En México el zinc ha estado durante mucho tiemposubutilizado. Así, con la idea de mejorar sus aplicaciones,se inició la investigación del material para tratar deintroducirlo en otros campos.Por otra parte, México no posee bauxita, mineral del que seextrae el aluminio; y la electricidad necesaria en el procesode obtención del metal, no es barata ni abundante. Así, lamayor parte del aluminio que utilizamos es importado.Como sabemos, la industria de la construcción consume el70% de aluminio. Esta dependencia es significativa ypeligrosa. El problema, no es que nos enfrentemos a unaescasez mundial de aluminio, sino que debido a su precioya no podamos pagar los incrementos anuales provocadospor su demanda.México acostumbra vender su materia prima y comprarlaprocesada, en lugar de aprovechar sus recursos naturales yproducir a partir de éstos sus propios productos terminados.En nuestro país hay grandes yacimientos de bismuto,arsénico, selenio, cadmio, zinc, y muchos más, entre losmás importantes.Con respecto del zinc se ha trabajado en el desarrollo dealeaciones con el objeto de ampliar el campo de aplicaciónpara este metal, del cual México es un importante productora nivel mundial, y así evitar su desplazamiento por losplásticos y el aluminio. Los resultados de las

investigaciones realizadas con este material condujeron aldesarrollo de la aleación Zinalco la cual, puede tenerdiversas aplicaciones dada su posibilidad de sertransformada tanto por procesos de fundición como porprocesos de deformación plástica, permitiendo así que estaaleación pueda tener varias aplicaciones entre las que sepueden contar las siguientes:

• Perfiles arquitectónicos para intemperie• Perfiles para ventanas• Fabricación de piezas automotrices• Componentes para torres eléctricas de transmisión• Productos laminados para la construcción• Elementos para cerrajería• Transporte colectivo.

Sin embargo, los productos obtenidos con esta aleaciónpresentan un aspecto blanco grisáceo muy parecido alaluminio, el cual se torna más gris conforme pasa el tiempohasta alcanzar un aspecto más parecido al del plomo, por locual las piezas no tienen gran aceptación. De ahí que laintención de este trabajo sea investigar un método quepermita mejorar su aspecto mediante la aplicación de unrecubrimiento superficial de aluminio (que permita quedichos productos permanezcan con una coloraciónsemejante a la del aluminio).


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2. Desarrollo del trabajo

Material utilizado en las Pruebas.Para el desarrollo de la técnica de colaminado de estetrabajo se emplearon los siguientes materiales: Zinalco I(76-22) extruido, el cual fue proporcionado por el Institutode Investigaciones en Materiales de la UNAM. Lámina dcaluminio 1200-1-114 calibre 24 con una pureza del 99.9%,lo que permite una mejor unión de los materiales. Larelación de espesores fue de 80% Zinalco y 20% Aluminio.

Producción del materialLa preparación que requieren los materiales (Zinalco -Aluminio) que fueron unidos por la técnica decolaminación, es de suma importancia, ya que de ellodepende el que puedan ser unidos.Una vez obtenidos los materiales con las dimensionesrequeridas se procedió a realizar el proceso de limpieza, elcual se inicia con el lijado de las superficies tanto delZinalco de mayor espesor (2.4 mm), como del Aluminio demenor espesor (0.6 mm). Para esta actividad se empleó lijade carburo de silicio del número 180, con la cual se lijan lassuperficies en la dirección longitudinal y transversal,produciendo un mallado, con la finalidad de eliminarimpurezas y permitir una mejor unión mecánica durante laetapa de deformación.Concluida la limpieza mecánica se dispuso de las laminasen forma de paquete corno se muestra en la figura 1. Conesta preparación los materiales son limpiados medianteultrasonido en una solución de acetona durante un tiempode siete minutos. El empleo de la acetona se justificaporque no oxida superficialmente al Zinalco como lo haríael agua, que forma una capa superficial que impide la uniónde las piezas.El proceso de limpieza hasta aquí descrito, ha permitidolograr la unión, pero para llegar a esté proceso se haincursionado un gran camino en cuanto a la utilización dediversos agentes limpiadores como son: solventes ylimpiadores industriales.El paso siguiente para la obtención del material compuestoconsiste en someter las probetas a un precalentamiento decinco minutos, para después ser laminadas, variandoporcentaje de deformación y temperatura con la finalidadde obtener los parámetros óptimos para lograr una buenaunión. Basados en el diagrama de fases y de acuerdo con lacomposición del Zinalco (76 % Zn), se determinó trabajar atemperaturas superiores a 300 0C, temperatura a la cual se

