Aleaciones de Aluminio para Moldeo: Tipos, Procesos y Tratamientos Térmicos

Aleaciones de Aluminio para Moldeo

1. Moldeo de Aleaciones Metálicas

Moldeabilidad: capacidad de obtener piezas correctas por moldeo, que depende de la contracción.

Fluidez: capacidad de moldear piezas de pared delgada y reproducir los detalles finos. Depende de la viscosidad, la tensión superficial, el óxido y el intervalo de solidificación.

Contracción del metal

1. Antes: no hay problemas si existe líquido para compensarla.
2. Durante (2-8%): riesgo de agrietamiento por aparición de tensiones.
3. Después: se producen tensiones y agrietamiento; es mejor desmoldear pronto.

Agrietabilidad en caliente o fragilidad de contracción

Agrietabilidad en caliente es la tendencia a formar grietas en una pieza moldeada debido a las tensiones internas producidas en la solidificación.

• Zona de fragilidad: intervalo entre la temperatura de coherencia y la temperatura de solidus.
• Temperatura de coherencia: temperatura por debajo de la cual ya existe una estructura continua solidificada coexistiendo con el líquido.

Características

Características de la aleación: contracción volumétrica, resistencia a la temperatura, mejor con grano fino.

Características del moldeo: gradientes de temperatura, velocidad de enfriamiento, tipo de moldeo (coquilla: más riesgo; arena: más rápido), forma y diseño.

2. Moldeo de Aluminio

2.1 Variables a controlar

• a) Oxidación: el aluminio se oxida mucho. A mayor temperatura, hay más óxido, lo que tiene un efecto negativo sobre la fluidez y las propiedades mecánicas. Se favorece por: usar chatarras, aumento de temperatura, turbulencia en la superficie del baño y elevación de la temperatura del líquido.

• b) Absorción de gas: el aluminio tiene fuerte tendencia a absorber gases en estado líquido, principalmente H₂. A mayor temperatura, mayor absorción de gas. Al solidificar el metal, los gases insolubles quedan atrapados y forman poros. Se desgasifica burbujeando un gas (N₂/Ar+Cl).

• c) Afino de grano: los afinantes de grano obtienen granos más pequeños. Ventajas: menor porosidad, menos microcavidades, menor agrietamiento en caliente y mejores propiedades mecánicas.

2.2 Procesos de moldeo

1. Arena: menor velocidad de enfriamiento, estructuras muy bastas, mayor tamaño de grano, menor dureza y resistencia, más barato.
2. Coquilla: enfriamiento rápido, granos finos, mayor dureza y resistencia.
3. Presión o inyección: mayor calidad de acabados superficiales, mayor velocidad de enfriamiento, menor tamaño de grano, menor tamaño de defectos, composición uniforme.
4. Cera perdida: máxima velocidad de enfriamiento, piezas de poco espesor, geometría compleja, mayor tamaño de grano, menor dureza y resistencia.

2.3 Otros procesos de moldeo

• a) Squeeze casting: se inyecta el metal en el molde metálico bajo presión, lo que facilita el llenado, evita la formación de cavidades y la contracción de poros, mejora el contacto molde-metal. Es caro, pero produce una microestructura fina y mayores características mecánicas.

• b) Procesado semisólido: amplio margen de solidificación. 1º) se inyecta el metal parcialmente solidificado en el molde; 2º) se agita en el crisol; 3º) se forman dendritas. Ventajas: menor contracción y riesgo de agrietamiento, microestructura fina, menor ataque al molde.

  • Rheocasting: se inyecta directamente en estado semisólido.
  • Thixocasting: se solidifica, se vuelve a calentar y se inyecta.

• c) Prensado isostático en caliente: se aplica a la pieza, una vez moldeada, un gas a alta temperatura en cámara cerrada.

2.4 Tratamientos térmicos

Permiten mejorar las propiedades y la estabilidad dimensional. Son necesarios mayores tiempos de solubilización para homogeneizar la composición; a menor velocidad de solidificación, mayor segregación. La maduración artificial favorece la reducción de tensiones residuales. Tras un recocido se obtiene máxima estabilidad, tensiones mínimas y menor resistencia.

3. Aleaciones

3.1 Al-Mg

Combinación de propiedades: alta resistencia a la corrosión y buena maquinabilidad, pero mala moldeabilidad debido al agrietamiento en caliente y a la menor fluidez.

3.2 Al-Sn

Elementos insolubles; su microestructura es una matriz de Al con partículas de Sn. Buen comportamiento antifricción, enorme margen de solidificación y mayor tendencia al agrietamiento. Incorporan Ni/Cu, lo que permite realizar tratamientos térmicos y obtener buenas propiedades. Se emplean en cojinetes y elementos antifricción con capacidad de carga.

3.3 Al-Zn-Mg

Buena resistencia, corrosión y maquinabilidad; mala resistencia a la corrosión bajo tensión (SCC) y moldeabilidad. Responden a la maduración natural tras el moldeo. El Cu mejora la resistencia a SCC. Las aleaciones Al-Zn se emplean para ánodos de sacrificio.

3.4 Al-Cu

El Cu mejora la resistencia y la dureza. Alto margen de solidificación con escasa o nula cantidad de eutéctica, agrietamiento en caliente y menor fluidez. Admite tratamientos térmicos.

3.5 Al-Si

Mejores características de moldeo: mayor fluidez, menor viscosidad, zona de fragilidad menor, menor coeficiente de dilatación en estado sólido, menor riesgo de tensiones y agrietamiento subsolidus, mayor dureza y resistencia, menor ductilidad y tenacidad, mayor resistencia al desgaste, muy buena moldeabilidad, decente a la fatiga. Con enfriamiento rápido se obtiene una estructura fina.

• Hipoeutécticas (<12% Si): dendritas de Al rodeadas de eutéctica.
• Eutécticas (=12%): todo es eutéctica.
• Hipereutécticas (>12% Si): cristales primarios de Si y masa de eutéctica; mayor resistencia al desgaste y menor plasticidad. El Si constituye el proeutéctico; la elevada dureza de estas partículas aumenta la resistencia al desgaste, aunque la presencia de estas fases de Si reduce la capacidad de deformación.

3.6 Al-Si-Mg

Hipereutécticas que permiten el tratamiento térmico, mejoran la resistencia y el límite elástico. El Be cambia la morfología de las fases frágiles de Fe, mejorando la tenacidad. Calidad premium.

3.7 Al-Si-Cu-(X)

El Cu aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad; aleación tratable térmicamente. El Ni refuerza la resistencia a altas temperaturas. Con mayor %Si se obtiene mejor colabilidad, resistencia y comportamiento a alta temperatura.