Good Stuff Happens in 1:1 Meetings: Why you need them and how to do them well
PFC complert amb caratula Pau Picas
1. 1:21 1:21
PROJECTE FI DE CARRERA
TÍTOL: Tractament amb ultrasons per obtenir
microestructures globulars (no dendrítiques) en
l'aliatge d'alumini A356
AUTOR: Pau Picas Martínez
TITULACIÓ: E.T.I. Mecànica
DIRECTOR: Mª Teresa Baile Puig
DEPARTAMENT: Ciència de Materials i Enginyeria Metal·lúrgica
DATA: 20 de Juny 2012
2. 1:21 1:21
TÍTOL: Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures globulars
(no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
COGNOMS: Picas Martínez NOM: Pau
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial
ESPECIALITAT: Mecànica PLA: 95
DIRECTOR: Mª Teresa Baile Puig
DEPARTAMENT: Ciència de Materials i Enginyeria Metal·lúrgica
QUALIFICACIÓ DEL PFC
TRIBUNAL
PRESIDENT SECRETARI VOCAL
Dr. Enric Martín Fuentes Dr. Sergi Menargues Muñoz Dr. Jaume Miquel Masalles
DATA DE LECTURA: 5 de Juliol de 2012
3. 1:21 1:21
Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals: Sí No
PROJECTE FI DE CARRERA
RESUM (màxim 50 línies)
Un dels avantatges que presenta el processat en estat semi-sòlid és una baixa
porositat per contracció i per gas atrapat, característica que el fa especialment
adequat per a la fabricació de components amb espessors variables i
d’elevades exigències mecàniques.
En el present projecte es pretén modificar la microestructura de l’aliatge
d’alumini A356, mitjançant un tractament amb ones ultrasòniques, que permeti
passar d’una microestructura dendrítica de la fase alpha a una microestructura
globular, i així dissenyar una tecnologia per a poder injectar aquest material en
estat semi-sòlid en un procés convencional d’injecció a alta pressió. Per arribar
a aquests resultats s’han realitzat experiments controlant la temperatura,
amplitud i el temps del tractament amb ultrasons i posteriorment s’han preparat
mostres per analitzar la microestructura del material. Aquest anàlisis s’ha
realitzat mitjançant microscòpia òptica i tècniques d’anàlisi d’imatge.
L’aliatge d’alumini estudiat és l’aliatge A356. Aquest aliatge una vegada
solidificat tendeix a tenir una estructura dendrítica. La innovació d’aquest PFC
és aconseguir una estructura no dendrítica (globular) realitzant un tractament
amb ultrasons durant el procés de solidificació.
El resultat més important del projecte ha estat l’optimització de les variables del
tractament amb ultrasons, fixant-se els valor òptims de temperatura a la que
s’han d’aplicar els ultrasons, l’amplitud i geometria del sonotrode i el temps de
tractament.
Paraules clau (màxim 10):
Alumini A356 Ultrasons Solidificació
Microestructura Globular Semi-sòlid
4. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 1
ÍNDEX pàgina
1. PREFACI .............................................................................................................. 3
1.1 ORIGEN DEL PROJECTE
1.2 OBJECTIU DEL PROJECTE
1.3 MOTIVACIÓ
1.4 REQUERIMENTS PREVIS
2. ESTAT DE L’ART ................................................................................................... 5
2.1 CONFORMACIÓ D’ALIATGES D’ALUMINI EN ESTAT SEMI‐SÒLID (SSM)
2.1.1. Introducció.
2.1.2. Avantatges dels processos de conformació en estat semi‐sòlid.
2.2 TÈCNIQUES DE CONFORMAT EN ESTAT SEMI‐SÒLID
2.2.1. Processos que parteixen d’un sòlid.
2.2.2. Processos que parteixen d’un líquid.
2.2.3. Obtenció de lingots amb estructura globular.
2.3 TRACTAMENTS AMB ULTRASONS
2.3.1. Introducció.
2.3.2. Aplicació dels ultrasons per obtenir estructures globulars
(no dendrítiques) en aliatges d’alumini.
3. PROCEDIMENT EXPERIMENTAL ........................................................................... 55
3.1 EQUIPS DE LABORATORI.
3.2 MATERIAL USAT: ALIATGE A356.
3.3 OBTENCIÓ DELS LINGOTS.
6. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 3
1 PREFACI
1.1 ORIGEN DEL PROJECTE
Aquest projecte té el seu origen en una petició de part meva d’un PFC d’un any al
Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal∙lúrgica (CMEM), ja que encara
em quedaven assignatures per acabar preferia acabar‐les juntament amb l’inici del
projecte. Responen a la meva petició al Departament de Ciència dels Materials em va
oferir de participar en un projecte que s’estava fent juntament amb el centre tecnològic
d’ASCAMM.
1.2 OBJECTIU DEL PROJECTE
L’objectiu del projecte és l’optimització dels tractaments d’ultrasons en aliatges
d’alumini‐silici (A356) per obtenir microestructures globulars que possibiliti el seu ús en
els processos de conformació en estat semi‐sòlid. Es pretén modificar la microestructura
del material passant d’una estructura dendrítica de la fase alpha (alumini) a una
estructura globular, a partir de l’aplicació durant el procés de solidificació de vibracions
ultrasòniques.
1.3 MOTIVACIÓ
El motiu per el qual em vaig decidir a fer aquest projecte és gràcies als coneixements
adquirits en l’estudi de l’enginyeria mecànica en el camp de la metal∙lúrgia. Especialment
en assignatures obligatòries com Fonaments de Ciència de Materials (FCMA) i Materials
Metàl∙lics (MMET) i en assignatures optatives com Processo de Conformació (PROC) i
Anàlisi de Fallides (AFAN). Aquestes assignatures em van ajudar a comprendre que el
mon de la metal∙lúrgia no es gens fàcil i s’han de considerar molts factors, com ara el de
la innovació. Aquest projecte pretén ajudar a la innovació de processo de conformació,
ja que amb els ultrasons s’intenta aconseguir una microestructura idònia per al procés
d’injectat a alta pressió.
8. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 5
2. ESTAT DE L’ART
2.1 CONFORMACIÓ D’ALIATGES D’ALUMINI EN ESTAT SEMI‐SÒLID (SSM)
2.1.1 Introducció
Fa aproximadament uns 40 anys, després d’unes llargues investigacions per intentar
millorar els processos tradicionals de forja i fosa, va ser descobert de forma accidental el
procés de treballar amb metall en estat semi‐sòlid. Els principis per l’aplicació industrial
del conformat en estat semi‐sòlid van ser l’any 1972, exposats per Spencer i Flemings, en
l’Institut Tecnològic de Massachussets (MIT), durant l’estudi de l’esquinçament en calent
o “hot tearing” [MTE05].
Aquestes investigacions es basaven en el cisallament en calent, en el qual s’utilitzava un
aliatge Sn‐15%P, en el qual es valorava la seva viscositat en el moment que es produïa la
seva solidificació parcial. Realitzar aquesta acció en el precís moment en que l’aliatge es
trobava en estat parcialment sòlid, provocava que les estructures dendrítiques es
trenquessin, això feia que disminuís la seva viscositat al mateix temps que adquiria
propietats tixotròpiques [MTE05].
Durant els estudis d’aquesta tècnica, Spencer va utilitzar un viscosímetre tipus Couette, i
un aliatge Sn‐15% Pb. Aquest viscosímetre consisteix en dos cilindres concèntrics, on el
cilindre exterior gira contínuament en un rang de velocitats que pot variar des de 0,4 fins
a 1000 rpm. L'aliatge s'abocava en estat líquid en l'espai existent entre els dos cilindres,
mentre que al mateix temps es feia girar el cilindre exterior produint forces de cisalla, i és
refredava l'aliatge. Durant els assaigs, es va observar que la viscositat de l'aliatge
disminuïa amb l'augment de l'agitació, i es va atribuir a l'estructura globular produïda
durant l'experiment.
9. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 6
Per poder comprovar això, es van fer varis assaigs, en els que es va poder comprovar que
un aliatge amb composició Sn‐15% Pb amb una fracció sòlida al voltant del 0,4%, si se li
provocava el trencament de l’estructura dendrítica aplicant‐li una agitació mecànica
durant el seu procés de solidificació, la tensió tallant màxima necessària era 1000 cops
menor que amb el procediment convencional. Durant aquests experiments, es va
observar que la viscositat de l’aliatge disminuïa amb l’agitació, el qual se li va atribuir a
que l’estructura deixés de ser dendrítica i passés a ser globular. És a dir, la viscositat
disminueix a l’augmentar les forces tallants que actuen sobre el material [CAMP].