Figura 1. Representación de la disposición inicial de los materiales para ellaminado.

supone una solución sólida y con la estructura delAluminio.Algunas de las pruebas realizadas a estas temperaturas semuestran a continuación en las Tablas 1 y 2. A las probetascon número non se les dio un recocido bajo las mismascondiciones de las pruebas iniciales.

Evaluación de la unión.Una vez realizadas las pruebas bajo diferentes condicionesde deformación y temperatura, se procedió a evaluar lacalidad de la unión mediante pruebas de desgarre ymicroscopia electrónica de barrido con la finalidad dedeterminar con cuales parámetros se obtienen las mejorescondiciones de unión.

Tabla 1. Colaminación a 350 °C

No. de ProbetaNo. de Probeta % Trabajo% Trabajo Carga (Ton)Carga (Ton) hf (mm)hf (mm)42 20 2.20 2.5042 20 2.94 2.2643 20 2.12 2.4643 20 3.01 2.0144 30 4.62 2.2244 30 5.34 1.5945 30 4.68 2.2845 30 5.05 1.5346 50 5.14 1.8046 50 9.60 0.6947 50 5.12 1.7547 50 9.61 0.7148 30 3.87 2.2248 30 4.88 1.5448 30 7.33 0.9049 30 3.34 2.2049 30 4.89 1.5649 30 7.49 0.9050 30 5.15 1.8950 30 10.11 0.8051 50 5.61 1.8451 50 10.09 0.8452 50 11.32 0.7453 100 11.40 0.76

Tabla 2. Colaminación a 380 °C

No. de ProbetaNo. de Probeta % Trabajo% Trabajo Carga (Ton)Carga (Ton) hf (mm)hf (mm)54 20 1.91 2.5054 20 3.60 2.1555 20 1.87 2.6755 20 3.34 2.3756 30 3.2 2.3656 30 5.07 1.5357 30 3.65 2.2757 30 5.65 1.5758 50 5.16 1.8158 50 10.62 0.7159 50 4.96 1.8759 50 10.33 0.7760 30 3.17 2.2660 30 4.82 1.5460 30 7.75 0.8861 30 3.02 2.3161 30 4.43 1.6361 30 7.78 0.8762 100 13.96 0.8063 100 14.26 0.80


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Figura 2. Preparación de la Probeta para prueba de desgarre

Prueba de desgarre.La prueba de desgarre se realizo en las probetascolaminadas bajo diferentes parámetros de unión, dichasprobetas fueron preparadas como se muestra en la figura 2y posteriormente ensayadas, obteniendo los resultadosmostrados en las figuras 3 y 4[1].

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

CARGA MAX. ( N )

320 350 380

TEMPERATURA (° C )

RECOCIDO SIN RECOCER

Figura 3. Colaminación a 60% de deformación

0

20

40

60

80

100

120

CARGA MAX. ( N )

240 260 280 320 350 380

TEMPERATURA ( ° C )

RECOCIDO SIN RECOCER

Figura 4. colaminación a 90 % de deformación

Microscopia electrónica de barrido.De las probetas colaminadas se obtuvieron muestras en ladirección longitudinal y transversal de laminación, las cuales semontaron en baquelita, realizando un pulido mecánico con lijas decarburo de silicio del número 180 al 600 y un acabado con acetonay alúmina, a continuación se les dio un baño de oro en lasuperficie pulida, procediendo a observarlas en el microscopioelectrónico de barrido. Los resultados obtenidos se muestran enlas figuras 5, 6 y 7.

