Mejoramiento de propiedades de aluminio reciclado de latas mediante reciclado de pistones automotrices

Transcripción

1 Mejoramiento de propiedades de aluminio reciclado de latas mediante reciclado de pistones automotrices Paula Saraí Gómez Guzmán Ricky Bruno Jasso Hernández Simitrio Ignacio Maldonado Ruiz Sergio Haro Rodríguez Programa de Ingeniería Mecánica Unidad Académica de Ingeniería Universidad Autónoma de Zacatecas Resumen El reciclado de materiales ha tomado en la actualidad relevancia ecológica y energética. El aluminio y sus aleaciones es en especial un material altamente reciclable, siendo el de latas, difícil de maquinar por su elevado contenido de Zn [1,2,3]. Este elemento lo hace muy adecuado para el embutido profundo ya que le incrementa su plasticidad. Al agregar un aluminio reciclado de pistón automotriz, con mayores contenidos de silicio, cobre, manganeso y magnesio entre otros [4,5], se logran modificar las propiedades del aluminio de altas, entre ellas la de la resistencia mecánica y la del maquinado. Se agregaron porcentajes de 1, 5, 10 y 15% en peso de aluminio de pistón el cual contiene mayor porcentaje de silicio que el aluminio de latas. La fundición se realizó en horno de gas utilizando crisol refractario de alto SiO 2, y molde metálico. Se elaboraron probetas para ensayo mecánico a la tracción y ensayo de dureza. Se logró establecer que a medida que se incremente el porcentaje de silicio, también se incrementa la dureza y la resistencia al desgaste. Se presentan gráficas así como estudio metalográfico. Palabras clave: aluminio, reciclado, propiedades mecánicas. 1

2 Introducción Hoy la mayoría de las cosas a nuestro alrededor están formadas por materiales ligeros y a su vez resistentes. En casas, trabajos, escuelas e industrias existe uno de los materiales más utilizados debido a sus propiedades, a su fácil obtención y su fácil manipulación, este es el Aluminio. Pero aun así es necesario alearlo con otros materiales para proporcionarle otras propiedades o mejorarle las ya existentes. Por lo que se requiere un constante avance en aleación de aluminio para la mejoría de la industria. Objetivos y metodología Es así que la presente investigación muestra el cambio ocurrido en las propiedades del aluminio al ser aleado con otro material, que al agregarlo en distintas proporciones nos muestre un cambio notable en sus propiedades. El material propuesto para la investigación es el Silicio, el cual se agregó aleado en proporciones de 2, 4, 6 y 10 % en relación a su peso, debido a que es un material que atribuye propiedades mecánicas de dureza y resistencia mecánica por lo que obtuvimos una aleación (Al-Si) que nos cumple una de las mayores requisiciones en la industria: su relación peso-resistencia. Materiales Tanto el aluminio como el silicio en esta investigación fueron obtenidos del reciclaje. El aluminio fue obtenido de latas de jugos, bebidas carbonatadas y alcohólicas, entre otras; y su aleante, el silicio de una liga madre obtenida de émbolos de camiones (pistones). Cada una de las aleaciones obtenidas se sometieron a pruebas mecánicas para ser comparadas con el aluminio reciclado de latas y dar como conclusión al final, que el silicio le mejora las propiedades a este tipo de aluminio. 2

3 Procedimiento Preparación de probeta de Tensión: El procedimiento para la realización de la fundición consta de: A).- Preparación del modelo en placa de madera de las probetas (Fig.1), B).-Lingoteo del aluminio base reciclado de latas y de pistones, por separado, C).- Preparación de la caja de moldeo, (Figs. 2 y 3) D).- Fundición del material con la liga madre (Fig. 4), E).- Maquinado de las probetas de tensión y dureza, F).- Muestra para metalografía, G).- Análisis de resultados y discusión, y H).- Conclusiones. Fig. 1 Modelo de madera de la probeta. Fig. 2 Apisonado de arena sílica. Fig. 3 Ventilaciones de gases y vertedero. Fig. 4 Colado del aluminio. En las Fig. 5 y podemos observar como el límite de proporcionalidad y la carga máxima, no aumentan, sino que decrecen al agregarle el silicio en proporciones de 2 y 4% procedente de la aleación de pistón, ya que en este caso el silicio aparece en forma masiva en los espacios interdendríticos, ver figuras 7,8 y 9. Mientras que en las proporciones 6 y 10% estas fases se muestran combinadas con el magnesio, el hierro y el manganeso para formar las fases Mg 2 Si y en menor grado α(fesi)script, β(fesi)script, Fe 2 SiAl 3 y α(mnsi)script; ver figuras 10 y11 [1,3]. 3

