Propiedades, Tratamiento Térmico T6 y Simulación de Aleaciones de Aluminio A356

Composición y Metalurgia de la Aleación A356

La aleación A356 destaca por su composición de Al + % de Si, siendo el silicio un elemento fundamental que aporta maleabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión.

Punto Eutéctico y Solidificación

Interesa tener una composición cercana al eutéctico para lograr una solidificación rápida a 12.2%, lo que implica una temperatura de soldadura baja de 577 ºC y la ausencia de la zona pastosa (mushy zone).

• Aluminio al 7%: Se considera hipoeutéctico (formado por Alfa-Al y Eutéctico Al-Si).

Aditivos y Modificadores

Para mejorar la estructura, se emplean aditivos específicos cuyas proporciones debemos controlar:

• Estroncio (Sr): Los granos de silicio se redondean.
• Titanio (Ti): Modifica las dendritas de Alfa-Al reduciendo su tamaño.

Foseco recomienda añadir, para un 7% de Ti, un 0.03% de Ti y 0.02% de Sr. Los productos comerciales utilizados son:

1. Midalloy 3.5: Contiene un 3.5% de Sr. Redondea los granos y mejora las propiedades mecánicas.
2. Finalloy 5/1: Contiene un 5% de Ti. Refina los granos, mejora la estructura y reduce la contracción (shrinkage) y la porosidad.

Cálculos en Excel de referencia: 54.6 g de Finalloy frente a 52 g de Modalloy.

Control de Gases

Nitral C19: Debe verterse justo antes del vaciado para eliminar el hidrógeno y reducir la porosidad.

Cálculo auxiliar: $\text{W}_{Ti} \frac{100}{0.03\text{g}} = \frac{9.1\text{g}}{x}$, donde para 100g con 5% Ti (Finalloy 5Ti/1Boro) se calcula el $\text{W}_{final}$ y $\text{W}_{Ti}$.

Tratamiento Térmico T6

El tratamiento T6 se aplica para incrementar el límite elástico (yield strength) y la resistencia a la tracción (tensile strength). Las etapas críticas del proceso son las siguientes:

1. Solubilización (Solution Treatment): Calentamiento hasta 540 ºC. Los granos de silicio crecen homogéneamente en la fase de la matriz. El número total de partículas disminuye y se vuelven más esféricas.
2. Temple (Quenching): Paso crítico. La velocidad de enfriamiento (cooling rate) debe ser mayor que el radio crítico de temple. Los precipitados quedan retenidos en la matriz debido al enfriamiento rápido, evitando que migren a los granos.
3. Envejecimiento Artificial (Artificial Aging): El endurecimiento se logra precipitando el silicio de la matriz, generando una dispersión de partículas que actúan como obstáculos para el movimiento de las dislocaciones.

Parámetros analizados en experimentos T6: Solubilización a 540 ºC durante 4 horas, temple en agua a 20 ºC, y envejecimiento artificial a 160 ºC durante 6 horas.

Simulación de Procesos de Fundición

Se han evaluado diferentes configuraciones de moldes y sistemas de llenado:

Análisis de Configuraciones

• Simulación 1 (Pequeña): 4 bebederos (hangers) y 4 placas base (basepl). Llenado rápido. Al cambiar el molde, se observa un alto nivel de contracción (shrinkage) y menor volumen, lo que se traduce en menor cantidad de piezas fabricadas.
• Simulaciones 2 y 3: Ambas con 6 bebederos y placas base. La simulación 2 presenta dimensiones de bebedero y sistema de canales (running system) mayores que la simulación 3 ($2 > 3$).
  • Llenado del molde: La opción 2 genera mayor turbulencia y es más rápida que la 3, aunque en ambas el llenado de piezas es correcto.
  • Contracción (Shrinkage): Opción $2 > 3$.
  • Solidificación: La opción 2 es más rápida que la 3, pero las piezas solidifican al mismo momento.
• Simulación 3 (Seleccionada): Elegida por presentar mejor contracción, mejor llenado del molde y menor turbulencia.
• Simulación 4: Similar a la 3, pero con menor volumen en el bebedero. Esto permite un llenado más rápido, menor consumo de material, solidificación más acelerada y, en consecuencia, una menor distancia entre brazos dendríticos (SDAS), lo que mejora las propiedades mecánicas.

Diseño Estructural de Paneles (Deck)

Metodología de diseño y selección de materiales:

1. Filtrado y Restricciones en CES Selector: Selección de 3 materiales compuestos de fibra de carbono (CF) y lino (Flax) sin matriz.
2. Formulación Mecánica: Cálculo de la deformación en el punto más solicitado mediante la fórmula $\delta = \frac{WL^3}{48EI}$ y el cálculo de tensiones con la fórmula de flexión $\sigma = \frac{My}{I}$ (considerando un momento en forma de triángulo).
3. Criterios de Selección: Carga de 75 kg / 5 mm de flecha máxima. El material debe ser adecuado para ensayos de flexión (Bendinerako egokia izan). Se emplean diagramas de Ashby en CES: Módulo de Young frente a densidad, precio frente a densidad, y límite elástico frente a densidad (aunque el impacto no se graficó, la rigidez y el límite elástico son prioritarios).
4. Cálculo de Inercia del Sándwich: A partir de 4 materiales candidatos, se calcula la inercia equivalente: $(EI)_{\text{bulk}} = (EI)_{\text{cf}} + (EI)_{\text{corcho}}$. El espesor de la fibra de carbono se fija por criterio de diseño y se evalúa el espesor del corcho.
5. Comprobación de Resistencia: Verificación mediante la fórmula $\sigma = \frac{My}{I} < \text{límite elástico}$ ($\text{lower yield strength}$). Si se cumple, la estructura no rompe. Se selecciona el espesor inferior a 12 mm que resulte más económico.

Orientación de Fibra

• 0/90º: Óptimo para tracción y flexión (tensile/bending).
• 45/-45º: Óptimo para torsión.
• Núcleo: Corcho orientado a 90/-45/90º.

Índices de Rendimiento (IR): Rigidez máxima $\propto \frac{E^{1/3}}{\rho}$, Resistencia máxima a tracción $\propto \frac{1}{CA}$, Resistencia al impacto $\propto \frac{\sigma_{y}^{0.5}}{\rho}$.

Control de Contaminación y Filtración de Gases

Se analizan los procesos de contaminación industrial:

• Oxidación: Térmica y catalítica.
• Sistemas de Mitigación: Biofiltros y carbón activado (activated carbon).

El carbón activado destaca por ser la opción más económica y con alta eficiencia. En el diagrama de emisiones a 700 ºC se identifican gases como tolueno, estireno y benceno.

La mayor parte de las partículas presentan un tamaño de 0.3 micras, las cuales se retienen empleando filtros textiles (textile filters).