EVALUACIÓN DEL EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LA CONFORMABILIDAD DE LA ALEACIÓN SAE 788

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1 EVALUACIÓN DEL EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LA CONFORMABILIDAD DE LA ALEACIÓN SAE 788 Eduardo Omar Chamorro Alva, Rubén A. Guarneros Gutiérrez, Edgar Isaac Ramírez Díaz, Armando Ortiz Prado Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Circuito exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, D. F., C. P. 451, México Teléfono: (55) Fax: , e mail: edgarisaac1@yahoo.com.mx, armandoo@servidor.unam.mx RESUMEN En el presente trabajo se analizará la evolución de la microestructura y las propiedades mecánicas para la aleación SAE 788, durante su laminado, que corresponde a la primera etapa del proceso de fabricación de cojinetes de deslizamiento. Para la evaluación de la aleación se tomaron cuatro lingotes, dos de los cuales fueron sometidos a un tratamiento térmico previo de 6 horas a 4 C y otros dos que se obtuvieron directamente de fundición. Posteriormente los cuatro son sometidos al proceso de laminación y se obtuvieron probetas de tracción para evaluar las propiedades mecánicas a diferentes porcentajes de deformación. Los resultados de este trabajo demuestran que el tratamiento térmico previo en un lingote de la aleación SAE 788, que va a ser laminado presenta un aumento en la resistencia del material sin pérdida de ductilidad. Palabras clave: Aleaciones AlSn, Cojinetes de deslizamiento, SAE 788. ABSTRACT In this paper is analyzed the evolution of the microstructure and mechanical properties for the alloy SAE 788, which will be applied a process of heat treatment and cold rolling. The research include from the selection of heat treatment more convenient and their later process of rolling. As it will be seen more ahead it will be evaluated the improvement of the mechanical characteristics of material for each deformation level which it is subject the work piece, and then comparing if the heat treatment represents an improvement in the fabrication process. INTRODUCCIÓN El uso de aleaciones con matriz de aluminio es común en la actualidad, para la fabricación de cojinetes de deslizamiento, debido a que por un lado las aleaciones ya conocidas para este tipo de servicios como las Cu- Pb por citar tan solo un ejemplo han dejado de ser prácticas para dicho fin, ya que no cumplen con estándares fijados en la actualidad, principalmente en los que tienen que ver con normas ambientales. Por otro lado la disponibilidad del aluminio y su costo relativamente estable, han servido de incentivo para el desarrollo de nuevas aleaciones para cojinetes teniendo como base este metal. Debido a la demanda por parte del sector industrial en la creación de nuevos materiales y la optimización de los ya existentes para la fabricación de cojinetes de deslizamiento que operan en motores de combustión interna. En este estudio se evaluará y caracterizará la aleación SAE 788; dicha aleación fue creada específicamente para la manufactura de cojinetes de deslizamiento para motor de combustión interna y según características reportadas por el fabricante presenta una alta resistencia a la fatiga y al desgaste. La composición aproximada del material es la siguiente: Cu-.7%, Sn-12%, Pb-1.7%, Sb-.3%, Si-2.5%, Al resto. Este artículo se enfoca principalmente al efecto que tiene sobre la aleación SAE 788, la ausencia o presencia de un tratamiento térmico previo a la laminación. Dado que dentro de una empresa que se dedica a la fabricación de cojinetes se está pensando en la posibilidad de eliminar esta parte del proceso. Respecto a la función que cada uno de los componentes le ofrecen a la aleación, se tiene que al manejar una matriz de aluminio, de entrada se presenta una alta resistencia a la corrosión; porcentajes de más del 6% estaño le da una excelente lubricación al material. Otros elementos como el plomo son agregados en cantidades muy pequeñas para aumentar la maquinabilidad de la aleación y también gracias a que 554

