Propiedades de las aleaciones de aluminio

Porque ambos aleaciones de fundición de aluminio y sus equivalentes forjados obtienen sus cualidades deseadas de los elementos de aleación y del tratamiento térmico, son químicamente bastante similares. Una característica distintiva entre ambas es la ausencia de endurecimiento por deformación durante el proceso de desarrollo de las propiedades de fundición. Debido a esta disparidad, algunos elementos de aleación utilizados en las aleaciones de fundición y en las aleaciones de forja desempeñan funciones diferentes.

La moldeabilidad de un aleación de aluminio de fundición es el principal criterio para distinguirla de una aleación forjada. Las aleaciones de fundición presentan dificultades distintas en comparación con los productos forjados, que suelen fabricarse mediante técnicas de fundición que dan prioridad a las secciones transversales básicas redondas o rectangulares. En el caso de las piezas moldeadas de ingeniería con geometrías complejas y velocidades de solidificación variables, es necesario tener en cuenta consideraciones particulares relativas al comportamiento de las aleaciones durante la solidificación. Para limitar estas tendencias, es necesario seleccionar las aleaciones para la fundición de forma de manera que se evite el agrietamiento durante y después de la solidificación y se mitigue la contracción interna.

La palabra "colabilidad" es un factor clave para averiguar si una composición puede solidificarse en un determinado proceso de colada, lo que es necesario para asegurarse de que se hacen coladas perfectas. Hay varios factores que afectan a la capacidad de colar algo en la colada por gravedad. Entre ellos están la fluidez, que mide lo bien que se puede llenar el molde, la resistencia al agrietamiento en caliente durante y después de la solidificación, y las características de alimentación que facilitan que el metal fluya durante la solidificación, lo que reduce el riesgo de huecos por contracción.

Es posible medir y definir con precisión la fluidez en la colada por gravedad, ya que se trata de un factor polifacético. Las temperaturas por encima del liquidus o el grado de recalentamiento son los que más influyen en esta característica. Es habitual que las composiciones eutécticas o casi eutécticas tengan más fluidez a temperaturas normales de llenado.

En el caso de la fundición a presión, los elementos que hacen que algo sea moldeable ahora incluyen su capacidad para resistir el agrietamiento en caliente, el flujo, la soldadura de la matriz y el acabado superficial. Cada una de estas partes es muy importante para que el proceso de fundición funcione. Encontrar el equilibrio adecuado entre estos factores es importante para garantizar que las piezas fundidas no tengan defectos, que satisfagan las necesidades de los distintos métodos de fundición y que el producto final se mantenga sólido.

Las bandas solidus-liquidus estrechas suelen ir ligadas a mejores propiedades de alimentación, sobre todo cuando hay un mayor porcentaje de líquido a la temperatura eutéctica. Los efectos de los elementos sobre la resistencia a altas temperaturas y la velocidad de solidificación son los principales factores que determinan la probabilidad de que algo se solidifique y se agriete después de haberlo hecho.

La química del metal tiene mucho que ver con la soldadura de la matriz, que es una parte importante de la fundición. Sin embargo, el estado de la matriz y otros factores del proceso también son muy importantes. Los grados de colabilidad, que van de la A a la F o de 1 a 10, o de "excelentes características de colada" a "malas características de colada", se crearon con mucha práctica.

Las aleaciones de fundición que tienen más silicio que la mayoría de las aleaciones forjadas son muy útiles, sobre todo para grandes volúmenes. La adición de silicio a los moldes los hace más fluidos, menos propensos a agrietarse a altas temperaturas y más fáciles de alimentar. Los distintos métodos de fundición necesitan distintas cantidades de silicio para obtener los mejores resultados. Los procesos que utilizan mucho calor prefieren metales que tengan más silicio, lo que los hace más fluidos. El proceso de fundición controla los gradientes en la zona de solidificación, que afectan al mecanismo de alimentación. Este mecanismo es muy importante para equilibrar la contracción interna. En general, los metales con menores gradientes de solidificación son más fáciles de fundir.

