Las aleaciones de aluminio y silicio o silumin es un nombre general para un grupo de aleaciones de aluminio ligeras y de alta resistencia basadas en un sistema de aluminio y silicio (AlSi) que consisten predominantemente en aluminio, siendo el silicio el elemento de aleación cuantitativamente más importante . Las aleaciones de AlSi puras no se pueden endurecer, las aleaciones comúnmente utilizadas AlSiCu (con cobre ) y AlSiMg (con magnesio ) sí se pueden endurecer. El mecanismo de endurecimiento corresponde al de AlCu y AlMgSi .
Las aleaciones de AlSi son, con diferencia, los materiales de fundición de aluminio más importantes. Son adecuadas para todos los procesos de fundición y tienen excelentes propiedades de fundición . Entre sus principales áreas de aplicación se encuentran las piezas de automóviles, incluidos los bloques de motor y los pistones . Además, actualmente se está estudiando su uso como material funcional para el almacenamiento de calor de alta energía en vehículos eléctricos.
Las aleaciones de aluminio y silicio suelen contener entre un 3% y un 25% de contenido de silicio . [1] La fundición es el uso principal de las aleaciones de aluminio y silicio, pero también se pueden utilizar en procesos de solidificación rápida y en pulvimetalurgia . Las aleaciones utilizadas en pulvimetalurgia, en lugar de fundición, pueden contener incluso más silicio, hasta un 50%. [1] El siluminio tiene una alta resistencia a la corrosión , lo que lo hace útil en entornos húmedos.
La adición de silicio al aluminio también lo hace menos viscoso cuando está en forma líquida, lo que, junto con su bajo costo (ya que ambos elementos componentes son relativamente baratos de extraer), lo convierte en una muy buena aleación de fundición. [2] El siluminio con buena capacidad de fundición puede dar una fundición terminada más fuerte que una aleación potencialmente más fuerte que es más difícil de fundir. [1]
Todas las aleaciones de aluminio contienen también hierro como aditivo, lo que no suele ser deseable porque reduce la resistencia y la elongación a la rotura. Junto con el aluminio y el silicio forma la fase AlFeSi, que está presente en la estructura en forma de pequeñas agujas. Sin embargo, el hierro también impide que las piezas fundidas se adhieran a los moldes en la fundición a presión, por lo que las aleaciones especiales para fundición a presión contienen una pequeña cantidad de hierro, mientras que en otras aleaciones se evita el hierro en la medida de lo posible.
El manganeso también reduce la tendencia a la adherencia, pero afecta menos a las propiedades mecánicas que el hierro. El manganeso forma una fase con otros elementos que se presenta en forma de granos globulíticos (redondos).
El cobre se encuentra en casi todas las aleaciones técnicas, al menos como aditivo. A partir de un contenido de 0,05% de Cu, la resistencia a la corrosión se reduce. Se añaden aleaciones de aproximadamente 1% de Cu para aumentar la resistencia mediante el refuerzo por solución sólida . Esto también mejora la maquinabilidad . En el caso de las aleaciones de AlSiCu, también se añaden mayores proporciones de cobre, lo que significa que los materiales se pueden endurecer (véase Aleación de aluminio y cobre ).
Junto con el silicio, el magnesio forma la fase Mg2Si ( siliciuro de magnesio ), que es la base de la templabilidad, similar a las aleaciones de aluminio-magnesio-silicio (AlMgSi). En estas hay un exceso de Mg, por lo que la estructura consiste en un cristal mixto de aluminio con magnesio y Mg2Si . En las aleaciones de AlSiMg, por otro lado, hay un exceso de silicio y la estructura consiste en un cristal mixto de aluminio, silicio y Mg2Si . [ 3]
Los polvos de silicio se utilizan en aleaciones de aluminio y silicio para mejorar la resistencia y la capacidad de colada, proporcionando una mayor durabilidad en condiciones de alto estrés. [4] También mejora la fluidez del aluminio fundido, lo que permite una colada más sencilla de formas complejas con menos defectos. [5]
Pequeñas adiciones de titanio y boro sirven para refinar el grano. [6]
El aluminio forma un eutéctico con el silicio, que a 577 °C tiene un contenido de Si del 12,5% [7] o del 12,6%. [8] A esta temperatura se puede disolver en aluminio hasta un 1,65% de Si. Sin embargo, la solubilidad disminuye rápidamente con la temperatura. A 500 °C sigue siendo del 0,8% de Si, a 400 °C del 0,3% de Si y a 250 °C solo del 0,05% de Si. A temperatura ambiente, el silicio es prácticamente insoluble. El aluminio no se puede disolver en silicio en absoluto, ni siquiera a altas temperaturas. Solo en estado fundido ambos son completamente solubles. Los aumentos de resistencia debidos al fortalecimiento de la solución sólida son insignificantes. [7]
Las aleaciones de AlSi puro se funden a partir de aluminio primario, mientras que las aleaciones de AlSi con otros elementos suelen fundirse a partir de aluminio secundario. Las aleaciones de AlSi puro tienen una resistencia media, no son templables, pero son resistentes a la corrosión, incluso en entornos de agua salada. [9]
Las propiedades exactas dependen de si la composición de la aleación está por encima, cerca o por debajo del punto eutéctico. La capacidad de colada aumenta con el aumento del contenido de Si y es óptima con un 17 % de Si aproximadamente; las propiedades mecánicas son óptimas con un 6 % a 12 % de Si.