Avui en dia, podem confirmar la importància d’aquesta nova tècnica, però tot i tenir els
seus antecedents als anys 1972 aproximadament, no va ser fins el 1990 que va prendre
consciència de les potencials avantatges que oferia la conformació en estat semi‐sòlid. És
van dur a terme uns assaigs industrials que demostraven la viabilitat de les tècniques
emprades per la conformació en estat semi‐sòlid, i que es podien dividir en dos tipus:
Thixocasting i Rheocasting.
Aquestes dues tècniques de conformació foren clarament diferenciades, ja que en el
Thixocasting, s’havia d’escalfar un lingot amb una estructura no dendrítica per a
l’obtenció del llot semi‐sòlid, que posteriorment podia ser conformada.
En canvi, el Rheocasting, estava basat en l’agitació constant durant la solidificació d’un
material, que es trobava en semi‐sòlid, per proporcionar una estructura no dendrítica.
Aquest material era dipositat directament en un motlle per obtenir un producte
totalment acabat, i amb unes propietats millorades respecte els mètodes convencionals
[MEN05].
La viabilitat del processament de metalls semi‐sòlids de varis aliatges ha sigut investigat
des de bon principi. Inicialment, l’enfocament principal era en l’acer, i quasi no se li va
donar cap tipus d’atenció en els aliatges d’alumini i magnesi. Això va ser així, perquè les
10. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 7
investigacions es van centrar en millorar la fosa de peces d’acer per aplicacions militars
[FAN02].
Tot i això, degut a la crisi del petroli i l’increment de les preocupacions ambientals en
quan a contaminació dels processos, afegint a més a més, l’interès del sector
automobilístic en fabricar peces de poc pes i amb bones propietats mecàniques, el sector
automobilístic s’ha vist obligat a buscar altres metalls més lleugers i de gran rendiment.
Com a conseqüència d’això, des de 1990, el processament de SSM s’ha concentrat en
aliatges d’alumini.
En definitiva, la característica principal de la conformació en estat semi‐sòlid, és el
comportament del flux del material que conté partícules sòlides de forma no dendrítica.
Aquest procés consisteix en el control de la pseudoplasticitat del material quan es manté
a una temperatura adequada en estat semi pastós (aproximadament 60% sòlid i un 40%
líquid). En aquestes condicions, la viscositat decreix amb la velocitat de deformació,
depenent de les condicions d’agitació del material, i la seva tixotropia depèn de la tensió
de cisalla i del temps. La viscositat del llot semi‐sòlid s’incrementa amb l’augment de la
fracció sòlida, i decreix amb la esferoidització i la disminució de la mida dels glòbuls sòlids
[BA01]. L’estructura resultant està composta de partícules globulars disperses en una
matriu de micro‐constituent eutèctic [BA01].
En quan al comportament tixotròpic, es caracteritza perquè el lingot pot mantenir la seva
forma, però quan se li apliquen forces de tall es deforma (estat semblant a la plastilina).
Així, un lingot en estat semi‐sòlid manté la seva forma, una forma consistent en repòs, i si
li apliquem una força tallant com podria ser un ganivet, pot ser tallat sense cap problema,
tal i com es mostra a la Figura 2. 1.
12. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 9
2.1.2. Avantatges dels processos de conformació en estat semi‐sòlid
Totes les investigacions que es duen a terme en qualsevol àmbit de la indústria de la
fabricació de productes, es centren en la necessitat de produir productes amb les millors
propietats mecàniques i acabats superficials, i com a principal objectiu, a un cost
assequible.
En la conformació en estat semi‐sòlid, per poder aconseguir això ens hem de centrar en
les propietats tixotròpiques i reològiques dels materials quan coexisteixen una fase
líquida i una fase sòlida esferoïdal.
Els processos SSM presenten varis avantatges respecte els convencionals, com és la
reducció de cost de les operacions, però a part hi ha altres avantatges a tenir en compte i
que es poden classificar en tres grups: un procés que no contamini o contamini poc, és
fonamental per la subsistència d’aquest procés i que no és trobin grups ecològics que
s’oposin a aquest. Que sigui un procés que augmenti la qualitat del producte, tant en
propietats mecàniques com en aspecte superficial. I per últim que augmentin la
rendibilitat i aconsegueixi reduir els costos de producció [MTE05].
El procés és rendible davant d'altres opcions per [MTE05]:
‐ Major flexibilitat en la producció.
‐ Temps de solidificació més curts, la qual cosa pot significar un augment de
productivitat, respecte a la fosa per injecció.
‐ S’obtenen peces pràcticament acabades, i per tant, s’aconsegueix una reducció de les
operacions d'acabat.
13. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 10
‐ Baixes temperatures durant el procés, cicles curts de temps i menors tensions en les
eines i utillatges.
‐ Possibilitat de realitzar tractaments d'envelliment, al contrari del que passa amb la
fosa injectada, sense porositat, sense pèrdua de ductilitat, ni tensions residuals.
‐ Reducció del cost energètic, especialment en el Thixocasting.
‐ Vàlid per a un gran nombre d'aliatges, com per exemple, aliatges alumini‐silici
hipereutèctics, aliatges d'un elevat punt de fusió com l’acer, cobalt o titani, i fins i tot
per la fabricació de materials compostos.
La reducció de la contaminació es produeix tant en l'entorn del treballador com en el
medi ambient, per les següents causes [MTE05]:
‐ Els processos automatitzats, igual que en la fosa injectada, donen més seguretat a
l'operari, que no es troba en contacte directe amb el material semi‐sòlid.
‐ Redueixen el material reciclable. S'eliminen part dels alimentadors i maçarotes
utilitzats en la fosa.
‐ En alguns processos es redueix la quantitat de lubrificant empleat per a cada
component.
Augmenten la qualitat del producte per [MTE05]:
‐ Obtenció de peces pràcticament acabades amb formes relativament complexes, i que
estalvien operacions posteriors d'acabat.
14. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 11
‐ Propietats mecàniques equivalents o superiors a les obtingudes per fosa, podent‐se
fabricar peces amb espessors inferiors als de forja, amb l'estalvi de material
equivalent.
‐ Baixa porositat teòrica, amb una porositat inferior al 0,1%.
‐ Excel∙lent repetibilitat.
‐ Bon aspecte superficial.
Si comparem els processos SSM amb els processos convencionals de foneria injectada
podem citar els següents avantatges [RAM88]:
‐ Requereix menys temperatura d’injecció.
‐ S’obtenen menys defectes (porositat inferior al 0,1%).
‐ Els motlles tenen major vida útil.
‐ Les toleràncies dimensionals son millors.
‐ S’obté un millor acabat superficial.
‐ És poden aplicar tractaments tèrmics.
‐ La combinació entre resistència mecànica i ductilitat és superior.
2.2 TÈCNIQUES DE CONFORMAT EN ESTAT SEMI‐SÒLID
Avui en dia, hi ha molts tipus de processos de conformació en estat semi‐sòlid. Tot seguit,
es farà una explicació breu dels més importants.
Els processos de materials en estat semi‐sòlid poden dividir‐se en dos tipus:
17. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 14
Thixocasting
El procés de Thixocasting consisteix a escalfar un lingot del material desitjat procedent
del Rheocasting, trobant‐se inicialment amb una estructura no dendrítica, fins aconseguir
la temperatura necessària en la qual el material obté una fracció sòlida
d’aproximadament el 50% (estat semi‐sòlid). Finalment, una vegada el material es trobi
en estat semi‐sòlid, serà transportat automàticament fins a l'operació d'injectat en el
motlle, per ser posteriorment extret (Figura 2.5) [ALT98].
Tot el procés és automàtic, des del control de la temperatura fins el transport del
material semi‐sòlid a la màquina d’injecció [ALT98].
Figura 2.5 Procés de conformat per Thixocasting: a) escalfament fins a l'estat semisòlid, b)
injecció del material cap el motlle, c) ompliment del motlle [FER09].
Thixoforging
En el procés de Thixoforging, la matèria prima utilitzada procedeix de la tècnica del
Rheocasting, òbviament, aquest material constarà d'una estructura sòlida no dendrítica.
