Influencia tratamientos térmicos en aluminios

INFLUENCIA DE TRATAMIENTOS TERMICOS EN ALUMINIOS 6061 Y 6063

1 INFLUENCIA DE LA REALIZACION DE TRATAMIENTOS TERMICOS EN ALEACIONES DE ALUMINIO 6061 Y 6063

2 Resumen

En el siguiente trabajo se mostrara como la realización de tratamientos térmicos, precipitación por solución sólida y envejecido artificial, a 2 clases de aluminios de la serie 6XXX influye directamente en las propiedades mecánicas de dichos aluminios. Además se evaluara y mostrara el análisis de las graficas de tensión y se analizara el punto de falla.

Palabras clave:

Tratamiento térmico Precipitación de solución sólida Envejecido artificial Serie 6XXX

2.1 Abstract

The following article shows how the performance of heat treating, precipitation from solid solution and age hardening, on 2 types of aluminum of the series 6XXX directly affects the mechanical properties of the aluminum. Also will be evaluated the results and analysis of the graphs of stress and will analyze the point of failure.

Key Words:

Heat Treating Precipitation from solid solution Age Hardening Series 6XXX

3 Introducción

La serie de aluminios 6XXX esta caracterizada porque sus principales elementos aleantes son el Magnesio (Mg) y el Silicio (Si), las aleaciones de este tipo son tratables térmicamente, es decir, mejoran notablemente sus propiedades mecánicas cuando son sometidas a procesos de sostenimiento de temperatura y enfriamiento acelerado, esto produce unos cambios estructurales a nivel interno en el material.

El diseño del tratamiento térmico se llevo a cabo teniendo en cuenta la clasificación de cada aluminio, siendo estos respectivamente 6061 y 6063. Posterior al tratamiento térmico se les realizo a las probetas, previamente maquinadas y dejadas en medidas estándar, una prueba de tensión con una maquina de ensayos universal que las sometió a un estiramiento hasta producir la falla en el material. Las fluctuaciones en los esfuerzos internos del material se podrán visualizar en secciones posteriores con su respectivo análisis y graficas.


4 Contenido

4.1 Aluminio

Es un metal no ferroso, de símbolo Al y número atómico 13. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio mediante electrólisis.

Propiedades

-Ligereza -Resistencia mecánica -Elasticidad -Resistencia a la corrosión -Conductividad térmica

4.11 Aluminio 6061

El aluminio 6061 se caracteriza porque sus principales aleantes son el silicio (Si) y el magnesio (Mg). Su composición química es la siguiente

Este tipo de material es ideal para la elaboración de piezas maquinadas que requieran calidad y excelente acabado superficial.

Aplicaciones

- Portamoldes y portatroqueles

- Moldes prototipo

- Moldes de producción por soplado, inyección y vacío.

4.12 Aluminio 6063

Esta aleación debido a su gran facilidad de extrusión, obtiene características mecánicas adecuadas, resistencia mecánica moderada, fácil de soldar al arco en atmósfera inerte o por soldadura fuerte, excelente resistencia a la corrosión, buena formabilidad, y excelentes características para ser anodizada.

Esta aleación provee excelentes terminados en la fabricación de perfiles arquitectónicos y tubería. Además es muy útil para aplicaciones industriales donde la resistencia mecánica requerida es moderada.

4.2 Tratamiento Térmico

El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.

Cuando un tratamiento térmico es aplicado en aleaciones de aluminio el resultado que se busca obtener es incrementar la resistencia mecánica y la dureza mediante el método de precipitación. Posteriormente se les realiza a dichas aleaciones un envejecido artificial que solubilizara

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisis

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_Bayer

http://es.wikipedia.org/wiki/Al%C3%BAmina

http://es.wikipedia.org/wiki/Bauxita

http://es.wikipedia.org/wiki/Micas

http://es.wikipedia.org/wiki/Plagioclasas

http://es.wikipedia.org/wiki/Feldespatos

http://es.wikipedia.org/wiki/Silicatos

http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_at%C3%B3mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmico


las fases previamente diferenciadas en la precipitación y por consiguiente aumentara en forma notoria la dureza del aluminio. Los diferentes tratamientos térmicos que se le pueden realizar a un aluminio se muestran a continuación:

Para poder dejar un aluminio en el tipo tratamiento térmico de T6 hay que llevar a cabo tres procesos en el siguiente orden:

1) Solución solida2) Temple

3) a) Envejecido artificial b) Envejecido natural

FIG.1 (proceso de tratamiento térmico en aleaciones de aluminio)

