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UNIVERSIDAD EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA TRABAJO DE GRADO

INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE COLADA Y ADICIÓN DE TIBOR EN LA MICROESTRUCTURA DE LA ALEACIÓN 6005 FABRICADA EN MESA

CON MOLDES DE ANILLOS DE GRAFITO EN CVG VENALUM

T.S.U. HERRERA JOSÉ.

PUERTO ORDAZ, NOVIEMBRE DE 2010

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA


DEPARTAMENTO INGENIERÍA METALÚRGICA TRABAJO DE GRADO



Autor: T.S.U. José Herrera

Trabajo de Grado presentado ante el Departamento de Ingeniería Metalúrgica de la UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz como requisito parcial para optar al Titulo de Ingeniero Metalúrgico.

TUTOR ACADÉMICO: Msc. Ing. Enrique Arteaga

TUTOR INDUSTRIAL: Ing. Alí Villalobos

PUERTO ORDAZ, NOVIEMBRE DE 2010




HERRERA, JOSÉ INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE COLADA Y ADICIÓN DE TIBOR EN LA MICROESTRUCTURA DE LA ALEACIÓN 6005 FABRICADA EN MESA CON MOLDES DE ANILLOS DE GRAFITO EN CVG VENALUM 82 Pág. TRABAJO DE GRADO Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Vicerrectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Metalúrgica. Departamento de Entrenamiento Industrial. Tutor Académico: Msc. Ing. Enrique Arteaga Tutor Industrial: Ing. Alí Villalobos Noviembre 2010. 1. El Problema. 2. Marco Teórico 3.Marco Metodológico. 4. Resultados y Análisis. Conclusiones. Recomendaciones. Bibliografías. Anexos




iv




ACTA DE APROBACIÓN

Quienes suscriben, los tutores Académicos e Industrial y miembros de

Jurado, para examinar el Trabajo de Grado, titulado “INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE COLADA Y ADICIÓN DE TIBOR EN LA MICROESTRUCTURA DE LA ALEACIÓN 6005 FABRICADA EN MESA

CON MOLDES DE ANILLOS DE GRAFITO EN CVG VENALUM ”,

presentado por el ciudadano Herrera José, portador de la Cedula de

Identidad nº V- 8.865.880 , ante el Departamento de Ingeniería Metalúrgica

de la UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz como parte de los requisitos

para optar al Título de Ingeniero Metalúrgico, consideramos que dicho

trabajo cumple con los requisitos exigidos para tal efecto y por lo tanto lo

declaramos Aprobado.

Tutor Académico Tutor Industrial Msc. Ing. Enrique Arteaga Ing. Alí Villalobos Jurado Evaluador Jurado Evaluador

Ing. Ricardo Higuerey Ing. Yanira Farias




v

DEDICATORIA

Agradezco a Dios

A la Virgencita del Valle, siempre presente en mis ruegos y oraciones

A Irma mi esposa

A Eduardo Mi hijo.

A toda mi gran familia.




vi

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a la Empresa CVG Venalum y al Vicerrectorado Puerto

Ordaz de la UNEXPO, sin cuya iniciativa, este programa de Prosecución de

Estudios de Ingeniería Para T.S.U. no hubiese generado resultados

satisfactorios.

A mis compañeros de trabajo de la Superintendencia Procesos y

Certificación de Calidad Colada en CVG Venalum (Superintendente,

Analistas e inspectores), por el gran apoyo y solidaridad mostrados en el

transcurso de la carrera.

Al personal de la Superintendencia Productos Verticales Grupo “C”,

por la gran cooperación prestada.

A mis amigos de la Superintendencia de Laboratorio de CVG

Venalum; Ing. Lilina Quijada, Alberto Bracamonte y al Ing. Carlos Iguanetti.

A mis tutores Ing. Ali Villalobos y Enrique Arteaga, por la paciencia y

el interés en esta investigación desde sus comienzos, ofreciendo asistencia

técnica en todos los aspectos de este trabajo.




vii

ÍNDICE GENERAL

Contenido Págs. Dedicatoria v Agradecimientos vi Resumen xi Introducción 1 CAPÍTULO I. EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del problema 5 1.2. Objetivo General 5 1.3. Objetivos Específicos 5 1.4. Justificación 5 1.5. Delimitación y Alcance 6 CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes 7 2.2 Bases Teóricas 7 2.2.1 Aluminio y sus características 7 2.2.2 Propiedades del Aluminio 10 2.2.3 Aleaciones de Aluminio 15 2.2.4 Aleaciones de aluminio para extrusión 17 2.2.5 Aleaciones de la serie 6000 18 2.2.6 Generalidades de la aleación de aluminio 6005 20 2.2.7 Influencia de los aleantes y refinadores de grano en las aleaciones de la serie 6000

22

2.2.9 Estructura de solidificación de los materiales metálicos 26 CAPITULO III MARCO METODOLÓGICO

3.1 Tipos de investigación 31 3.2 Diseño de Investigación 36

3.3 Población y Muestra 36

3.4 Técnicas y/o Instrumentos de Recolección de Datos 36

3.4.1 Técnicas documentales 36 3.4.2 Observación Directa 37 3.4.3 Entrevista Informal 37




viii

3.4.4 Instrumentos y materiales 38

3.5. Procedimientos 39

CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES 4.1. Evaluación parámetros microestructurales 50 4.2. Determinación de la dureza y la conductividad eléctrica 57 4.3. Propuesta de los parámetros de colada de la aleación 6005 60

CONCLUSIONES 61

RECOMENDACIONES 62

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 63




ix

ÍNDICE DE TABLAS

Contenido Págs.

Tabla 2.1. Designación según The Aluminum Association en 1954

16

Tabla 2.2. Composición química 20

Tabla 2.3. Propiedades mecánicas de la aleación 6005 20

Tabla 4.1. Composición química de las coladas evaluadas Aleación 6005

49

Tabla 4.2. Parámetros de Fabricación de la Aleación 6005 49

Tabla 4.3. Porcentaje de Fases en muestras 50 Tabla 4.4. Promedios y desviaciones de tamaño de grano Aleación 6005

53

Tabla 4.5. Zona Chill 54

Tabla 4.6. DAS AA6005 55

Tabla 4.7. Valores de dureza (Vickers) y conductividad eléctrica 56 Tabla 4.8. Parámetros de colada. Colada 3 60




x

ÍNDICE DE FIGURAS

Contenido Págs Figura 2.1. Aluminio-Magnesio-Silicio: liquidus 19 Figura 2.2. Aluminio-Magnesio-Silicio: solidus 19 Figura 2.3. Aluminio-Magnesio-Silicio: límites de solubilidad 19 Figura 3.1. Forma de obtención de las muestras 40 Figura 3.2. Corte de los cilindros en diferentes secciones con la sierra KM 44

40

Figura 3.3. Cortadora de Disco Abrasivo 41 Figura 3.4. (A) Desbastadora Mecánica y (B) Desbastadora Manual 42 Figura 3.5. Máquinas de pulido, paños y soluciones abrasivas 43 Figura 3.6. Durómetro 45 Figura 3.7. Esquema para el ensayo de la muestra 46 Figura 3.8. Espectrómetro de Emisión Óptica 47 Figura 3.9. Equipo para medir conductividad eléctrica 48 Gráfica 4.1. Porcentaje de fase alfa en las tres coladas de la aleación 6005

50

Gráfico 4.2. Porcentaje de fase beta en las tres coladas de la aleación 6005

51

Figura 4.3. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo porcentaje de alfa y beta, tomado con aumento de 100X y atacado con solución de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de 4minutos

51

Gráfico 4.4. Correlación múltiple de la fase alfa en función de la velocidad de colada y adición de tibor

52

Gráfico 4.4. Tamaño de grano en las tres coladas de la aleación 6005 53 Figura 4.5. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo el tamaño de grano, tomado con aumento de 100X y atacado con solución de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de 4minutos

54

Gráfico 4.6. Segregación inversa en las tres coladas de la aleación 6005

54

Figura 4.7. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo la segregación inversa, tomada con aumento de 100X y atacada con solución de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de 4minutos

55

Gráfico 4.8. Espacio interdendrítico (DAS) en las tres coladas de la aleación 6005

56

Figura 4.9. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo el espacio interdendrítico, tomado con aumento de 100X y atacado con solución de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de

56




xi

4minutos Gráfico 4.10. Correlación múltiple de la dureza en función de DAS y Si en la matriz

57

Gráfico 4.11. Conductividad eléctrica AA 6005 58 Gráfico 4.12. Correlación múltiple de la conductividad en función del DAS

59




xii






Autor: T.S.U. José Herrera

Tutor Académico: Msc. Ing. Enrique Arteaga Tutor Industrial: Ing. Alí Villalobos

Año: 2010

RESUMEN

En el siguiente trabajo se evaluó la influencia de la velocidad de colada y adición de tibor de la aleación 6005 fabricadas con anillos de grafito en CVG Venalum. El estudio se fundamentó en una investigación de tipo experimental descriptiva de diseño de campo, para ello fue necesario: evaluar la composición química, microestructura y propiedades físicas y mecánicas de esta aleación. Los resultados obtenidos durante esta investigación indican que la formación de fase alfa esta relacionado con el contenido de hierro. El tamaño de grano es mayor en el centro con respecto al borde del cilindro. La conductividad y la dureza tienen relación estadísticamente significativa con respecto a los parámetros DAS y % Si matriz. Se propone establecer como receta de colada para la fabricación de los cilindros de la aleación 6005 los parámetros una velocidad de colada de 112 mm/min y una velocidad de adición de tibor de 160 cm/min. Palabras claves: Velocidad de colada, dureza, ensayo, aleación, microestructura.