Posteriorment aquest material és reescalfat fins aconseguir la temperatura en la qual
s'obtingui un estat semi‐sòlid d’aquest. La solidificació completa té lloc a pressions de 10
a 100 MPa, la qual cosa es produeixen microestructures més denses i amb menys
19. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 16
Thixoextrusió
El procés de conformat conegut com extrusió consisteix en posar el material (també
anomenat “tocho”) dintre de un dipòsit. Aquest material és empès per un pistó hidràulic
a traves de una matriu o motlle. Gracies a això s’obté un producte llarg i amb el perfil que
és desitgi. Aquest procés no permet variar el perfil del producte al llarg d’una mateixa
peça per el que s’utilitza quant es vol un producte de perfil constant i que tingui una
forma complexa que altres processos de conformat no poden realitzar. En general el
producte que s’obté sol ser bastant llarg, com poden ser el cas de les vies del tren.
L’extrusió pot ser continua, es a dir, intentar que el producte sigui el mes llarg possible,
com en l’exemple anterior, o pot ser semi contínua. L’extrusió semi contínua és aquella
que es va parant el procés reiteradament per obtenir d’aquesta forma productes de una
longitud menor com poden arribar a ser els marcs de les finestres.
El “tocho” és pot treballar amb una extrusió en fred, en canvi si està entre 450 o
C i 500 o
C
en el cas d’aliatges d’alumini direm que s’està treballant amb una extrusió en calent. La
principal avantatja de treballar en calent és que la tensió de flux del “tocho” és molt
baixa i això facilita l’extrusió, ja que s’ha d’aplicar menys pressió per a poder desplaçar el
material. El problema és que en el dipòsit hi ha un sistema que no deixa refredar el
material, i això suposa un cost de les instal∙lacions més elevat. De la mateixa manera s’ha
de escalfar prèviament el “tocho” doncs és necessari un forn.
El procés de conformat conegut com Thixoextrusió es molt semblant al de l’extrusió en
calent, amb la diferencia de que el material està en estat semi‐sòlid. Això comporta un
cost extra d’energia a l’hora de reescalfar el material, ja que s’ha de escalfar‐lo a més
temperatura. A favor, l’energia que s’ha d’utilitzar per empènyer el material a traves del
motlle, és bastant inferior ja que com part del material està en semi‐sòlid el material
flueix de manera més fàcil a traves del motlle [KA07][PO69].
21. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 18
Thixomolding
La tècnica del Thixomolding va ser desenvolupada específicament per aliatges de
magnesi, i utilitza una tecnologia molt semblant a la feta servir en la indústria de la
injecció de plàstic, ja que la màquina que es fa servir és similar a la del modelat per
injecció. (Figura 2.9) [FER09].
En un procés continu, l’aliatge de magnesi, a temperatura ambient en forma de grànuls,
és carregat per la part del darrera d’un barril calent a través d’un canal d’alimentació. El
barril es manté en una atmosfera d’argó per prevenir l’oxidació del material. Els grànuls
són empesos endavant, i a poc a poc es van escalfant amb uns escalfadors fins que
arriben a un estat semi‐sòlid. La rotació del cargol proporciona la força tallant necessària
per generar l’estructura globular que es requereix. Finalment, el llot obtingut és
totalment introduït dins del motlle gràcies al cargol [FER09].
Podem veure que aquesta màquina o procés, té l’avantatge de que per si sola obté
l’estructura no dendrítica dins del seu procés, i això fa abaratir el cost de producció. Tot i
això, també té l’inconvenient de l’elevat preu que té la màquina, com el seu
manteniment i la limitació per al conformat d’aliatges de baix punt de fusió [FER09].
Figura 2.9 Esquema del procés de Thixomolding.
22. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 19
Compocasting
El Compocasting consisteix en la fosa semi‐sòlida de la matriu, on paral∙lelament es
realitza l’agitació i la barreja amb un material de reforç (partícules ceràmiques), buscant
no només una transformació de la microestructura, sinó també la dispersió homogènia
del reforç, per un posterior procés de forja o fosa (Figura 2.10). Aquesta tècnica és una
variant del procés de Stircasting, ja que en el compocasting el material no es troba
totalment fos [FER09].
Les partícules ceràmiques com el SiC, que en barrejar‐les amb un metall en estat semi‐
sòlid, aquestes es troben en suspensió, i aquest llot, a més d'adquirir unes propietats
tixotròpiques, les millora ja que la viscositat aparent és menor que en la barreja
equivalent que no les conté. Això és degut al fet que, les partícules ceràmiques
impedeixen la unió i fusió de les partícules metàl∙liques en altres de major grandària. Les
partícules ceràmiques afavoreixen la formació en esfera de la fase alpha [FER09]. La
presència de materials ceràmics accelera l'evolució morfològica de les partícules
metàl∙liques, solidificades cap a formes més esferoïdals.
El compocasting, però, té un gran problema, i és que, en utilitzar aliatges amb un elevat
punt de fusió (acer) en comparació de l'alumini, genera gran quantitat d'esquerdes
causades pel xoc tèrmic. Per evitar l'estrès tèrmic, s'ha de escalfar previament la
ceràmica o cobrir les partícules ceràmiques de material fos o en estat semi‐sòlid [FER09].
Figura 2.10 Esquema procés de Compocasting.
23. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 20
2.2.2 Processos que parteixen d’un líquid
New‐Rheocasting (NRC)
El procés de New Rheocasting (Figura 2.11), és una modificació del procés Squeeze
Casting amb les propietats innovadores que ens aporta el SSM, amb la finalitat
d'aconseguir l'obtenció d'un gran nombre de nuclis sòlids dins d'un mateix material
en estat líquid. Inicialment, el metall és fos en un forn i bombejat posteriorment fins
un gresol en el que es refreda el material mitjançant corrents d’aire [FER09].
Un control exhaustiu del refredament del material líquid durant el procés de
solidificació proporciona una estructura globular. El factor de forma indica
l’arrodoniment dels grans de la fase primària α, quan major sigui aquest valor,
millors propietats mecàniques tindrà el material.
En el moment que el material es troba en un estat semi‐sòlid (aproximadament 50
% de fracció sòlida), mitjançant un procés automatitzat, és dut fins el gresol que
s’inverteix, i el llot s’introdueix en la màquina per ser injectat, obtenint així un flux
d’ompliment laminar i provocant al mateix temps l’expulsió total de l’aire que hi ha a
l’interior del motlle [FER09].
El mètode més eficaç per el refinament de gra en el New Rheocasting, és aconseguir que
el metall líquid estigui a la mínima temperatura possible i les parets del
recipient ben refrigerades en tot moment. També es podria refinar molt més el gra
amb afinadors de gra, però amb la contrapartida d’haver d’augmentar la temperatura del
metall líquid.
L’ompliment del motlle en aquest procés és vertical, és lent i es realitza de baix a dalt,
com en baixa pressió. Això permet que no atrapi tants gasos o aire com succeeix en
24. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 21
la injecció horitzontal, es pugui realitzar un millor control de la temperatura, i la
solidificació de l’aliatge sigui més uniforme i no redueixi les propietats mecàniques de
la peça en comparació amb la injecció horitzontal, degut a que l’aire i gasos, han estat
expulsats fora del motlle [FER09].
Figura 2.11 Esquema procés de NRC.
Sub Líquidus Casting (SLC)
Aquest mètode aporta la combinació del disseny de l'equip i la utilització d'additius
afinadors de gra, amb un processament simple del metall fos mitjançant un acurat
control de la temperatura. S'obtenen productes amb característiques equivalents o
superiors a la dels productes conformats en estat semi‐sòlid, a partir de lingots de
Rheocasting, i els costos són lleugerament superiors als convencionals d'alta pressió.
El procés es duu a terme amb l'ajuda d'una màquina d'injecció vertical [FER09].
El material a conformar entra directament del forn de fusió a la màquina d'injecció, en el
qual el material líquid és introduït en la màquina a baixa temperatura,
concretament a una temperatura uns graus per sobre de la temperatura líquidus per
la conformació en estat semi‐sòlid. Al poc temps es forma el llot que a continuació serà
introduït en la màquina per un o diversos canals d'injecció [FER09].
25. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 22
El procés de conformació SLC es diferencia dels demés processos de conformació en
estat semi‐sòlid, perquè utilitza lingots obtinguts per fosa normal utilitzant, tant
aliatges primaris com secundaris, tot el procés es realitza en una mateixa màquina,
no hi ha cap tipus d’agitació al llot i és capaç de reutilitzar el material sobrant [FRE07].