De lo contrario, las aleaciones de AlSi generalmente tienen propiedades de fundición favorables: la contracción es solo del 1,25% y la influencia del espesor de la pared es pequeña. [10]
Las aleaciones hipereutécticas, con un contenido de silicio del 16 al 19%, como Alusil , se pueden utilizar en aplicaciones de alto desgaste, como pistones , camisas de cilindros y bloques de motores de combustión interna . El metal se graba después de la fundición, lo que expone precipitados de silicio duros y resistentes al desgaste. El resto de la superficie se vuelve ligeramente porosa y retiene el aceite. En general, esto hace que sea una excelente superficie de apoyo y a un costo menor que los cojinetes de bronce tradicionales. [11]
Las aleaciones hipoeutécticas (también llamadas hipoeutécticas) tienen un contenido de silicio inferior al 12 %. En ellas, el aluminio se solidifica primero. A medida que la temperatura desciende y aumenta la proporción de aluminio solidificado, el contenido de silicio de la masa fundida residual aumenta hasta alcanzar el punto eutéctico. A continuación, toda la masa fundida residual se solidifica como eutéctica. La microestructura se caracteriza, por tanto, por el aluminio primario, que a menudo se presenta en forma de dendritas, y por la masa eutéctica de la masa fundida residual que se encuentra entre ambos. Cuanto menor sea el contenido de silicio, mayores serán las dendritas .
En las aleaciones de AlSi puro, el eutéctico se encuentra a menudo en una forma degenerada. En lugar de la estructura fina que es típica de los eutécticos con sus buenas propiedades mecánicas, el AlSi adopta la forma de una estructura de grano grueso al enfriarse lentamente, en la que el silicio forma grandes placas o agujas. Estas a veces se pueden ver a simple vista y hacen que el material sea quebradizo. Esto no es un problema en la fundición en frío, ya que las velocidades de enfriamiento son lo suficientemente altas como para evitar la degeneración. [7] [12]
En particular, en la fundición en arena , con sus lentas velocidades de enfriamiento, se añaden elementos adicionales a la masa fundida para evitar la degeneración. El sodio , el estroncio y el antimonio son adecuados. [13] [14] Estos elementos se añaden a la masa fundida a alrededor de 720 °C a 780 °C, lo que provoca un sobreenfriamiento que reduce la difusión del silicio, lo que da como resultado un eutéctico fino común, lo que da como resultado una mayor resistencia y elongación a la rotura. [15]
Las aleaciones con un contenido de Si entre el 11% y el 13% se incluyen entre las aleaciones eutécticas. El recocido mejora la elongación y la resistencia a la fatiga. La solidificación es por conformación de cáscara en aleaciones sin tratar y de paredes lisas en aleaciones refinadas, lo que da como resultado una muy buena capacidad de colada. Sobre todo, la fluidez y la capacidad de llenado del molde son muy buenas, por lo que las aleaciones eutécticas son adecuadas para piezas de paredes delgadas. [16]
Las aleaciones con más de un 13 % de Si se denominan sobreeutécticas o hipereutécticas. El contenido de Si suele ser de hasta un 17 %, y en aleaciones especiales para pistones también de más del 20 %. Las aleaciones hipereutécticas tienen una expansión térmica muy baja y son muy resistentes al desgaste. A diferencia de muchas otras aleaciones, las aleaciones de AlSi no muestran su máxima fluidez cerca del eutéctico, sino con un 14 a 16 % de Si, en caso de sobrecalentamiento con un 17 a 18 % de Si. La tendencia al agrietamiento en caliente es mínima en el rango del 10 % al 14 %. En el caso de las aleaciones hipereutécticas, los cristales de silicio se solidifican primero en la masa fundida, hasta que la masa fundida restante se solidifica como eutéctica. Para el refinamiento del grano se utilizan aleaciones de cobre y fósforo. El silicio duro y quebradizo provoca un mayor desgaste de la herramienta durante el mecanizado posterior, por lo que a veces se utilizan herramientas de diamante (véase también Maquinabilidad ). [17]
Las aleaciones de AlSiMg con pequeñas cantidades de magnesio (por debajo del 0,3 al 0,6 % de Mg) se pueden endurecer tanto en frío como en caliente. La proporción de magnesio disminuye a medida que aumenta el contenido de silicio, que se sitúa entre el 5 % de Si y el 10 % de Si. Están relacionadas con las aleaciones de AlMgSi : ambas se basan en el hecho de que precipita siliciuro de magnesio Mg2Si , que está presente en el material en forma de partículas finamente divididas y, por tanto, aumenta la resistencia. Además, el magnesio aumenta el alargamiento de rotura. A diferencia del AlSiCu, que también se puede endurecer, estas aleaciones son resistentes a la corrosión y fáciles de fundir. Sin embargo, en algunas aleaciones de AlSiMg el cobre está presente como impureza, lo que reduce la resistencia a la corrosión. Esto se aplica sobre todo a los materiales que se han fundido a partir de aluminio secundario. [18] [19]
Las aleaciones de AlSiCu también son termoendurecibles y además muy resistentes, pero susceptibles a la corrosión y menos moldeables, aunque aún así adecuadas. A menudo se funden a partir de aluminio secundario. El endurecimiento se basa en el mismo mecanismo que las aleaciones de AlCu. El contenido de cobre es del 1% al 4%, el de silicio del 4% al 10%. Pequeñas adiciones de magnesio mejoran la resistencia. [20] [21]
Todos los datos están expresados en porcentajes en masa. El resto es aluminio.
