EFECTO DEL MAGNESIO Y GEOMETRÍA DEL PIN SOBRE LA

MICROESTRUCTURA Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE UNA

UNIÓN SOLDADA DE ALUMINIO A380 MEDIANTE EL PROCESO

DE SOLDADURA POR FRICCIÓN Y AGITACIÓN

TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN

MANUFACTURA AVANZADA

PRESENTA

ING. RICARDO SANTOYO TRUJILLO

ASESOR: M.C. ENRIQUE ALEJANDRO LÓPEZ BALTAZAR

COASESOR: DR. SIMITRIO MALDONADO RUIZ

AGUASCALIENTES, AGS. OCTUBRE DE 2019

CARTA DE LIBERACIÓN DEL ASESOR

CARTA DE LIBERACIÓN DEL REVISOR

i

RESUMEN

El proceso de soldadura por fricción y agitación (SFA), se basa en el movimiento

rotacional de una herramienta sobre las partes a unir para generar las condiciones

termomecánicas que harán la unión soldada. Por lo tanto, hay un mínimo cambio

microestructural y en las propiedades mecánicas del material a comparación de los

procesos por arco eléctrico. El objetivo es desarrollar un procedimiento para el proceso

de SFA sobre placas de aluminio A380 con 5 y 10% de contenido de Mg; utilizando

geometrías de la herramienta tipo cuadrado y cónico.

El procedimiento se llevó a cabo fundiendo las placas con horno de crisol, la

composición química se obtuvo con espectrometría de emisión de chispa, se unieron las

placas con el proceso de SFA y se monitoreó la temperatura con un termopar. El análisis

de microestructuras se realizó con microscopio óptico metalográfico, microscopio

electrónico de barrido (MEB) y espectrometría de dispersión de rayos X (EDS).

Los resultados indican que las aleaciones de Mg presentan un 10% menos de densidad

con respecto a la aleación A380. La microestructura del grupo 5% Mg presentó fases con

morfología tipo escritura china, mientras que el grupo de 10% Mg contiene fases con

formas poligonales de Mg. Los grupos con 5 y 10% de Mg presentaron mayor porosidad,

lo cual repercute en el último esfuerzo a la tensión. En las uniones se presentó una

recristalización en la zona afectada térmicamente (ZAT) y un refinamiento de grano en

la zona agitada por fricción (ZAF), aumentando las propiedades mecánicas de tensión

y microdureza. El pin cuadrado no género un aumento en la temperatura durante el

proceso de SFA respecto al pin cónico, esto se le atribuye a la adherencia de material

en los vértices del cuadrado creando un pin cilíndrico durante el proceso del SFA.

Finalmente, el último esfuerzo a la tensión se incrementó al utilizar el pin cónico, sin

embargo, decreció al utilizar un contenido de Mg mayor al material A380.

Palabras clave: Ingeniería y tecnología, Tecnología de materiales, Propiedades de los

materiales, Soldadura por Fricción y Agitación (SFA), A380, Magnesio (Mg), Geometría

de pin, Microestructura, Propiedades mecánicas.

ii

ABSTRACT

Friction and Stir Welding (FSW) uses the rotational movement of a pin against the parts to

be joined, creating the thermomechanical conditions to weld the parts. During this

process, the mechanical properties and microstructure changes are minimal compared

with conventional welding methods such as electric arc welding. The objective is to

develop a procedure to perform FSW process using conic and square geometries of

rotational pins with sheets at three different alloys; aluminium A380 and their alloys with

an increase to 5% and 10% Mg.

The three alloy sheets were made with casting using a crucible furnace; the chemical

composition of these alloys was measured with spark emission spectroscopy. The sheets

were joint by FSW process with constant monitoring of the temperature with a

thermocouple. An optical metallographic microscope (OMM) and scanning electron

microscope (SEM) with energy dispersive X-Ray spectroscopy (EDS) were used to analyze

the microstructure of the alloys.

The results showed a density reduction of up to 10% for those alloys with increased Mg

content compared to A380. The microstructure of 5% Mg alloy present phases with

Chinese letter morphology and 10% Mg alloy had phases with polygonal shapes of Mg

concentration. There was a large amount of porosity at 5% and 10% Mg alloys which

caused a significant reduction in the ultimate tensile strength (UTS). The welded joints

showed recrystallization at the heat affected zone (HAZ) and grain refinement at the stir

zone (SZ). Compared with the conic pin, the square pin did not have an increase in

temperature during the FSW. The UTS were significantly higher with the conic pin,

although, UTS significantly decreases with a higher content of Mg.

Keywords: Engineering and technology, Materials technology, Materials properties,

Friction Stir Welding (FSW), A380, Magnesium (Mg), Pin geometry, Microstructure,

Mechanical Properties.

iii

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi familia que a lo largo de toda mi vida he recibido su apoyo

incondicional, así como las herramientas que me han proporcionado para lograr un

excelente desarrollo profesional y laboral.

A mi esposa, por ofrecerme parte de su tiempo y espacio para realizar este posgrado y

brindarme su apoyo para concluir este enorme reto.

A mis asesores y compañeros, el M en C. Enrique Alejandro López Baltazar, el Dr. Simitrio

Ignacio Maldonado Ruiz y el Ing. Adán Carrillo Salas, por brindarme su apoyo a lo largo

de esta tesis y compartirme sus grandes conocimientos, los cuales fueron clave

fundamental para el desarrollo de esta tesis.

A las empresas e instituciones como CIATEQ sede Aguascalientes, a la Universidad

Autónoma de Zacatecas (Maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales) y ADIENT por

permitirme implementar y desarrollar mis conocimientos en ellas, así como proporcionar

las instalaciones y herramientas para la realización del presente trabajo.

iv

ÍNDICE DE CONTENIDO

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................... vi

ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................................... ix

GLOSARIO ....................................................................................................................................... x

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 1

1.1. Antecedentes ..................................................................................................................... 2

1.2. Definición del problema .................................................................................................... 3

1.3. Justificación ......................................................................................................................... 3

1.4. Objetivos .............................................................................................................................. 4

1.4.1. Objetivo General ......................................................................................................... 4

1.4.2. Objetivos Específicos ................................................................................................... 4

1.5. Hipótesis................................................................................................................................ 4

MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 5

2.1. Aluminio Puro ....................................................................................................................... 5

2.1.1. Proceso de Producción .............................................................................................. 5

2.1.2. Propiedades del Aluminio .......................................................................................... 5

2.2. Aleaciones de Aluminio ..................................................................................................... 7

2.2.1. Aleaciones de Aluminio-Silicio ................................................................................... 8

2.2.1.1. Aluminio A380 ....................................................................................................... 8

2.2.1.2. Composición Química......................................................................................... 8

2.2.1.3. Microestructura..................................................................................................... 9

2.2.1.4. Propiedades Mecánicas ................................................................................... 10

2.2.2. Aleaciones de Aluminio-Magnesio ......................................................................... 11

2.2.3. Aleaciones de Aluminio-Silicio-Magnesio .............................................................. 11

2.2.4. Diagrama Ternario ..................................................................................................... 12

2.2.4.1. Microestructura de aleaciones Al-Si-Mg ......................................................... 14

2.3. Soldadura por Fricción y Agitación (SFA) ..................................................................... 15

2.3.1. Parámetros del proceso SFA .................................................................................... 16

2.3.1.1. Frecuencia rotacional ....................................................................................... 17

