Mejoramiento de la resistencia a la compresión de la aleación Al-7Si-0.5Cu con adición de V, Ti y Zr

Abstract

Los cabezales de motor son las piezas del automóvil más expuesta a esfuerzos termodinámicos, y más específicamente a la fatiga térmica en las cámaras de combustión y la fatiga mecánica en las zonas del conducto de agua. Es por este motivo que es de gran relevancia estudiar las aleaciones que se utilizan en la elaboración de estos cabezales, pensando en que cada vez la industria automotriz exige aleaciones de mayor calidad que cumpla con las expectativas requeridas en la actualidad, es decir no solo se necesita resistencia y eficiencia en los materiales sino también deben ser amigables con el medio ambiente. El objetivo principal de esta tesis fue el mejoramiento de la resistencia a la compresión de la aleación Al-7Si-0.5Cu a temperatura ambiente y alta temperatura, con la adición de elementos aleantes titanio, vanadio y zirconio, de manera conjunta, en dos niveles cada uno (0.15 y 0.30 % en peso). Para ello, se planteó un diseño de experimentos factorial 2k, para elaborar 8 aleaciones con diversos contenidos de esos elementos, más la aleación de referencia Al-7Si-0.5Cu. Las aleaciones fueron elaboradas a partir de aluminio primario puro y la adición de Ti, V y Zr se hizo a partir de aleaciones maestras Al-Ti, Al-V y Al-Zr. Para la fundición se utilizó un horno de crisol de resistencias eléctricas, la desgasificación se hizo con una lanza y gas argón y el colado de aleaciones se realizó en moldes metálicos. Posterior a ello las aleaciones experimentales, fueron tratadas térmicamente con un tratamiento T6 y a otro lote, se les aplicó un tratamiento térmico de sobre envejecido de 100h a 250oC. La composición química de las aleaciones se obtuvo por espectrometría de emisión óptica, la caracterización micro estructural se realizó por microscopía óptica y microscopio electrónico de barrido (SEM) equipado con espectrómetro de energía dispersiva (EDX). La identificación de las fases se hizo por difracción de rayos X. Las pruebas de resistencia a la compresión a temperatura ambiente y alta temperatura se hicieron en una máquina de pruebas universal. Para las pruebas alta temperatura se empleó una cámara ambiental del tipo caja reforzada de resistencias eléctricas. Las propiedades de compresión a temperatura ambiente y dureza se determinaron para las aleaciones en condición de colado, tratado térmicamente y sobre envejecido, mientras que las propiedades de compresión a alta temperatura (250oC) se realizaron a únicamente para las aleaciones sobre envejecidas. Finalmente, se realizó un análisis del efecto de las variables en la resistencia a la compresión y dureza, para las condiciones colado, tratado térmicamente y sobre envejecido empleando el Software Design Ease 7.1, obteniendo también las ecuaciones para calculan la resistencia a la compresión. 8 En cuanto a los resultados del análisis microestructural, la aleación base, A0, (Al- 7Si-0.5Cu), consiste de una estructura dendrítica típica de una aleación colada, con un eutéctico Al-Si con agujas de silicio y particulas de Al-Cu y CuAl2. En la condición de tratamiento térmico, el silicio eutéctico entró en solución y las partículas de silicio que permanecen, engrosaron y esferoidizaron, debido al tratamiento por solución y envejecido. Mientras que el sobre envejecido de la aleación produjo la formación y engrosamiento del eutéctico. En general, al añadir V, Ti y Zr en la aleación Al-7Si-0.5Cu, modificó el tamaño y morfología del silicio eutéctico en la condición de colada, obteniendo en consecuencia una microestructura fina y dispersa en las condiciones de tratamiento térmico y muy en particular en la condición de sobre envejecido, favorable para el comportamiento mecánico. El análisis de difracción de rayos x de las aleaciones experimentales, mostró la presencia de Fe, Al, Ti, Si, CuFe en las tres condiciones estudiadas coladas, tratadas térmicamente y sobre envejecidas. Por otra parte, durante el tratamiento térmico ni en el sobre envejecido, se detectó la formación de otras fases. El análisis por DRX no reveló la presencia de fases con V, Ti y Zr, quizá debido a su bajo porcentaje. En el análisis por EDX, se observó que: en la condición colada, la microestructura de las aleaciones experimentales está formada por silicio eutéctico en una matriz con elementos Si, V, Ti, Fe, Cu y Zr en solución sólida. Mientras que en las aleaciones V, Ti y Zr (aleaciones1, 4 y 8) se identificaron además fases complejas como: AlSiTiFeCuZr, AlSiFeCuZr y AlSiZr y AlSiTiVZr en condición colada, tratada térmicamente y sobre envejecida. En general, la adición de V, Ti y Zr en la aleación colada Al-7Si-0.5Cu, elevó su dureza. Los resultados de pruebas de compresión a temperatura ambiente mostraron que el añadir elementos aleantes Ti, V y Zr es benéfico para el mejoramiento de las propiedades de compresión de la aleación base Al-7Si-0.5Cu particularmente en la condición de sobre envejecido. La aleación más recomendable es la aleación 8 (Al- 7Si-0.5Cu-0.30V-0.30Ti-0.30Zr), ya que presentó mejores propiedades en compresión que la aleación base en las tres condiciones, colada, tratada térmicamente y sobre envejecida. Los resultados de los ensayos de compresión de aleaciones sobre envejecidas por 100 h a 250°C y ensayadas a alta temperatura 250oC confirman el efecto favorable de la adición de elementos de aleación V, Ti y Zr, ya que elevan notablemente la resistencia a la compresión respecto de la aleación sin aleantes, aleación Al-7Si 0.5Cu. La aleación número 4 (Al-7Si-0.5Cu-0.15V-0.30Ti-0.30Zr) ya que presentó un incremento del 16.8 %. 9 Por otra parte, el estudio de análisis de variables realizado en el software Design- Ease 7.1, mostró que el titanio es el elemento que contribuye en mayor cantidad a la mejora de las propiedades de compresión en las aleaciones experimentales, además, en este estudio se obtuvieron las ecuaciones para determinar la resistencia a la compresión a temperatura ambiente, a alta temperatura y la dureza.