Comportamiento microstructural y mecánico de las aleaciones Al-5Cu y Al-7Si aplicadas en cabezales de cilindro en motores a diésel

Abstract

En la actualidad una gran cantidad de los nuevos vehículos vendidos en el mercado están equipados con motores diésel. Estos motores se someten a altos niveles de esfuerzo termomecánico en los cabezales de motores a diésel, de las cuales la más importante parece ser la fatiga térmica en las cámaras de combustión y la fatiga mecánica en las zonas del conducto de agua. Es por lo anterior que se consideró de gran impacto el desarrollo de este trabajo que consiste en evaluar el comportamiento de las propiedades mecánicas de los dos tipos principales de aleaciones empleadas en cabezales de motores a Diésel, en la actualidad: las del tipo Al-5Cu y las de Al-7Si. Así mismo, existe una tendencia importante de adicionar elementos como vanadio titanio y zirconio en pequeñas cantidades para elevar su resistencia mecánica a altas temperaturas. Para poder comprobar sus beneficios, en este trabajo se adicionaron estos elementos a ambas aleaciones para conocer su efecto. Po otra parte, existe cierta controversia en cuanto a la conveniencia de adicionar magnesio en las aleaciones Al-5Cu para elevar su comportamiento mecánico a temperatura ambiente, por ello se estudió en efecto de la adición de magnesio en estas aleaciones. Adicionalmente se hicieron tratamientos térmicos convencionales a las aleaciones Al-5Cu y Al7Si para observar su efecto en conjunto con la adición de vanadio, titanio, zirconio y en su caso de magnesio. Para las pruebas de alta temperatura se aplicó un tratamiento de envejecido a alta temperatura, 250 y 300°C, durante 100 horas para analizar el deterioro de las propiedades mecánicas en las aleaciones Al-5Cu y Al-7Si, con la adición de vanadio, titanio y zirconio, así como magnesio. El comportamiento mecánico fue relacionado con el comportamiento microestructural de cada una de las aleaciones estudiadas. La caracterización se hizo mediante técnicas convencionales de microscopía óptica y electrónica de barrido. Los resultados muestran que la adición de vanadio, titanio y zirconio a la aleación Al-5Cu vaciada, elevaron su dureza y resistencia última a la tensión debido a la mayor homogeneidad de la microestructura, presencia de partículas Al2Cu más finas y homogéneamente distribuidas. El efecto combinado de adición de vanadio, titanio y zirconio más el tratamiento térmico fue favorable debido a que modifica la microestructura y disuelve las fases eutécticas durante el tratamiento por solución, mientras que durante el envejecido se produce el endurecido por precipitación. La adición de magnesio a la aleación Al-5Cu con V, Ti y Zr más tratamiento térmico, mostró que el magnesio incrementó la dureza debido a una mayor homogeneidad de la microestructura y presencia de partículas Al2CuMg. La adición de V, Ti y Zr en la aleación Al-5Cu-0.36Mn incrementó el índice de calidad en ambas temperaturas de ensayo, 250 °C y 300 °C, al igual que con la adición de Mg en la aleación Al5Cu-0.36Mn-V-Ti-Zr también presentó un incremento en ambas temperaturas de ensayo, siendo la adición de 0.25Mg la mejor condición, debido a que presenta mayor homogeneidad en su microestructura y a una mayor presencia de partículas Al2CuMg. Aunque las aleaciones tomaron una misma tendencia a reducir su resistencia mecánica conforme se incrementó la temperatura de post envejecido y de ensayo. La adición de vanadio titanio y zirconio y la aplicación del tratamiento térmico T7 resultan conveniente para la aleación Al-7Si-4Cu-0.16Mn porque produjo un aumento en la dureza y resistencia última, debido a la mayor homogeneidad de la microestructura, presencia de partículas AlSi y Al2Cu más finas y homogéneamente distribuidas, el endurecimiento por precipitación y la probable presencia de dispersoides.