Ductilidad y resistencia en aleaciones de moldeo en cáscara para la industria de la automoción

Hoy en día se utiliza el proceso de moldeo en cáscara para producir piezas que requieren alta calidad, tales como cunas de motores, piezas de suspensión transversales y nodos estructurales para bastidores y bastidores auxiliares en turismos. Este hecho ha presentado el reto de diseñar aleaciones con propiedades mecánicas superiores. Para piezas relevantes en choques que necesitan alta ductilidad (elongación >10 por ciento) una opción para alcanzar estas propiedades es el tratamiento térmico de una aleación Al-Si baja en hierro con un temple T4 o T7.

Sin embargo, el tratamiento térmico puede producir deformación y formación de ampollas en la pieza, lo que supone más costes para el productor. La segunda opción es el tipo de aleaciones Al-Mg que cumplen estos requisitos en el estado de moldeo, pero no es fácil fundir las aleaciones. Se empezó a investigar utilizando el sistema de aleación Al-Si fácil de moldear centrándose en una alta elongación (> 10 por ciento) y un límite elástico medio (> 120 MPa) ya con un temple F y sin muestras de comportamiento de envejecimiento a largo plazo. Este artículo analizará el progreso técnico que empezó a principios de los años 90, ganó importancia con el primer coche de serie de bastidor de aluminio, continuó con piezas estructurales aplicadas al estado de moldeo y se acercó a un futuro con una cantidad creciente de componentes de peso ligero sustituyendo los diseños de acero y aluminio con tratamiento térmico.

La industria de la automoción ha impulsado el desarrollo y producción de nuevas aleaciones para el moldeo en cáscara.

Desde el punto de vista técnico, el campo de aplicación de las aleaciones estándares de aluminio es limitado. Estas aleaciones se utilizan principalmente en piezas con un perfil de requisitos sencillo, generalmente un bajo peso y un límite elástico determinado. La evaluación cualitativa de la figura 1 muestra los límites de las aleaciones estándares.

Fig. 1: Clasificación de aleaciones de aluminio centrándose en las propiedades mecánicas

Tabla. I: Composición química de Silafont-36 en peso %

Un tipo Al Si9Cu3 (226) se utiliza principalmente en piezas que no requieren ductilidad ni buena resistencia a la corrosión. Una aleación Si12 proporciona una cierta ductilidad cuando se cuela en un molde permanente, pero no tiene un límite elástico notable. Entre estas dos opciones hay otros arreglos.

Aluminium Rheinfelden presentó Silafont-36 por primera vez en 1994 como la primera aleación de aluminio dúctil para el moldeo a alta presión. La composición química se muestra en la tabla I.

Silafont-36 se basa en el sistema de aluminio-silicona con sus conocidas buenas capacidades de moldeo a alta presión. El contenido de manganeso se mantiene en un porcentaje de peso de 0,5 a 0,8. Por debajo de este porcentaje, la pieza fundida podría pegarse al molde y por encima la elongación podría verse afectada por las crecientes fases de manganeso. Se añade manganeso para el límite elástico. Un bajo contenido de Mg produce una aleación dúctil con un límite elástico inferior, mientras que un contenido alto aumenta el límite elástico y reduce la elongación. El titanio tiene el típico efecto de afino del grano y aumenta la moldeabilidad y las propiedades mecánicas. Se añade estroncio de 100 a 200 ppm para modificar la eutéctica. La figura 2 muestra las microestructuras de una eutéctica no modificada a la izquierda y una eutéctica modificada con Sr a la derecha. La eutéctica modificada es considerablemente más fina, lo cual influye positivamente en la elongación.

Fig. 2: arriba: Material estándar Al Si10Mg, modificación del espesor de la muestra, 4 mm, sin modificación Sr, 5% de elongación en temple F.

abajo: Silafont-36, espesor de la muestra 4 mm, Sr modificado, 10 por ciento de temple elongación F

Fig. 3: Propiedades mecánicas de Silafont-36 para distintos tratamiento térmicos

Fig. 4: Cuna de motor para un turismo de clase media y alta

Basado en las propiedades mecánicas en temple F, como consecuencia de la composición química y la microestructura conseguida por medios metalúrgicos, Silafont-36 ofrece una gran variedad de propiedades mecánicas según el tratamiento térmico y el contenido de magnesio (ver la figura 3). Para aplicaciones que requieren una alta ductilidad, se recomienda un temple T4 (termotradado por solubilización, templado y envejecimiento natural durante al menos seis días) o temple T7 (termotratado por solubilización, templado y sobreenvejecido). Para un límite elástico alto, un temple T5 (templado después de eyección y envejecido artificial) o T6 (termotradado por solubilización, templado y envejecimiento artificial) pueden ser suficientes.

La primera aplicación importante para Silafont-36 fueron nodos producidos en moldeo a alta presión para la construcción del bastidor de un turismo de clase superior. Los principales requisitos fueron un límite elástico medio, soldabilidad, resistencia a la corrosión y, principalmente, la ductilidad. Hoy en día se puede considerar que el Silafont-36 es una aleación conocida en todo el mundo. En la figura 4 se muestra una aplicación más reciente.