Figura 5. Material colaminado Zn-Al a 90% de deformación y temperaturade 380 °C sin recocido. Unión mecánica, interfase limpia libre de defectos

Figura 6. Vista superficial del Zinalco, después de la prueba de desgarreColaminación a 90 % de deformación y 380 °C.

Figura 7. Muestra la zona de unión por difusión lograda entre el Zinalco yel Aluminio.


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Figura 8. Desplazamiento contra tiempo de aplicación de carga.

Prueba de embutido.Una vez encontrados los parámetros óptimos detemperatura y porcentaje de deformación para una buenaunión, se procedió a evaluar la conformabilidad de lasprobetas. La prueba realizada para dicha evaluación fue laprueba Erichsen conforme a la norma ASTM E 643 -84denominada “deformación con punzón de bola paramateriales de lámina delgada”. Los resultados sonpresentados en la figura 8.

Conclusiones

Realizadas las actividades experimentales, así como laspruebas y el análisis de los resultados obtenidos se concluyelo siguiente:

1.- Se cumplió con el objetivo de lograr la unión delZinalco como material base con una delgada capa deAluminio como revestimiento para mejorar el aspectosuperficial del Zinalco.2.- Se estableció el proceso y los parámetros óptimos paralograr la unión más adecuada, los cuales son detallados acontinuación:a) Preparación del material.• Limpieza mecánica. Esta es necesaria paraeliminar el óxido presente sobre la superficie de las piezas aunir, así corno para eliminar suciedad, polvo y agentesexternos al material, logrando una superficie rugosa quefacilite la unión.• Limpieza química. Se debe emplear un agente delimpieza que active las superficies a unir. En éste caso serecomienda el empleo de acetona durante el proceso delimpieza ultrasónica.

b) Parámetros de colaminación del material.

De acuerdo con las pruebas realizadas se concluye que losparámetros adecuados para lograr una buena unión son lossiguientes:• Velocidad de laminación: el parámetro optimo dela velocidad de laminación en el proceso de colaminaciónes del orden de 3 m/min. ya que a esta velocidad el materialno sufre fracturas y permite una gran capacidad dedeformación.• Porcentaje de deformación: durante lacolaminación el porcentaje de deformación debe ser del90% diferido en dos o tres pasos de laminación, a fin dedisminuir la potencia consumida durante el proceso y lograrel efecto de unión mecánica.• Temperatura de precalentamiento: para realizarla laminación esta debe ser superior a la temperatura críticadel eutectoide del Zinalco (Zn+22% Al) que corresponde a275 °C, ya que a temperaturas inferiores no es posiblelograr el efecto de unión mecánica de los materiales.• Recocido: se concluye que se logra una mayorresistencia de la unión cuando el material colaminado essometido a un tratamiento térmico de recocido después dela etapa de colaminación, durante un tiempo mínimo de unahora a una temperatura de 270 °C..

Referencias

[1] Las muestras colaminadas a 100 % de deformación, nopudieron ser ensayadas bajo esta prueba debido a que launión entre los materiales fue muy resistente y se rompía elaluminio de espesor delgado al intentar preparar lasprobetas.• Annual Book of American Society for Testing Materials(A.S.T.M) Standard, designación de la norma E 290-92.Standard Test Method for Semi-Guided Bend Test for Ductility ofMetallic Materials• Dietz Albert G. H., “Composite Engineering Laminates,editado por Massachusetts lnstitute of Technology.• Forming and forging, Metals Handbook, volumen 14,3a. edición, editado por American Society for Metals (A.S.M).• Torres Villaseñor Gabriel, “Trabajos de lnvestigaciónrealizados sobre el Zinalco en el periodo 1979-1990Instituto de Investigación de Materiales UNAM, (Julio 1990).• Delagi Richard G. “Design with CIad Metals” , editadopor Metallurgical Materials Div., Texas lnstruments Inc.

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