INTRODUCCIÓN

Las principales propiedades que hacen del aluminio un metal valioso son

su ligereza, resistencia a la corrosión, buena conductividad eléctrica y

térmica, no magnético, muy maleable y reciclable además de su atractivo

aspecto. Debido a esta excelente combinación de propiedades la variedad

de aplicaciones del aluminio aumenta constantemente y es esencial en

nuestra vida cotidiana.

La empresa CVG Venalum en vista de las perspectivas favorables del

mercado del Aluminio, se propuso desde hace varios años diversificar su

cartera de productos con el objetivo de consolidar su participación

protagónica en el mercado a nivel mundial, por lo que realizó una ampliación

de su capacidad instalada de producción de cilindros para extrusión para

lograr avanzar en el mercado del aluminio con sus productos.

Esta investigación es de de gran importancia ya que permitió conocer la

influencia de las velocidades de colada y la adición tibor en la microestructura

lo cual permite tener una práctica estándar al momento de la fabricación de

la aleación 6005. De esta manera la empresa puede diversificar su línea de

productos y garantizar la alta calidad de los mismos a nivel mundial.

El procedimiento que permitió lograr los objetivos de esta investigación

implico los siguientes análisis: a) Preparación metalográfica de las muestras,

b) Análisis de imagen para determinar porcentaje de fases, tamaño de

grano, zona chill y distancia interdendrítica, c) Ensayos de dureza y

conductividad eléctrica además del procesamiento y análisis estadístico de

los resultados por medio de hojas de calculo Excel y Statgraphics.




2

A través de este informe se presenta el resultado de la investigación

realizada en los siguientes capítulos. En el capítulo 1: se expone el

problema objeto de la investigación. En el capítulo 2: se detallan aspectos

referidos a los antecedentes y bases teóricas. En el capítulo 3 se presenta

el marco metodológico que fue seguido para realizar este estudio. En el

capítulo 4: se exponen y analizan los resultados obtenidos. Finalmente se

presentan las conclusiones, recomendaciones, anexos y referencias

bibliográficas.




CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

1.1 Planteamiento del Problema

El Aluminio es un metal moderno e interviene de alguna forma en muchas

actividades de la vida humana. Precisamente aquellas que se consideran

más avanzadas técnicamente. El futuro se vislumbra también con una gran

expansión de su producción, basándonos en las ventajas que le confieren

sus propiedades para su uso y aplicaciones.

La ligereza del aluminio, su buena resistencia mecánica y excelente

resistencia a la corrosión garantizan una realidad y un futuro prometedor para

que este material continúe manteniendo su participación en el desarrollo de

la humanidad. Desde principios del siglo XX, se comenzó a fabricar los

primeros perfiles y hasta hoy, la tecnología de la extrusión ha experimentado

un espectacular desarrollo.

La empresa CVG Venalum en vista de las perspectivas favorables del

mercado del Aluminio, se propone diversificar su cartera de productos con el

objetivo de consolidar su participación protagónica en el mercado a nivel

mundial, por lo que realizó una ampliación de su capacidad instalada de

producción de cilindros para extrusión de 110.000 a 190.000 TM/año para

lograr avanzar en el mercado del aluminio con sus productos y así obtener

un mayor valor agregado del producto. Este proyecto fue culminado en el




4

mes de mayo del año 2009 con la entrega de la tercera unidad de colada

vertical de cilindros.

Esta nueva unidad consta de una mesa de colada de tecnología

Maxicast-Air Slip Dual Jet con anillo de grafito; nombre asociado al sistema

de suministro de aire y agua de enfriamiento que posee; además, el material

del anillo es grafito cuya porosidad característica permite el paso de aire y el

aceite a través de él, a diferencia de otras tecnologías que poseen otro tipo

de anillos.

CVG Venalum requiere disponer de una receta de colada y el estándar

de calidad para cilindros de extrusión de la aleación 6005, por lo que una

vez instalada la unidad se realizaron tres coladas sometidas a estudio, las

mismas fueron realizadas a distintas velocidades de colada y de adición de

Tibor (velocidades de colada de 116 y 112 mm/min y tibor de 185 y 160

cm/min respectivamente)

Esta investigación permitió conocer la influencia de la velocidad de

colada y adición de tibor en la microestructura de los cilindros de siete (7”)

pulgadas de diámetro, aleación 6005, lo cual es de gran importancia para la

empresa, ya que nos permitirá elaborar el estándar de calidad y proponer los

parámetros de fabricación de la aleación mencionada.




5

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Evaluar la influencia de la velocidad de colada y de adición de tibor en la

aleación 6005 fabricada en mesa con moldes de anillos de grafito en CVG

Venalum.

1.2.2. Objetivos específicos

1. Evaluar parámetros microestructurales tales como: Porcentaje de

fases, tamaño de grano, zona de segregación (zona chill), espacios

interdendríticos (DAS) de los cilindros aleación 6005 por técnicas de

microscopía óptica por analizador Clemex.

2. Determinar la dureza (Vickers) y la conductividad eléctrica de los

cilindros aleación 6005 en función de las condiciones de fabricación

velocidades de colada y Tibor respectivamente

3. Proponer los parámetros de velocidad de colada y adición de tibor

para la fabricación de los cilindros de aleación 6005.

1.3. Justificación Para CVG Venalum, es de gran importancia conocer la influencia del

control de las velocidades de colada y la adición del refinador de grano,

debido que permite a futuro tener una práctica estándar al momento de la

fabricación de la aleación 6005. Esta información sirve para ser adicionada a

la ficha técnica que se elabora donde se incluye las características y




6

parámetros primordiales de esta aleación. De esta manera la empresa puede

diversificar su línea de productos y garantizar la alta calidad de los mismos a

nivel mundial.

1.4. Delimitación

La presente evaluación se realizó en Gerencia de colada,

específicamente en el Departamento de productos verticales. Esta

investigación se llevó a cabo para velocidades de colada y velocidades de

adición de refinador de grano Tibor en condiciones determinadas para tres

coladas específicamente de la aleación 6005, en el área antes mencionada

desde Junio hasta Septiembre del año 2010 con una duración de 24

semanas.




CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

Soto, O. (2005), realizó un estudio denominado “Evaluación y estudio de

los parámetros de velocidad de alimentación, cantidad de tibor cargado a la

colada y tamaño de grano, en los cilindros para extrusión en CVG Venalum”,

el cual arrojó las siguientes conclusiones: El titanio tiende a esferoidizar y

disminuir el tamaño de grano en la aleación 6063. Velocidades de adición de

tibor de 40 hasta 60”/min garantizan un tamaño de grano de 80 µ, lo cual

satisface estándares de calidad.

2.2. Bases Teóricas.

2.2.1. Aluminio y sus características

El aluminio es un metal no ferroso, y es el más abundante de los metales,

constituyendo cerca del 8% de la corteza terrestre. Sus propiedades han

permitido que sea uno de los metales más utilizados en la actualidad. Es de

color gris plateado y es el más ligero de los metales producidos a gran

escala.

La alúmina, que es extraída de la bauxita y mezclada con la criolita es la

fuente del aluminio. El aluminio puro es un metal relativamente blando, pero

debidamente aleado se obtienen resistencias comparables al acero, por lo




8

cual es muy útil actualmente, desde la industria de la construcción,

decoración, minería, automotriz, iluminación hasta la industria aeronáutica.

Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil

en ingeniería mecánica, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta

resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede

aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es

buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es

relativamente barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el metal

que más se utiliza después del acero.

Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C. Oersted,

pero fue la invención del proceso Hall-Héroult en 1886 (patentado

independientemente por Héroult en Francia y Hall en EE.UU.) que abarató el

proceso de extracción del aluminio a partir de la alumina, lo que permitió,

junto con el proceso Bayer (inventado al año siguiente, y que permite la

obtención de óxido de aluminio puro a partir de la bauxita), que se extendiera

su uso hasta hacerse común en multitud de aplicaciones. Sus aplicaciones

industriales son relativamente recientes, produciéndose a escala industrial

desde finales del siglo XIX. Ello posibilitó que el aluminio pasara a ser un

metal común y familiar. El principal inconveniente para su obtención reside

en la elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción. Este

problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su dilatada vida útil y

la estabilidad de su precio.

El aluminio es el único metal que proporciona dureza con bajo peso, es

sumamente fácil de pulir, tenaz, dúctil y maleable, posee una gran resistencia




9

a la corrosión, alta conductividad térmica y eléctrica además de poseer

buena relación beneficios - costo que cualquier otro metal común.

Debido a su naturaleza químicamente reactiva nunca es encontrado

como elemento libre, sino en forma oxidada más comúnmente en la forma de

aluminatos y silicatos. Dentro de estos compuestos se encuentra como Al2O3

combinado con agua y otros elementos comunes como hierro, silicio y titanio.

Actualmente se sabe que el aluminio en su forma oxidada se encuentra en

más de 250 minerales en mayores o menores porcentajes.

Generalmente, los más importantes grupos minerales conteniendo

aluminio son los silicatos de aluminio, incluyendo las calizas y óxidos

hidratados, tales como las bauxitas. Los cloruros y otros haluros de aluminio

han sido encontrados en la naturaleza en cantidades comerciales.

El aluminio es un metal base, que puede ser manufacturado para

desempeñar diferentes funciones. Esto es acompañado por el cambio de los

diferentes elementos en la aleación y por la forma en la cual es fabricado,

endurecido y tratado térmicamente.

Este es un metal moderno, que interviene de alguna forma en todas las

realizaciones y actividades de la humanidad. Precisamente aquellas que se

consideran más avanzadas técnicamente debido a las características que

presenta, entre las que se encuentran:

• Al estar en contacto con el aire se cubre rápidamente con una capa

dura y




10

• transparente de óxido de aluminio que resiste la posterior acción

corrosiva

• Es un excelente conductor del calor y la electricidad

• Su ductilidad permite que los productos de aluminio se fabriquen en

una fase

• muy próxima al diseño final del producto

• El metal no es tóxico, ni desprende olor o sabor

• Es cien por ciento reciclable

• No es magnético

• Fácilmente fabricado por los procesos normales de trabajado

(laminación, extrusión, forja y embutido)

• Disponible en todas las formas deformadas, planchones, láminas,

papel, secciones y varillas extruidas, tubos embutidos y alambres

• Fácil de trabajar en las máquinas-herramientas

• Las superficies admiten diversos tratamientos

Lo ligero de la masa (peso) del aluminio es una de las propiedades más

conocidas que este metal posee. Un centímetro cúbico de aluminio puede

tener una masa de aproximadamente 2,699 g, comparado con los 7,85 g del

acero y 8,46 g del cobre. Decrece a 2,44g/cm3 para el sólido a 660 °C, justo

por debajo de la temperatura de fusión y a 2,38 g/cm3 para el metal fundido a

esa temperatura.

2.2.2. Propiedades del Aluminio.

• Conductividad Eléctrica

Aparte del cobre, el aluminio es el único metal común que posee una alta

conductividad como para ser usado como conductor eléctrico. Su

conductividad representa el 65% con respecto a la del cobre.




11

Sin embargo, con igual masa de base, el aluminio dobla la capacidad

conductiva del cobre. Para una misma capacidad de conducción eléctrica, un

conductor de aluminio puede tener la mitad de la masa, que la que podría

tener la sección transversal de un conductor de cobre.

• Resistencia a la Corrosión

Se debe a la formación espontánea de una película muy delgada de

óxido de aluminio que es insoluble en agua, la cual la protege del medio

ambiente y la corrosión, tanto en forma de metal puro como cuando forma

aleaciones, la cual le da las mismas ventajas que el acero inoxidable y lo

hace verse muy bien en comparación con el acero. Una característica de

esta capa, es que si es removido por algún medio mecánico, se formará una

nueva capa protectora de óxido.

• Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas o propiedades de resistencia mecánica sirven

en la mayoría de los casos como base para dictaminar sobre un material

metálico, con vistas a un fin de aplicación concreto. A continuación se da un

resumen de las propiedades mecánicas más importantes del aluminio no sólo

sometido a esfuerzo continuo sino también, oscilante y por golpe.

• Dureza

Es la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro. La carga de

la herramienta que actúa sobre la superficie del cuerpo a ensayar puede

tener lugar lentamente (actuando estáticamente), o por golpe (actuando




12

dinámicamente). La mayoría de las veces se da en los materiales de aluminio

la dureza Brinell, a causa de la sencillez de su determinación. Los valores de

la dureza Brinell se extienden desde HB=15 para aluminio purísimo y blando

hasta casi HB=110 para AlZnMgCu 1,5 endurecido térmicamente, es decir,

aleación 7075. Los valores de la dureza determinados por otros métodos,

como el Vickers también tienen significado práctico en este metal. De vez en

cuando se utiliza la microdureza, una variante del método Vickers, para

determinar la dureza de capas anodizadas.

• Resistencia en el ensayo de tracción

Los importantísimos valores característicos que se obtienen en el ensayo

de tracción para juzgar las propiedades resistentes de los materiales

metálicos en general, son aplicables a los materiales de aluminio.

Generalmente estos valores son el límite elástico 0,2%, la resistencia

máxima a la tracción, el alargamiento a la rotura, así como la estricción de

ruptura.

En general, la resistencia aumenta con el aumento en elementos de

aleación. Los dominios de la resistencia en cada aleación surgen, ante todo,

como consecuencia de los aumentos de resistencia que se consiguen por

deformación en frío o endurecimiento por tratamiento térmico. Los distintos

elementos de aleación actúan de modo muy diferente en cuanto al aumento

de resistencia. Al aumentar la resistencia, aumenta el límite 0,2% más rápido

que la resistencia a la tracción, independientemente del mecanismo que

motive el aumento de la resistencia. Este aumento se nota especialmente

cuando el aumento de resistencia tiene lugar por deformación en frío. En

general no se desean altas relaciones entre los límites elásticos (límite 0,2%)




13

y resistencia máxima, ya que expresan un comportamiento relativamente

quebradizo del material, razón fundamental por la que no se puede aumentar

de forma arbitraria la resistencia de un material metálico.

• Propiedades resistentes a temperaturas elevadas

Al aumentar la temperatura, disminuyen la resistencia a la tracción, el límite

elástico y la dureza, en general, aumenta el alargamiento de rotura y la

estricción de rotura. El factor tiempo juega un papel esencial en la

determinación de valores de resistencia para altas temperaturas.

• Resistencia a la fatiga

La fatiga depende de una serie de factores. Además de la composición,

estado y procedimiento de obtención del material, hay que considerar la

clase y frecuencia de tensiones y especialmente, la configuración de los

elementos constructivos (distribución de fuerzas, tensiones máximas,

superficie). La denominación "resistencia a la fatiga" se utiliza como concepto

genérico para todos los casos de esfuerzos y tensiones alternadas.

Para el aluminio el límite de ciclos de carga está fijado en 10. Los ensayos

se hacen casi siempre de 5 a 10 ciclos. Los resultados de los ensayos de

fatiga alternativa presentan siempre una dispersión que no se disminuye

aunque se utilicen métodos más precisos de medición. Se deben,

principalmente, a contingencias casuales que intervienen al originarse la

primera fisura y prosiguen en las fases iniciales de su expansión.




14

• Mecánica de la rotura.

Tenacidad: El comportamiento en cuanto a la resistencia a la rotura de un

material es importante. En los elementos de construcción se presupone que

existen siempre fisuras de un determinado tamaño y que se dimensionan los

elementos de tal modo que estas fisuras no sobrepasan una magnitud crítica,

dentro de un período de vida previsto y sobre todo, que no aumenten de

modo inestable. La carga puede ser monótona estática u oscilante. También

se puede tener en cuenta la carga de fluencia (método más apropiado para

los materiales de aluminio) o las grietas de corrosión bajo tensión.

Entre los valores de resistencia habituales obtenidos del ensayo de

tracción y la tenacidad a las fisuras no existe, en general, ninguna

dependencia. Desde el punto de vista cualitativo, la tenacidad a las fisuras

desciende al aumentar la resistencia.

Resistencia al desgaste: La resistencia a la abrasión o al desgaste de los

materiales de aluminio es particularmente baja en el rozamiento en seco. No

existe relación entre dureza y resistencia mecánica por un lado y resistencia

a la abrasión por el otro.