2.3.1.2. Velocidad de avance ....................................................................................... 17

2.3.2. Geometría de la herramienta rotacional .............................................................. 18

v

2.3.2.1. Geometría del pin ............................................................................................. 18

2.3.2.2. Diámetro del pin ................................................................................................ 18

2.3.2.3. Diámetro de hombro ........................................................................................ 19

2.3.3. Aplicaciones .............................................................................................................. 19

DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................................. 21

3.1. Desarrollo experimental................................................................................................... 21

3.2. Materiales .......................................................................................................................... 23

3.3. Equipo ................................................................................................................................ 24

3.3.1. Fundición .................................................................................................................... 24

3.3.2. Proceso de soldadura por fricción y agitación (SFA) .......................................... 25

3.3.3. Propiedades mecánicas y metalografía ............................................................... 26

3.3.4. Herramientas o métodos computacionales ......................................................... 28

3.4. Procedimiento analítico de los datos ........................................................................... 28

3.4.1. Fundición .................................................................................................................... 28

3.4.2. Proceso de SFA .......................................................................................................... 31

3.4.3. Metalografía y propiedades mecánicas ............................................................... 34

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS .................................................... 37

4.1. Composición química ..................................................................................................... 37

4.2. Densidad ........................................................................................................................... 38

4.3. Apariencia superficial y transversal de las uniones obtenidas mediante el

proceso SFA. ............................................................................................................................. 39

4.3.1. Apariencia superficial ............................................................................................... 39

4.3.2. Apariencia transversal .............................................................................................. 41

4.4. Análisis macroestructural y microestructural de las uniones soldadas mediante

el proceso SFA .......................................................................................................................... 44

4.4.1. Análisis macroestructural .......................................................................................... 45

4.4.2. Análisis microestructural de las uniones con A380 ............................................... 47

4.4.3. Análisis microestructural de las uniones A380-5% Mg .......................................... 51

4.4.4. Análisis microestructural de las uniones A380-10% Mg ........................................ 55

4.5. Temperatura durante el proceso de SFA ..................................................................... 59

4.6. Propiedades mecánicas de las uniones obtenidas mediante el proceso SFA ...... 61

4.6.1. Microdureza ............................................................................................................... 61

4.6.2. Ensayos de tensión .................................................................................................... 65

vi

CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 71

RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 72

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................. 73

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Estructura cristalina del Al (FCC). Fuente: [6]. ........................................................ 7

Figura 2.2. Micrografía del aluminio A380. Fuente: [12]. .......................................................... 9

Figura 2.3. Diagrama ternario de superficie líquida del Al-Si-Mg. Fuente: [15]. ................. 12

Figura 2.4. Sección vertical del diagrama ternario al 90% Al. Fuente: [15]. ....................... 12

Figura 2.5. Sección vertical del diagrama ternario al 80% Al. Fuente: [15]. ....................... 13

Figura 2.6. Sección vertical del diagrama ternario al 85% Al. Fuente: [15]. ....................... 13

Figura 2.7. Micrografías de aleaciones 380 con: a) 0.06% Mg, b) 0.33% Mg, c) 0.5% Mg

y d) 0.5% Mg con tratamiento térmico. Fuente: [17]. ....................................... 14

Figura 2.8. Diagrama de los componentes del proceso SFA. Fuente: [19]. ........................ 15

Figura 2.9. Diferentes Zonas de la SFA: (a) Metal base no afectado (MB); (b) Zona

afectada térmicamente (ZAT); (c) Zona afectada termo-

mecánicamente (ZATM); (d) Zona de agitación por fricción (ZAF). Fuente

[19]. .......................................................................................................................... 16

Figura 2.10. Herramienta rotacional y geometrías de pin del proceso SFA. Fuente: [22].

.................................................................................................................................. 19

Figura 3.1. Diagrama de bloques del procedimiento experimental. Fuente:

Elaboración propia. ............................................................................................... 22

Figura 3.2. Aleaciones utilizadas en experimento. Fuente: Elaboración propia. ............... 23

Figura 3.3. Balanza. Fuente: Elaboración propia. ................................................................... 24

Figura 3.4. Horno de crisol. Fuente: Elaboración propia. ....................................................... 24

Figura 3.5. Espectrómetro de emisión óptica por chispa. Fuente: Elaboración propia. .. 25

Figura 3.6. Fresadora CNC, modelo XK7130A. Fuente: Elaboración propia....................... 25

Figura 3.7. Tarjeta y termopar Omega. Fuente: Elaboración propia. ................................. 26

Figura 3.8. Electroerosionadora. Fuente: Elaboración propia. ............................................. 26

Figura 3.9. a) Maquina Universal. b) Durómetro Shimadzu. Fuente: Elaboración propia.

.................................................................................................................................. 27

vii

Figura 3.10. a) Pulidora Metkon. b) Microscopio óptico metalográfico (MOM). Fuente:

Elaboración propia. .............................................................................................. 27

Figura 3.11. Microscopio electrónico de barrido (MEB). Fuente: Elaboración propia. ..... 28

Figura 3.12. Molde para placas de Aluminio. Fuente: Elaboración propia. ...................... 30

Figura 3.13. Representación gráfica de la geometría de las placas y las secciones de

referencia. Fuente: Elaboración propia. ............................................................ 30

Figura 3.14. Geometrías de herramienta rotacional. Fuente: Elaboración propia. .......... 32

Figura 3.15. Fresado del pin cuadrado. Fuente: Elaboración propia. ................................ 32

Figura 3.16. Proceso SFA aplicado entre las dos placas a tope del aluminio A380.

Fuente: Elaboración propia. ................................................................................ 34

Figura 3.17. Muestras encapsuladas. Fuente: Elaboración propia. ..................................... 35

Figura 3.18. Zona de medición de microdureza. Fuente: Elaboración propia. ................. 35

Figura 3.19. Porta objetos para MEB con muestras. Fuente: Elaboración propia. ............ 36

Figura 3.20. Ensayos de tensión de las 18 muestras. Fuente: Elaboración propia. ............ 36

Figura 4.1. Densidad respecto al porcentaje añadido de Mg. Fuente: Elaboración

propia. ..................................................................................................................... 39

Figura 4.2. Uniones por el proceso de SFA: a) 380-CO, b) 380-CU, c) 380-5%-CO, d) 380-

5%-CU, e) 380-10%-CO, f) 380-10%-CU. Fuente: Elaboración propia. ............ 41

Figura 4.3. Apariencia superficial de la sección transversal de las uniones soldadas

obtenidas mediante el proceso de SFA: a) 380-CO, b) 380-CU, c) 380-5%-

CO, d) 380-5%-CU, e) 380-10%-CO, f) 380-10%-CU. Fuente: Elaboración

propia. ..................................................................................................................... 44

Figura 4.4. Macrografía de grupo A380 con: a) pin cónico y b) pin cuadrado. Fuente:

Elaboración propia. .............................................................................................. 45

Figura 4.5. Macrografía de grupo A380 y 5% de Mg con pin cónico (a) y pin cuadrado

(b). Fuente: Elaboración propia. ......................................................................... 46

Figura 4.6. Macrografía de grupo A380 y 10% de Mg con pin cónico (a) y pin

cuadrado (b). Fuente: Elaboración propia. ...................................................... 47

Figura 4.7. Micrografía del grupo A380. Fuente: Elaboración propia. ................................ 48