Les millors condicions en quan a les temperatures d'injecció, són 1 i 2 o
C per sobre de
la temperatura de líquidus, encara que en la pràctica es realitza a uns 10‐12 o
C més
que la temperatura de solidificació del material desitjat [FRE07].
Amb aquest mètode es poden aconseguir característiques superiors a les obtingudes
per Thixoforming, i amb un preu més econòmic, perquè tot el procés té lloc en una
mateixa màquina com es mostra en la Figura 2.12.
Figura 2.12 Esquema procés de SLC.
Semi‐Solid Rheocasting (SSR)
Aquest procés consisteix a submergir un cilindre fet de grafit dintre del material en
estat líquid, on la temperatura d’aquest supera lleugerament la temperatura líquidus. Un
26. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 23
cop entra en contacte el metall líquid amb el cilindre de grafit, aquest comença a girar al
mateix temps que provoca que es refredi uns pocs graus per sota de la temperatura
líquidus, iniciant‐se la solidificació (Figura 2.13). El cilindre es manté en el metall líquid
durant intervals de temps molt curts, i la velocitat d’agitació no ha de superar les 60 rpm
[FER09]. El cilindre és retirat i el procés finalitza amb un refredament lent.
La part més crítica del procés està en l'obtenció del primer 1% en volum de fracció sòlida
no dendrítica [FER09].
Figura 2.13. Esquema del procés SSR [ATK05].
Rheo Diecasting (RDC)
El procés de conformació en estat semi‐sòlid Rheo‐Diecasting ha estat desenvolupat
per la fabricació de components d'alumini i magnesi d'alta integritat. Es redueix
significativament la porositat, s'obté una estructura fina i uniforme en tot el
component, i en comparació dels components obtinguts per motlle permanent, es
millora la resistència a la tracció i la ductilitat [FER09].
27. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 24
L'equip consta de dos parts fonamentals: una màquina de trituració i una màquina
de refrigeració estàndard, igual a la del sistema d'injecció líquida tradicional
(HPDC). La màquina de triturar consta de dos cargols rotatoris dins d'un cilindre. Els
cargols tenen un perfil especialment dissenyat, que els fa estar perfectament acoblats, i
ser estancs entre ells
(Figura 2.14) [FER09]. La funció de la màquina de triturar és convertir l'aliatge líquid
en semi‐sòlid, solidificant mentre es produeixen forces de cisalla al material. El
sistema pot proporcionar aliatge semi‐sòlid cada 30 segons. El procés comença
introduint una predeterminada quantitat d'aliatge en estat líquid dins de la màquina
de triturar. L'aliatge líquid és ràpidament refredat a la temperatura de semi‐sòlid,
mentre està sent fortament agitat pel parell de cargols, convertint el líquid en un
aliatge semi‐sòlid. La fracció sòlida de l'aliatge es determina per la temperatura del
cilindre. El llot semi‐sòlid és transferit a la màquina HPDC, on es procedirà a l'ompliment
del motlle. Amb la finalitat d'evitar l'oxidació de l'aliatge, s'usarà gas nitrogen per
protegir l'atmosfera de l'interior de la màquina de triturar [FER09].
Figura 2.14. Esquema procés Rheo Diecasting [FER09].
28. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 25
Cooling Slope (CS)
Aquest procés consisteix a transformar el metall fos a l'estat semi‐sòlid, i això
s’aconsegueix abocant una quantitat predeterminada de metall en estat líquid
sobre una rampa de refredament (rampa refrigerada amb aigua), transformant‐se a un
estat semi‐sòlid i finalment caient en el motlle al final de la rampa. En la Figura 2.15 es
representa l'esquema del procés [FER09].
La fracció sòlida es veu afectada pel temps de contacte entre el metall fos i la rampa
de refredament, com més temps, major fracció sòlida. Evidentment aquest temps de
contacte depèn de la longitud de la rampa i l'angle d'aquesta [FER09]. Un avantatge
important d'aquest procés és que aquest equipament és fàcilment adaptable a qualsevol
màquina convencional.
Figura 2.15 Esquema procés Cooling Slope. (a) fusió, (b) refredament [FER09].
Altres
Hi ha altres mètodes no tan coneguts però que també es fan servir com poden ser
Swirled Entalphy Equilibration Device (SEED), Continous Rheoconversion Process (CRP),
Cup‐Cast method, Sobreescalfament “Low Superheat Casting” (LSC), entre els més
coneguts.
29. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 26
2.2.3 Obtenció de lingots amb estructura globular
Els llots semi‐sòlids per als processos de conformat en semi‐sòlid, poden ser preparats
per diverses tècniques, tals com l’agitació mecànica, agitació magnetohidrodinàmica
(MHD), l'estrès induïda i fondre activat (AVENC), la fosa de polvorització, modelat
liquidus, refinació química del gra, i el tractament d'ultrasons (UST). L’agitació MHD és
la pràctica més estesa per l'acció de l'alimentació de producció [SPEN72]. Els principals
desavantatges d'aquesta tècnica són els alts costos de producció, una microestructura
mancada d'uniformitat en la secció transversal, i la morfologia no esfèrica de les
partícules.
Les altres tècniques han limitat la seva aplicació comercial, a causa d'inconvenients
tecnològics, l'alt cost de la producció i en alguns casos d'aplicació limitada a
determinats aliatges.
Els aliatges per conformar en estat semi‐sòlid, han de tenir propietats tixotròpiques,
per això l'estructura del material a l'hora de la solidificació ha de ser globular i no
dendrítica. Una forma d'obtenir una estructura globular, consisteix en agitar el
material durant la solidificació, de manera que es trenquin les dendrites.
S'han realitzat nombrosos estudis per desenvolupar noves tècniques de producció de
lingots amb estructura no dendrítica [LIU98].
Els majors esforços s'han localitzat en tres àrees:
1. Agitació mecànica o electromagnètica, o mitjançant vibracions supersòniques
durant la solidificació. L'agitació provoca forces de cisalla sobre el material, facilitant
un creixement globular [MTE05].
30. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 27
2. Refusió parcial d'aliatges deformats. L'aliatge una vegada fos, és extret i deformat en
fred, provocant una gran quantitat de dislocacions, que són les responsables del
canvi de fase α primària a l'estructura globular, durant l'escalfament a l'estat semi‐
sòlid [MTE05].
3. Refredament controlat durant el procés de solidificació. Amb un control exhaustiu
de la temperatura durant la solidificació es pot obtenir una estructura globular
[MTE05].
Els mètodes del segon tipus tenen alts costos de producció i, a més, durant el
reescalfament es produeix el creixement de gra. No obstant això, la fabricació del
lingot en la pròpia fosa a partir d'aliatges convencionals, per refredament lent, fins
aconseguir l'estat semi‐sòlid, presenta avantatges econòmics, tal com succeeix en el
procediment New Rheocasting.
A la Figura 2.16, podem veure diferents tipus d’obtenció d’estructures no dendrítiques
per agitació del líquid, on els dos primers mètodes van ser desenvolupats pel MIT.
Figura 2.16 Mètodes d'obtenció d'estructures no dendrítiques per agitació del líquid: a)
agitació mecànica del líquid, b) agitació mecànica i procés continu, c) agitació electromagnètica
i procés continu [MTE05].
31. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 28
Ultrasons
S’aconsegueix el llot semi‐sòlid a partir d’agitació ultrasònica. El tractament ultrasònic
de metalls fosos, pot produir la barreja de metall amb microestructura fina, no
dendrítiques i homogènia que permet el seu tractament SSM [HIR].
La tecnologia no és complexa, i ofereix altres grans millores molt avantatjoses, com la
desgassificació, efectes de perfeccionament millorat del gra, i l'estalvi d'energia. A
més, el temps de tractament pot ser eficaç i considerablement curt. Un tractament
ultrasònic de 15 segons a 1‐10 o
C per sobre de la temperatura de líquidus, proporciona
estructura fina no dendrítica [HIR].
La vibració ultrasònica per fer la barreja semi‐sòlida és un mètode relativament nou en
la transformació de metalls semi‐sòlids, i es necessita fer profundes investigacions
sobre els principis bàsics i aplicacions d’aquest procés.
