sobre estudios para establecer un procedimiento industrial para

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
11-15
SOBRE ESTUDIOS PARA ESTABLECER UN PROCEDIMIENTO INDUSTRIAL
PARA PRODUCIR PIEZAS MEDIANTE COLADA A PRESION (DIE-CASTING)
FUNDIENDO MATERIAL COMPUESTO DE MATRIZ METALICA
B. Molinas, F. Bonollo *, H.A. Peretti #, D. Giantin
Venezia Tecnologie SpA (Gruppo ENI) - Porto Marghera, Italia
[email protected] ; www.veneziatecnologie.it
(*) Universidad de Padua, Italia
[email protected] ; www. gest.unipd.it
Resumen: Los materiales compuestos de matriz metálica (Metal Matrix Composites, MMC), es decir, aleaciones
conteniendo en su interior refuerzo de partículas o fibras, han sido poco utilizados como material para ser colado a
presión, tal como se hace con otras aleaciones en la producción industrial de piezas. El motivo puede encontrarse, por
un lado, en la dificultad de obtener una pieza final con las buenas características que poseía el material de partida
(morfología, dimensión y distribución del refuerzo; interfase matriz-refuerzo), y por otro, en la necesidad de introducir
algunos cambios en el sistema de colada a presión. Esto último puede involucrar modificaciones del molde, del crisol y
material fundido, así como optimización de los parámetros de máquina. En este trabajo se estudian defectos
característicos observados en piezas coladas a presión con aleación de Al conteniendo partículas de SiC, mediante
metalografía y radiografía, en función de parámetros de producción. Se discute sobre las condiciones más favorables del
proceso de colada, y se muestra que mediante la "personalización" de cada caso (selección del tipo de matriz y refuerzo,
geometría de la pieza, eventuales modificaciones del molde sugeridas por un "modelling" de fundición, etc.) la
producción industrial es viable.
Palabras clave : Colada a Presión (Die Casting), Materiales Compuestos de Matriz Metálica (Metal Matrix Composites,
MMC), Aleaciones de Aluminio (Aluminum Alloys).
1. INTRODUCCIÓN
La manufactura de materiales compuestos de matriz
metálica (MMC, de "metal matrix composites"), puede
ser llevada a cabo, según el tipo de aleación y de
refuerzo utilizados, por varios métodos, por ejemplo:
extrusión, forjado, colada por gravedad, soldadura, etc.
Sin embargo, el potencial de estos materiales ha sido
hasta ahora limitado por los altos costos asociados a la
manufactura y al maquinado [1].
En el caso de la fundición, además del proceso de
colada por gravedad, está la posibilidad de utilizar el
método de colada a presión (“die casting”), es decir, la
inyección del material fundido en un molde con la
forma final de la pieza que se desea como producto.
Este método es muy difundido en el campo industrial
aplicado a la producción de piezas, no solamente de
materiales plásticos, sino también de aleaciones no
ferrosas, tales como las de Cinc y de Aluminio. A pes ar
de que el costo de elaboración del molde es elevado,
este hecho se compensa debido al gran número de
piezas que se pueden producir en breve tiempo, lo cual
hace que el método de colada a presión resulte
económicamente favorable.
La posibilidad de obtener por este método piezas con la
forma final deseada, pero no ya de aleación solamente,
sino de una aleación con refuerzo, representa un intento
#
interesante. Sin embargo, para lograr esto en forma
eficiente, varios aspectos tecnológicos tienen que ser
profundamente estudiados, como por ejemplo, la
colabilidad,
distribución
resultante
del
refuerzo,
posibles defectos, propiedades finales, etc., Esto ha
sido tenido en cuenta recientemente en forma general
con referencia a geometrías simples [2-4]. Los
estudios sobre el llenado de las cavidades del molde
por el flujo viscoso, la segregación del refuerzo y las
propiedades mecánicas en función de la temperatura de
la colada a presión en aleaciones de Al con refuerzo de
partículas de SiC indican que: 1) el flujo turbulento y el
enfriamiento rápido conducen al atrapamiento de gas,
produciendo porosidad; 2) el llenado inhomogéneo
resulta en una microestructura inhomogénea; 3) El
comportamiento mecánico y la homogeneidad del
refuerzo mejoran para temperaturas de colada altas (≈
700 °C).