4.21 Tratamiento de solución

Para poder llevar a cabo una reacción de endurecimiento por precipitación (envejecido) es necesario producir primero una solución solidad. El objetivo de este tratamiento es tomar dentro de la solución solida la máxima cantidad de elementos solubles de endurecimiento o soluto endurecible como sea posible. Este proceso consiste en calentar el material hasta una temperatura previamente establecida y sostenerlo durante un lapso de tiempo t, bastantemente largo como para obtener una solución solida completamente homogénea. El rango de temperatura establecido para la solución de esta serie de aluminio esta definido por el siguiente grafico:


FIG 2(Diagrama de equilibrio de solubilidad en función de la temperatura)

Donde la zona amarilla indica la zona solución del compuesto Mg2Si y el rango de temperatura en el que se trabaja esta en azul es propicio trabajar en este rango de temperatura ya esta cerca a la temperatura del eutéctico secundario que forma el compuesto a 1.85% a 595ºC, este rango esta aproximadamente entre 510 y 580 ºC.

El tiempo de sostenimiento del material en una solución a la temperatura establecida para obtener la mayor cantidad de disolución o soluto endurecible y obtener una buena homogeneidad depende principalmente de dos razones la micro estructura del material antes del tratamiento térmico y el espesor del material.

4.22 Temple

El temple es tal vez la operación mas critica de la secuencia para endurecer un aluminio ya que el objetivo de este proceso es preservar o mantener la solución solida obtenida en el tratamiento de solución por lo tanto la velocidad de enfriamiento o de templado debe ser mayor que la velocidad critica de enfriamiento con eso se forma una solución sobresaturada de soluto o también llamada fase en exceso.

La repercusión en las propiedades mecánicas del material es que como al haber una fase disuelta en otra y al no haber precipitados de los elementos aleantes del aluminio hacen que este sea mas blando.

4.23 Envejecimiento

Este procedimiento es el último, en el proceso, cuando se deja el material a temperatura ambiente se llama envejecido natural y cuando se pone en un cuarto a una temperatura elevada se dice que es una precipitación o un envejecido artificial.

El envejecido natural consiste en dejar el material a temperatura ambiente durante un gran lapso de tiempo es decir varios días (incluso meses) para que la solución sobresaturada obtenida en el temple pase a una fase meta estable a temperatura ambiente, esto garantiza un cambio notable de las propiedades mecánicas del material, en la serie 6XXX esta caracterizado porque el material sigue cambiado sus propiedades mecánicas en el transcurso del tiempo incluso en transcurso de años.

El envejecido artificial o precipitación es un procedimiento que acelera la


precipitación del soluto buscando una fase meta estable, lo que produce la formación de una red cristalina coherente, este fenómeno es el que mejora las propiedades mecánicas, y este consiste básicamente en dejar el material a una baja temperatura por un prolongado tiempo, el rango de temperaturas esta entre 115 y 190 ºC, y el tiempo de sostenimiento puede variar entre 4 y 48 horas.

La temperatura y el tiempo de sostenimiento tienen una influencia directa en las propiedades mecánicas del material como podemos ver en estas graficas de un Al 6061.

FIG 3. Características del envejecido en aleación 6061

4.3 ensayo de tensión

El ensayo de tensión se utiliza para evaluar varias propiedades mecánicas de los materiales que son importantes en el diseño, dentro de las cuales se destaca la resistencia, en particular, de metales y aleaciones.

En este ensayo la muestra se deforma usualmente hasta la fractura incrementando gradualmente una tensión que se aplica uniaxialmente a lo largo del eje longitudinal de la muestra. Las muestras normalmente tienen sección transversal circular, aunque también se usan especímenes rectangulares. (Figura 4). Durante la tensión, la deformación se concentra en la región central más estrecha, la cual tiene una sección transversal uniforme a lo largo de su longitud. La muestra se sostiene por sus extremos en la máquina por medio de soportes o mordazas que a su vez someten la muestra a tensión a una velocidad constante. La máquina al mismo tiempo mide la carga aplicada instantáneamente y la elongación resultante (usando un extensómetro). Un ensayo de tensión normalmente dura pocos minutos y es un ensayo destructivo, ya que la muestra es deformada permanentemente y usualmente fracturada.

Figura 4.

4.31 Método experimental

Figura 5. Ensayo esfuerzo – deformación

Mediante el programa, se consignan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la muestra que está siendo ensayada así como la deformación que se puede obtener a partir de la señal de un extensómetro. Los datos de la fuerza pueden convertirse en datos de tensión y así construirse una gráfica esfuerzo – deformación, como la que se observa en la figura 6. Estos datos van tabulados al final de este informe.