Figura 4.8. Micrografías MEB+EDS de A380. Fuente: Elaboración propia. .......................... 49

Figura 4.9. Micrografía para EDS del A380. Fuente: Elaboración propia. ........................... 49

Figura 4.10. EDS de fase de Fe y Cu en A380. Fuente: Elaboración propia. ...................... 50

Figura 4.11. EDS de fase de Si en A380. Fuente: Elaboración propia. ................................. 51

viii

Figura 4.12. EDS de fase de Al y Cu en A380. Fuente: Elaboración propia. ....................... 51

Figura 4.13. Micrografía de grupo A380-5% de Mg. Fuente: Elaboración propia. ............ 52

Figura 4.14. Micrografías MEB+EDS de A380+5% Mg. Fuente: Elaboración propia. .......... 53

Figura 4.15. Micrografías MEB+EDS de A380+5% Mg. Fuente: Elaboración propia. .......... 53

Figura 4.16. EDS de la fase de Mg y Si en A380-5% Mg. Fuente: Elaboración propia. ...... 54

Figura 4.17. EDS de fase de Al en A380-5% Mg. Fuente: Elaboración propia. ................... 54

Figura 4.18. EDS de fase de Mg en A380-5% Mg. Fuente: Elaboración propia. ................. 55

Figura 4.19. Micrografía de grupo A380-10% de Mg. Fuente: Elaboración propia. .......... 56

Figura 4.20. Micrografías MEB+EDS de A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia. ......... 57

Figura 4.21. Micrografía para EDS de A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia. ........... 57

Figura 4.22. EDS de ZA en A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia ................................ 58

Figura 4.23. EDS de fase de Mg en A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia. ............... 58

Figura 4.24. Perfil de temperatura durante proceso de SFA con geometría del pin

cónico y cuadrado. Fuente: Elaboración propia. ............................................ 60

Figura 4.25. a) Microdureza HV vs. Geometría de pin cónico, b) Microdureza HV vs.

Geometría de pin cuadrado. Fuente: Elaboración propia. ........................... 62

Figura 4.26. a) Prueba t de medias. b) Desviación estándar de la microdureza

respecto a la geometría cónica y cuadrada del pin. Fuente: Elaboración

propia. ..................................................................................................................... 63

Figura 4.27. a) Análisis de varianza (ANOVA) de un factor. b) Prueba de desviación

estándar de la microdureza respecto al contenido de Mg. Fuente:

Elaboración propia. ............................................................................................... 64

Figura 4.28. Fracturas de cada muestra del ensayo de tensión. Fuente: Elaboración

propia. ..................................................................................................................... 65

Figura 4.29. Diagrama esfuerzo-deformación: a) A 380 con pin cónico y cuadrado, b)

A380-5%Mg con pin cónico y cuadrado y c) A380% con pin cónico y

cuadrado. Fuente: Elaboración propia. ............................................................ 67

Figura 4.30. Gráficas con media de esfuerzo último por grupo e intervalos de

confianza al 95% mostrando media mayor en pin cónico y grupo A380.

Fuente: Elaboración propia. ................................................................................ 68

Figura 4.31. Resultados del diseño de experimentos. Fuente: Elaboración propia. .......... 69

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Propiedades del Aluminio con Pureza de 99.99%. Fuente: [6]. ............................ 6

Tabla 2.2. Composición Química del aluminio 380 y A380. Fuente [10] [11]. ...................... 9

Tabla 2.3. Propiedades del aluminio 380 y A380. Fuente [10], [11]. .................................... 10

Tabla 3.1. Geometría y dimensiones de herramienta rotacional. Fuente: Elaboración

propia. ..................................................................................................................... 32

Tabla 3.2. Identificación de cada grupo del experimento. Fuente: Elaboración propia.

.................................................................................................................................. 33

Tabla 3.3. Tabla de parámetros de proceso. Fuente: Elaboración propia. ....................... 33

Tabla 4.1. Composición química de las aleaciones utilizadas. Fuente: Elaboración

propia. ..................................................................................................................... 37

Tabla 4.2. Densidad de Aleaciones Al-Mg-Si. Fuente: Elaboración propia. ....................... 38

x

GLOSARIO

Aleación: Producto homogéneo de propiedades metálicas, constituido por dos o más

elementos.

Alúmina: Óxido de aluminio.

ANOVA: Análisis de Varianza, colección de modelos estadísticos y sus procedimientos

asociados, en el cual la varianza está particionada en ciertos componentes debidos a

diferentes variables explicativas.

ANSI: American National Standards Institute, es una organización que desarrolla y

aprueba normas de los Estados Unidos.

ASTM: American Society for Testing and Materials, es una organización de normas

internacionales que desarrolla y publica acuerdos voluntarios de normas técnicas para

una amplia gama de materiales, productos, sistemas y servicios.

Bauxita: Roca blanda formada principalmente por hidróxido de aluminio; muy

abundante en la naturaleza, es la mena más importante del aluminio y se utiliza también

como refractario y abrasivo.

Coeficiente térmico de expansión: También conocido como coeficiente de dilatación,

es el cociente que mide el cambio relativo de volumen que se produce cuando un

cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente cambia de temperatura provocando

una dilatación térmica.

Criolita: Es un mineral, Fluoruro de Aluminio y Sodio.

Deformación unitaria: La deformación unitaria se define como el cambio de dimensión

por unidad de longitud.

Dendrítica: Cristal metálico, generalmente producido por solidificación, que se

caracteriza por una microestructura análoga a la de un árbol con múltiples ramas.

Densidad: Relación entre la masa y el volumen de una sustancia.

Ductilidad: La deformación unitaria se define como el cambio de dimensión por unidad

de longitud.

Elongación: Se define como el cambio del valor de una magnitud física con respecto a

su valor de equilibrio.

Esfuerzo Último: Es el valor máximo del esfuerzo de ingeniería que se puede aplicar sobre

el material.

xi

Estructura cristalina: Es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos,

moléculas o iones.

Factor de empaquetamiento: Es la fracción de volumen en una unidad de celda que

está ocupada por átomos.

Fase: Parte homogénea de un sistema separada de las demás partes del mismo por una

superficie de separación que al pasar ésta, la composición química o la microestructura

de la sustancia varía bruscamente.

Forja: Es un proceso de fabricación de objetos conformado por deformación plástica

que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se

produce por la aplicación de fuerzas de compresión.

Fundición a presión: Es un proceso de fabricación en el que se vierte o se fuerza metal

fundido en moldes de acero. Los moldes, también conocidos como herramientas o

matrices, se crean usando acero y se diseñan especialmente para cada proyecto. Esto

permite que cada componente se cree con precisión y repetitividad.

Fundición: Proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas, pero también de

plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad (vaciado,

moldeado), llamada molde, donde se solidifica.

ISO: International Standard Organization, regula una serie de normas para fabricación,

comercio y comunicación, en todas las ramas industriales.

Macrografía: Método que nos permite observar discontinuidades o defectos en los

materiales con la ayuda de un microscopio a una baja amplificación.

Matriz: Tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas.

Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al

material.

Microdureza Vickers: Método para medir la dureza de los materiales, es decir, la

resistencia de un material al ser penetrado. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de

cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de

136°.

Microestructura: La estructura microscópica de un material u objeto.

Micrografía: Fotografía hecha con un microscopio electrónico.

Módulo de elasticidad: Es una medida de la rigidez del material.