Conductividad eléctrica: Un conductor eléctrico es aquel cuerpo que puesto

en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los

puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos

con electrones libres que permiten el movimiento de cargas.

Materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los

mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen




15

otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir

la electricidad como son el grafito, las disoluciones y soluciones salinas (por

ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma.

Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier

instalación de uso doméstico o industrial, el mejor conductor es la plata pero

es muy costosa, así que los metal mas empleados como conductores

eléctricos son el cobre y el aluminio, metal que si bien tiene

una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin

embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas

de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión1.

La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión

Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta

magnitud, estableciendo el International Annealed Copper

Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta

definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 ºC es igual a 58.0

MS/m. A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del

resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La

mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100%

IACS.

2.2.3 Aleaciones de Aluminio.

El aluminio como metal puro es de poca utilización en los procesos

industriales, por lo que es necesario alearlo para conseguir las propiedades

óptimas. El aluminio puede alearse con la mayoría de los metales, pero las




16

aleaciones de mayor importancia práctica son: Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Mn, Al-

Cu-Mg, Al-Mg-Si, etc.

La designación del aluminio y de las aleaciones forjadas de aluminio fue

estandarizada por The Aluminum Association en 1954 y consta de un

sistema de numeración de cuatro dígitos. El primero indica el grupo de

aleación, el segundo señala el cambio de la aleación original o límites de

impurezas; el cero se utiliza para la aleación original, y los enteros del 1 al 9

indican las modificaciones de la aleación.

En el grupo 1xxx para aluminio con un mínimo de pureza del 99%, los

dos últimos dígitos son los mismos que los dos a la derecha del punto

decimal en el porcentaje mínimo de aluminio. De este modo, 1060 indica un

material de 99,60% mínimo de pureza de aluminio y ningún control especial

sobre las impurezas individuales. En los grupos del 2xxx al 8xxx, los dos

últimos dígitos sirven solo para identificar las diferentes aleaciones de

aluminio en el grupo.

Tabla N° 2.1. Designación según The Aluminum Association en 1954.

Número de asociación de

aluminio Aluminio, 99% y mayor, principal elemento de aleación.

1xxx

Cobre 2xxx Manganeso 3xxx Silicio 4xxx Magnesio 5xxx Magnesio y silicio 6xxx Zinc 7xxx Otro elemento 8xxx

Fuente: Metal handbook.




17

Más del 80% de las aleaciones de aluminio que se fabrican en todo el

mundo, para el proceso de extrusión pertenecen a la serie 6000. Las

aleaciones de este grupo contienen silicio y magnesio en proporciones

aproximadas para formar el siliciuro de magnesio (Mg2Si), compuesto que

permite sean tratables térmicamente. Dentro de las propiedades de este tipo

de aleación se encuentra:

• Muy buena deformabilidad en caliente, facilitando la fabricación de

geometrías complejas.

• Excelente resistencia a la corrosión la cual puede ser más adelante

mejorada por el anodizado.

• Un nivel suficiente de resistencia mecánica en combinación con una

buena deformabilidad.

• Buen acabado superficial.

2.2.4. Aleaciones de aluminio para extrusión.

Desde el punto de vista de extrudabilidad, se distinguen tres clases de

aleaciones:

• Aleaciones blandas.

Con poca adición de aleantes. Series 1000, Al-Mn(3003),Al-Mg (5050), Al-

Mg-Si (6061, 6062 y 6063).

• Aleaciones semiduras.

A base de Mg 5454, 5154 y 5254. A base de Zn 7079 y 7075.




18

• Aleaciones duras.

A base de Mg (5086,5135 y 5556.) ; A base de Cu y Mg (2017, 2014 y 2024.)

A base de Zn-Mg-Cu (7001 y 7178).

2.2.5. Aleaciones de la serie 6000.

Los diagramas de equilibrio de la superficie líquida del sistema ternario

aluminio-magnesio-silicio se muestran en la figura (2.1), la curva solidus en la

figura (2.2) y los límites de solubilidad en la figura (2.3).

Para King Frank (1992) el aluminio y el constituyente binario Mg2Si forman

un sistema cuasi binario que divide al sistema ternario en dos partes. En el

sistema cuasi binario, los dos componentes forman un eutéctico a 595°C que

contiene 8,15% de Si y existe una solubilidad del sólido considerable en el

extremo del aluminio que alcanza un 0,85% de Mg, 1,10% de Si a la

temperatura eutéctica; ambos sistemas ternarios parciales son eutectíferos.

El aluminio, silicio y Mg2Si forman un eutéctico ternario que contiene 4,97%

de magnesio, 12,95% de silicio que se solidifica a 555°C mientras que el

aluminio, Mg2Si y Mg2Al3 forman otro a 33,2% de magnesio, 0,37% de silicio,

que solidifica a 451°C. El campo primario del Mg2Si tiene forma de cuña.




19

Figura 2.1. Aluminio-Magnesio-Silicio: liquidus

Figura 2.2. Aluminio-Magnesio-Silicio: solidus

Figura 2.3. Aluminio-Magnesio-Silicio: límites de solubilidad




20

El campo de una sola fase, sobre el cual el aluminio es el único

constituyente que se solidifica, termina a 15,3% de magnesio y 0,1% de

silicio a 415 ºC.

2.2.6. Generalidades de la aleación de aluminio 6005

Composición química de la aleación 6005 Tabla 2.2. Composición química

% Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr Al

Min 0.60 ----- ----- ------ 0.40 ------ ----- ---- Balance

Max 0.90 0.35 0.10 0.50 0.70 0.10 0.10 ---- Balance

Esta aleación se tiene mucha aplicación en áreas como ingeniería en

general, construcciones mecánicas, estructuras ligeras, entre otras. A

continuación se mencionan sus propiedades mecánicas

Propiedades Mecánicas

Las propiedades mecánicas de esta aleación pueden variar según el

equipamiento de cada línea de producción y según los parámetros utilizados

en el proceso de extrusión. Sin embargo, la aleación se desarrolla para

satisfacer las siguientes propiedades mecánicas:

Tabla 2.3. Propiedades mecánicas de la aleación 6005

Temple (AA)

Límite Elástico (MPa)

Límite de Rotura (MPa)

Alargamiento (%)

Dureza Brinell

T4 70 160 22 47

T6* 260 285 8 92




21

Resistencia a la tracción: la resistencia del perfil dependerá del intervalo de

tiempo existente entre la maduración artificial y la maduración en prensa.

Para esta aleación la resistencia aumentará al incrementar dicho intervalo de

tiempo. Almacenando el perfil durante 24 horas antes de la maduración

artificial, la resistencia aumentará un 5% aproximadamente.

En el proceso de extrusión la temperatura del tocho debe ser

preferentemente lo más baja posible para obtener la mejor velocidad de

extrusión, pero suficientemente alta para proporcionar un buen flujo de

material. Demasiado tiempo a una elevada temperatura (durante la parada

de prensa) puede destruir la microestructura del tocho, reduciendo la

facilidad de extrusión y las propiedades mecánicas.

El flujo del material depende de la fricción contra el contenedor (la

temperatura del contenedor), la resistencia a la deformación del material (Mg

y Si en solución sólida), las condiciones del contenedor y la diferencia de

temperatura entre un extremo y otro del tocho (calentamiento cónico).

En el enfriamiento para obtener la máxima dureza la temperatura de

salida de prensa debe ser inferior a la temperatura de la solución Mg2Si, y

conseguir un rápido enfriamiento para evitar precipitaciones. Para esta

aleación y con un enfriamiento de ventilación forzada conseguiremos un

resultado satisfactorio en perfiles abiertos de hasta 5mm de espesor.

Normalmente la parte trasera de la longitud de extrusión suele obtener un

enfriamiento más lento y por lo tanto menor dureza.




22

2.2.7. Influencia de los aleantes y refinadores de grano en las aleaciones

de la serie 6000.

Boro (B): Combinado con otros metales forma boruro, tal como Al2B y TiB2.

El boruro de titanio forma sitios de nucleación estable para que interactúe

con el refinador de grano, así como el TiAl3 en aluminio fundido. Los boruros

metálicos reducen la vida de las piezas en las operaciones de mecanizado.

El aumento en cantidad de estos compuestos forma inclusiones que

disminuyen notablemente las propiedades mecánicas y la ductilidad. Sin

embargo el tratamiento del Boro contenido en aluminio forma elementos

peritécticos que en práctica mejoran la pureza y por lo tanto la conductividad

eléctrica.

Cromo (Cr): Es adicionado normalmente en baja concentraciones para

favorecer un envejecimiento a temperatura ambiente, ya que a altas

temperaturas éste es inestable, por lo que ocurre la germinación y el

crecimiento de grano. El cromo forma el compuesto CrAl7, el cual expone al

límite extremo la solubilidad del estado sólido es por lo tanto muy usado para

evitar la tendencia del crecimiento de grano.