Els efectes de les ones d'ultrasò en la solidificació de metalls havia atret una gran
quantitat d'investigacions, i es va trobar que els metalls fosos podien ser purificats i la
microestructura de solidificació refinada i uniformada per vibració ultrasònica. Les
investigacions i aplicacions de la vibració ultrasònica en els processos de fosa
tradicionals, principalment pel tractament de diferents metalls líquids, tenia com a
finalitat millorar les propietats i refinar la microestructura, i la majoria dels aliatges
tractats van ser els aliatges d'alumini [HIR].
Es va descobrir que la vibració ultrasònica és un mètode molt bo per preparar una
barreja semi‐sòlida fina amb cristalls relativament rodons, degut a la cavitació acústica
i efectes de streaming [HIR].
32. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 29
A causa dels efectes de la cavitació i la doble transmissió acústica causada per la
vibració ultrasònica, la nucleació i el creixement de cristalls en la barreja de la fosa es
veuen afectats, i es pot preparar amb aquest procés, una barreja semi‐sòlida amb
partícules primàries de grandària petita i de forma rodona, i uniformement
distribuïdes.
Aquest procés es fa amb un aparell que consta d’un generador d'ultrasons, un
transductor, un forn de calefacció i un control de temperatura PID, com a més
importants. La potència màxima del generador d'ultrasons és d'1,2 kW, i la freqüència
de vibració és de 20 kHz. El temps de vibració, la relació treball‐descans i el poder dels
ultrasons pot ser ajustat pel generador d'ultrasons. La relació treball‐descans de la
vibració, es defineix com la relació del temps de descans a intervals de temps
d'ultrasons, en un cicle de la vibració ultrasònica [HIR].
2.3 TRACTAMENTS AMB ULTRASONS
2.3.1 Introducció
En les últimes dècades s’han obtingut considerables millores en el desenvolupament
d’aliatges lleugers, tal com l’alumini i el magnesi, per a la producció de components
metàl∙lics per a diversos sectors: des de la industria de l’automòbil a la industria
petroquímica o a la industria aeronàutica i aeroespacial. Els requeriments imposats a la
qualitat d’aquests productes comporta la introducció de millores constants en els
processos de processat de metalls, i per sobre de tot, en els processos de conformació
per fosa.
Els aliatges d’alumini‐silici són els aliatges d’alumini més utilitzats en els processos de
conformació per fosa, degut a la seva elevada fluïdesa, colabilitat, facilitat de
mecanitzat, soldabilitat, bona resistència a la corrosió i propietats mecàniques. La
resistència mecànica d’aquests aliatges normalment es millora a partir de l’addició
33. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 30
d’elements d’aliatge com el coure o el magnesi, que fan a aquests aliatges adients per
ser endurits mitjançant tractaments tèrmics, si bé es produeix una baixada de la seva
ductilitat.
El control de la microestructura dels aliatges alumini‐silici és de gran importància per
aconseguir un bon comportament mecànic i normalment requereix d’un adequat
procés d’afinament o modificació de l’estructura.
L’afinament de la mida de gra és una tècnica habitualment practicada en les indústries
de fosa i té un efecte decisiu en la microestructura i propietats dels components
conformats. La mida de gra és inversament proporcional al numero de nuclis de
solidificació presents en l’aliatge líquid. Si es té en compte que cada gra es forma a
partir d’un nucli, quan major és el nombre de nuclis, més grans es formaran, i
conseqüentment la mida final de gra serà menor. Si el nombre de nuclis és
suficientment petit, es poden evitar les estructures dendrítiques ja que no tenen
suficient espai per a créixer, formant‐se preferentment grans globulars de fase alfa‐
alumini.
L’afinament de gra es pot portar a terme mitjançant diferents mètodes, entre els quals
el més habitual és la inoculació. En aquest procés l’augment de la nucleació es realitza
mitjançant un procés químic, a partir de l’addició d’aliatges mare del tipus Al‐Ti, o
preferentment, Al‐Ti‐B, ja que s’ha trobat que la presencia de bor millora l’efecte
d’afinament de gra. Les partícules del tipus TiAl3, TiB2 or AlB2 presents en aquests
aliatges actuen com a nuclis, els quals, durant el refredament, són fàcilment envoltats
per la fase alfa‐alumini, afavorint un procés de nucleació heterogènia. L’eficiència de
l’afinador de gra depèn fortament de la composició de l’aliatge d’alumini, bàsicament
del contingut de silici, el qual determina la proporció Ti/B més adient en l’aliatge mare
i la concentració mínima de titani en el metall fos [SRI97]. Actualment, s'està treballant
en un tipus d’afinant denominada SiBloy, en la qual s'utilitza un aliatge mare silici‐bor
com afinant de gra. A diferència dels afinants tradicionals, l'efecte afinant té lloc per
34. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 31
una reacció química in situ, a la temperatura liquidus, i que provoca la precipitació en
el sinus del líquid de partícules de AlB2. D'aquesta forma l'afinament és molt efectiu, i
no es veu afectat pel temps d'escalfament ni per reescalfaments posteriors.
Una altre tècnica també usada per aconseguir un afinament de gra es la vibració
electromagnètica, consistent en una energètica agitació del metall líquid durant la
solidificació [LI10]. Aquests processos permeten la producció a gran escala de lingots
continus amb estructura no dendrítica. Un d'aquests mètodes és el MHD (Magneto
Hidrodinamic Stirring), en el qual es genera una elevada cisalladura mitjançant un
camp de rotació electromagnètic en un motlle de fosa de colada contínua. S'obté una
microestructura de gra fi, amb una grandària aproximada de 30 micres i distribuït
uniformement. El MHD desenvolupat per Alusuisse ha arribat a aconseguir barres
d'alumini de fins a 75 mm de diàmetre i una grandària de partícules globulars al voltant
de 100 micres. Un mètode alternatiu és el SSP (Single Slug Production), en el qual
l’estructura globular es produeix de manera similar al mètode MHD. Un camp
magnètic produeix l'agitació de la massa fosa en que el creixement de l'estructura
dendrítica es destrueix per efecte de les forces de cissalladura generades pel flux.
S'utilitza un motlle de grafit pre‐escalfat i es col∙loca un disc de coure refrigerat per
aigua en la part inferior del motlle. L'avantatge principal d’aquest mètode és que el
lingot pot ser immediatament processat utilitzant el mateix sistema d'escalfament. Es
processen lingots de 76 mm de diàmetre i 120 mm de longitud.
Finalment un tercera tècnica, menys desenvolupada, és l’afinament de gra mitjançant
tractament amb ultrasons. Aquest procés es un mètode de nucleació dinàmica, en el
qual les ones ultrasòniques (ones amb freqüències igual o superiors a 20 kHz) es
dirigeixen cap a la superfície del metall fos o l’aliatge solidificant [ESK98].
La idea de millorar la qualitat dels aliatges de fosa mitjançant oscil∙lacions elàstiques
produïdes per vibracions mecàniques aplicades a un metall solidificant va ser suggerida
per Chernov a l’any 1978 [CHE78]. No obstant, el primer experiment en el qual es va
observar l’efecte dels ultrasons en la solidificació de metalls fosos es remunta a l’any
36. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 33
Spencer i col∙laboradors [SPE72] van ser els primers en estudiar el comportament dels
metalls i aliatges en estat semi‐sòlid al “Massachusetts Institute of Technology” l’any
in 1971. La conformació de materials en estat semi‐sòlid (SSM) pot considerar‐se com
un procés intermedi entre la conformació per fosa i la conformació en estat sòlid.
Degut a les tensions de cissalladura que actuen en el material semi‐sòlid durant
l’omplerta del motlle, la viscositat del material es redueix i els esforços que es
necessiten per omplir‐lo són relativament baixos, en comparació amb els processos
convencionals. A més a més, la temperatura necessària per conformar el material en
estat semi‐sòlid és significativament menor i es redueixen les tensions tèrmiques
produïdes en les matrius i els motlles.
La implementació a nivell industrial dels processos de conformació en estats semi‐sòlid
(thixocasting) per produir series de components d’alta qualitat depèn especialment de
la qualitat del pre‐material i l’eficiència en la seva producció. En aquests processos
SSM, amb l’objectiu d’aconseguir la desitjada fluïdesa i unes bones propietats
mecàniques dels components fabricats, els aliatges a conformar han de presentar una
microestructura globular no dendrítica. En aquest sentit, el tractament amb ultrasons
pot ser un mètode efectiu per produir un aliatge metàl∙lic amb una fina, no dendrítica i
homogènia microestructura, adequada per ser utilitzada en els processos SSM a un
cost competitiu.