Numero de coordinación: Es el número de vecinos que están en contacto directo con

un átomo o ion en particular en una red o estructura cristalina.

xii

Prueba t: Es cualquier prueba en la que el estadístico utilizado tiene una distribución t de

Student si la hipótesis nula es cierta. Se aplica cuando la población estudiada sigue una

distribución normal pero el tamaño muestral es demasiado pequeño como para que el

estadístico en el que está basada la inferencia esté normalmente distribuido.

Punto de fusión: Es la temperatura a la cual un sólido pasa a líquido a la presión

atmosférica.

Punto eutéctico: Es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor

cristalización del solvente y soluto, o también se define como la temperatura más baja

a la cual puede fundir una mezcla de sólidos A y B con una composición fija.

Resistencia a la fluencia: La deformación unitaria se define como el cambio de

dimensión por unidad de longitud.

Solidificación: Es una transición de fase en la que un líquido se convierte en un sólido

cuando su temperatura desciende por debajo de su punto de congelación.

ZAF: Zona agitada por fricción en un proceso de SFA.

ZAT: Zona afectada térmicamente generada por un proceso térmico.

ZCC: Zona del centro del cordón, línea central de la sección transversal de las placas

soldadas mediante SFA, la cual forma parte de la trayectoria del pin.

1

INTRODUCCIÓN

En aplicaciones de la industria del transporte, la ciencia de los materiales busca que

estos tengan bajo costo y densidad, junto con alta tenacidad y resistencia a la fatiga; el

aluminio (Al) es uno de estos metales, cuya tendencia es utilizarlo cada vez más en

componentes claves de esta industria [1].

El magnesio (Mg) es el octavo elemento más abundante sobre la tierra, sus aleaciones

pueden ser reutilizadas y recicladas tantas veces como sea posible, tiene buenas

prestaciones de tenacidad considerando que su densidad es muy baja; sin embargo, su

mayor desventaja es un alto nivel de corrosión, por lo anterior, es común alearlo con Al

para mantener las excelentes propiedades mecánicas y una buena resistencia a la

corrosión [2].

Este tipo de aleaciones Al-Mg son muy sensibles a los métodos de soldadura

convencionales por arco eléctrico, debido a que este provoca que pierdan sus

propiedades mecánicas debido a la Zona Afectada Térmicamente (ZAT) [3].

El proceso de Soldadura por Fricción y Agitación (SFA) presenta ciertas ventajas frente a

los métodos de soldadura convencionales por arco eléctrico. El peso del producto final

se ve reducido ya que no requiere material de aporte en la SFA; por otra parte, existen

estudios que comparan ambos métodos de soldadura y muestran que el método por

arco eléctrico eleva la temperatura del material por encima de su punto de fusión

durante el proceso, provocando que las uniones disminuyan sus propiedades mecánicas

de resistencia a la tensión [4], a causa de esto, la aplicación del proceso de SFA es

común para materiales con un punto de fusión bajo; sin embargo, el desarrollo de esta

tecnología ha permitido que se logre aplicar en materiales con puntos de fusión altos,

tales como las aleaciones ferrosas, entre otros [5].

2

1.1. ANTECEDENTES

Recientemente, los procesos de soldadura en estado sólido como es el caso particular

del proceso SFA han sido aplicados con éxito para la unión de materiales avanzados. El

proceso SFA es un método de unión en el estado sólido en el cual, una herramienta

giratoria penetra en el material y el calor generado por la fricción trae consigo el flujo

de material. Este tipo de soldadura ofrece las siguientes ventajas en comparación con

la soldadura por fusión: a) menor distorsión, tensión residual y porosidad debido al bajo

aporte térmico, b) refinamiento del grano, c) mejora de las propiedades mecánicas de

la unión debido a la energía suministrada parcialmente utilizada, d) eficiente en el

aprovechamiento de la energía y d) libre de humos y radiaciones.

Para establecer los parámetros de operación en el proceso de SFA en la unión de

aleaciones metálicas y no metálicas, ha sido un área de interés de diferentes

investigadores. Existen diversos estudios que se enfocan en aleaciones de Al y otros

metales con el objetivo de obtener una unión con buena calidad, donde la soldabilidad

es uno de los factores importantes que hay que considerar, ya que el refinamiento de

grano en la zona de agitación por fricción (ZAF) y la ZAT puede disminuir las propiedades

mecánicas del material.

Actualmente a nivel industrial se afronta al desarrollo de materiales que puedan sustituir

con éxito a los actuales. Una opción viable la constituye las aleaciones de Al para

fundición, donde elementos como Mg y Li son utilizados para disminuir la densidad.

En este trabajo se establecen las bases para realizar placas de las aleaciones de Al-Mg

y en trabajos futuros de investigación en la aleación Al-Mg-Li, donde se realice el proceso

SFA evaluando la composición química, microestructura y propiedades mecánicas, que

coadyuven a un menor peso de los componentes de la rama automotriz y el ahorro de

energía.

3

1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Actualmente se están desarrollando procedimientos para unir materiales mediante el

proceso de SFA, que servirá en la manufactura de componentes en la industria

alimenticia, aeroespacial, automotriz y de contenedores.

A nivel nacional aproximadamente 4 Universidades están aplicando el proceso SFA,

donde se está evaluando las condiciones de parámetros operativos, tipo de herramienta

y maquinaria necesaria para realizar uniones soldadas a tope.

Este trabajo está enfocado para el desarrollo de otras investigaciones donde se

pretende realizar el proceso de SFA en aleaciones de A380 con contenidos de Mg y Li,

donde se obtengan uniones con alta calidad para aplicaciones industriales, donde se

pretende bajar la densidad y tener buena soldabilidad, sin olvidar que este tipo de

proceso evitar contaminantes al medio ambiente.

1.3. JUSTIFICACIÓN

En los procesos de fundición a alta presión, el aluminio A380 tiene una gran aplicación

en productos para la industria automotriz [3], ya que al estudiar sus aplicaciones en

procesos de SFA y el efecto en sus propiedades mecánicas por la adición de Mg, sentará

las bases para nuevos productos y procesos de manufactura con este tipo de materiales,

el cual es de gran utilidad para la tecnología en la fabricación de transportes ligeros,

haciéndolos cada vez más eficientes y con menor impacto al medio ambiente.

4

1.4. OBJETIVOS

1.4.1. Objetivo General

Realizar la unión a tope de una aleación A380 mediante el proceso de SFA, y evaluar los

efectos de la adición de Mg al 5 y 10%, la geometría de su microestructura y propiedades

mecánicas de las uniones.

1.4.2. Objetivos Específicos

Generar mediante el proceso de fundición placas con cantidades del 5 y 10%

de Mg añadidas a una aleación A380.

Analizar las uniones generadas mediante el proceso de SFA de la aleación

A380 al 5 y 10% de Mg mediante un estudio macroestructural y

microestructural.

Obtener el ciclo térmico durante el proceso de SFA de las uniones.

Analizar las propiedades mecánicas (microdureza y ensayos de tensión) de las

uniones.

1.5. HIPÓTESIS

Es posible obtener uniones soldadas con buenas propiedades mecánicas, de una

aleación de aluminio A380 mediante el proceso SFA al incrementar del 5 al 10% de Mg

y con diferente geometría del pin.