Silicio (Si): Un exceso de silicio propicia la formación de Mg2Si, la que

contribuye al endurecimiento de la aleación, trayendo como consecuencia un

aumento en la resistencia a la tensión. Se aumenta la velocidad de extrusión

a medida que aumenta la proporción de silicio. El exceso de silicio debe ser

moderado (20%) para no perjudicar la plasticidad.

Magnesio (Mg): Es el elemento fundamental empleado para otorgar

resistencia y dureza en el tratamiento térmico de las aleaciones de Al-Si. Las

aleaciones binarias de Al-Mg son ampliamente usadas en aplicaciones que




23

requieren un acabado superficial brillante y resistencia a la corrosión, así

como una atractiva combinación de resistencia y ductilidad. En esta aleación

el agente endurecedor es el siliciuro de magnesio (Mg2Si), por esto es

deseable que el magnesio no sobrepase el 1% en peso y no exceda nunca

de la relación Mg/Si = 1,73; ya que un pequeño exceso de magnesio reduce

fuertemente la solubilidad del Mg2Si. El magnesio dificulta el vaciado del

metal debido a su tendencia a formar escoria. Las aleaciones de aluminio al

magnesio son las más livianas del grupo del aluminio, tienen buena

ductilidad, son fáciles de maquinar y poseen una alta resistencia a la

corrosión.

Manganeso (Mn): este elemento mejora la resistencia a la corrosión y la

ductibilidad en pequeñas proporciones. Pero en mayores cantidades

proporciona la formación de partículas grandes, lo que ocasiona la

disminución de la resistencia.

Hierro (Fe): El hierro es una impureza del aluminio, pero su tenor

relativamente alto ocasiona que se considerado como un elemento de

aleación. El aumento del contenido de hierro implica la disminución

substancial de la ductilidad. El hierro reacciona para formar una fase de

compuestos insolubles en las aleaciones de aluminio fundidas; las más

comunes son FeAl3, FeMnAl6 y _AlFeSi; estas fases insolubles son las

responsables de mejorar la resistencia, especialmente a elevadas

temperaturas. Además, participa en la formación de fases con manganeso,

cromo y otros elementos. Se utiliza un 0,1% para mejorar la maquinabilidad

de las aleaciones. Su influencia en las propiedades del aluminio se alista a

continuación:




24

• El hierro aumenta la resistencia a la tracción y la dureza en pequeñas

cantidades, así como también la fluencia y el alargamiento.

• La baja solubilidad del hierro en el aluminio provoca la formación de

partículas incoherentes en forma de AlFe-Si que, dependiendo de su

tamaño, actuarán como iniciadores de poros o dispersores de la

deformación plástica.

• En las aleaciones de la serie 6000 es el exceso de silicio quién más

perjudica la conductividad y el hierro es usado como corrector de esta

propiedad.

• La resistencia a la corrosión se ve seriamente disminuida por la

presencia de hierro.

• Como el hierro es prácticamente insoluble en el aluminio forma

cristales duros y frágiles que ocasiona la fragilidad del material.

Titanio (Ti): Usado ampliamente como refinador de grano en las aleaciones

de aluminio coladas, usualmente en compañía de cantidades pequeñas de

boro. Este disminuye la conductividad térmica, mejora la resistencia a la

tensión y la ductibilidad. Reduce los repliegues fríos, que es una

consecuencia del aumento de la velocidad de colada. Reduce las

segregaciones.

Cobre (Cu): A temperatura ambiente la solubilidad del cobre en el aluminio

es de 0,1%, mientras que a la temperatura eutéctica 527 ºC la solubilidad es

de 5,7%, esta variación de la solubilidad con la temperatura permite que la

aleación Aluminio-Cobre sea susceptible al tratamiento térmico. El cobre

aumenta la corrosión con concentraciones que van de 0,3 a 1,0%, pero a

mayores cantidades disminuye la resistencia a la corrosión, esto se debe a la




25

formación de pares galvánicos que se encuentran alrededor de las partículas

de cobre constituyente y la matriz de aluminio, en presencia de humedad.

La adición hace aumentar progresivamente la resistencia y la dureza de

la aleación hasta un 12% de cobre, por encima de este porcentaje la aleación

se hace quebradiza.

2.2.8. Solidificación.

Una pieza debe poseer una estructura uniforme y compacta y, a ser

posible, no debe presentar rechupes ni inclusiones no metálicas, y tampoco

debe presentar grietas, poros ni tensiones residuales. En la solidificación

exógena, la formación de cristales comienza en la frontera líquido-molde,

formándose cristales columnares más o menos regulares según la rugosidad

de las paredes del molde. La solidificación endógena puede ser de forma

pastosa o por capas, resultando los cristales sensiblemente esféricos.

Otro aspecto importante de la colada es su fluidez, íntimamente

relacionada con la mayor o menor capacidad del líquido para reproducir

fielmente la forma del molde. El dominio del proceso de solidificación a

escala atómica es esencial para la comprensión e interpretación de los

fenómenos productivos a nivel macroscópicos como son: rechupes,

acabados superficiales, rotura en caliente, porosidades, segregaciones,

refinamiento de grano, inoculación, etc.

La solidificación de los metales y aleaciones consta de la formación y el

crecimiento de los núcleos (gérmenes); según el modo de formación se

distinguen dos tipos de núcleos:




26

• Homogéneos (propios): Agrupación de átomos que tienen la misma

red cristalina del metal; se supone que se trata de un estado

intermedio entre el ordenamiento a larga distancia y un ordenamiento

a corta distancia. Cada agrupación de átomos en el metal líquido

constituye un germen potencial cuando llega a ciertas dimensiones,

determinadas por ciertas condiciones termodinámicas.

• Heterogéneos (extraños): Partículas en suspensión en líquidos.

Estas partículas se pueden comportar como núcleos si tienen la

misma red cristalina del metal que solidifica (isomorfismo), o, si tiene

los planos cristalográficos análogos (epitaxia)

2.2.9. Estructura de solidificación de los materiales metálicos

La estructura de solidificación está determinada por la composición

química del baño, la velocidad de solidificación y el gradiente térmico. Los

últimos dos parámetros dependen del régimen térmico de la solidificación, es

decir, de las condiciones de transferencia de calor.

Cuando solidifica un lingote, pueden ocurrir tres fases separadas del

proceso de solidificación, desarrollando cada fase una disposición

característica de tamaños y formas cristalinas. Considerando la forma de

paralelepípedo de un lingote pueden distinguirse tres zona.

Zona I, Chill: Se forman por una nucleación heterogénea en la cual el

sustrato es la pared del molde. Puede aparecer también una nucleación

homogénea en el líquido fuertemente subenfriado que esta en contacto con

la pared fría del molde. Los cristales que se encuentran en esta zona son

pequeños porque la Tmolde << Tlíquido, es decir, el grado de




27

subenfriamiento _T es alto, la rata de nucleación I es alta y la velocidad de

crecimiento Vc de los cristales es baja.

Zona II, Columnar: De un número grande con orientaciones casuales

presentes en la zona I; se desarrollan solamente aquellos que tienen el eje

de las dendritas en la dirección del flujo de calor (perpendicular a la pared del

molde). El resto de los cristales no se desarrollan debido al fenómeno de

crecimiento competitivo. Debido a la disminución del grado de

subenfriamiento del líquido en el cual se desarrollan los cristales de la zona

II, la velocidad de crecimiento de estos cristales aumente y las dendritas

crecen rápidamente en la dirección de su eje principal orientado en la

dirección del flujo de calor. Estas dendritas alargadas y paralelas crecen con

una sección constante teniendo una forma columnar.

Zona III, Equiaxial: Se forman debido a una nueva nucleación en el líquido

del centro que tiene un subenfriamiento pequeño; el desarrollo de los

cristales de la zona central impide el crecimiento de los cristales columnares.

El líquido de la zona central no tiene un subenfriamiento térmico sino un

enfriamiento constitucional. En los metales puros el subenfriamiento

constitucional producido por las impurezas es insuficiente para asegurar una

nucleación en la zona central, por cual la zona columnar se extiende hasta el

centro.

Además de la nucleación heterogénea en el líquido subenfriado

constitucionalmente de la zona central, otra fuente de núcleos para la

formación de los cristales equiaxiales la representa los fragmentos de las

dendritas rotas de la zona I y II proceso que se debe a las corrientes de

convección que se forma en el líquido. El líquido en contacto con la pared del

molde tiene mayor densidad y desciende hacia la base del molde, mientras




28

que el líquido del centro caliente de menos densidad sube. En sus

movimientos estas corrientes de convección transportan los fragmentos de

dendritas a la zona central.