Figura 6. Gráfica típica Esfuerzo vs. Deformación

En la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, o sea que si se elimina la carta sobre la muestra, volverá a su longitud inicial. Para metales, la máxima deformación elástica es usualmente menor a un 0.5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:

σ = Ε / ξ

Ε = σ ξ

ξ = δ / l

Donde,

Ε es el módulo de elasticidad o módulo de Young σes el esfuerzo o tensión ξes la deformación

El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los

materiales con un módulo elástico alto son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente.

Límite elástico: Es la tensión a la cual un material muestra deformación plástica significativa. Debido a que no hay un punto definido en la curva de tensión – deformación donde acabe la deformación elástica y se presente la deformación plástica se elige el límite elástico cuando tiene lugar un 0.2% de deformación plástica.

El límite elástico al 0.2% también se denomina esfuerzo de fluencia convencional a 0.2%. Para determinarlo se procede así: Inicialmente se dibuja una línea paralela a la parte elástica (lineal) de la gráfica tensión – deformación a una deformación de 0.002 (m/m ó pulg/pulg). En el punto donde la línea intercepta con la parte superior de la curva tensión – deformación, se dibuja una línea horizontal hasta el eje de tensión. El esfuerzo de fluencia convencional a un 0.2% es la tensión a la que la línea horizontal intercepta con el eje de tensión. Debe aclararse que el 0.2% se elige arbitrariamente y podría haberse elegido otra cantidad pequeña de deformación permanente.

4.4 Diseño experimental

Para llevar a cabo el experimento de que influencia tiene los tratamientos térmicos se usaron dos clases de aluminio de la 6XXX, que fueron el Al 6061 y 6063, en platina de 1” x ¼”, de cada tipo de aluminio se sacaron seis probetas las cuales dos de cada una tuvo un procedimiento diferente de la siguiente manera:

-dos probetas patrón, las cuales no se les hizo ningún tipo de tratamiento térmico, es decir se dejaron en estado suministro.

-dos probetas con tratamiento térmico de solución solida, solo se les hizo el tratamiento de solución.

-dos probetas con envejecido artificial a partir de solución solida, a esta probetas se le hicieron los tratamientos térmicos de solución y envejecido artificial

Y en este mismo orden se sometieron a los ensayos de tensión.

4.41 Dimensiones de las probetas

Las probetas utilizadas para el desarrollo del experimento fueron las siguientes

4.42 Diseño y desarrollo de los tratamientos térmicos

Basándose en textos y guías especializadas en tratamientos térmicos el diseño para los aluminios quedo de la siguiente manera:

Para el Al 6061 la solución se hizo a una temperatura de 530ºC durante 30 minutos, el temple se hizo en agua ya que el enfriamiento tenia que ser menor de 15 segundos que es su velocidad critica de enfriamiento, y por ultimo el envejecido se hizo a una temperatura de 160 ºC durante 18 horas dejándolo enfriar dentro del horno.

Fig. 8a. diseño tratamiento térmica Al 6061

Donde (A) es la razón con que calienta el horno o la razón de subida de temperatura y (B) es la razón con la que se enfría el horno es decir la razón de perdida de temperatura.

Para el Al 6063 la solución se hizo a una temperatura de 520ºC durante 30 minutos, el temple se hizo en agua ya que el enfriamiento tenia que ser menor de 15 segundos que es su velocidad critica de enfriamiento, y por ultimo el envejecido se hizo a una temperatura de 175 ºC durante 18 horas dejándolo enfriar dentro del horno.

Fig.8b. diseño tratamiento térmico Al 6063

Donde (A) es la razón con que calienta el horno o la razón de subida de temperatura y (B) es la razón con la que se enfría el horno es decir la razón de perdida de temperatura

La realización de estos tratamientos térmicos se hizo en un horno TKF tipo mufla, perteneciente al centro de materiales y ensayos del SENA.

4.5 Resultados y discusiones

Los ensayos de tensión se hicieron en la maquina universal de ensayos de la universidad distrital.

4.51 Resultados Al 6061La siguiente grafica de esfuerzo-deformación para el aluminio 6061 muestra en forma comparativa como cada una de las probetas arroja un resultado diferente.