5

MARCO TEÓRICO

2.1. ALUMINIO PURO

El aluminio no se encuentra por si sólo en la naturaleza debido a su alta afinidad con el

oxígeno, sino que se encuentra en su mayoría en forma de bauxita, la cual se compone

de óxido de aluminio hidratado Al2O3 3H2O y algunas impurezas cómo SiO2, Fe203, TiO2,

entre otros, o en menor medida cómo alúmina que se compone de óxido de aluminio

puro Al2O3; dentro de estas formas, es el segundo elemento metálico más abundante,

se estima que forma parte de un 8% de la corteza terrestre [6].

2.1.1. Proceso de Producción

Para refinar la bauxita en alúmina se utiliza el proceso Bayer, en el cual la bauxita se

baña en solución de sosa caustica NaOH a alta temperatura y presión, donde se

precipita el hidróxido de aluminio Al(OH)3 y posteriormente se calcina mediante un horno

para formar alúmina.

Para procesar el Al de la alúmina, se utiliza un proceso químico, donde la alúmina se

mezcla con criolita, compuesto por hexafluoroaluminato de sodio Na3AlF6 y la mezcla se

descompone mediante el proceso de electrólisis donde se separa el Al, y finalmente este

pasa por un proceso de refinado para remover gases y partículas de criolita hasta llegar

a una impureza de 0.3 a 1% [6].

2.1.2. Propiedades del Aluminio

Sus propiedades dependen de la pureza, es decir, el porcentaje de Al dentro de la

aleación, la cual es clasificada por distintos institutos como ISO (International

Organization for Standardization), Estados Unidos, Rusia y Alemania.

En la tabla 2.1, se muestran las propiedades físicas de un Al con 99.99%, clasificada como

pureza extrema, el Al a comparación de otros metales utilizados sobresale por su baja

densidad, alta reflectividad y alta conductividad eléctrica y térmica [6].

6

Por el contrario, en el Al puro no sobresalen sus propiedades mecánicas ya que su

resistencia a la tensión y al impacto son bajas y sensibles a la temperatura, por ello no es

común el uso de Al puro, sin embargo, es un metal que se puede alear fácilmente con

otros metales y mejorar considerablemente sus propiedades mecánicas.

Tabla 2.1. Propiedades del Aluminio con Pureza de 99.99%. Fuente: [6].

Tipo Propiedad Valor Unidad

Física

Punto de fusión 660.2 °C

Punto de ebullición 2480 °C

Calor latente de fusión 94.6 Cal/g

Calor específico a 100°C 0.2226 Cal/g

Densidad a 20°C 2.7 g/cm3

Resistividad eléctrica a 20°C 2.68 µΩ-cm

Coeficiente térmico de expansión

x106 (20-100°C) 23.86

Conductividad térmica a 100°C 0.57

Reflectividad 90 %

Módulo de Young 25-26.5 GPa

Mecánica

Esfuerzo Último 69-72 GPa

Coeficiente de Poisson 0.31

Dureza Brinell 22 HB

Elongación 40 %

El Al puro tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras o FCC (face

centered cubic), por sus siglas en inglés, a lo largo de todo su rango de temperatura

hasta el punto de fusión, esta estructura se muestra en la figura 2.1, su orden sigue un

patrón que se asemeja a un cubo con átomos en cada vértice y en el centro de las

caras del cubo. Por lo tanto, el espacio ocupado por los átomos con relación al volumen

(factor de empaquetamiento) es de 0.74 y la cantidad de átomos más cercanos

(número de coordinación) es de 12.

7

Su constante de red cristalina es de 4.0414 Å, su radio atómico determinado por la mitad

de la distancia entre los átomos más cercanos es de 1.43 Å, mientras que su radio iónico

es de 0.53 Å [6].

Figura 2.1. Estructura cristalina del Al (FCC). Fuente: [6].

2.2. ALEACIONES DE ALUMINIO

De acuerdo con el estándar ANSI H35.1-1998 registrada por la Asociación de Aluminio

(AA), la clasificación de aleaciones de Al se divide en dos grandes familias de series, la

primera es para aleaciones cuya principal aplicación es el proceso de forjado, la

segunda familia son las aleaciones utilizadas en el proceso de fundición.

Las familias de series utilizada para fundición se identifican por tener la nomenclatura

“CXYY.Z”, en la cual cada digito tiene el siguiente significado:

C: Los prefijos pueden ser utilizados y especifican la variación que puede

haber entre uno de sus elementos, normalmente se utilizan las letras A o B.

X: El primer dígito indica la serie, es decir, el principal elemento o elementos de

la aleación con el Al.

YY: El segundo y tercer digito indican el elemento de la aleación específica,

para estos no hay una designación específica por elemento.

Z: El tercer digito después del punto decimal sirve para identificar la forma del

material, 0 es utilizado para el material ya fundido, 1 es utilizado para referirse

a material en forma de lingotes y 2 para casos específicos [7].

8

2.2.1. Aleaciones de Aluminio-Silicio

Las aleaciones de Al de la serie 3XX.X, pertenecen a la familia de fundición, donde el

principal metal del compuesto es el Silicio (Si), el cual se encuentra en un contenido del

rango de 5 a 22%, en algunos casos, se le agregan pequeñas concentraciones de Mg

desde un 0.3 a un 0.6% y/o Cobre (Cu) en concentraciones de 0 a 4.5%.Es la serie con el

más alto volumen de uso, ya que se utiliza en procesos de fundición a presión (A380.0 a

A384.0), las cuales requieren de un bajo contenido de Mg (0.10% como máximo) [8].

2.2.1.1. Aluminio A380

El aluminio A380 es por mucho el más utilizado en procesos de fundición a presión,

ofreciendo la mejor combinación de propiedades y una facilidad de producirlo. Sus

aplicaciones incluyen equipos electrónicos y comunicación, componentes

automotrices, soportes de motor, cubiertas de mecanismos y transmisión, carcazas de

máquinas podadoras de césped, componentes mobiliarios, herramientas de mano

eléctricas [9].

2.2.1.2. Composición Química

La composición química del aluminio A380 se describe en la tabla 2.2, donde se observa

como en comparación del aluminio 380, el contenido de Hierro se disminuye de 2.0 a

1.3%, lo cual genera una mayor resistencia a altas temperaturas para el A380.

9

Tabla 2.2. Composición Química del aluminio 380 y A380. Fuente [10] [11].

Tipo Propiedad 380.0 A380.0

Composición

Química

Detallado

Silicio 7.5-9.5 7.5-9.5 %

Hierro 2.00 1.30 %

Cobre 3.0-4.0 3.0-4.0 %

Manganeso 0.50 0.50 %

Magnesio 0.10 0.10 %

Nickel 0.50 0.50 %

Zinc 3.00 3.00 %

Estaño 0.35 0.35 %

Otros 0.50 0.50 %

Aluminio Balance Balance %

2.2.1.3. Microestructura

En la figura 2.2, se muestra la microestructura típica de un aluminio A380, en la cual se

observa una fase continua de Al en forma dendrítica (α) mostrada como regiones de

color blanco; islas eutécticas de Si de color gris oscuro en forma acicular o de aguja.

Dichas islas eutécticas están entre dendríticos y precipitaciones intermetálicas en color

gris claro. Las dimensiones de las partículas de Si se observan dentro del rango de 10-40

µm y están localizadas dentro de las islas eutécticas [12].

Figura 2.2. Micrografía del aluminio A380. Fuente: [12].