2 poseen una excelente conductividad térmica, pero se debe tener cuidado ya que este elemento es tóxico. La adición de más de un 2% de silicio mejora la resistencia mediante partículas duras dentro de la matriz; además de reducir el coeficiente de expansión térmica produce una aleación de aluminio con un buen vaciado, buena resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Se parte de dos lingotes de la aleación SAE 788 con las siguientes medidas: 13.5 x 3.75 x 1.5 cm, a uno de éstos se le aplicó un tratamiento térmico de 6 horas de duración a una temperatura de 4 ºC, para posteriormente ser enfriado en agua. Ambos lingotes tanto el que tiene el tratamiento térmico como el que no, fueron cortados por la mitad obteniendo un total de 4 probetas para laminar con espesores de aproximadamente.65 cm en promedio, esto con el fin de evitar el ondulamiento de las probetas al pasar por los rodillos laminadores, debido a que la relación entre el diámetro de los mismos y el espesor de las muestras fuera muy bajo [1]. Las dimensiones y denominación de cada probeta se presentan en la tabla 1. Tabla 1 Nomenclatura de las probetas utilizadas durante las pruebas de laminado laminando. El proceso anterior se repitió hasta que se llegó a un espesor de 1.3 mm, dicho valor corresponde al espesor final de la cinta que se maneja dentro de la industria en el proceso de fabricación de cojinetes. Del proceso explicado en el párrafo anterior se obtuvieron dos o tres muestras para los siguientes porcentajes de deformación: 5, 11, y 17%. Cabe mencionar que el estimando para cada corte del lingote, era obtener 3 probetas de tracción por porcentaje de deformación, pero debido al corrimiento excesivo de las grietas en los costados de los lingotes provocadas durante la deformación en algunos casos solo se manejaron 2 probetas. En las tablas 2 y 3 se presenta la nomenclatura final de cada probeta de tracción con y sin tratamiento térmico, incluyendo, además, el porcentaje de deformación al cual se cortó el lingote y otros datos finales como espesor, ancho y área transversal. Tabla 2 Nomenclatura de probetas para pruebas de tracción con tratamiento térmico Denominación Medidas cm (l X a X e) Lingote sin tratamiento térmico 1 P1 ST 11.1 X 3.9 X.62 Lingote sin tratamiento térmico 2 P2 ST 11.1 X 4. X.5 Lingote con tratamiento térmico 1 P1 TT 11. X 4. X.65 Lingote con tratamiento térmico 2 P2 TT 11.1 X 4. X.68 Para la laminación de las muestras, se aplicó una reducción nominal al lingote de 1% por pasada, con una velocidad de rodillos de 9.14 m/s. Con la finalidad de caracterizar el efecto de las reducciones sobre la aleación, se obtuvieron probetas de tracción de aproximadamente 1 cm de longitud, para ciertos porcentajes de deformación, estos dependieron principalmente de la cantidad de material disponible. Es decir cuando la placa laminada llegaba aproximadamente al doble de la longitud requerida para las probetas de tracción, se cortó el lingote en dos y la mitad se utilizó para maquinar las probetas y el resto se continuó Nomenclatura de Probeta P1 TT 5% P2 TT 6% P1 TT 11% P2 TT 12% P1 TT 13% P2 TT 16% P1 TT % P2 TT 18% Numero de probeta Ancho mm Espesor mm Área transversal mm , , , , , ,

3 Tabla 3 Registro de nomenclatura de probetas para pruebas de tracción sin tratamiento térmico Nomenclatura de Probetas P1 ST 6% Numero de Probeta Ancho mm Espesor mm Área transversal mm ANÁLISIS MECÁNICO En primera instancia se presentan el conjunto de curvas esfuerzo-deformación a diferentes niveles de deformación plástica; cada gráfico corresponde a la evolución de la resistencia para cada lingote durante el proceso de deformación. (Ver Tabla 1) P2 ST 6% Endurecimiento por Trabajo en Frío P1 TT P1 ST % P2 ST 11% P1 TT 5% P1 TT 5% P1 TT 5% P1 TT 11% P1 TT 11% P1 TT 11% P1 TT 13% P1 TT 13% P1 ST % P1 TT % P1 TT % P1 TT % P2 ST % Figura 1 Curvas representativas esfuerzo- deformación para la especie P1 TT P1 ST 17% Endurecimiento por Trabajo en Frío P2 TT P2 ST 17% Cabe resaltar que la diferencia entre las medidas de ancho varia debido