Desarrollo y producción de materiales compuestos de matriz de aluminio a escala semiindustrial para componentes de automoción
Fecha
2015
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Editor
Universidad Rey Juan Carlos
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Resumen
Las aleaciones de aluminiosilicio
reforzadas con partículas de carburo de silicio,
compuestos Al/SiCp en adelante, son materiales excelentes para aplicaciones
estructurales y funcionales que presentan un mayor módulo elástico, menor coeficiente
de expansión térmica, comportamiento a desgaste superior y una mayor dureza, que las
correspondientes aleaciones sin reforzar. Entre las técnicas convencionales de
fabricación de los compuestos Al/SiCp, el procesado por vía líquida destaca por su
rentabilidad, sencillez y una amplia selección de condiciones de procesado. Sin
embargo, también presenta limitaciones, como la dificultad en la dispersión del
refuerzo, especialmente a pequeños tamaños, reacciones interfaciales o porosidades.
En el presente trabajo se ha desarrollado un método de fabricación por vía líquida
de materiales compuestos de aluminio reforzados con partículas para su posterior
extrapolación a escala industrial. Para ello, en un primer lugar se han estudiado diversas
condiciones experimentales que han permitido solventar algunos de los problemas
típicos del procesado por vía líquida y establecer unos requerimientos básicos de
procesado. Entre ellas, debido a la baja mojabilidad entre ambos constituyentes a bajas
temperaturas, es imprescindible el desarrollo de la etapa de mezclado del refuerzo con
la aleación fundida en el interior del horno para mantener la temperatura en torno a los
700 °C; además, se requiere el empleo de un agitador con geometría de hélice que
permita la dispersión del refuerzo gracias a la generación de corrientes verticales en el
seno del fundido. Posteriormente, se han estudiado otras alternativas para mejorar la
interacción entre la matriz y el refuerzo, como la generación de recubrimientos de sílice
en la superficie de este último, mediante oxidación directa o el método solgel.
De esta manera se ha logrado reforzar con éxito las aleaciones A356 y A380 con
partículas de SiC y flyash
de tamaño nanométrico y micrométrico en porcentajes de
hasta el 20 % de refuerzo, tanto en condiciones de recepción, como recubiertos de sílice.
La incorporación de partículas de SiC entre 15,3 y 52,0 ¿m de tamaño medio en
porcentajes del 10 y 20 % a la aleación A356 origina microestructuras muy homogéneas
con una excelente dispersión del refuerzo y una porosidad mínima. La porosidad
detectada en compuestos reforzados con partículas de pequeño tamaño ha resultado ser
mayor debido a la tendencia a la aglomeración de estos refuerzos. Procesos secundarios de extrusión han demostrado su capacidad para mejorar la distribución de las
partículas nanométricas.
Se ha logrado una mejora importante en las propiedades mecánicas respecto a las
aleaciones sin reforzar, en concreto se ha logrado aumentar la dureza de la aleación
A356 en un 90 % para un 20 % de partículas de SiC de 15,3 y 52,0 ¿m; mientras que el
módulo de Young se incrementa hasta en un 20 % por la adición de un 20 % de SiC de
15,3 ¿m. Además, se ha determinado que el comportamiento a desgaste de los materiales
compuestos depende en mayor medida del porcentaje de refuerzo que del tamaño del
mismo. Se observaron capas de aleación mecánica con un efecto positivo en la respuesta
a desgaste del material. Los resultados de los ensayos de flexión han demostrado la
efectividad de los recubrimientos solgel
para mejorar la unión matrizrefuerzo.
Los estudios de reactividad interfacial han demostrado que la degradación que
sufre el refuerzo por la exposición a la aleación fundida durante largos tiempos y
elevadas temperaturas puede inhibirse gracias a los recubrimientos solgel
hasta
temperaturas de 800 °C. Aunque se produce un efecto endurecedor en condiciones de
procesado extremas, la degradación del refuerzo conduce a un empeoramiento de la
respuesta mecánica del compuesto.
El tratamiento superficial mediante láser de aleaciones y compuestos permite el
refinamiento del microconstituyente
eutéctico en condiciones SLSM (Selective Laser
Surface Melting), y de todas las fases presentes en condiciones LSM (Laser Surface Melting).
El tratamiento selectivo da lugar a la formación de ramas eutécticas de elevada dureza y
sin porosidad. En el compuesto se consigue también mejorar la distribución y el anclaje
del refuerzo.
Descripción
Tesis Doctoral leída en la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid en 2015. Directores de la Tesis: Pilar Rodrigo Herrero y Joaquín Rams Ramos