10

2.2.1.4. Propiedades Mecánicas

La matriz de Al se ve reforzada por las islas eutécticas de Si en forma de agujas,

proporcionando una mayor resistencia a comparación del Al puro. En la tabla 2.3 se

incluyen todas las propiedades mecánicas del 380 y A380, ambos presentan mismas

propiedades mecánicas, su principal diferencia radica en que el A380 tiene menor

conductividad eléctrica y coeficiente térmico de expansión, es por ello que esta

aleación se utiliza en aplicaciones de mayor temperatura que el 380.

Tabla 2.3. Propiedades del aluminio 380 y A380. Fuente [10], [11].

Tipo Propiedad

380.0 A380.0 Unidades

Propiedades

Mecánicas

Esfuerzo último 320 320 MPa

Límite elástico 160 160 MPa

Elongación 3.5 3.5 % en 2"

Dureza 80 80 BHN

Resistencia a la

cizalladura 190 190 MPa

Resistencia al impacto 4 - J

Resistencia a la fatiga 14 140 MPa

Módulo de Young 71 71 GPa

Propiedades

Físicas

Densidad 2.74 2.71 g/cm3

Punto de fusión 540-595 540-595 °C

Calor específico 963 963 J/Kg°C

Coeficiente térmico de

expansión 22 21.8 µm/m°K

Conductividad térmica 96.2 96.2 W/m°K

Conductividad eléctrica 27 23 % IACS

Coeficiente de Poisson 0.33 0.33

11

2.2.2. Aleaciones de Aluminio-Magnesio

Las aleaciones de Al-Mg son consideradas como materiales de peso ligero

extremadamente atractivos para un alto rango de aplicaciones como la industria militar,

automotriz, aeroespacial, etc., debido a su baja densidad, además el Mg tiene buena

capacidad de absorción de vibraciones mecánicas y baja impedancia acústica que

pueden ser muy beneficiosos para aplicaciones en vehículos [13].

Al aumentar el porcentaje de Mg en una aleación con Al, se observa que mientras

mayor sea la cantidad de Mg, la microdureza de la sección transversal de la soldadura

se incrementa significativamente [14], el estudio se realizó en un rango de 0,1 y 2% de

Mg con una misma relación de Al.

La serie de aleaciones de Al 5XX.X se definen por tener el Mg como aleación principal

del Al, tienen propiedades mecánicas de moderado a alta resistencia y dureza; también

presentan alta resistencia a la corrosión, especialmente al agua del mar y atmosferas

marítimas. Estas aleaciones son adecuadas para ensambles de soldadura utilizados en

arquitecturas y otros decorativos. Tienen buena maquinabilidad y una apariencia

atractiva cuando se anodizan [8].

2.2.3. Aleaciones de Aluminio-Silicio-Magnesio

Este tipo de aleaciones se utilizan cada vez más en la industria aeroespacial y automotriz

por sus excelentes propiedades que facilitan su proceso de fundición, tienen buena

resistencia a la corrosión y buenas propiedades mecánicas en condiciones tratadas

térmicamente. En estas aleaciones, el Mg se adiciona intencionalmente para inducir el

endurecimiento por precipitación de Mg2Si, fases metaestables o zonas Guinier-Preston

[15].

12

2.2.4. Diagrama Ternario

El aluminio A380 contiene alrededor de 4.4% en otros elementos e impurezas, sin

embargo, si se descartan dichos elementos para ubicarlo en el diagrama ternario de Al-

Si-Mg mostrado en la figura 2.3, es posible indicar su posición aproximada en dicho

diagrama; al tomar la sección vertical de este diagrama con un contenido del 90% de

Al, se obtiene el diagrama de la figura 2.4 donde muestra que se tiene un punto de fusión

de alrededor de 596°C, donde al bajar de ese punto, se solidifica el Al y se mezcla con

líquido (L), fase llamada L+Al. Debajo de los 577°C comienza a solidificarse el Si y pasa

de inmediato a la fase sólida donde se forma el Al+Si.

Figura 2.3. Diagrama ternario de superficie líquida del Al-Si-Mg. Fuente: [15].

Figura 2.4. Sección vertical del diagrama ternario al 90% Al. Fuente: [15].

A380

Mg ≈ 0.8%

Si ≈ 10%

Al ≈ 90%

13

Si se continúa agregando Mg al 99.99% de pureza hasta un 5% de concentración en la

aleación, el punto de fusión esta vez se reduce a 577°C, debido a que atraviesa por un

punto eutéctico donde se solidifica el Si+Mg2Si de forma instantánea manteniéndose

aún con una fase líquida, donde al bajar de los 560°C se alcanza la fase sólida

compuesta por Si+Al+Mg2Si, como se indica en la figura 2.5.

Figura 2.5. Sección vertical del diagrama ternario al 80% Al. Fuente: [15].

Si a esta misma aleación se continua agregando Mg hasta llegar a un 10%, el punto de

fusión de la aleación sube por encima de 600°C; como se muestra en la figura 2.6, su

solidificación atraviesa por 3 fases: la primera donde bajando el punto de fusión, el Al

comienza a solidificarse formando L+Al, la segunda a los 590°C comienza a solidificar el

Mg2S formando el compuesto L+Al+Mg2Si, para finalmente a una temperatura de 577°C

llegar a la fase sólida compuesta por Al+Mg2Si.

Figura 2.6. Sección vertical del diagrama ternario al 85% Al. Fuente: [15].

Nótese como al agregar contenido de Mg, el compuesto Mg2Si aparece, el cual como

ya se mencionó anteriormente puede aumentar las propiedades mecánicas de la

Mg ≈ 5%

Si ≈ 10%

Al ≈ 85%

Mg ≈ 10%

Si ≈ 10%

Al ≈ 80%

14

aleación si se combina con el proceso de endurecimiento por precipitación; esto explica

un aumento en el límite elástico y por ende una disminución en la ductilidad de la

aleación [16].

2.2.4.1. Microestructura de aleaciones Al-Si-Mg

En la figura 2.7, se muestra el efecto de la adición del Magnesio en una aleación de

aluminio A380, las secciones a, b y c muestran contenido de 0.06, 0.33 y 0.5% Mg

solidificado a 10°Cs-1 respectivamente; donde la muestra a) de aluminio A380 presenta

la misma estructura descrita ya en la figura 2.2 y en ninguna de las 3 muestras se observan

precipitaciones de Mg2Si. Sin embargo, finas partículas de lo que parece ser Al5Mg8Si6Cu2

son visibles dentro de los cristales eutécticos de Al2Cu señalados con una flecha. La

sección d) es la muestra al 0.5% Mg con una solidificación de 0.4°Cs-1, con este cambio

de solidificación, se observan precipitaciones de Mg2Si señaladas por las flechas,

mientras que en el recuadro se muestra la presencia de Al5Mg8Si6Cu2 dentro de Al2Cu.

[17].

Figura 2.7. Micrografías de aleaciones 380 con: a) 0.06% Mg, b) 0.33% Mg, c) 0.5% Mg y

d) 0.5% Mg con tratamiento térmico. Fuente: [17].

a) b)

c) d)

15

2.3. SOLDADURA POR FRICCIÓN Y AGITACIÓN (SFA)

El proceso de SFA es un método de unión de metales donde se utiliza el principio de

rozamiento entre una herramienta rotacional con mayor dureza que los elementos a unir

[18]. La herramienta tiene como características principales un pin y un hombro

concéntricos, los cuales permiten que se genere la agitación y mezcla entre los dos

elementos, así como prevenir que se formen vacíos durante el proceso.