al ajustado tamaño de las muestras y además al desperdicio del material durante el proceso de laminado. Con respecto al espesor es diferente en cada muestra ya que esta medida depende directamente del nivel de deformación a la cual fue obtenida de la cinta. Los ensayos de tracción fueron realizados con una máquina de ensayos INSTRON modelo 426, de acuerdo a la norma ASTM E8M- [2]. Como dato complementario la velocidad de prueba fue constante fijándose en 2.5 mm/min. A continuación se presentan las curvas obtenidas de estos ensayos, así como los parámetros determinados de ellas P2 TT 6% P2 TT 6% P2 TT 12% P2 TT 12% P2 TT 16% P2 TT 16% P2 TT 18% P2 TT 18% P2 TT 18% Figura 2 Curvas representativas esfuerzo-deformación para la especie P2 TT Como se puede observar cada curva, muestra dos estados. El primero es representado por un rápido endurecimiento por deformación y en las deformaciones intermedias una ascendente curva convexa. El segundo estado presenta un pequeño endurecimiento por deformación, que gradualmente va desapareciendo conforme aumenta la reducción aplicada por el laminado, tal y como lo reporta Schouwenaars, et al. [3]. 556

4 Endurecimiento por Trabajo en Frío P1 ST P1 ST 6% P1 ST 6% P1 ST % P1 ST % P1 ST % P1 ST % P1 ST % P1 ST 17% P1 ST 17% Figura 3 Curvas representativas esfuerzo-deformación para la especie P1 ST esfuerzo (MPa) Endurecimiento por Trabajo en Frío P2 ST Deformacióm (mm/mm/) P2 ST 6% P2 ST 6% P2 ST 6% P2 ST 11% P2 ST 11% P2 ST % P2 ST % P2 ST % P2 ST 17% P2 ST 17% P2 ST 17% Figura 4 Curvas representativas esfuerzo-deformación para la especie P2 ST Observando cada una de las graficas se puede entender que a medida que los pasos de laminación van aumentando, la resistencia mecánica también lo hace, y el valor de la deformación máxima va disminuyendo; es decir, que cuando se realiza un proceso de trabajo en frío se sacrifica la ductilidad del material, esto si se entiende a la ductilidad como una medida del grado de deformación plástica que soporta un material hasta el momento de la fractura. Nótese que en tres de las cuatro muestras, (Figuras 1, 2 y 3) las graficas de las probetas con máxima deformación disminuyeron de tamaño considerablemente, es decir su esfuerzo a la fluencia disminuyó en comparación con el anterior nivel de deformación. Lo anterior esta fuera de lo esperado, pero se puede decir que al ser muy elevado el porcentaje de deformación se tiene una sección transversal de las probetas de tracción muy pequeña lo cual puede afectar sobre las curvas esfuerzo-deformación. De hecho la única especie que presenta un comportamiento conforme a lo esperado es la muestra P2 ST, donde al ir aumentando el porcentaje de reducción se muestra una resistencia mayor y un valor de deformación máxima menor. Con el fin de comparar el efecto del tratamiento térmico previo en las curvas esfuerzo-deformación obtenidas durante el proceso de laminación se presentan los gráficos correspondientes al mismo nivel de deformación, pero con la diferencia que en claro aparecen las muestras sin tratamiento térmico previo y en oscuro las que si lo tuvieron. La finalidad de aplicar este tratamiento térmico fue la de observar su efecto en las propiedades del material durante el proceso de laminación, ya que en la industria este proceso se sigue efectuando, pero debido a la constante búsqueda de mejora de los procesos se ha pensado en la posibilidad de eliminarlo, por lo que en este trabajo se muestran algunas ventajas y limitaciones de llevarlo a cabo. A continuación se presentan las gráficas 5, 6 y 7, en particular estas tres representaciones tienen una característica particular y es que en ellas se observa claramente una notable mejoría de las propiedades mecánicas de la aleación por efecto del tratamiento térmico previo ya que aumentó la resistencia del material sin pérdida de ductilidad; es decir que aumentó la tenacidad del material, esto tomando en cuenta que el área bajo la curva esfuerzo-deformación representa la energía que puede absorber el material antes de la ruptura COMPARACION P2 TT 12% v.s. P2 ST 11% Probeta 1 P2 TT 12% Probeta 2 P2 TT 12% Probeta 1 P2 ST 11% Probeta 2 P2 ST 11% Figura 5 Comparación entre las probetas P2 TT 12% contra P2 ST 11% 557