Aleaciones forjadas [22]
Aleaciones fundidas [23]
Las series 4000 están aleadas con silicio. Las variantes de aleaciones de aluminio y silicio destinadas a la fundición (y, por lo tanto, no incluidas en la serie 4000) también se conocen como siluminio .
Dentro del sistema de designación numérica de la Asociación del Aluminio , Silumin corresponde a aleaciones de dos sistemas: 3xxx, aleaciones de aluminio y silicio que también contienen magnesio y/o cobre, y 4xx.x, aleaciones binarias de aluminio y silicio. El cobre aumenta la resistencia, pero reduce la resistencia a la corrosión. [1]
En general, las aleaciones de AlSi se utilizan principalmente en fundiciones, especialmente para la construcción de vehículos. Las aleaciones forjadas son muy raras. Se utilizan como metal de relleno ( alambre de soldadura ) o como soldadura en soldadura fuerte . En algunos casos, también se construyen pistones de AlSi forjados para la aviación. [25]
Las aleaciones de fundición eutécticas de AlSi se utilizan para piezas de máquinas, culatas, cárteres de cilindros, impulsores y cuerpos acanalados. Las aleaciones hipereutécticas (con alto contenido de silicio) se utilizan para piezas de motores debido a su baja expansión térmica y su alta resistencia y resistencia al desgaste. Esto también incluye aleaciones especiales para pistones con alrededor de un 25 % de Si. [26]
Las aleaciones con adiciones de magnesio (AlSiMg) se pueden endurecer mediante tratamiento térmico. Un ejemplo de uso son las llantas producidas mediante fundición a baja presión debido a su buena resistencia, resistencia a la corrosión y elongación a la rotura. Las aleaciones con aproximadamente un 10 % de Si se utilizan para culatas, carcasas de interruptores, colectores de admisión , tanques de transformadores, suspensiones de ruedas y cárteres de aceite. Las aleaciones con un 5 % a un 7 % de Si se utilizan para piezas de chasis y ruedas. En niveles del 9 %, son adecuadas para componentes estructurales y nodos de carrocería. [27]
Las aleaciones de AlSiCu que contienen cobre se utilizan para carcasas de engranajes, cárteres y culatas de cilindros debido a su resistencia al calor y templabilidad. [28]
Además del uso de aleaciones de AlSi como material estructural, en el que las propiedades mecánicas son primordiales, otro campo de aplicación es el almacenamiento de calor latente . En el cambio de fase de la aleación a 577 °C, se puede almacenar energía térmica en forma de entalpía de fusión . Por lo tanto, el AlSi también se puede utilizar como material de cambio de fase metálico (mPCM). En comparación con otros materiales de cambio de fase, los metales se caracterizan por una alta densidad de energía específica combinada con una alta conductividad térmica. Esto último es importante para la rápida entrada y salida de calor en el material de almacenamiento y, por lo tanto, aumenta el rendimiento de un sistema de almacenamiento de calor. Estas propiedades ventajosas de los mPCM como el AlSi son de particular importancia para las aplicaciones en vehículos, ya que las masas y volúmenes bajos, así como el alto rendimiento térmico, son los principales objetivos aquí. Mediante el uso de sistemas de almacenamiento basados en mPCM, se puede aumentar la autonomía de los automóviles eléctricos almacenando térmicamente la energía térmica necesaria para la calefacción en el mPCM en lugar de tomarla de la batería de tracción. [29]
Las masas fundidas de AlSi casi eutécticas también se utilizan para la aluminización por inmersión en caliente. En el proceso de galvanización continua de tiras , las tiras de acero se recubren con un revestimiento metálico resistente al calor de 10-25 μm de espesor. La chapa de acero aluminizada por inmersión en caliente es un material económico para componentes sometidos a tensiones térmicas. A diferencia de los revestimientos de zinc, el revestimiento no proporciona protección catódica en condiciones atmosféricas. [30]