El objeto del presente trabajo es evaluar la factibilidad
de la colada a presión de compuestos de matriz base Al
con refuerzo discontinuo, en piezas reales industriales
de geometría complicada. En este caso se trata de una
aleación de Al con 14 % en volumen de SiC (p) de
tamaño promedio 12 µm. Se analiza el efecto de los
parámetros del proceso sobre la calidad final del
compuesto mediante el estudio de diferentes zonas
críticas de las piezas, utilizando la técnica de ensayos
Dirección permanente: Centro Atómico Bariloche – S.C. de Bariloche (RN), Argentina - [email protected]
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no destructivos de rayos X y análisis de imagen en
microscopía óptica.
2. EXPERIMENTAL
efectuó en ambas partes un relevamiento de las zonas
“críticas” donde es esperable la aparición de defectos o
inhomogeneidades.
Estas
zonas
se
identifican
conformando un “mapa de calidad” de las piezas de
compuestos colados a presión, tal como se muestra en
la Fig. 2 para la parte B.
El material de partida es un lingote de “composite”
Al/SiC(p) Duralcan F3D10S, con un 10% en volumen
nominal de refuerzo y composición nominal de la
matriz dada por la siguiente tabla (% en peso):
Si Fe Cu Mn Mg Ni Ti Zn otros Al
9,5 0,8 3 0,5 0,3 1 0,2 0,03 0,03 bal.
El rango de temperatura de fusión de esta aleación es
(524-571)°C.
Las coladas a presión se efectuaron en una máquina
“Colosio” de 250 Ton. La temperatura del horno con el
compuesto fundido bajo agitación era de 715±10°C. El
diámetro de la cámara de inyección y el pistón era de
45 mm y el tiempo total del ciclo de 34 s. Fueron
fundidos unos 300 Kg de material compuesto.
Se impusieron tres rangos de temperatura del baño y de
velocidad del pistón en la segunda fase, asignándole a
cada condición de colada un código, según se indica en
la Tabla I:
Código
de Colada
C-3
C-4
C-5
C-6
C-7
C-8
C-9
C-10
C-11
Tabla I
Temp. Velocidad
Colada 2da. fase
(°C)
675
Media
670
Alta
678
Baja
709
Media
711
Alta
710
Baja
750
Media
754
Alta
760
Baja
Temp.
Molde
(°C)
160
150
166
170
170
155
156
140
130
A los efectos estadísticos se efectuaron 10 coladas para
cada condición una vez que la máquina entraba “en
régimen”
con
numerosas
coladas
preliminares.
Además, como referencia, para confrontar resultados
de colada a presión del compuesto con los de una
aleación de Al sin refuerzo, se efectuaron otras diez
coladas con una aleación base Al conteniendo Si como
aleante principal. Dichas coladas se efectuaron en la
condicion usual de colada a presión de esa aleación
(condición referida en adelante con el código de colada
RDS). Si bien se trata de un centenar de piezas
estudiadas, el número total de coladas realizado fue
más de 300, dado que para cada condición, como ya se
dijo, era necesario entrar en régimen.
La pieza elegida para obtener por colada, tapa porta
rulemán de un motor eléctrico, es de producción
industrial (Fig.1). La investigación se llevó a cabo
sobre la producción total. La parte izquierda (A) y la
derecha (B) de la pieza colada se consideraron
separadamente. Para llevar adelante el estudio, se
Fig. 1. Resultado de colada consistente en dos piezas
iguales A y B.