5 COMPARACIÓN P1 TT 13% v.s. P1 ST % Probeta 1 P1 TT 13% Probeta 2 P1 TT 13% Probeta 1 P1 ST % Probeta 2 P1 ST % Probeta 3 P1 ST % Figura 6 Comparación entre las probetas P1 TT 13% contra P1 ST % COMPARACIÓN P2 TT 16% v.s. P2 ST % Figura 8 Microestructura proveniente de fundición de una aleación SAE 788. Presenta una morfología globular para las partículas de estaño (blanco) Probeta 1 P2 TT 16% Probeta 2 P2 TT 16% Probeta 1 P2 ST % Probeta 2 P2 ST % Probeta 3 P2 ST % Figura 7 Comparación entre las probetas P2 TT 16% contra P2 ST % ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL Posterior a las pruebas de tracción se cortó un trozo de la parte superior de cada una de las probetas de aproximadamente 1 cm de largo para después montar cada una de las muestras en baquelita, cada probeta fue sujeta a un proceso de metalografía, para posteriormente obtener fotografías, con el microscopio electrónico de barrido. A continuación se presenta una serie de imágenes que muestran la evolución de la microestructura correspondiente a los distintos pasos del laminado. Es importante señalar que la microestructura presenta cambios morfológicos posteriores a la aplicación del tratamiento térmico, ya que Chamorro y Guarneros han reportado en estudios previos [1], que los intermetálicos Al-Fe-Si presentan inicialmente una estructura proveniente de fundición en forma de agujas, y al aplicar el tratamiento estas presentan un escalonamiento. Por otro lado las partículas de silicio, que un principio son prácticamente imposibles de percibir, después del tratamiento aumenta su cantidad de forma visible, esto último se debe a que todo el silicio se encuentra asociado a las agujas de intermetálicos, posterior al proceso se puede observar claramente a este elemento en forma cúbica, esto gracias a que con el aumento de la temperatura el hierro y el aluminio que componen al intermetálico son asociados a la matriz o en su defecto forman un intermetalico Al-Fe y el silicio aparece como partículas puras. También se pudo verificar que existe un crecimiento en el tamaño de los granos de aluminio. De la figura 9 a la 12 se presentan una serie de imágenes obtenidas después de la laminación para probetas con tratamiento térmico previo; además, se determinó que la microestructura para probetas con el tratamiento térmico y las que no lo tienen son similares a cada nivel de deformación, por tal motivo no se presentarán las fotografías de las probetas sin tratamiento. En estas se puede observar el efecto de la deformación plástica. Para realizar una mejor comparación en la figura 8 se presenta la imagen de la microestructura de lingote SAE 788 sin tratamiento térmico previo y adicionalmente en el resto de las figuras se presentarán fotos a cada porcentaje de deformación. 558

6 En estas imágenes puede observarse la evolución de los granos de estaño que aparecen en color gris claro, que un principio contaban con una morfología de tipo globular proveniente de la fundición como se observa en la figura 8, y que posteriormente, al aplicar el proceso de deformación plástica, van transformándose en estructuras en forma de listón que están orientadas en la dirección del laminado. Para el caso del aluminio que se presenta en las imágenes como el fondo mas oscuro es difícil establecer claramente algún cambio en la morfología de sus granos ya que éste no se puede observar con nitidez debido a que no se encuentran bajo ataque químico. Pero de todas maneras se puede llegar a la conclusión de que gracias al trabajo en frío sus granos se encuentran distorsionados y orientados en el sentido de la deformación plástica. Figura 11 Microestructura de la probeta P2 TT 16% a 4X Figura 12 Microestructura de la probeta P2 TT 18% a 4X Figura 9 Microestructura de la probeta P2 TT 6% a 4X A continuación se muestran las figuras referentes a la microestructura de la probeta P1 TT 13% y P1 ST %, en la primera de ellas se nota el efecto tanto del tratamiento térmico como de la deformación plástica y en la segunda únicamente el efecto de la deformación. En ambos casos se observa que los intermétalicos se fracturaron en pedazos más pequeños debido al proceso de laminado y al escalonamiento previo provocado por el tratamiento térmico y también presentan una cierta alineación con el sentido de la laminación. Figura 1 Microestructura de la probeta P2 TT 12% a 4X 559

