Investigation of the microstructure and mechanical properties of the Al-13.8 wt. % Mg 2 Si- Zr cylinder fabricated by the centrifugal casting

Resumen Técnico: Investigación de la microestructura y las propiedades mecánicas del cilindro de Al-13.8 % en peso de Mg₂Si-Zr fabricado mediante fundición centrífuga

Planteamiento del problema
Los materiales con gradiente de funciones (FGM, por sus siglas en inglés) ofrecen una combinación única de propiedades, tales como una alta resistencia al desgaste y tenacidad volumétrica, que son difíciles de lograr en compuestos de matriz de aluminio homogéneos. Si bien la fundición centrífuga es un método conocido para crear heterogeneidad funcional en materiales fundidos, no se ha investigado exhaustivamente el efecto específico de la adición de circonio (Zr) sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de las aleaciones eutécticas de Al-Mg-Si procesadas mediante este método. Específicamente, existe la necesidad de comprender cómo el Zr influye en la segregación de las partículas primarias de Mg₂Si, la morfología de las fases secundarias y el gradiente mecánico resultante en la dirección radial de los cilindros fundidos por centrifugación.

Metodología
La investigación se centró en la fabricación de muestras cilíndricas de una aleación de Al-13.8 % en peso de Mg₂Si utilizando una máquina de fundición centrífuga vertical. El estudio comparó dos condiciones:

1. Aleación base: Al-13.8 % en peso de Mg₂Si sin agentes nucleantes.
2. Aleación modificada: La misma aleación base con la adición de 0.1 % en peso de Al-5Zr como agente nucleante.

El proceso de fundición consistió en fundir aluminio de alta pureza, silicio y magnesio en un crisol de grafito, seguido de la adición del agente Al-5Zr a la mezcla modificada. El fundido se desgasificó utilizando tabletas de hexacloroetano y se vertió en un molde de acero precalentado (300 °C) rotando a 1400 rpm. Los cilindros resultantes (90 mm de diámetro exterior, 15 mm de espesor, 110 mm de longitud) se seccionaron radialmente en capas exteriores, medias e interiores.

Las técnicas de caracterización incluyeron:

• Análisis microestructural: Microscopía óptica (OM) y microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) con espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (EDAX) para examinar la distribución de fases, la morfología y la segregación elemental.
• Identificación de fases: Difracción de rayos X (XRD).
• Ensayos mecánicos: Ensayo de dureza Brinell (carga de 125 kg) y ensayos de tracción (estándar JIS Z2201 No. 7) realizados en muestras de cada capa radial.

Resultados clave
El estudio reveló diferencias distintivas entre las aleaciones con y sin Zr a través del gradiente radial:

• Evolución microestructural:

  • Sin Zr: La microestructura exhibió células eutécticas columnares de Al/Mg₂Si. Las partículas primarias de Mg₂, al ser menos densas que el fundido, se segregaron contra la fuerza centrífuga hacia la capa interna, resultando en partículas poliédricas gruesas en la región interna.
  • Con Zr: La adición de Zr alteró significativamente la microestructura. La fase intermetálica Al₃Zr se formó y, debido a su mayor densidad (4.14 g/cm³) en comparación con el fundido de la aleación (2.57 g/cm³), se segregó hacia la pared exterior del cilindro bajo la influencia de la fuerza centrífuga. La presencia de Zr refinó la morfología del Mg₂Si de dendrítica/platicular a cúbica y redujo significativamente el tamaño de las partículas. En la capa interna, el tamaño promedio de la partícula de Mg₂Si disminuyó de 43.59 ± 9.83 μm (sin Zr) a 16.23 ± 6.19 μm (con Zr). Las células eutécticas también transicionaron de columnares a equiaxiales.

• Propiedades mecánicas:

  • Dureza: La aleación con contenido de Zr demostró valores de dureza más altos en todas las capas en comparación con la aleación base. El gradiente de dureza disminuyó desde la capa exterior hacia la capa interna en ambos casos, atribuido a la disminución de la velocidad de solidificación, pero las muestras modificadas con Zr mantuvieron una dureza superior (por ejemplo, 67.27 HB en la capa exterior frente a 59.1 HB para la aleación base).
  • Resistencia a la tracción: La resistencia a la tracción mejoró en todas las tres capas con la adición de Zr. La capa exterior mostró la mejora más significativa, aumentando de 146.12 MPa a 212.55 MPa. La capa interna también experimentó un ligero aumento (54.56 MPa a 57.39 MPa).
  • Comportamiento de fractura: El modo de fractura cambió de una clivaje frágil en las muestras sin Zr (causada por partículas de Mg₂Si gruesas y de bordes afilados que actúan como concentradores de esfuerzo) a una fractura por hoyuelos dúctiles en las muestras con contenido de Zr. Las partículas de Mg₂Si más finas en la aleación con Zr facilitaron la deflexión de grietas y la coalescencia de huecos.

Significancia y alegatos
El artículo sostiene que la adición de Zr a través de la aleación maestra Al-5Zr es un método eficaz para refinar la microestructura de las aleaciones de Al-13.8 % en peso de Mg₂Si producidas mediante fundición centrífuga. La significancia principal radica en la capacidad del Zr para:

1. Transformar la morfología de las fases secundarias de Mg₂Si de dendríticas a cúbicas y reducir su tamaño.
2. Convertir las células eutécticas columnares en células equiaxiales, particularmente en las capas media e interna.
3. Mejorar las propiedades mecánicas (dureza y resistencia a la tracción) en todo el gradiente radial, observándose las mejoras más pronunciadas en la capa exterior.
4. Alterar el mecanismo de falla de clivaje frágil a fractura dúctil, mejorando así la tenacidad del material.

El autor concluye que, si bien el proceso de fundición centrífuga crea naturalmente un gradiente funcional, la adición estratégica de Zr optimiza este gradiente al refinar la microestructura y mitigar la fragilidad típicamente asociada con las fases de Mg₂Si primarias gruesas en las capas internas.