Aunque funcionan bien para la fundición, muchas aleaciones de aluminio populares en fundición no dependen sólo del silicio. Una de las mejores cosas del aluminio es que puede reciclarse. Esto ha llevado a la creación de aleaciones de fundición que están especialmente hechas para fabricar cosas a partir de chatarra refundida. Estas fórmulas "secundarias" tienen rangos de impurezas más amplios porque incluyen más elementos como impurezas para tener en cuenta las diferencias en las materias primas. Las aleaciones primarias, por su parte, se fabrican a partir de aluminio fundido, metales industriales y aleaciones maestras. Tienen límites más estrictos de impurezas relacionadas con los elementos.

Ventajas y limitaciones de las fundiciones de aleaciones de aluminio

La producción de piezas de fundición de aleaciones de aluminio presenta una amplia gama de aleaciones, lo que pone de relieve la gran versatilidad de las características que se pueden conseguir. La Asociación del Aluminio registra más de 100 composiciones, mientras que en todo el mundo se aplican más de 300 aleaciones. Además de la versatilidad que ofrecen las estructuras de matriz metálica y otras estructuras compuestas, estas aleaciones presentan una amplia gama de propiedades, entre las que se incluyen:

Resistencia a la tracción, ksi (MPa) 10-72 (70-505)
Límite elástico, ksi (MPa) 3-65 (20-455)
Elongación, % <1-30
Dureza, HB 30-150
Conductividad eléctrica, %IACS 18-60
Conductividad térmica, Btu - pulg./h - ft2 - °F a 77 °F
(W/m - K a 25 °C)
660-1155 (85-175)
Límite de fatiga, ksi (MPa) 8-21 (55-145)
Coeficiente de dilatación térmica lineal
a 20-100 °C (68-212 °F)
9.8-13.7 [1] 10-6/°F
(17.6-24.7) [1] 10-6/°C)
Resistencia al cizallamiento, ksi (MPa) 6-46 (42-325)
Módulo de elasticidad, 106 psi (GPa) 9,5-11,2 (65-80)
Peso específico 2,57-2,95

La capacidad de fabricar piezas casi precisas con dimensiones exactas, acabado superficial regulado, geometrías intrincadas, incluidos los pasajes internos, y propiedades que se ajustan a las normas de ingeniería especificadas constituyen notables ventajas de fabricación, como se indica a continuación.

• En muchos casos, los conjuntos soldados o unidos de varios componentes pueden sustituirse por una sola pieza de fundición.
• La reducción de los requisitos de mecanizado contribuye a ahorrar costes y tiempo.
• Las piezas de fundición de aleaciones de aluminio presentan variaciones controladas en su acabado.
• Se pueden resaltar los contrastes entre los acabados de fundición y los mecanizados para crear efectos estéticos agradables.
• Los requisitos de capital suelen ser menores en comparación con los productos forjados.
• Las opciones de utillaje abarcan desde patrones sencillos hasta intrincadas matrices de acero para herramientas, atendiendo a diversos requisitos de productos y volúmenes de producción.
• La fundición de rutina incluye piezas bimetálicas unidas metalúrgica o mecánicamente.
• Las piezas de aluminio se funden mediante diversos procesos, que ofrecen versatilidad en cuanto a volumen, productividad, calidad, mecanización y capacidades especializadas.
• La mayoría de las aleaciones de fundición de aluminio se ajustan a los requisitos de la fundición, lo que garantiza la producción de piezas de alta calidad.
• Varias aleaciones de fundición de aluminio demuestran una excelente fluidez, lo que facilita la fundición de secciones finas y detalles intrincados.
• Las temperaturas de fusión más bajas de las aleaciones de fundición de aluminio contribuyen a la eficiencia energética.
• Los procesos de fundición de aluminio se prestan a altos niveles de automatización, aunque se aplican ciertas limitaciones, como los retos que plantean las secciones muy finas que pueden no ser moldeables.

Las fundiciones de aleaciones de aluminio encuentran limitaciones prácticas de tamaño en procesos de fundición específicos, influidos por el comportamiento de solidificación de determinadas aleaciones que pueden dificultar la fundición en configuraciones de ingeniería intrincadas o métodos de fundición especializados. A pesar de la simplicidad y la menor intensidad de capital del proceso de fundición en comparación con la producción de piezas forjadas, extrusiones y productos laminados, la solidificación en formas geométricas complejas, al igual que otras opciones de fabricación, puede dar lugar a discontinuidades superficiales y características de microestructura interna con diversos grados de calidad, lo que influye posteriormente en las propiedades y el rendimiento.