La figura 2.8, muestra como el pin que forma parte de la herramienta rotacional se

introduce entre las dos placas a unir mediante una fuerza axial y una velocidad de giro

(a), posteriormente la herramienta se mueve de forma longitudinal en dirección de la

unión de las placas con una velocidad de avance (b) definida, el hombro de la

herramienta se debe mantener al nivel de la placa para evitar espacios vacíos de

material y reducir su efecto en las propiedades mecánicas de la soldadura.

Figura 2.8. Diagrama de los componentes del proceso SFA. Fuente: [19].

Toda unión realizada mediante SFA tiene como característica distintas zonas en su

sección transversal, las cuales son visualmente diferente y cada zona tiene propiedades

mecánicas distintas, especialmente en su microdureza.

En la figura 2.9 se presenta un corte de sección transversal de una unión realizada entre

dos placas mediante el proceso SFA, en donde las partes externas indicadas por las

zonas (a) son el metal base que ha sido unido, el cual no sufre ningún cambio ya que se

encuentra muy alejado de la zona central donde actúa la herramienta rotacional, por

16

otra parte las zonas (b), muestran la zona afectada térmicamente (ZAT) donde el

material sufre un cambio en sus propiedades debido al calor generado por la fricción, el

área de esta zona suele compararse con otros métodos de unión y es aquí donde la SFA

tiene ventaja ya que el material no alcanza su temperatura de fusión.

La zona agitada por fricción (ZAF) mostrada en el punto (d) es la zona donde el material

fue agitado totalmente por la herramienta, por último, está la zona afectada termo-

mecánicamente (ZATM) el cual es una combinación de ZAF y ZAT donde se sufre una

agitación mecánica y afectación en sus propiedades por el calor [19].

Figura 2.9. Diferentes Zonas de la SFA: (a) Metal base no afectado (MB); (b) Zona

afectada térmicamente (ZAT); (c) Zona afectada termo-mecánicamente (ZATM); (d)

Zona de agitación por fricción (ZAF). Fuente [19].

2.3.1. Parámetros del proceso SFA

Existen numerosas investigaciones sobre el proceso SFA en las cuales se determinan los

parámetros operacionales más importantes del mismo que afectan las propiedades

mecánicas de la unión de soldadura, las cuales se describen en los siguientes epígrafes.

17

2.3.1.1. Frecuencia rotacional

La frecuencia rotacional se mide en revoluciones por minuto (rpm) y como su nombre lo

indica, es la cantidad de vueltas que da la herramienta rotacional por cada minuto.

Mayor frecuencia rotacional en la herramienta provoca mayor fricción y por ende una

mayor temperatura y una menor tasa de enfriamiento de la ZAF después de la soldadura,

además que provoca un exceso de agitación en el material hacia la parte superior,

provocando que queden espacios con faltante de material en la parte inferior; por el

contrario, valores menores de la frecuencia rotacional pueden provocar una falta de

agitación en el material reduciendo el área de la ZAF [19].

Otros estudios, demuestran que una mayor frecuencia rotacional reduce

exponencialmente el torque aplicado por la herramienta en la fase de inmersión de la

herramienta y movimiento longitudinal, la reducción de este torque reduce la

afectación a las propiedades mecánicas del material base [20].

2.3.1.2. Velocidad de avance

La velocidad de avance se mide en milímetros por minuto (mm/min), es la relación entre

la distancia longitudinal de la herramienta rotacional a través de la unión a soldar que

se alcanza en un determinado tiempo. Si se mantiene una frecuencia rotacional

constante y se incrementa la velocidad de avance, el resultado es una menor cantidad

de calor por distancia soldada causando una falta de agitación y por ende una

degradación en sus propiedades mecánicas, específicamente en la resistencia a la

tracción; por el contrario, una velocidad de avance menor provoca una mayor

temperatura y menor tasa de enfriamiento en la zona soldada, causando un crecimiento

en el grano y un potencial agrietamiento de la unión de soldadura [21].

La influencia que tiene la velocidad de avance en el torque y la afectación a las

propiedades mecánicas del material base no es tan alta como la frecuencia rotacional,

en este caso solo afecta el torque durante el movimiento longitudinal de la herramienta,

18

al incrementarse la velocidad de avance, existe un incremento menor en el torque de

la herramienta [20].

2.3.2. Geometría de la herramienta rotacional

Así como la frecuencia rotacional y el avance son elementos clave para obtener una

unión soldada, la geometría de la herramienta rotacional forma parte de los factores

clave y más estudiados en dicho proceso, a continuación, se describen las distintas

características de la herramienta y sus efectos en base a la revisión de literatura.

2.3.2.1. Geometría del pin

La herramienta rotacional se compone de hombro y pin como se muestra en la figura

2.10. Ambas partes de la herramienta son importantes para obtener una soldadura

adecuada. Investigaciones recientes ponen a prueba herramientas las cuales no tienen

hombro y pin respectivamente para medir su influencia en el torque, los resultados

muestran que la geometría del pin tiene una influencia significativa junto con los

parámetros de frecuencia rotacional y velocidad de avance [20]. En otros estudios se

analiza la influencia de distintas geometrías de pin y su interacción con el diámetro del

hombro en un aluminio AA6061, de las geometrías estudiadas que se muestran en la

figura 2.10, cilíndrico recto (a), cilíndrico roscado (b), cónico(c), cuadrado (d) y

triangular (e); se demostró que la cuadrada genera menos defectos [19] [22] [21].

2.3.2.2. Diámetro del pin

En la figura 2.10 se muestra el diámetro de pin (d) el cual es la parte que se sumerge en

el material base y realiza la agitación del material, por lo anterior, esto junto con su

geometría generan una alta influencia en el torque, calor generado, propiedades

mecánicas y por ende en la calidad de soldadura. Al incrementar el diámetro del pin se

incrementa el torque debido a que hay más interferencia entre la herramienta y el

material, su efecto en el torque es mayor a bajas frecuencias rotacionales [20].

19

2.3.2.3. Diámetro de hombro

En la figura 2.10 se muestra el diámetro del hombro (D), el cual es la superficie que tiende

a sumergirse solo unas décimas de milímetro en el material con el objetivo de mantener

el material de la ZAF en su posición y evitar formación de defectos como espacios con

faltante de material debajo de la ZAF o exceso de material desplazado. Estudios donde

se analiza su diámetro en función de la geometría del pin determina que para obtener

una soldadura de calidad, la relación entre el diámetro del hombro y el pin debe ser de

3 a 1 respectivamente [22]; asimismo se ha demostrado que diámetros mayores de

hombro en conjunto con altas frecuencias rotacionales disminuyen el torque de la

herramienta. De cualquier forma un incremento en el diámetro aumenta la influencia de

la frecuencia rotacional en el torque [20].

Figura 2.10. Herramienta rotacional y geometrías de pin del proceso SFA. Fuente: [22].

2.3.3. Aplicaciones

El proceso SFA se utiliza a escala industrial para producir uniones entre aleaciones de Al

para fines comerciales, así mismo, esta tecnología es factible a utilizarse en uniones de

materiales con aleaciones de Mg. Para aumentar el alcance de esta tecnología, existen

investigaciones [23] [24] [25] donde se han unido otro tipo de aleaciones metálicas, sólo

que sin el mismo éxito que con aleaciones de aluminio. Existen otro tipo de aplicaciones

como la SFA de punto, la cual es una variante donde no existe un avance de la

herramienta rotacional, este método es utilizado ya por algunas compañías para

reemplazar los remaches convencionales [23].