• Segregación (Mecanismo de formación).

La segregación se produce en aleaciones metálicas por efecto de las

leyes de solubilidad que interrelacionan el soluto con el solvente. Dándose

espacio a dos tipos de segregaciones según su origen; a nivel interdendrítico

se denomina micro segregación y a nivel granular se llama macro

segregación.

La segregación surge a consecuencia de un periódico enriquecimiento

y/o disminución de elementos soluto ocasionado por el avance del frente de

solidificación bajo condiciones de estado no-estacionario, para determinar la

naturaleza y la cantidad de esa segregación de soluto.

• Micro Segregación

Es un fenómeno de corto alcance y sucede en las regiones que

comprende tanto a las celdas como a los brazos dendríticos secundarios, en

donde, en la escala microscópica, hay sucesivo enriquecimiento en soluto

para producir capas sucesivas dentro de las dendritas y celdas (13).

Dentro de este tipo de segregación que se da a nivel dendrítico, hay a su

vez 3 tipos: segregación interdendrítica, intergranular e inversa.




29

• Segregación interdendrítica

Esta segregación es originada por la solidificación dendrítica; donde los

brazos originales que se proyectan dentro del metal sobre enfriado,

solidifican como metal de relativa pureza. En consecuencia, el líquido que

rodea a esta zona donde se encuentran dichos brazos está enriquecida en

soluto y normalmente, cuando éste líquido solidifica los espacios entre los

brazos se vuelven regiones de alta concentración de soluto.

• Segregación Intergranular

Es causada por el aparecimiento y crecimiento de una zona equiaxial, en

el que alrededor de los límites de grano, se deposita una gran cantidad de

soluto. Una vez que cualquier interfase sólido-líquido, tiene por delante una

alta concentración de soluto, ésta congelará eventualmente como sólido de

alta concentración.

• Segregación Inversa

La solidificación dendrítica en la zona columnar de los lingotes, puede

conducir algunas veces a un fenómeno llamado como segregación inversa.

En la solidificación normal de los lingotes, la parte central y superior de los

mismos que solidifican de último se enriquecen más de soluto que las partes

exteriores del lingote que solidifican primero.




30

• Macrosegregación

Es un fenómeno de largo alcance y se refiere a toscas diferencias en

concentración de soluto entre las diferentes zonas de cualquier pieza

vaciada, normalmente ocurre para distancias mayores a unos pocos

diámetros de grano. Corresponde a la variación de composición que se da a

lo largo y ancho de la pieza solidificada, ya sea longitudinalmente,

generadas por las diferencias de presión a lo largo de la pieza o por la

diferencia de densidades entre el soluto, solvente o impurezas presente.

También se puede dar transversalmente debido a factores de solubilidad y

temperatura.




CAPÍTULO III

MARCO METODOLÓGICO

3.1 Tipos de investigación

La investigación desarrollada es considerada como experimental de tipo

descriptiva, porque se hace la evaluación de coladas aleación 6005 en

función de parámetros operativos de las mismas, tales como: velocidad de

colada y adición de tibor y además es una investigación de campo porque los

datos fueron tomados directamente en el área por el investigador, lográndose

obtener información detallada del proceso de colada aplicado para la

obtención de la aleación 6005.

La investigación es aplicada puesto que los resultados son basados en

principios del método científico partiendo de hechos o procesos reales y los

resultados son presentados para permitir obtener propiedades óptimas y

serán determinantes en el futuro proceso productivo de la aleación 6005 en

CVG Venalum.

Cegarra (2005) define: La investigación aplicada se ocupa de la

realidad, y sus hipótesis se adecuan a los hechos, sus objetivos

son materiales y sus enunciados se refieren a sucesos y procesos,

utiliza como método la observación y la experimentación. (P.47).




36

3.2 Diseño de Investigación

El diseño según la fuente es de campo ya que la información y las

muestras evaluadas fueron recopiladas en el área de producción de las

coladas estudiadas y luego se evaluaron las propiedades físico-químicas de

la aleación en el laboratorio de la empresa.

Sabino (2002) al respecto: El diseño de campo se basa en

informaciones o datos primarios, obtenidos directamente de la

realidad, su valor reside en que a través de ellos el investigador

puede cerciorarse de las verdaderas condiciones en que se han

conseguido sus datos. (P.67).

3.3 Población y Muestra

Para esta investigación la población en estudio son las tres coladas

realizadas de la aleación 6005 de las cuales se tomó un cilindro por cada

aleación y de allí una muestra de cada una de ellas, a estas mismas se les

evaluó en el borde y el centro del cilindro.

3.4 Técnicas y/o Instrumentos de Recolección de Datos

Entre las técnicas utilizadas para la obtención de los datos para este

proyecto se encuentran las siguientes:

3.4.1 Técnicas documentales: Se tomó como punto de partida para este

proyecto la exploración documental como lectura general de textos y de otros

materiales escritos que sirvieron para sustentar y documentar la información

referente al estudio.




37

A través del uso de esta técnica, se recopiló gran cantidad de información

que fue utilizada como base como bases teóricas para el sustento de la

presente investigación. Estos fueron obtenidos por medio de una revisión que

comprendió bibliografías, folletos, informes técnicos, tesis afines con el

problema de investigación, entre otros.

3.4.2 Observación Directa: Permitió captar la realidad estudiada

mediante una serie de situaciones directas efectuadas durante y después del

proceso de enfriamiento de los cilindros consiguiéndose situaciones

observadas de manera espontánea para su posterior registro. Esta técnica

consiste en la exanimación atenta de los hechos ocurridos en un momento

dado mediante el uso de la vista y está orientada principalmente hacia la

captación de la realidad objeto de estudio.

Al respecto Fidias (2006) comenta lo siguiente: “La observación es

un técnica que consiste en visualizar o captar mediante la vista, en

forma sistemática, cualquier hecho, fenómeno o situación que se

produzca en la naturaleza o en la sociedad, en función de unos

objetivos de investigación preestablecidos” (P. 69).

3.4.3 Entrevista Informal: Se basó en un proceso de comunicación

verbal recíproca por el cual se recopiló información acerca del tema en

estudio por parte del personal de la planta por medio de preguntas abiertas y

consultas.

Está técnica fue utilizada tomando como esquema no estructurado, en el

cual se le realizaron preguntas y diálogos a las personas que laboran

diariamente en la planta, sin disponer de una guía de preguntas elaborada

previamente. De un modo general, una entrevista no estructurada o no

formalizada está orientada por unos objetivos preestablecidos, los cuales




38

permiten definir el tema de la entrevista. Esta técnica permite la existencia de

un margen de libertad para formular las preguntas. Por lo tanto, no se guían

por un modelo rígido de cuestionario, sino que discurren con cierto grado de

espontaneidad, mayor o menor según el tipo de entrevista que se realice.

Al respecto, Fidias (2006) comenta: La entrevista, más que un

simple interrogatorio, es una técnica basada en un dialogo o

conversación ‘’cara a cara’’ entre el entrevistador y el entrevistado

acerca de un tema previamente determinado, de tal manera que el

entrevistador pueda obtener la información requerida. (P.73).

3.4.4 Instrumentos y materiales

Durante la realización del estudio, se hizo necesaria la utilización de equipos

e instrumentos para la recaudación de datos en todo el conjunto de

muestras, entre los que se encuentran:

Ø Sierra KM 41

Ø Maquina Cortadora de disco abrasivo marca Buehler Oscilamet

Ø Aceite soluble como refrigerante para el corte de muestras en la

cortadora de disco abrasivo

Ø Desbastadora mecánica de cinta en húmedo - Marca Leco

Ø Lápiz eléctrico para la identificación de las muestras

Ø Desbastadora manual - Marca Buehler

Ø Equipo para pulido de disco - Marca Buehler

Ø Solución de Alúmina de 5- 1- 0,3 y 0,05 µm

Ø Agua destilada para la preparación de los abrasivos usados en los

paño de pulido




39

Ø Balanza para medir los gr de abrasivo que se diluyen en el agua

destilada

Ø Vaso precipitado

Ø Solución Jabonosa

Ø Alcohol

Ø Secador

Ø Reactivos químico (HF 1% + H3PO4 10%) y (NaOH)

Ø Microscopio Óptico Invertido Nikon

Ø Analizador de Imágenes Clemex Vision Modelo DCCV

Ø Durómetro Universal - Marca Wolpert Electrónico Modelo: Dia Testor

7521

Ø Espectrómetro de Emisión Óptica, para la realización del ensayo de

composición química Baird

3.6. Procedimientos

Pasos para la toma de muestras se tomó un cilindro y se le realizó un

corte transversal para obtener un disco del mismo y este disco a su vez se el

extrajeron dos muestras una en el borde y otra en el centro para realizar la

evaluación microestructural. De este modo se realizó para los otros dos

cilindros correspondientes a las otras dos coladas (las coladas evaluadas son

95048, 95049 y 95051, las cuales se denominaron 1, 2 y 3 respectivamente).