En la figura 4 vemos la cuna de motor de un coche de clase media de alto volumen en temple O. En un coche de lujo con temple T6 se utiliza una pieza similar. La situación del montaje en el lado derecho con la suspensión frontal de alrededor muestra claramente que esta pieza tiene que proporcionar una buena deformabilidad en caso de choque y un cierto límite elástico para llevar el motor (no mostrado) montado en la cuna. Las propiedades mecánicas se aumentan mejorando el proceso de moldeo en cáscara con un sistema de vacío. Las estrías, que se pueden ver la parte inferior de la fundición, proporcionan la rigidez necesaria. La cuna, aunque está expuesta a condiciones altamente corrosivas, no requiere ningún tipo de protección de superficie. Mide 0,92 m por 0,17 m por 0,17 m y pesa 10,2 kg.

En 1996 se lanzó al mercado una aleación que, entonces, era poco corriente para el moldeo a alta presión: el Magsimal-59 tipo AlMgSi. Hasta ese momento, este tipo de aleación se había utilizado principalmente el la fundición de moldes permanentes y era conocido especialmente por su excelente resistencia a la corrosión incluso en agua salada. Sin embargo, además ofrece otras posibilidades y capacidades cuando se utiliza en el moldeo a alta presión, lo que hace que sea superior a muchas otras aleaciones. En la tabla II se muestra la composición química.

Tabla. II: Composición química de Magsimal -59 en peso-%

En comparación con la mayoría de las aleaciones para el moldeo a alta presión, Magsimal-59 contiene un porcentaje de magnesio de cinco a seis por ciento y alrededor de dos por ciento de silicona. Un excedente de magnesio y un bajo contenido en cobre y cinc mantienen una excelente resistencia a la corrosión. El contenido de hierro se mantiene bajo para mantener la elongación. Se añade berilio para reducir la escoria durante el proceso de fundición. Junto con una rápida solidificación, se crea una microestructura muy fina compuesta de unasolución sólida y una eutéctica Mg2Si de 40 por ciento con propiedades mecánicas y de fatiga superiores en temple F. Dado que la finura de la microesctructura depende de la velocidad de la solidificación, la geometría de la fundición influye en las propiedades mecánicas. La influencia del espesor de la pared en las propiedades mecánicas se muestra en la figura 5.

Fig. 5: Propiedades mecánicas de Magsimal-59 como función del espesor de la pared

Cuanto más estrecho es el espesor de la pared, mayores son el límite elástico y la elongación, ya que la microestructura se vuelve más fina. Para el ingeniero de diseño, este comportamiento de aumentar las propiedades reduciendo el espesor de la pared tiene ventajas, ya que un diseño delgado y ligero mejora el rendimiento del material. Sin embargo, se deben tener en cuenta algunas recomendaciones en cuanto a la complejidad del diseño, debido a la alta contracción de este tipo de aleación. El diseño del molde requiere radios y trazos más largos comparados con el tipo AlSi. No obstante, Magsimal-59 con sus excelentes propiedades en temple F puede sustituir aplicaciones en AlSi que requieren un termotratado que provoca deformación y el enderezamiento de las piezas.

Magsimal-59 es un material excelente para moldeos en cáscara que tienen que resistir cargas altamente estáticas y alternas y, al mismo tiempo, proporciona una buena ductilidad. Algunas aplicaciones típicas son las piezas estructurales y de suspensión en turismos. La figura 6 muestra la torre de amortiguación de un coche de clase media superior con un concepto completamente nuevo.

Fundición en Magsimal -59

Estructura frontal en aluminio durante el montaje

Fig. 6: Torre de amortiguación del nuevo coche de clase media alta

Para dispersar el peso del vehículo de manera uniforme entre las ruedas delanteras y traseras, el bastidor auxiliar delantero está completamente diseñado en aluminio. La torre de amortiguación es una pieza estructural donde se conecta el soporte de suspensión. Por lo tanto, esta pieza tiene que resistir la carga estática del peso del coche y los choques dinámicos que vienen de la suspensión. La pieza se ha diseñado con un espesor de pared delgado para recibir el límite elástico requerido y a la vez proporcionar una alta elongación para un buen comportamiento de choque. La pieza fundida se conecta con los perfiles de alrededor y las piezas de aluminio forjado por encolado, remache auto perforante y soldadura MIG. Debido a la excelente resistencia a la corrosión, no es necesario revestir la pieza con pintura.