Para el estudio de las piezas coladas se utilizo la
técnica de ensayos no destructivos de rayos X
(radiografía) para detectar porosidad gruesa, porosidad
difusa y fisuras. Para estudiar la microestructura y
distribución de las partículas del refuerzo se utilizó
microscopía óptica y análisis de imágenes.
Z0 →
Fig.2. Parte B de pieza colada y relevamiento de zonas
“críticas”
Se estudió, además, la posibilidad de efectuar un
seguimiento del desgaste del molde debido al efecto
abrasivo de las partículas cerámicas del refuerzo,
mediante la utilización de réplicas metalográficas con
la técnica empleada para evaluarlas. Resultados
obtenidos en otros moldes con diversos grados de
desgaste indican que esta técnica no destructiva es
factible de ser aplicada para tal fin (Fig. 2).
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muestran una buena homogeneidad en la distribución
del refuerzo, como se muestra en la Fig. 5.
Fig. 3. Izquierda: molde nuevo. Derecha: Molde a la
mitad de su “vida útil”. Ancho de cada foto: 1 mm.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Rayos X
A partir de la investigación radiográfica de las distintas
regiones de las partes A y B de todas las piezas
coladas, se determinó el porcentaje de defectos
encontrados en cada región para cada condición de
colada. La suma de los porcentajes de fallas de todas
las regiones correspondientes a una misma condición
de colada, permite definir un índice de defectos para
cada tipo de colada. En la Tabla II se comparan los
índices de defectos de las partes A y B de los distintos
tipos de coladas.
Se puede observar que las coladas tipo C5 y C11
presentan índices de defectos similares al de la colada
código RDS, correspondiente a aleación sin refuerzo.
Colada
código
C-3
C-4
C-5
C-6
C-7
C-8
C-9
C-10
C-11
RDS
Temp. de
colada
(°C)
675
670
678
709
711
710
750
754
760
Tabla II
Velocidad
de 2da.
fase
Media
Alta
Baja
Media
Alta
Baja
Media
Alta
Baja
Índice de
defectos
parte A
64,6
60,6
48,3
65,4
54,5
60,8
53,2
59,3
56,2
55,0
Índice de
defectos
parte B
60,5
59,6
58,0
65,4
67,1
62,9
66,0
55,7
50,9
47,3
3.2 Metalografía
Para el estudio metalográfico se tomaron piezas
correspondientes a las coladas código C5, C6 y C11
(señaladas en dicha tabla). El criterio seguido para
seleccionar las regiones a investigar tuvo en cuenta el
recorrido del flujo de llenado del molde. Dicho flujo,
así como las secciones de la pieza a ser estudiadas se
muestran en la Fig. 4.
La microestructura observada de las regiones Z1, Z5.1,
Z3.1, Z3.2 y Z0 para las coladas código C5, C6 y C11,
Fig. 4. Flujo de llenado (flechas) y secciones de la
pieza elegidas para estudio metalográfico (líneas).
Fig. 5. Microestructura típica del material compuesto
colado a presión. (Escala: ancho de foto ≈ 500 µm).
Al mismo tiempo se encuentran indicaciones de que
ocurre la ruptura de lagunas partículas del refuerzo
durante la colada a presión, tal como se muestra en la
Fig. 6.
Fig. 6: Ruptura de partículas de refuerzo durante la
colada a presión. (Escala: ancho de foto ≈ 200 µm).
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deq
3.3 Análisis de imágenes
El resultado del análisis de imágenes llevado a cabo
sobre las metalografías se puede visualizar en el gráfico
de la Fig. 7, donde se muestra el diámetro equivalente
de las partículas del refuerzo en las distintas regiones, a
lo largo del llenado y para los tres tipos de condiciones
de colada elegidas.
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
C5
C6
C11
3. CONCLUSIONES
Z0
Z3.1
Z3.2
Z3.3
Z1
Z5.1
zone
Fig. 7. Diámetro equivalente de partículas (en µm) para
distintas regiones y condiciones de colada.