El tractament amb ultrasons és una tecnologia no massa complexa comparada amb
altres tècniques. A més a més, el tractament amb ultrasons ofereix altres avantatges
com:
Té un efecte desgassificant en el metall fos.
Millora l’efecte d’afinament de la mida de gra.
Es pot integrar en un sistema convencional d’injecció sense necessitat de
modificar els paràmetres tecnològics basics.
El tractament es significativament curt.
Es un procés econòmicament competitiu.
37. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 34
Els efectes dels ultrasons per refinar la microestructura d’un material obtingut per
solidificació, afavorint al mateix temps l’eliminació dels gasos i els òxids del metall fos,
han estat associats amb la generació d’una cavitació acústica dintre del metall líquid
per a certes intensitats sòniques [ESK98]. Durant l’aplicació dels ultrasons, quan el
metall fos es sotmès aleatòriament a cicles locals d’esforços de compressió‐tracció, si
la pressió local en el metall fos esdevé menor que la seva pressió del vapor durant la
meitat del període d’expansió, es forma una cavitat. La cavitat continua augmentant
fins que col∙lapsa durant la meitat del període de compressió, la qual cosa provoca
dintre del metall fos un gran ona de xoc d’alta intensitat. La formació i el col∙lapse
constant de milers d’aquestes cavitats creen unes potents ones dintre del metall fos
([ESK98b], [ABR99]). S’ha observat que aquesta cavitació induïda provoca un canvi
radical en la cinètica de nucleació i cristal∙lització i permet obtenir nuclis
extremadament fins comparables a la mida d’una secció transversal d’un braç
dendrític. Això permet millorar la plasticitat en el procés de colada i homogeneïtzar el
material sense una pèrdua de resistència ([ESK98b], [LIU07], [LIU07b], [ZHA09]).
Els principals mecanismes exposats en la literatura per explicar el paper de la cavitació
en l’afinament de gra de metalls i aliatges sota l’efecte d’ultrasons pot classificar‐se de
la següent forma ([ESK98b], [CAM81], [ABR99], [ABR94], [ZHA09], [YU09], [ZHO10],
[ZHA09b], [LI08], [ESK10], [LIU08], [GA09], [RA08], [QUI10],[ZHI09], [ZHI10], [LAN04],
[JIAN05]):
La cavitació provoca temporalment en el metall fos punts localitzats d’alta
pressió. D’acord amb l’equació de Clausius–Clapeyron, aquest augment local
de la pressió provocarà un augment del punt de fusió de la majoria d’aliatges i,
conseqüentment, pot comportar zones en el metall amb un gran
subrefredament, que augmentarà la velocitat de nucleació.
38. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 35
La cavitació neteja la superfície de les partícules que són deficientment
mullades pel metall fos, millorant així la nucleació heterogènia.
El col∙lapse de les bombolles produïdes durant la meitat del període de
compressió implica la generació d’elevats polsos de pressió (100 a 1000 MPa).
Aquest polsos poden provocar el trencament dels grans grossos i de les
branques dendrítiques o la desintegració dels aglomerats de compostos
inoculants.
Al disminuir la pressió local en les bombolles produïdes durant la meitat del
període d’expansió, es provoca la vaporització del metall fos des de la
superfície de les bombolles. La vaporització, donat que és un fenomen
endotèrmic, disminueix la temperatura de la superfície de les bombolles i pot
ajudar a la nucleació de partícules sòlides en aquestes superfícies. Aquestes
partícules es distribueixen en el metall fos en el moment en que les bombolles
col∙lapsen.
A elevades intensitats dels ultrasons, el fenomen d’agitació esdevé significatiu
provocant el desenvolupament de pressions mecàniques en el metall fos, que
poden fragmentar els braços dendrítics o desintegrar la superfície dels
aglomerats de compostos inoculants.
La fusió local de les arrels dels braços dendrítics degut a l’augment de la
temperatura local del metall fos durant la meitat del període de compressió
provoca la seva separació de la “dendrita mare”. Les partícules separades
creixeran i formaran nous grans (Figura 2.18).
Cal fer notar que alguns d’aquests mecanismes són efectius por sobre i altres per sota
de la temperatura liquidus de l’aliatge, i també que molts d’ells es poden produir de
forma simultània.
39. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 36
Figura 2.18‐ Esquema de la fragmentació dels braços dendrítics i generació de nous nuclis.
L’eficiència dels ultrasons està influenciada per l’amplitud i la freqüència de les
vibracions [ESK97]. L’amplitud de la vibració ultrasònica està directament relacionada
amb la potència de l’equip d’ultrasons. Elevades potències ultrasòniques es tradueixen
en una major amplitud. Normalment s’utilitzen potències de 400 W, 600 W i 800 W
sobre el metall fos. Al mateix temps, la intensitat de cavitació creada per les vibracions
ultrasòniques en el metall fos són inversament proporcionals a la freqüència
ultrasònica.
Per aplicar les vibracions ultrasòniques en aliatges lleugers s’utilitzen ressonadors
(sonotrodes), que s’introdueixen dins del metall fos i provoquen la creació i
transmissió de les vibracions durant el procés de solidificació. En la Figura 2.19 es
mostra un esquema d’un equip d’ultrasons dissenyat per M. Khosro Aghayani i B.
Niroumand, aplicat a un aliatge de magnesi [KHO11], consistent en un generador
acústic i un transductor amb una potència màxima de 600 w i una freqüència fixa de 20
kHz, un ressonador refredat per aigua i una plataforma movible. En cada experiment,
tan aviat com la temperatura del metall fos s’estabilitza (700 o
C), el ressonador baixa
submergint‐se 5 mm dintre del metall fos. L’aliatge fos és tractat durant 5 minuts a una
intensitat ultrasònica de 0, 20, 40 i 60% de la màxima potencia nominal del equip.
41. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 38
Els autors d’aquest estudi conclouen que en 144 segons d’aplicació dels ultrasons
s’aconsegueixen glòbuls de fase alfa de 90 micres en mostres de 10 mm de longitud, i
que l’efecte és degut a la cavitació i a les corrents generades. La mida s’incrementa si
és manté el material calent després de la vibració. Proposen dues teories sobre quins
paràmetres afecten a la globulització de la fase alfa: 1) que les inclusions
d’intermetàl∙lics no dissolts actuen como a nucleants i 2) que la cavitació evita
l’acumulació de sòlid en les interfases líquid‐sòlid. Al mateix temps, proposen que les
petites bombolles formades actuen com a nucleants. La realització d’escalfaments
isotèrmics, entre 0 i 10 minuts, després de la vibració comporta que la mida de la fase
alfa augmenti de 82 micres a 105 micres.
Kandemira i col∙laboradors [KAL11] han utilitzat en laboratori un equip d’ultrasons
(Misonix sonicator S4000) (Figura 2.21) per tractar l’aliatge d’alumini A201 (Al
4%Cu0,2%Mg), amb una potència de 600 W i una freqüència de 20 kHz. El ressonador
és de l’aliatge de titani Ti6Al4V. Els temps de tractament varien entre 1 i 13 minuts a
una temperatura de 690 o
C, obtenint els millors resultats pel menor temps de
tractament.
Figura 2.21‐. Esquema d’un equip d’ultrasons [KAL11].
43. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 40
Els ressonadors usats en els equips d’ultrasons han de ser capaços d’aguantar la
temperatura del metall fos i les tensions cícliques produïdes durant el procés [ABR94].
Dobatkin i Eskin [DOB86] van utilitzar un ressonador d’acer al carboni, treballant amb
una intensitat d’ultrasons en el interval de 7 a 20 W.cm‐2
, i van observar que el
ressonador es dissolia ràpidament una vegada submergit en l’alumini líquid, mentre
que utilitzant ressonadors d’acer amb un 18% en pes de crom i un 9% en pes de titani,
el ressonador tenia una vida útil de tan sols 1 o 2 minuts. Altres autors [STE95] han
demostrat que l’ús de ressonadors fabricats amb aliatges de Niobi són més resistents.