4 Máximo Esfuerzo Máx. esfuerzo N/mm Aleaciónes, MB,2, 4, 6, 10%. Fig. 5 Límite de proporcionalidad de las aleaciones resultantes. Dos del materal base, dos de 2%, dos de 4%, dos de 6% y dos de 10%. Fig. 6 Se observan los niveles máximos que adquirieron las cargas de prueba en el ensayo de tensión, los cuales son similares en comportamiento a los de cedencia Fig. 7 Micrografía del metal base (aluminio reciclado de latas). Se observa una fase con forma de escritura china en los espacios interdendríticos, Keller s. 500X. Fig. 8 muestra de 2% de Si. Se aprecia la concentración del silicio en Mg 2 Si en los espacios interdendríticos, más una fase de Al-Fe-Si. Keller s. 500X. Fig. 9 Muestra de 4%. Se aprecia la concentración del silicio en Mg 2 Si en los espacios interdendríticos, con un mayor tamaño que el anterior. Keller s. 500X. 4

5 Fig. 10 Muestra de 6%. Se aprecia la concentración del silicio en Mg 2 Si en los espacios interdendríticos, con un mayor tamaño que el anterior. Keller s. 500X. Fig. 11 Muestra de 10%. Se aprecia la concentración del silicio en Mg 2 Si en los espacios interdendríticos, con un mayor tamaño similiar al anterior, más una fase de Al-Fe-Si. Keller s. 500X. En la figura 12 podemos observar el efecto del Si en las durezas de las composiciones este es el que afecta más la dureza, seguido del Cu y del Zinc, ver figura 13, este efecto es notorio por la menor pendiente de las curvas. Es lógico ya que se puede hacer notar el efecto del silicio de la liga madre y su dureza, la cual tiene un porcentaje superior al 8%, del cobre de casi dos y del zinc con 1.5%, lo cual demuestra que son los elementos más significativos. Sería importante realizar experimentación a nivel de un diseño factorial con cada uno de estos elementos para ver los efectos por separado y en conjunto. Sin embargo es importante señalar el efecto endurecedor del Mg 2 Si y del Cu 2 Al [7,8], el cual es notorio en estos contenidos de aleación. Sin embargo otro factor importante sería realizar una investigación agregando modificador y refinamiento de grano para lograr una mejora sustancial adicional a la resistencia de estas aleaciones, las cuales sí presentan características para ser utilizadas como aluminio secundario [8]. Dureza en HRB % de elemento químico % DE Si % DE Fe % DE Cu % DE Mn % DE Mg % DE Cr % DE Zn % DE Ti Fig. 12 Se observa el efecto del contenido de todos los elementos de aleación sobre la dureza. 5

6 Conclusiones Observamos que las cargas de tensión a la que fueron sometidas las probetas ofrecieron una mayor resistencia en el caso del Al-Si 10% debido a su mayor concentración del silicio y su presentación como Mg 2 Si, este factor juega un pael muy importante, ya que la concentración de Mg debe ser suficiente para lograr una combinación estequiométrica con el contenido de Si; aunado a lo anterior, la dureza de la aleación esta relacionada al contenido de cobre aunque en menor grado. Los otros elementos de aleación, como Zn, Fe, Mn, Cr, Ti juegan un papel menos importante desde el punto de vista macroscópico, aunque cada uno de ellos juega su papel. 6

7 Bibliografía 1. J. Zhang, Z. Fan. Y.Q. Wang and B.L. Zhou. MICROSTRUCTURAL EVOLUTION OF IN SITU Al-15%Mg 2 Si COMPOSITE WITH EXTRA Si CONTENTS. Scripta materialia. Vol, 42 No J. Zhang, Z. Fan. Y.Q. Wang and B.L. Zhou. EQUILIBRIUM PSEUDOBYNARY Al- Mg 2 Si PHASE DIAGRAM. 3. V. Lavaert, M. Moors, E. Wettinck, R. Castañeda, L. Goyos. INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE Mg, Cu y Ni EN LA ESTRUCTURA Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ALEACIONES Al-7Si FUNDIDAS. Ingeniería mecánica, 2 (2003) Bénard, Michel, Philibert & Talbot. Metalurgia General. Ed. Hispano- Europea. Bacelona España Jere H. Brophy, Robert M. Rose & John Wulff. Ciencia de los Materiales II. Propiedades Termodinámicas. Limusa. México Sydney H. Avner. Introducción a la Metalurgia Física. Ed. Mc.graw-Hill Frank King. El Aluminio y sus Aleaciones. Ed. Limusa-noriega. México B.A. Kuzmín & A. I. Samojotski. Metalurgia, Metalografía y Materiales de Construcción. Ed. Mir Moscú Trad. Español