Se puede observar que el diámetro equivalente (12 µm
en la materia prima), decrece al incrementar la
temperatura de la colada y al incrementarse la longitud
del camino recorrido en el molde.
También se encontró que el contenido promedio de
refuerzo determinado por análisis de imágenes resultó
ser del 14 % en volumen, diferente del valor nominal
del 10 % indicado por el fabricante.
Se encontró también que el contenido promedio de
refuerzo en las sucesivas series de coladas en diferentes
condiciones (siguiendo los códigos indicados en la
Tabla II), fue disminuyendo (ver gráfico de Fig. 8). Se
deduce, entonces, que es muy necesario un buen
control de la homogeneización del refuerzo dentro del
crisol que contiene el compuesto fundido a ser colado a
presión.
25
20
area%
del compuesto líquido antes de la colada, para
preservar una cierta granulometría final. Es esperable
que mediante la aplicación de modelos computarizados
(Magmasoft
y/o
Procast),
se
pueden
hacer
simulaciones, por ejemplo, de variación de viscosidad
del líquido, termoregulación del molde para controlar
tiempos de enfriamiento y tensiones internas de origen
térmico. También se pueden ensayar soluciones
variando el diseño del molde, como introducir
nervaduras, aumentar espesores y variar canales de
colada.
C5
C6
C11
15
10
Se concluye que es posible efectivamente colar a
presión piezas utilizando Al / SiC(p) , aún en el caso de
que los parámetros de trabajo necesiten una
configuración específica.
En cuanto a la comprensión del efecto de los
parámetros del proceso sobre la calidad final del
compuesto, se concluye que:
- Para altas temperaturas de colada y velocidades de
inyección,
los
índices
de
defectos
y
las
microestructuras revelan que se obtiene un nivel de
calidad similar al de una colada a presión convencional
de aleación de Al (sin refuerzo).
- El proceso cambia el material: las partículas del
refuerzo disminuyen su tamaño.
- La cantidad de refuerzo dentro de la matriz tiene que
ser controlado por una apropiada verificación de las
condiciones del crisol.
Agradecimientos
Los autores agradecen profundamente la colaboración
prestada por Fabio Lo Re, Gianmarco Sabatino y el
personal de la empresa de colada a presión “RDS” de
Torreglia, Italia, que permitieron la concreción de este
trabajo.
REFERENCIAS
5
[1]
0
Z0
Z3.1
Z3.2
Z3.3
Z1
Z5.1
zone
Fig. 8. Porcentaje de área del refuerzo para las
diferentes regiones y coladas.
Se
puede afirmar que las pruebas industriales
efectuadas y la caracterización de las piezas han
demostrado la factibilidad del proceso. Se ha
demostrado que la colada a presión modifica en
algunos casos fuertemente la morfología de las
partículas (reducción del diámetro equivalente medio;
modificación de la curva de distribución). La solución
del problema prevé la intervención del “modelling” en
el diseño del molde y/o modificaciones en el refuerzo
[2]
[3]
[4]
F. Bonollo, “Compositi a matrice di alluminio:
stato dell’arte e prospettive di impiego”, La
Metallurgia Italiana, 91, Issues 1-12, 1999, pp.
17-23.
C.B. Lin, C.L. Wu, C.H. Chiang, “Analysis of
mold flow and microstructures of die casting in
Al alloy/ SiC(p) composites”, Journal of Material
Science, 34,1999, pp. 2229-2340.
T.W. Lee, C.H. Lee, “Statistical analysis for
strenght and spatial distribution of reinforcement
in SiC particulate reinforced aluminum alloy
composites fabricated by die-casting”, Journal of
Material Science, 35, 2000, pp. 4261-4269.
C.B. lin, C.L. Ma, Y.W. Chung, “Microstructure
of A 380-SiC(p) composites for die casting”,
Journal of Materials Processing Technology, 48,
1998, pp. 236-256.