Estudio del efecto de la modificación con estroncio en la microestructura y las propiedades mecánicas de aleaciones Al-Si-Mg

Abstract

Un dels principals defectes que apareixen en els aliatges d'alumini obtinguts per fosa són els causats per la porositat. En aquest treball s’ha analitzat un aliatge Al-Si-Mg utilitzat per la fabricació de connectors d'alta tensió per part de la companyia SBI Connectors. L'objectiu principal es estudiar l'efecte sobre la microestructura i les propietats mecàniques mitjançant l'addició de dos elements modificadors de l'eutèctic: sodi i estronci. A més, també s'ha examinat l'efecte de dos processos d’emmotllament: sorra i metàl·lic.

Per estudiar el comportament de l'aliatge s'han dut a terme diferents assajos mecànics: tracció, duresa i flexió 4 punts. Un cop assajades les provetes, s’ha realitzat una anàlisi exhaustiu de la superfície de fractura i de la microestructura mitjançant microscòpia òptica i electrònica.

Analitzant els resultats s’ha pogut demostrar com el paràmetre que té major afectació sobre les propietats mecàniques, en lloc de la porositat, és el grau de modificació de l’eutèctic, el qual s'obté mitjançant altes velocitats de refredament, l'ús d’estronci com a modificador i baixos temps de manteniment. De la mateixa manera, s'ha confirmat com l’ús d’estronci causa un augment en la porositat, però alhora crea una porositat amb una morfologia esfèrica, provocada principalment per gas retingut. Això permet reduir les concentracions de tensions en comparació a les provocades per una porositat més irregular originada principalment per rebeguts.

Finalment, s'han proposat una sèrie de millores en el procés de fosa i en el tractament tèrmic posterior per millorar les propietats mecàniques, mitjançant un augment en el grau de modificació de l’eutèctic i millorant la porositat.

Uno de los principales defectos que aparecen en las aleaciones de aluminio obtenidas por fundición son los provocados por la porosidad. En este trabajo se ha analizado una aleación de Al-Si-Mg empleada para la fabricación de conectores de alta tensión por parte de la empresa SBI Connectors. El objetivo principal es estudiar el efecto en la microestructura y propiedades mecánicas mediante la adición de dos elementos modificadores del eutéctico: sodio y estroncio. Además, también se ha examinado el efecto de dos procesos de moldeo: arena y coquilla.

Para estudiar el comportamiento de la aleación se han realizado diferentes ensayos mecánicos: tracción, dureza y flexión a 4 puntos. Una vez las probetas han sido ensayadas, se ha realizado un exhaustivo análisis de la superficie de fractura y de la microestructura mediante microscopía óptica y electrónica.

Al analizar los resultados obtenidos, se ha podido demonstrar como el parámetro que tiene una mayor afectación sobre las propiedades mecánicas, más que la porosidad, es el grado de modificación del eutéctico, el cual se obtiene mediante altas velocidades de enfriamiento, el uso de estroncio como modificador y bajos tiempos de mantenimiento. Asimismo, se ha confirmado como el estroncio provoca un aumento de la porosidad, pero a la vez crea una porosidad de morfología esférica originada por gas retenido. Esto permite reducir las concentraciones de tensiones frente a las provocadas por los poros más irregulares producidos principalmente por rechupes.

Por último, se han propuesto una serie de mejoras en el proceso de fundición y en el tratamiento térmico posterior para mejorar las propiedades mecánicas, mediante el aumento del grado de modificación del eutéctico y mejorando la porosidad.

One of the main defects that appear in the aluminium alloys obtained by casting are those caused by porosity. In this work, an Al-Si-Mg alloy used for the manufacture of high voltage connectors by the company SBI Connectors has been analysed. The main objective is to study the effect on the microstructure and mechanical properties by adding two eutectic modifying elements: sodium and strontium. Besides, the effect of two moulding processes has also been examined: sand and metallic.

To study the behaviour of the alloy, different mechanical tests have been carried out: traction, hardness, and 4 points bending. Once the specimens have been tested, an exhaustive analysis of the fracture surface and the microstructure has been carried out using optical and electronic microscopy.

Analysing the results, it has been possible to demonstrate how the parameter that has a greater effect on mechanical properties, rather than porosity, is the degree of modification of the eutectic, which is obtained through high cooling rates, the use of strontium as a modifier and low holding times. Likewise, it has been confirmed how strontium causes an increase in porosity, but at the same time creates a porosity of spherical morphology caused by retained gas. This allows reducing stress concentrations compared to those caused by the more irregular pores produced mainly by shrinkage.

Finally, a series of improvements have been proposed in the casting process and in the subsequent heat treatment to improve mechanical properties, by increasing the degree of modification of the eutectic and improving porosity.