7 Intermetálico Al-Fe-Si Figura 13 Microestructura de la probeta P1 TT 13% a 8X Finalmente, si se consideran los procesos aplicados en este trabajo dentro de la industria se podría llegar a una considerable disyuntiva, ya que por un lado, se puede considerar que el tratamiento térmico aplicado antes de la laminación podría ser eliminado del todo y de esta manera reducir los tiempos y costos de producción, (si se considera que el material presenta propiedades satisfactorias para el fabricante); por el otro se observó que el efecto del tratamiento es visible durante el proceso de laminado, ya que influye en la mejora de parámetros tales como la resistencia; por tal motivo la aplicación de este proceso es realmente factible y con resultados positivos, lo que tendrá como consecuencia un material que no solo cumpla con su funcionamiento de forma correcta, sino también uno con una mejora en cuanto a calidad. Intermetálico Al-Fe-Si Figura 14 Microestructura de la probeta P1 ST % a 8X Finalmente se determinó que microestructuralmente, el tratamiento térmico no tuvo un efecto visible durante el laminado. DISCUSIÓN El efecto del trabajo en frío sobre las probetas con tratamiento térmico previo y las que no lo tuvieron, presentaron microestructuras similares ya que no se observan variaciones visibles. Por lo anterior se puede afirmar que en la microestructura no se observa una ventaja debida al tratamiento térmico durante el proceso de laminación. Es importante señalar que en algunas muestras se observó una mejora en las propiedades mecánicas. Ya que las muestras laminadas con tratamiento térmico previo, mostraron un aumento en la resistencia sin una disminución en su ductilidad. CONCLUSIONES No se observan cambios visibles en la microestructura de la aleación laminada que tuvo tratamiento térmico previo en comparación con la que no lo tuvo, por lo que se puede decir que la aplicación del tratamiento no otorga ventajas a la aleación. Se puede concluir que debido a que la principal función del tratamiento térmico previo a la laminación, es permitir este proceso sin fractura del material, entonces el tratamiento térmico esta de mas, por que aun que representa una mejora en ciertas propiedades, se demostró que no es necesaria su aplicación para llevar a cabo el conformado del material. AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo en las diferentes etapas del presente estudio a los ingenieros Efraín Ramos, Roberto Cisneros, Ignacio Cueva, Jorge Romero y al biólogo Germán Álvarez. REFERENCIAS [1] Chamorro Eduardo, Guarneros Rubén. Tesis de licenciatura: Análisis microestructural y mecánico de la aleación SAE 788 durante su tratamiento térmico y laminación. México, D.F. Ciudad Universitaria,

8 [2] ASTM E8M- Standard Test Methods of Tensión Testing of metallic Materials [Metric]. [3] Schouwenaars Rafael, Torres Antonio, Ortiz Armando. Strain hardening during cold rolling of a commercial Al-2%Sn-1%Cu alloy. Department of Mechanical Engineering, DIMEI, UNAM. México, 27. [4] Schouwenaars, Rafael. Tesis de Doctorado: Análisis de la deformación plástica durante el desgaste de cojinetes de deslizamiento. México, [5] Schouwenaars, R. Cerrud, S. Jacobo, V.H. Ortiz, A. Causas de fragilidad en lingotes de aleación Al-19%Sn- 1%Cu y Al-12%Sn-2.5%Si. Memorias del IX Congreso Anual de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica. México, 24. [6] Ramírez Díaz, Edgar Isaac. Tesis de licenciatura: Evolución de la microestructura de la aleación SAE 788 durante su fundición y tratamiento térmico. México, Cd. Universitaria,