Eskin [ESK98] va investigar els efectes dels ultrasons sobre els inoculants (afinadors de
gra) usats en la fosa contínua de lingots d’alumini. Va concloure que en absència
d’ultrasons, només les partícules intrínsecament actives prenien part de la nucleació,
però, sota l’efecte dels ultrasons, fins i tot les partícules amb un angle de mullabilitat
elevat eren actives i contribuïen a la nucleació, donant com a resultat la formació de
grans molt mes petits. Va publicar que el nombre de les anomenades partícules
“plankton” per centímetre cúbic en el metall fos, sota l’efecte dels ultrasons
s’incrementava de 103
a 109
. Aquests resultats van demostrar que els ultrasons tenien
una major efecte sobre la microestructura de solidificació que la velocitat de
refredament del metall fos [ESK98].
Zhang i col∙laboradors [ZHA09] han estudiat els efectes d’un camp ultrasònic d’alta
energia en la microestructura i en les propietats mecàniques del aliatge d’alumini
A356. Els resultats indiquen que els ultrasons provocaven el trencament de les llargues
dendrites de fase alfa, millorant notablement les propietats mecàniques del material.
Yu i col∙laboradors [[YU09] també han estudiat l’efecte dels ultrasons en la millora la
duresa, resistència a la tracció i resistència a la desgast en l’aliatge Al‐23%Si. Aquests
mateixos autors [ZHA09b] van combinar l’efecte dels ultrasons amb un tractament
electromagnètic per modificar la microestructura de l’aliatge A356, demostrant que
l’efecte simultani de cavitació ultrasònica i l’agitació electromagnètica comportava un
44. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 41
significatiu refinament i esferoidització de les dendrites d’alumini primari, al mateix
temps que un afinament de la morfologia i mida del silici eutèctic.
Zhong i col∙laboradors [ZHO10] han investigat els efectes de les vibracions d’ultrasons
sobre el compostos intermetàl∙lics base ferro presents en dos aliatges hipereutèctics
d’alumini‐silici. Varen trobar que els ultrasons no només refinen les agulles de les
fases intermetàl∙liques β‐Al5FeSi i Y‐Al4FeSi2, sinó que promouen la formació de la fase
Y en detriment de la β. Aquest autors justifiquen aquest fenomen pel fet que els
ultrasons comporten una distribució més uniforme dels àtoms de ferro davant del
front de solidificació i una disminució de la temperatura de formació de la fase β.
Li i col∙laboradors [LI08] han estudiat l’efecte dels ultrasons en la capacitat de
afinament de gra del inoculant Al–5Ti–0.25C i en la microestructura de l’aliatge
d’alumini A1075. Varen observar que els efectes de cavitació i agitació acústica
provocats pels ultrasons modificaven la morfologia i mida de les fases dels compostos
TiAl3 i TiC, millorant la seva dispersió en la matriu d’alumini, fent més efectiva la seva
activitat de nucleació i conseqüentment augmentant el seu efecte afinador.
Més recentment, Atamanenko i col∙laboradors [ATA10] han investigat els efectes dels
ultrasons en l’afinament de gra de diferents aliatges d’alumini provocat per la
presència de petites adicions de Zr i Ti. Aquest autors observaren que durant l’aplicació
d’ultrasons amb una amplitud de vibració adequada (per a provocar una procés de
cavitació en l’alumini), augmenta l’eficiència del compost Al3Zr com afinador de gra.
L’any 1997, Abramov i col∙laboradors [ABR97] van avaluar l’efecte del tractament amb
ultrasons en la microestructura d’aliatges d’alumini–silici hipereutèctics. En els
processos de solidificació convencionals (amb una velocitat de refredament
moderada), el silici primari solidifica en forma de plaques hexagonals juntament amb
cristalls poligonals. Aquests autors van observar que durant el tractament amb
ultrasons les plaques de silici es desconnectaven i es trencaven provocant
l’esferoidització dels cristalls de silici, la qual cosa comportava una millora en la
45. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 42
plasticitat i resistència de l’aliatge. En aquest treball els autors van usar un generador
d’ultrasons de 10kW i un transductor magnetostrictiu, amb el qual van aplicar les
vibracions ultrasòniques sobre l’aliatge Al‐Si hipereutèctic, que van fondre dintre d’un
gresol ceràmic cilíndric d’uns 80 mm de diàmetre i uns 160 mm d’alçada. Per altre part,
un altre efecte observat, va ser que l’aplicació dels ultrasons reduïa el subrefredament
necessari per a la nucleació del silici, passant de 2,1 a 0,38 o
C. Aquests mateixos autors,
posteriorment, van realitzar una patent per afinar i globalitzar la fase alfa en diferents
aliatges d’alumini: AlSi hipoeutèctics, hipereutèctics i eutèctics, així com aliatges de
forja AlZnMgCu, aliatges Al‐Sn i alumini pur. En aquesta patent els autors utilitzen una
unitat generadora d’ultrasons de 25 kHz de freqüència i estudien la possibilitat d’usar
un ressonador refrigerat amb aigua. La variació del cabal d’aigua de refrigeració, la
forma del ressonador, la profunditat d’immersió i la intensitat dels ultrasons permet
millorar la distribució de la temperatura en el caldo i conseqüentment la
microestructura del material.
Huazhong i col∙laboradors [ZWA08] han estudiat l’efecte dels ultrasons en l’aliatge
d’alumini hipereutèctic A390. La potència aplicada per a 1 kg d’aliatge és de 1,2 kW i la
freqüència de 20 kHz. Els tractament amb ultrasons durant 0.6 min provoquen que les
partícules de silici primari siguin més fines i arrodonides i uniformement distribuïdes, si
bé la matriu d’alumini està poc globulitzada.
Shusen Wu i col∙laboradors [WZW10] han utilitzat la tècnica d’ultrasons amb una
potència de 1.8 kW i freqüència de 20 kHz per a produir estructures globulars en
aliatges hipereutèctics (AlSi20), utilitzant un ressonador de titani (15‐20 mm
d’immersió). El tractament de 90 segons a 710‐680 o
C dona una microestructura amb
un silici primari més fi i una fase alfa globular.
Jian i col∙laboradors [JXM05] han estudiat l’efecte dels ultrasons en aliatges d’alumini
de fosa (A356) i forja, aplicant un transductor de 20 kHz i una potència de 1500 W
refrigerat per aire. Amb una intensitat acústica de 10W/cm2
provoquen la cavitació en
el metall fos. El transductor piezoelèctric és de Pb‐Ti‐Zr i el ressonador de l’aliatge de
46. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 43
titani Ti6Al4V. Aquests investigadors han patentat el seu equip [PAT1] i han realitzat
els experiments aplicant els ultrasons en un procés continu, un procés intermitent i un
procés isotèrmic. Conclouen que obtenen una estructura globular en l’aliatge A356,
però amb millors resultats amb la vibració intermitent (amplitud del 70% i temperatura
entre 620 i 630 o
C, durant 20 segons), sent el procés isotèrmic el que dona pitjors
resultats. Per altres aliatges d’alumini com els aliatges A6061, A6063 o A354 es
requereix el 100% d’amplitud i 60 segons d’aplicació. Segons aquests autors la mida
del glòbul alfa disminueix al disminuir la temperatura, augmentar l’amplitud fa més
esfèric és el glòbul de fase alfa i augmentar la intensitat dels ultrasons els glòbuls de
fase alfa es fan més fins.
Puga i col∙laboradors [PUG] treballen amb una nova tecnologia d’ultrasons MMM
(Multi‐freqüència, Multimode, Modulada) per afinar la microestructura de l’aliatge
d’alumini AlSi9Cu3. Aquests autors apliquen la vibració ultrasònica al metall fos durant
120 segons a diferents temperatures, lleugerament per sobre la línia liquidus de
l’aliatge, emprant diferent potencies, abans de colar el material en un motlle metàl∙lic.
La vibració ultrasònica promou la formació de petits grans globulitzats de fase alfa i
canvia la mida i morfologia dels compostos intermetàl∙lics, distribuint‐los
uniformement al llarg de la microestructura del material. Aquets canvi de
microestructura provoca un significatiu augment de les propietats mecàniques de
l’aliatge (un increment del 50% en la resistència a tracció). Aquest autors demostren la
dependència de la microestructura i propietats mecàniques amb la potència i la
temperatura del metall fos. La Figura 2.24 mostra l’equip experimental usat per
aquests autors, consistent en un equip d’ultrasons MMM desenvolupat per “MP
Interconsulting” i protegit per una patent europea (EP1238715). Aquest equip pot
treballar a alta potència (1200 ), emprant un ressonador de 135 mm de longitud i 12,5
mil∙límetres de diàmetre fabricat amb l’aliatge de titani Ti6Al4V.
48. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 45
La Figura 2.25 mostra la microestructura de l’aliatge AlSi9Cu3 sense i amb tractament
d’ultrasons (615‐640 o
C, 400 W de potencia i 19.8 kHz de freqüència). A 640 o
C, el
tractament amb ultrasons promou la formació de grans dendrítics de fase alfa
(rossetes) amb una mida mitja d’aproximadament 65 micres. A temperatures entre
620 i 630 o
C es produeix una barreja de grans de fase alfa dendrítics i grans globulars
amb una mida mitja d’aproximadament 55 micres. A 615 o
C l’efecte sobre la
microestructura de solidificació és molt més gran, formant‐se una microestructura no
dendrítica amb grans globulars amb una mida mitja d’aproximadament 43 micres.
Figura 2.25‐ Microestructura de l’aliatge AlSi9Cu3 sense i amb tractament d’ultrasons [PUG].
L’efecte de la temperatura en l’eficiència de l’afinament de gra pot explicar‐se de la
següent forma: en primer lloc, ja que els experiments es van realitzar a temperatures
superiors a la temperatura liquidus de l’aliatge, l’afinament de gra i l’absència de celles
dendrítiques en la microestructura només es poden atribuir a la nucleació heterogènia
impulsada per la cavitació, ja que la fragmentació dendrítica a aquestes temperatures
no és possible ja que la solidificació encara no ha començat.
En segon lloc, la diferent eficiència en l’afinament de gra a cada temperatura pot ser
explicada pel temps de supervivència dels nuclis acústicament induïts. Eskin [ESK98]
explica que els nuclis formats són termodinàmicament inestables ja que es formen en
les interfases entre les bombolles de cavitació i el metall fos durant l’etapa d’expansió
49. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 46
de les bombolles i que es dissolen en el metall fos quan les bombolles col∙lapsen. A
mesura que la temperatura del metall fos és més alta es redueix el temps de
supervivència d’aquests nuclis, disminuint la quantitat d’embrions en el metall fos i
conseqüentment el nombre de grans globulars en la microestructura final. Degut a
aquesta inestabilitat, és possible la coexistència entre grans dendrítics i globulars, tal
com succeeix a temperatures entre 620 i 630 o
C. A 640 o
C, el nombre de nuclis actius
en el metall fos és molt petit, així com la seva estabilitat tèrmica, resultant en grans
d’una mida més gran i una estructura en forma de rossetes. A 615 o
C el temps de vida
dels embrions és suficientment llarg per promoure una alta densitat de nuclis en el
metall fos, produint el desenvolupament d’un gran nombre de grans globulars amb
una mida de gra petita. A més a més, l’agitació acústica també contribueix a
disseminar els nuclis de solidificació a lo llarg del metall fos, augmentant l’eficiència de
l’afinament de gra.
Segons Eskin [ESK98], quan el medi de propagació és un metall líquid, la viscositat del
líquid és la variable que més afecta al desenvolupament de les corrents, la qual cosa
està directament relacionada amb la absorció del so. Això implica que els corrents
acústics són més forts a baixes temperatures i potencien l’eficiència dels ultrasons en
l’afinament de gra en els tractaments fets a 615 o
C. A part de la temperatura, la
potència dels ultrasons també juga un important paper en l’afinament de la
microestructura. L’augment de la potència comporta un major afinament de gra. No
obstant, la disminució de la mida de gra amb l’augment de la potencia no és lineal ja
que esdevé menys efectiu després d’arribar a un cert nivell de potència (les corbes de
400 i 600 W estan molt més pròximes que les de 200 i 400 W). Així per exemple, a 615
o
C un increment de potència de 200 a 400 W implica una disminució de la mida de gra
de 61 a 43 micres. En canvi, quan la potència s’augmenta a 600 W, la mida de gra
disminueix tan sols a 41 micres (Figura 2.26).
50. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 47
Figura 2.26‐ Mida de la fase alfa de l’aliatge AlSi9Cu3 en funció de la temperatura del
tractament amb ultrasons, per diferents nivells de potència i una freqüència de 19.8 kHz
[PUG].
L’efecte de la potència en la mida de gra final és conseqüència de la intensitat de
cavitació i del nombre de bombolles de cavitació induïdes a cada nivell de potència.
Quan major és el nivell de potència, major és el nombre de bombolles de cavitació
desenvolupades dintre del metall fos, i per tant major és el nombre de nuclis de
solidificació i menor és la mida de gra en l’aliatge solidificat. A més a més, Eskin
[ESK98] i Abramov [ABR98] expliquen que la intensitat dels corrents acústics que es
desenvolupen durant la cavitació i promouen la distribució dels nuclis en el metall fos
depenen de la potencia i l’absorció sònica. De forma que, l’augment de potència, a
més a més d’augmentar la intensitat de la cavitació, promou corrents acústics més
forts i l’efecte combinat d’aquests dos factors augmenta significativament l’eficiència
dels ultrasons en l’afinament de gra. Això fa pensar que la modificació no es deguda
únicament a la vibració ultrasònica, sinó també es conseqüència a d’altres factors
promoguts per aquesta vibració ultrasònica.
51. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 48
Els principals resultats publicats per aquests autors són el següents:
Els tractament amb ultrasons és una eficient tècnica física per controlar la
morfologia i mida de la fase alfa d’alumini, al mateix temps que implica un
afinament i distribució dels compostos intermetàl∙lics i promou la modificació
del silici eutèctic.
El tractament amb ultrasons promou la formació de grans globulars de fase
alfa, la mida dels quals depèn de la temperatura del metall fos i de la potència
dels ultrasons. Grans de fase alfa globulars amb una mida de 41 micres s’han
obtingut a 615 o
C i 600W. Majors temperatures i menors potències no eviten el
desenvolupament d’alguns grans dendrítics (forma de rossetes) mostrant una
menor eficiència d’afinament.
La modificació de la microestructura ha comportat un augment de les
propietats mecàniques, produint‐se un increment de la resistència mecànica,
en comparació amb l’aliatge no tractat amb ultrasons, de 220 a 332 MPa i un
augment de la deformació passant d’un 0.6% a un 2.9%.
Khalifa i col∙laboradors [KHA08] han arribat a resultats similars als obtinguts per Puga i
col∙laboradors [PUGPb], estudiant l’efecte del tractament amb ultrasons en l’aliatge
hipoeutèctic Al‐Si‐Mg (A356). L’aliatge comença a solidificar aproximadament a 619 o
C
i acaba al voltant de 545 o
C, és a dir, amb un interval de solidificació de 74 o
C. Els
millors resultats del tractament amb ultrasons (15 segons), s’obtenen en les mostres
tractades entre 620 i 626 o
C, temperatures en les que s’obté la microestructura
globular, no dendrítica, més fina (mides de gra menors a 60 micres i un valor
d’arrodoniment de 0,7). Les mostres tractades a temperatures més altes mostren una
microestructura dendrítica (tipus rosseta), mentre que les tractades a menor
52. Tractament amb ultrasons per obtenir microestructures
globulars (no dendrítiques) en l'aliatge d'alumini A356
Pàgina 49
temperatura (inferior a 717 o
C) presenten una microestructura no homogènia, en
termes de mida de gra i morfologia, observant‐se un creixement significatiu d’alguns
grans dendrítics coexistint amb dendrites molt més petites. La Figura 2.27 mostra
gràficament els principals resultats obtinguts.
Figura 2.27‐ Anàlisis quantitatiu de la microestructura del l’aliatge A356 obtinguda després de
15 segons de tractament amb ultrasons: (a) àrea dels grans; (b) mida de gra equivalent; (c)
arrodoniment; i (d) factor de forma (“aspect ratio”) [KHA08].
Tsunekawa i col∙laboradors [TSU11] han estudiat l’efecte del tractament amb ultrasons
en l’aliatge d’alumini Al‐7Si amb diferents continguts de ferro. S’ha de tenir en compte
que el ferro és un dels elements que s’incorpora als aliatges d’alumini en els processos
de reciclatge i per tant, és interessant avaluar l’efecte del tractament d’ultrasons en la
distribució i mida dels compostos intermetàl∙lics base ferro, i així poder millorar la
utilització dels aliatges d’alumini reciclats per la fabricació de components
d’automoció. Aquests autors apliquen el tractament amb ultrasons en el metall fos a
temperatures entre 605 i 630 o
C (utilitzant un forn d’inducció), obtenint la