40

Figura 3.1. Forma de obtención de las muestras

1. Todas las muestras fueron obtenidas por el corte de los cilindros con la

sierra KM 44 situado en el área de colada, como se muestra en la figura

3.2.

Figura 3.2. Corte de los cilindros en diferentes secciones con la sierra KM

44.

Población Muestras

Muestra

L C B




41

2. Luego fueron llevadas a laboratorio donde se cuenta con una cortadora

de disco abrasivo como muestra la figura 3.3, la cual permitió seccionar

las muestras obtenidas anteriormente en piezas más pequeñas para un

mejor manejo en los equipos que se mencionan a continuación:

Figura 3.3. Cortadora de Disco Abrasivo.

Ensayo metalográfico

Las muestras son sometidas a una operación de desbaste, con una

desbastadora mecánica como se observa en la figura 3.4 (A), sobre una lija

de grano grueso # 180, con el fin de reducir la deformación originada durante

el seccionado en la cortadora.

Ø Se procede al esmerilado manual donde se eliminan las zonas de

deformación causada por el desbaste mecánico, mediante el uso




42

correcto de diversos tipos de papel abrasivo. Para el aluminio y sus

aleaciones se usan lijas de granos # 240,320, 400 y 600 en su

respectivo orden; Cada vez que se pasa a la siguiente lija se girar 90°

con respecto a la última dirección que se tenía, en la figura 3.4 (B) se

muestra el equipo con que se realiza esta procedimiento

Figura 3.4. (A) Desbastadora Mecánica y (B) Desbastadora Manual.

Ø Una vez que cada una de las muestras ha pasado por estos papeles

abrasivos se lavan a chorro

Ø Luego se procede al pulido con paños abrasivos con la finalidad de

eliminar de la superficie de la probeta las rayas finas producidas en el

esmerilado manual

Ø El pulido inicial se realiza con un paño de fieltro (paño verde) en una

pulidora disco, utilizando suficiente jabón y solución de alúmina de

5µm

Ø El pulido intermedio se realiza con un paño de fieltro (paño rojo) y

utilizando suficiente jabón y solución de alúmina de 1µm

(A) (B)




43

Ø Luego con los paños microcloth, se utiliza solución de alúmina de

0.3µm y suficiente jabón

Ø Y por último el pulido final donde también se utilizan paños microcloth

con solución de alúmina de 0,05µm y solución jabonosa con NaOH al

5% para facilitar la revelación de las fases y partículas en la

microestructuras de las muestras en general.

Figura 3.5. Máquinas de pulido, paños y soluciones abrasivas.

Ø Ya obtenidas las muestras pulidas se procede al ataque químico

sometiendo la superficie pulida a la acción del reactivo por un tiempo

determinado.

Luego de transcurrido el tiempo adecuado se retira la muestra y

rápidamente se lava con agua para detener la acción del reactivo

Ø Una vez que las muestran fueron sometidas a todo el procedimiento

descrito anteriormente están listas para ser observadas en el

microscopio




44

Determinación de fases, partículas, tamaño de grano y DAS

Ø Para la determinación de las fases y partículas, se trataron las

muestras sin previo ataque

Ø Se coloca cada una de ellas ya preparada en la platina porta muestra

del microscopio

Ø Luego se hace correr una rutina para ambos casos, midiendo 58

campos a cada una de las muestras. Esta rutina se encuentra

incorporada en el analizador de imágenes Clemex Vision, que consiste

en una serie de comandos que permiten bordear, rellenar, limpiar y

medir las partículas que hayan sido seleccionadas.

Ø Para la determinación del tamaño de grano fue necesario el ataque a

todas las muestras para revelar los bordes de los granos

Ø De igual manera se corre otra rutina para determinar el tamaño de

grano en las muestras en estado de colada y homogeneizadas

Ø Y para la determinación del DAS también fue necesario el ataque a

todas las muestras para revelar las dendritas en las microestructuras

de cada muestra

Ø Luego se trazan líneas que muestran la distancia entre un brazo

interdendrítico y otro

Ensayo de Dureza

Ø Primeramente se enciende el equipo pulsando el botón de

energización y el del sistema de iluminación, ubicado en el panel de

control

Ø Se selecciona la carga.




45

Ø Luego se coloca el selector de la escala de dureza Vickers

Ø Se fija firmemente la muestra con el dispositivo de fijación

Ø Luego se enfoca nítidamente en la pantalla de evaluación la superficie

de la muestra a estudiar.

Ø Se procede a liberar la palanca de aplicación de carga

Ø Una vez aplicada la carga se regresa la palanca a la posición inicial

Ø Luego se miden las diagonales de la identación que resulta de la

penetración en la muestra.

Figura 3.6. Durómetro.

Ensayo de Composición Química

Ø Se debe chequear la presión de argón (Max 35 psi para el análisis)

Ø La cámara de chispeo debe estar limpia

Ø El electrodo o ánodo de la cámara debe estar limpio

Ø Se selecciona en el ordenador del equipo el tipo de aleación bajo el

cual se realiza el análisis




46

Ø La superficie de la muestra debe tener un acabado liso, pulido y libre

se impurezas

Ø Se coloca la muestra con la cara pulida haciendo contacto con el porta

muestra, orientándola de tal manera que el electrodo y posterior

quemada, quede centrado entre el agujero central de la muestra y la

periferia y entre la parte superior e inferior, como se muestra en la

siguiente figura 3.7

Figura 3.7. Esquema para el ensayo de la muestra.

Ø Luego se proceda a realizar la quemada de la muestra

Ø Se somete la muestra a varios análisis o chispazos para garantizar la

repetibilidad y reproducibilidad de los resultados

Ø Se evalúan las concentraciones químicas obtenidas de todos los

elementos

Ø Los resultados de los análisis espectroquímicos son registrados

directamente en porcentaje (%) de concentración química

Zonas ideales para el análisis




47

La figura 11 (A), muestra el equipo donde fue realizado este ensayo de

composición química, figura 11 (B) electro y muestra lista para el análisis y

figura 11 (C) cámara de chispeo abierta.

Figura 3.8. Espectrómetro de Emisión Óptica

Medición de conductividad eléctrica (%IACS)

Ø Preparación de la superficie:

• Esta debe estar totalmente limpia, libre de grasa, polvo, entre

otras

• La zona a medir debe estar libre de rayas, huecos o

imperfecciones que puedan alterar el resultado de la medición

Ø Calibrar el equipo

Ø Una vez calibrado, se coloca el palpador sobre la superficie de la

muestra a ser ensayada y se gira le perilla hasta que la aguja

indicadora registre cero (0)

Ø Y por último se toma la lectura obtenida en el dial

(A) (B) (C)

Muestra

Electrodo o ánodo




48

En la figura 3.9, se puede observar el equipo con que fue realizado este

tipo de ensayo en el laboratorio:

Figura 3.9. Equipo para medir conductividad eléctrica.

Generación de Gráficas

Con los datos obtenidos del análisis de imagen en el equipo Clemex se

realizó una base de datos en el Microsoft Excel con la finalidad de elaborar

donde se pudo visualizar el comportamiento de los parámetros evaluados.

Además se utilizó el programa Statgraphics para aplicar la técnica de

regresión múltiple, que permitió observar la dependencia de las variables

sometidas a estudio.




CAPÍTULO IV

RESULTADOS Y DISCUSIONES

A continuación se presentan los resultados obtenidos de la siguiente

investigación de acuerdo a la composición química y los parámetros de

fabricación que se muestran en las tablas 4.1 y 4.2.

Tabla 4.1. Composición química de las coladas evaluadas Aleación 6005

Colada %Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ti %Cr %Al

1 0,714 0,161 0,0014 0,194 0,672 0,001 0,014 0,0040 Balance

2 0,663 0,149 0,0001 0,079 0,483 0,001 0,012 0,0005 Balance

3 0,736 0,183 0,0016 0,076 0,529 0,003 0,013 0,0001 Balance

Tabla 4.2. Parámetros de Fabricación de la Aleación 6005

Colada Velocidad de colada (mm/min)

Velocidad de tibor (cm/min)

1 116 185

2 112 185 3 112 160




50

4.1. Evaluar parámetros microestructurales tales como: Porcentaje de

fases (alfa y beta), tamaño de grano, zona Chill, espacios interdendríticos (DAS) de los cilindros aleación 6005 por técnicas de microscopía óptica por analizador Clemex.