En particular, las fundiciones de aleaciones de aluminio tienen el potencial de mostrar propiedades de tracción comparables a la mayoría de las piezas forjadas, extrusiones y chapas laminadas. Las características distintivas de los productos forjados, como las estructuras de grano finamente recristalizadas con anisotropía específica y las características microestructurales altamente texturadas, a menudo dan lugar a una mayor ductilidad en direcciones longitudinales en comparación con las piezas fundidas con estructuras de grano más grueso. Por el contrario, la estructura de grano típicamente uniaxial y la ausencia de anisotropía en las estructuras de fundición simplifican el trabajo de los ingenieros de diseño, eliminando los retos asociados a las limitaciones de las propiedades transversales.

¿Qué tipo de materiales de fundición a presión de aluminio se utilizan?

Cuando se trata de fundición a presión de aluminio, la elección del material influye significativamente en las características y la funcionalidad de los componentes finales. Muchas aleaciones de aluminio responden a necesidades específicas. Una serie de criterios, como la resistencia, la resistencia a la corrosión, la conductividad térmica y las características de fundición, determinan la selección de estas aleaciones. Estos son algunos de los tipos de materiales más utilizados en la fundición a presión de aluminio:

Fundición de aleación de aluminio Especificaciones

Las aleaciones de fundición de aluminio se rigen por normas y especificaciones diferentes. Esto es especialmente cierto en EE.UU., donde la Asociación del Aluminio hace un seguimiento de la química de las aleaciones y las prácticas de temperatura. Grupos como ASTM, el ejército y las agencias federales establecen y aplican normas y requisitos para la adquisición. Los procedimientos cubiertos por estas normas incluyen la inspección radiográfica y por líquidos penetrantes, técnicas de ensayo para averiguar las propiedades químicas, mecánicas y físicas, y otros pasos importantes. A menudo, el comprador cambia las especificaciones para adaptarlas a determinadas piezas o grupos de piezas. Es muy importante que tanto el fabricante de piezas de fundición como el cliente se pongan de acuerdo sobre las especificaciones y las excepciones antes de realizar la compra.

Las especificaciones de las fórmulas de las aleaciones de aluminio incluyen elementos principales, secundarios y de impurezas, cada uno de los cuales tiene una función diferente:

Principales elementos de aleación: Establecen los rangos que controlan la calidad del metal y cómo cambian sus propiedades con el tiempo.

Elementos menores en las aleaciones de fundición de aluminio: modifican la solidificación de la aleación, la estructura del eutéctico, las fases principales, el tamaño y la formación del grano y el desarrollo de las fases. Además, contribuyen a reducir la contaminación.

Elementos de impureza: Afectan a la facilidad de fundición del material y a la insolubilidad de las fases, lo que a veces puede favorecer o perjudicar las cualidades deseadas.

Aunque las especificaciones de las aleaciones de fundición de aluminio no digan exactamente cuáles son las mejores concentraciones y relaciones de elementos principales, secundarios y de impurezas, las químicas nominales no prometen automáticamente los mejores resultados. Dentro de ciertos límites químicos, los elementos que controlan la estructura pueden añadirse solos o en grupos. Esto es especialmente cierto cuando no se mencionan específicamente en "Otros elementos cada uno".

Se pueden dar proporciones estequiométricas para la formación de fases preferidas, pero puede que no siempre estén claras o controladas. Los límites de concentración le dan la libertad de cambiar la composición para mejorar la colabilidad y el crecimiento de las propiedades. Es posible obtener las mayores cantidades de elementos que forman fases endurecedoras para conseguir los materiales más resistentes. Para mejorar la ductilidad, en cambio, se necesitan estructuras más finas, menores cantidades de elementos insolubles y un control cuidadoso de los niveles de impurezas para favorecer la formación de los constituyentes intermetálicos menos dañinos. El sesgo de la composición puede establecerse cuando se compra el lingote o puede producirse cuando se cambia la aleación en la forja.

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