Fig. 9a. diagrama esfuerzo deformación Al 6061(comparación entre cada espécimen realizado)

Como podemos observar la grafica hay una notable diferencia entre cada espécimen de probeta aunque en la probeta de envejecido 1 parece que los resultados son muy parecidos a los de las solución eso se debe a que hubo un error al ensayar esa probeta. Otro resultado que vale la pena destacar es que aunque los especímenes de patrón y envejecido esta ambos en tratamiento térmico tipo T6, el alargamiento y el esfuerzo

de fluencia son diferentes eso se debe a lo citado anteriormente que este tipo de aleaciones se sigue envejeciendo naturalmente durante un gran lapso de tiempo esto se demuestra con la grafica, ya que las probetas de envejecido solo tenían dos semanas después del tratamiento, y las patrón tenían mucho mas tiempo después del tratamiento.

Los datos obtenidos para cada una de las probetas fueron los siguientes,-Patrón 1 Modulo de elasticidad E= σ2-σ1/ ε2-ε1

E=84,8861102- 23,8117795 0,02652308-0,01267692 E= 4410,92388 Mpa

Limite de fluencia ( )yσ = 98.46 Mpa

Esfuerzo ultimo ( )utσ = 132.15 Mpa

Esfuerzo final ( )Fσ = 84.15 Mpa %

de elongación= 0,087061538x100= 8.706 %

-Patrón 2

Modulo de elasticidad E= σ2-σ1/ ε2-ε1

E=84,02097638-52,93795276 0,02381538-0,01766154 E= 5050,99134Mpa



Esfuerzo final ( )Fσ =87,95 Mpa %

de elongación= 0,091076923x100= 9.1 %

Solución 1


E= 5743,85188Mpa



Esfuerzo final ( )Fσ = 73,1244 Mpa

% de elongación= 0,075215385x100= 7.52 %

Solución 2


E= 3348.06619Mpa




% de elongación= 0,066076923x100= 6.6 %

Envejecido 1


E= 7896.64374Mpa

Limite de fluencia ( )yσ = 96 Mpa



% de elongación= 0,0902x100 = 9.02%

Envejecido 2


E= 4410.7574Mpa



Esfuerzo final ( )Fσ = 78,7889Mpa

% de elongación= 0,2278923x100 = 22.78%

4.52 Resultados Al 6063

La siguiente grafica de esfuerzo-deformación para el aluminio 6061 muestra en forma comparativa como cada una de las probetas arroja un resultado diferente

Fig. 9a. diagrama esfuerzo deformación Al 6061 (comparación entre cada espécimen realizado)

Como podemos observar en la grafica los resultados, podemos decir que a este tipo de aleación le afecta mas rápidamente el envejecido natural después de la solución ya que después del tratamiento de solución al ensayo de tensión pasaron dos semanas, los resultados mostrados en la grafica se ve que los de la solución son muy similares a los de las probetas del envejecido.

Los datos obtenidos para cada una de los especímenes son los siguientes

Patrón 1


E= 11810.01309Mpa


Esfuerzo ultimo ( )utσ =193.72 Mpa

Esfuerzo final ( )Fσ = 131.88 Mpa

% de elongación= 0,085430769x100= 8.54 %

Patrón 2


E= 9333.88689Mpa




% de elongación= 0,0907x100=9.07%

Solución 1


E= 4403.268Mpa




% de elongación= 0,1752x100= 17.52 %

Solución 2


E= 3928.0066 Mpa




% de elongación= 0,1953x100= 19.53 %

Envejecido 1


E= 4839.974 Mpa




de elongación= 0,1751x100= 17.51 %

Envejecido 2


E= 4674.154 Mpa




de elongación= 0,1842x100= 18.42 %

5. CONCLUSIONES

-Como principal conclusión se puede decir que observo los resultados esperados es decir con un tratamiento térmico la resistencia a la tracción varia notablemente en las aleaciones de aluminio 6061 y 6063.

-También podemos decir que el envejecido natural afecta más directamente a la clase 6063 que la clase 6061.

-Se hubiera podido obtener otros resultados si el ensayo de tensión se hace en el menor lapso de tiempo entre tratamientos térmicos, reduciendo al máximo el fenómeno de envejecido natural de estos aluminios.

- al aumentar el tiempo de envejecido la ductilidad del material aumenta.

6. Bibliografía

ASM METAL HANBOOK, HEAT TREATING, VOLUMEN 4, 1991

ASM METAL HANBOOK, Volume 2 - Properties and Selection Nonferrous Alloys and Special Purport

Shackelford James F. “Ciencia de Materiales paraIngeniería”. Editorial Pretince Hall. 3ra Edición(1998).

http://www.upv.es/pms2002/Comunicaciones/082_FORN.PDF

http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=70713304&iCveNum=7428

http://servicio.cid.uc.edu.ve/ingenieria/revista/v13n3/13-3-3.pdf








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