Desarrollo y producción de materiales compuestos de matriz de aluminio a escala semiindustrial para componentes de automoción

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 µm 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 µm; mientras que el módulo de Young se incrementa hasta en un 20 % por la adición de un 20 % de SiC de 15,3 µm. 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.