• Porcentaje de Fases

Tabla 4.3. Porcentaje de Fases en muestras

Muestras %α %β 1C 34,7 65,3 1B 26,9 73,1 2C 48.9 51,1 2B 48.2 51,8 3C 25,2 74,8 3B 34,7 65,3

Gráfica % Fase Alfa

0

10

20

30

40

50

60

C B

Muestras

Pro

med

ios

%Alfa colada 1%Alfa colada 2% Alfa colada 3

Gráfica 4.1. Porcentaje de fase alfa en las tres coladas de la aleación

6005

C= centro y B= borde




51

Gráfica % Fase Beta

01020304050607080

C B

Muestras

Pro

med

ios

% Beta colada 1% Beta colada 2% Beta colada 3

Gráfico 4.2. Porcentaje de fase beta en las tres coladas de la aleación

6005

De acuerdo al gráfico 4.1, las coladas 2 y 3 presentan igual velocidad de

colada y por lo tanto una misma rata de enfriamiento, no obstante la que

presentó mayor porcentaje de fase alfa fue la colada 2, debido al menor

contenido de hierro presente en esta colada.

Figura 4.3. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo

porcentaje de alfa y beta, tomado con aumento de 100X y atacado con

Colada 1 Colada 2 Colada 3





52

solución de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de

4minutos.

• Correlación Múltiple de la fase alfa (α) en función de las variables

(Velocidad de colada y adición de tibor)

Alfa F(Vcol, Vtibor)

Gráfico de Alfa

predicho

obse

rvad

o

24 29 34 39 44 4924

29

34

39

44

49

Gráfico 4.4. Correlación múltiple de la fase alfa en función de la

velocidad de colada y adición de tibor

La gráfica 4.4. muestra los valores generados por la correlación contra los

valores obtenidos en el estudio, se observa que el p-valor dado en la tabla

ANOVA es inferior a 0.05, existe una relación estadísticamente significativa

entre las variables para un nivel de confianza del 99%. La ecuación generada

por el software fue la siguiente:

Alfa = 391,59 - 4,625*Vcol + 0,946*Vtibor




53

• Tamaño de grano

Tabla 4.4. Promedios y desviaciones de tamaño de grano Aleación 6005

Muestras Promedio Desviación Estándar

1C 149,82 31,37 1B 141,81 24,25 2C 148,13 30,55 2B 145,44 27,79 3C 146,15 28,83 3B 140,75 26,07

Gráfica Tamano de Grano

136138140142144146148150152

A B

Muestras

Prom

edio

s

Colada 1Colada 2Colada 3

Gráfico 4.5. Tamaño de grano en las tres coladas de la aleación 6005

Se puede observar que en el gráfico 4.5, que las tres coladas presentaron

mayor tamaño de grano en el centro con respecto al borde.


C




54

Figura 4.6. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo el

tamaño de grano, tomado con aumento de 100X y atacado con solución

de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de 4minutos.

• Zona Chill

Tabla 4.5. Zona Chill

Muestras Longitud (µ)

Desviación Estándar

1B 266 52 2B 250 54 3B 144 10

Gráfica Segregación Inversa

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3

Muestras

Pro

med

io

Prom

Gráfico 4.7. Segregación inversa en las tres coladas de la aleación

6005





55

En el gráfico 4.7, se puede observar que la muestra de borde de la colada 3,

es la que presenta menor longitud de la zona chill.

Figura 4.8. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo la

segregación inversa, tomada con aumento de 100X y atacada con solución

de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de 4minutos.

• Espacio interdendrítico (DAS)

Tabla 4.6. DAS AA6005

Muestras Promedio Desviación Estándar

1C 18,0 12,3 1B 16,5 7,23 2C 21,4 9,66 2B 21,4 9,66 3C 19,8 8,01 3B 18,9 8,04





56

Gráfico DAS

0

5

10

15

20

25

C B

Muestras

Prom

edio

s

Colada 1Colada 2Colada 3

Gráfico 4.9. Espacio interdendrítico (DAS) en las tres coladas de la

aleación 6005

En el gráfico 4.9, no se observa diferencia significativa entre las muestras de

borde y el centro, la colada 3 es la que presenta menor distancia

interdendrítica (DAS).

Figura 4.10. Fotomicrografías de las distintas coladas donde se evalúo el espacio interdendrítico, tomado con aumento de 100X y atacado con solución de H2SO4, HF y H3PO4 al 5%, con un tiempo de revelado de 4minutos.






57

4.2. Determinación de la dureza (Vickers) y la conductividad eléctrica

de los cilindros aleación 6005 en función de las condiciones de fabricación velocidades de colada y Tibor respectivamente.

Tabla 4.7. Valores de dureza (Vickers) y conductividad eléctrica

Dureza (Vickers) Conductividad (% IACS) Coladas

Valor D Std Valor D Std

1 47,7 2,48 43,24 0,0605

2 43,4 3,93 46,06 0,5327

3 49,8 2,78 47,44 0,1196

• Correlación Múltiple de dureza en función de las variables (Velocidad de colada y adición de tibor)

Dureza F(DAS, Si matriz)

Gráfico 4.11. Correlación múltiple de la dureza en función de DAS y

Si en la matriz

Gráfico de HV

43 45 47 49 51

predicho

43

45

47

49

51

obse

rvad

o




58

La gráfica 4.11 muestra los valores generados por la correlación contra los





HV = 62,4519 - 1,79467*DAS + 64,2773*Si_matriz

Grafico de Conductividad electrica

41,0

42,0

43,0

44,0

45,0

46,0

47,0

48,0

1 2 3

Coladas

% IA

CS

% IACS

Gráfico 4.12. Conductividad eléctrica AA 6005

En el gráfico 4.12, se observa claramente que la colada 3 presentó los

mayores valores de conductividad eléctrica (%IACS) respectivamente y estos

resultados están asociados a la menor distancia interdendrítica y a los

valores obtenidos para el tamaño de grano, los cuales fueron menores con

respecto a las demás coladas evaluadas.




59

• Correlación Múltiple de la conductividad en función de las variables

(Velocidad de colada y adición de tibor)

Conductividad F(DAS, Si matriz)

Gráfico 4.13. Correlación múltiple de la conductividad en función del DAS

La gráfica 4.13 muestra los valores generados por la correlación contra los





Conductividad = 32,4414 - 0,022331*DAS_1 + 45,64*Si_matriz

Gráfico de Conductividad

43 44 45 46 47 48

predicho

43

44

45

46

47

48

obse

rvad

o




60

4.3. Proponer los parámetros de velocidad de colada y adición de tibor

para la fabricación de los cilindros de aleación 6005.

La colada 3 cuyos parámetros de coladas se muestran a continuación en la

tabla 4.8, presentó mejores propiedades como conductividad eléctrica y

dureza, además mostró en el análisis microestructural un tamaño de grano

más fino, menor espacio interdendrítico y una zona de segregación menor y

mejor delimitada al compararlas con las otras coladas del estudio. Por lo

tanto, se propone establecer como receta de colada para la fabricación de los

cilindros de la aleación 6005 los parámetros correspondientes a la colada 3.

Tabla 4.8. Parámetros de colada. Colada 3

Colada Vc (mm/min)

Vt (cm/min)

3 112 160




61

CONCLUSIONES

• De acuerdo a los resultados obtenidos la formación de fase alfa esta

relacionado con el contenido de hierro, rangos inferiores a 0,15% Fe

favorecen la formación de esta fase. El tamaño de grano es mayor en el

centro con respecto al borde del cilindro. Los resultados observados para

el DAS (ubicados dentro del rango de 16,5 – 21,4µ) no presentan

diferencia significativa entre el centro y el borde de los cilindros.

• La conductividad y la dureza tienen relación estadísticamente significativa

con respecto a los parámetros DAS y % Si matriz.

• Se propone establecer como receta de colada para la fabricación de los

cilindros de la aleación 6005 los parámetros una velocidad de colada de

112 mm/min y una velocidad de adición de tibor de 160 cm/min.




62

RECOMENDACIONES

§ Se recomienda que al reiniciar operaciones la unidad de colada hacer

otros estudios, tomando en cuenta variables adicionales como

temperatura y flujo de agua.

§ Realizar otros estudios comparativos con por medio del uso de otros

analizadores de imagen como el image j, por ejemplo.




63

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Descripción del proceso productivo C.V.G VENALUM.

• Manual de inducción de C.V.G VENALUM.

• Rosa Narváez (1996) “Orientaciones prácticas para la elaboración de

informes de investigación”. Puerto Ordaz. UNEXPO-FUNDIUP

• Kai Grjoteim y Halvor Kvande “Understanding the Hall – Héroult

Process for Production of Aluminium”, Aluminum Verlag, Dusseldorf,

1986.




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