Con el desarrollo de Castasil -37, Aluminium Rheinfelden está trabajando en otra aleación para aplicaciones de moldeo a alta presión en turismos con diseños complejos que requieren una alta ductilidad y un límite elástico medio. Son por ejemplo los nodos y componentes estructurales en bastidores o bastidores auxiliares, normalmente con espesores de pared delgados y geometrías complejas y rígidas. Hasta este momento, este tipo de piezas se funden principalmente en aleaciones de tipo AlSiMg y son termotratadas por solubilización para recibir las propiedades adecuadas. Sin embargo, el termotratado por solubilización provoca la formación de ampollas y la deformación de las piezas, que se tendrán que enderezar en un paso de proceso adicional. Debido a sus diseños complejos, es difícil fundir estas piezas en una aleación de AlMg. Por lo tanto, el objetivo del Castasil -37 es proporcionar una aleación AlSi fácil de fundir con una elongación de al menos el 12 por ciento y un límite elástico de 120 MPa en temple F. Puesto que la potencia de motores y por lo tanto las temperaturas han aumentado a lo largo de los años, se necesita una aleación que no tenga un comportamiento de envejecimiento a largo plazo en un entorno de altas temperaturas También debe tener una alta resistencia a la corrosión. La composición química de Castasil -37 figura en la tabla. III.

Tabla. III: Composición química de Castasil -37 en peso %

Castasil -37 contiene silicona de 8,5 a 10,5 por ciento, que produce la excelente moldeabilidad típica en este tipo de aleación. El contenido de hierro se mantiene bajo para conservar la ductilidad y el cobre y el cinc de la misma manera para evitar la corrosión. El manganeso sustituye el hierro y evita adhesiones al molde. El estroncio proporciona la conocida modificación de la eutéctica y la ductilidad vinculada. En comparación con la mayoría de las aleaciones en este campo de aplicación, Castasil -37 tiene una baja cantidad de magnesio. Esto proporciona una eutéctica aún más fina así como la modificación del Sr y evita un comportamiento de envejecimiento a largo plazo.

En la figura 7, se muestran las microestructuras de un material estándar y Castasil -37 para placas de muestra de 3 mm moldeadas a alta presión.

Fig. 7:arriba microestructura de un material estándar AlSiqMg, espesor de la pared de 3 mm

abajo Microestructura Castasil-37, espesor de la pared de 3 mm

En la microestructura de un material estándar AlSi9Mg, las zonas gruesas de la eutéctica evitan que el material alcance los niveles más altos de elongación en el estado de moldeo. Estas zonas gruesas se deben a las precipitaciones de magnesio que forman una fase Mg2Si. Sin el magnesio esto se evita y la eutéctica aparece aún más fina, según se muestra en el lado derecho. Esto hace el paso adicional hacia más elongación en temple F. Viendo las propiedades mecánicas, mostradas en la figura 8, se puede establecer una ligera influencia del espesor de la pared. En este ejemplo, se estudió en espesores de pared de entre 2 y 6 mm.

El límite elástico se reduce con un mayor espesor de la pared. Esto se debe a una solidificación más lenta en cortes transversales más grandes y se puede compensar con un enfriamiento más alto del molde. La elongación muestra un comportamiento distinto. Con un espesor de la pared de entre 2 y 3 milímetros, aumenta hasta el 14 por ciento en temple F, donde permanece con un espesor de pared de hasta 6 mm. La elongación inferior en paredes estrechas probablemente se debe al impacto más fuerte de los defectos de fundición en un corte transversal más pequeño.

Fig. 8: Propiedades mecánicas de Castasil -37 en temple F

Las piezas fundidas típicas para Castasil -37 tienen diseños complejos y requieren una alta ductilidad y un límite elástico medio, buena deformabilidad, buena resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas estables a la hora de operar a altas temperaturas. La figura 9 muestras piezas de muestra fundidas en Castasil -37. En el material de serie, estas piezas fundidas son piezas del bastidor de un coche conectadas con soldadura con láser y MIG.

Las piezas se moldearon en moldes de serie. La moldeabilidad en todos los casos fue como se esperaba. Las piezas del lado izquierdo, la torre de amortiguación y el miembro longitudinal frontal forman un conjunto que se deforma enormemente en caso de choque. Los dos componentes del miembro longitudinal tienen numerosas estrías para proporcionar una cierta rigidez a las cargas estáticas. Ambas piezas se sueldan fundidas para formar el miembro. Estas piezas en particular tienden a distorsionarse cuando son termotratadas por solubilización a temple T7. Con un material que proporciona las propiedades deseadas en temple F o con un tratamiento térmico de un paso único, el proceso de enderezamiento se vuelve obsoleto.

[1] Koch H., Hielscher U., Sternau H.; Franke A. J., "Silafont-36, the new low-iron high-pressure die-casting alloy", TMS, Light Metals 1995, 1011-1018

[2] Koch H., Hielscher U., Sternau H.; Franke A. J.,"Magsimal-59, an Al MgMnSi Type Squeeze-Casting Alloy designed for temper F", TMS, Light Metals 1996, 933-937.

izquierda superior: torre de amortiguación

izquierda inferior: componentes del miembro longitudinal frontal

derecha: Poste B

Fig. 9: Piezas de muestra del bastidor de un coche compacto en Castasil -37