Desarrollo de aleaciones aluminio cobre de alto desempeño para la industria automotriz.

Esmeralda Gómez, Alma Graciela (2018) Desarrollo de aleaciones aluminio cobre de alto desempeño para la industria automotriz. Doctorado thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

Las aleaciones de aluminio se caracterizan por su baja densidad y su buena conductividad térmica, características por lo que son ampliamente utilizadas en la manufactura de componentes automotrices. El reto principal de la industria automotriz es obtener aleaciones de aluminio que; adicional a las características anteriormente mencionadas, tengan una buena resistencia mecánica para soportar altas presiones y temperaturas, bajo las condiciones que están sometidas en los motores de combustión interna. Aleaciones comerciales de aluminio tratables serie 3xx son utilizadas actualmente pero el cambio en diseño a motores más pequeños pero con mayor densidad de potencia hace imposible seguir utilizando este tipo de aleaciones, por lo que se buscan constantemente alternativas para obtener aleaciones que soporten las mismas condiciones y se tenga un mayor desempeño. Es así que, múltiples investigaciones han encontrado que las aleaciones tratables de aluminio serie 2xx pueden ser aplicadas en estas condiciones de operación, los principales inconveniente son los costos y su vaciabilidad. Para el desarrollo del presente trabajo de investigación se evaluaron cinco aleaciones de aluminio pertenecientes a la familia de las aleaciones tratables 2XX (Al-Cu), este grupo de aleaciones se utilizan para la manufactura de componentes automotrices que están sujetos a trabajar a altas presiones y elevadas temperaturas. La primera aleación seleccionada para estudiar fue la RR350, la cual contiene Ni, Co, Sb y Zr elementos a los que se atribuye su resistencia a elevadas temperaturas, pero por consecuencia resulta ser una aleación muy costosa. Otra de las aleaciones seleccionadas para el estudio fue la aleación comercial 206, se varió el contenido de Zr, para promover una resistencia mecánica adecuada a elevadas temperaturas. 2 Finalmente se propuso estudiar una aleación AlCuXX, propiedad intelectual de la empresa Nemak, pero modificando el contenido de Cu, resultando tres composiciones diferentes, esto principalmente para evaluar el efecto en resistencia mecánica y conductividad con el contenido de este elemento ya que podría significar un ahorro importante al trabajar con aleaciones con contenido de Cu más bajos a los actuales y sin elementos de aleación tan costosos como los de la RR350 pero sin sacrificar la resistencia y conductividad necesaria. Las aleaciones RR350, AlCu5MgZr (206) y AlCuXX pertenecientes a la familia de aleaciones Al-Cu, cuentan con los requerimientos para la demanda actual de mercado, sin embargo existe la desventaja de mayor costo contra las aleaciones comerciales actuales, por ser fabricadas a partir de lingote primario y por su alto contenido de Cu y otros elementos de alto costo. Con esta investigación se busca evaluar el comportamiento de las propiedades mecánicas de tensión a alta temperatura así como la conductividad térmica a través de la medición de difusividad en cada una de estas aleaciones de la familia 2XX. El objetivo primordial del presente trabajo consiste en encontrar una variante entre las aleaciones RR350, 206 con zirconio y variantes de la AlCuXX que cuenten con propiedades similares o de ser posible mejorarlas pero con un costo más accesible. Por consiguiente, es importante conocer y entender que mecanismos aportan buena resistencia en estas aleaciones hasta los 300°C y posteriormente buscar migrar a variaciones dentro del mismo sistema con menos costo sin sacrificar su comportamiento mecánico a altas temperaturas. La metodología experimental consistió en vaciar muestras con una velocidad de solidificación direccionada de las cuales se evaluaron muestras con la velocidad de solidificación equivalente a zonas específicas de componentes automotrices que están 3 sometidos a altos requerimientos mecánicos y térmicos como lo son las cámaras de combustión, mamelones de fijación y la cara de cámara de combustión. Posteriormente al seccionado, se sometieron a tratamiento térmico de solución, temple en agua y envejecido, todo esto bajo los parámetros comerciales de tiempo y temperatura utilizados para cada una. Adicionalmente, se realizó un tratamiento de post envejecido por 200hr, según la temperatura de ensayo 150, 200, 250 y 300⁰C para simular las condiciones de temperatura bajo las cuales están sometidos los motores de combustión interna y los resultados son comparados con muestras sin post envejecido (25⁰C). Se realizaron ensayos de tracción en una maquina universal marca Zwick-Roell que cuenta con una cámara ambiental siguiendo la norma ASTM E8. Así mismo, se maquinaron cilindros de 1cm de diámetro y fueron tratados bajo los parámetros de tratamiento antes mencionados, posteriormente se cortaron discos de 2mm de espesor para cada una de las condiciones y se les aplico pintura de grafito para crear un cuerpo negro y mejorar la absorción de la luz al realizarles la medición de difusividad térmica todo esto bajo norma E1416-07 método estándar laser flash para pruebas de Difusividad Térmica. Una de las principales conclusiones de este trabajo es que la velocidad de solidificación afecta de manera importante. Al aumentar la velocidad de solidificación se obtienen mejores valores de resistencia mecánica y se disminuye la porosidad, tamaño de grano y cantidad de fases segregadas en los bordes de grano como se muestra en las micrografías, todo esto hasta temperaturas de ensayos de 200⁰C, a temperaturas superiores este efecto deja de ser dominante. Se encontró que al aumentar el contenido de Cu, la precipitación de fases en las fronteras de grano es más abundante ya que este elemento se vuelve más insoluble en la matriz de aluminio. Otra de las conclusiones es que la aleación 206+Zr se mostró muy superior en resistencia en comparación al resto de las aleaciones hasta 200⁰C, mostrando que a esta 4 temperatura, el contenido de Cu no es el responsable total en la resistencia ya que las aleaciones con mayor contenido como la AlCu5.8XX y la AlCu7XX mostraron resistencias menores. La alta resistencia de la aleación 206+Zr se puede atribuir a la formación de intermetálicos de Mg y Cu (Al2MgCu, AlFeCu2 y Mg2Si). Se observa una mejor conductividad térmica a mayores velocidades de solidificación, así mismo al incrementar la temperatura de post envejecido se favorece notablemente el valor de la conductividad de las aleaciones. La aleación que mostro mejores valores de conductividad térmica superiores al resto fue la AlCu5MnZr.

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