20

También se está explorando el uso del proceso SFA para la unión de metales disímiles,

compuestos de matriz metálicos, cerámicos, polímeros y recientemente investigado la

madera con plástico [23].

Como se mostró en el marco teórico, asimismo, existen otros factores del proceso como

lo es la geometría del pin de la herramienta rotacional, la frecuencia rotacional y la

velocidad de avance. Debido a la cantidad limitada de material, en este trabajo solo la

geometría del pin se controlará en forma cónica y cuadrada.

Se puede resumir hasta aquí, el Mg tiene una alta influencia en las aleaciones de Al para

modificar sus propiedades mecánicas; por ello el presente estudio utilizará muestras con

diferentes porcentajes para medir su efecto.

Con respecto a los parámetros de proceso, la revisión literaria indica que la velocidad

de avance, la frecuencia rotacional y el diseño de la herramienta en cuanto a

geometría y dimensiones son los parámetros de mayor influencia en las propiedades

mecánicas de este tipo de aleaciones.

21

DESARROLLO EXPERIMENTAL

3.1. DESARROLLO EXPERIMENTAL

El trabajo experimental se realizó en la Universidad Autónoma de Zacatecas, en el

laboratorio del Taller de Máquinas-Herramientas y usos Múltiples, utilizando los

laboratorios de control numérico, tratamiento térmicos y fundición.

La investigación tiene un enfoque cuantitativo y de alcance correlacional, donde se

busca determinar el efecto en las propiedades mecánicas que provoca la adición de

porcentaje de Mg en una aleación de A380, así como la geometría del pin.

El universo son las placas de 3mm que utilicen SFA como método de unión cuyo material

este conformado por aleaciones con contenido químico sea similar al del Al A380 con

alteraciones en su contenido de Mg en hasta un 10%.

El tipo de muestreo utilizado es aleatorio simple, donde se tomaron 3 muestras de cada

grupo y se realizaron las mediciones y análisis de sus propiedades mecánicas. Las

muestras son de un lote de material, el cual se utilizó para formar placas con el mismo

proceso de fundición y SFA.

Las variables dependientes analizadas son: el esfuerzo último, el porcentaje de

deformación y microdureza; mientras que las variables independientes son: el

porcentaje de contenido de Mg y la geometría del pin de la herramienta rotacional.

En la figura 3.1, se observa el diagrama de bloques del trabajo experimental, el cual

comprende las etapas de fundición, la SFA y la caracterización de las uniones soldadas

(análisis de composición química, microestructura y propiedades mecánicas).

22

Inicio

Fundición de 3 grupos de

aleaciones:

Temperatura del horno

Tiempo dentro del horno

Temperatura de molde

Material y equipo:

Al A380

Mg 99.98%

Horno eléctrico de crisol

Molde de las placas

Placas de

Aluminio

190x65x3 mm:

380

380-5%

380-10%

Ensayo de espectrometría

1. Reporte de

composición

química

Soldadura por Friccion y

Agitación:

Velocidad de giro

Velocidad de avance

Profundidad

Velocidad de inmersion

Geometría de pin

Material y equipo:

Fresadora CNC

Termometro

Pin conico

Pin cuadrado

Placas soldadas

con distinto pin:

380-CO

380-CU

380-5%-CO

380-5%-CU

380-10%-CO

380-10%-CU

Corte de placasMaterial y equipo:

Elecroerosionadora

Muestras con

longitud

calibrada

Muestras de 30

mm de longitud

Ensayo de

tracción

Material y equipo:

Maquina universal

7. Reporte de

propiedades

mecánicas:

Pulido y

encapsulado de

Muestras

Medicion de

Microdureza

Evaluación de la

macroestructura

Muestras

encapsuladas

Reporte de

microdureza

3. Reporte de

apariencia

superficial de la

unión

4. Reporte de

macrografía de

la sección

transversal

5. Reporte de análisis

de microestructura

Material y

equipo:

Durómetro

Material y

equipo:

Pulidora

Material y equipo:

Microscopio óptico

metalográfico

Microscopio

electrónico de

barrido

Espectrometría de

dispersión de

energía de rayos X

Corte de

muestras y

preparación

Muestra

preparada

para MEB

Evaluación de

microestructura,

fases y composición

química

Muestra con

volumen

controlado

Medición de

Densidad

2. Reporte de

densidad

Análisis y

discusión de

resultados

Conclusiones

Fin

6. Reporte de

temperatura

durante SFA

Material y

equipo:

Torno y Fresa

Material y

equipo:

Bascula

granataria

A

B

A

B

Figura 3.1. Diagrama de bloques del procedimiento experimental. Fuente: Elaboración

propia.

23

3.2. MATERIALES

En la primera etapa correspondiente al proceso de fundición, se utilizó aluminio A380

comercial y Mg comercial al 95% de pureza. En la figura 3.2, se muestran ambos

materiales.

Figura 3.2. Aleaciones utilizadas en experimento. Fuente: Elaboración propia.

Además, se utilizaron 8 juegos de placas de acero AISI / SAE 1020 de 254 mm x 63.5 mm

x 3.75 mm para la fabricación del molde, en el cual se obtuvieron las placas para realizar

las uniones mediante el proceso SFA.

En la segunda etapa se llevó a cabo el proceso SFA, en la cual se utilizó un acero AISI

1045 templado y revenido como herramienta rotatoria con un diámetro de 12.7 mm.

En la tercera y última etapa, para el análisis metalográfico se establecieron planos de

referencia y las muestras se encapsularon utilizando polvo termoplástico transparente

(lucita) para posteriormente desbastarlas gradualmente desde la utilización de lijas de

SiC (60, 80, 100, 120, 600, 1000 y 1200), hasta pulirlas con Al2O3 de 0.05μm, paño Dip-Floc

para 0.05 μm y finalmente se atacaron mediante ácido fluorhídrico (99.5% de agua

destilada y 0.5% de ácido fluorhídrico) con el fin de revelar la microestructura.

24

3.3. EQUIPO

3.3.1. Fundición

El Mg fue pesado en balanza digital marca Pioneer modelo Ohaus con capacidad

máxima de 210 g y mínima de 0.0001 g, como se exhibe en la figura 3.3.

Figura 3.3. Balanza. Fuente: Elaboración propia.

Para llevar a cabo el proceso de fundición del A380 se utilizó el horno eléctrico de

resistencia que se exhibe en la figura 3.4.

Figura 3.4. Horno de crisol. Fuente: Elaboración propia.

El análisis de la composición química del A380 se realizó por el método de espectrometría

de emisión de chispa con el equipo Q4 TASMAN, el cual se ilustra en la figura 3.5.

25

Figura 3.5. Espectrómetro de emisión óptica por chispa. Fuente: Elaboración propia.

3.3.2. Proceso de soldadura por fricción y agitación (SFA)

En el proceso de SFA se utilizó una fresadora vertical CNC, modelo XK7130A, marca GSK,

la cual se muestra en la figura 3.6.

Figura 3.6. Fresadora CNC, modelo XK7130A. Fuente: Elaboración propia.

La obtención de la temperatura durante el proceso de SFA “in-situ”, se empleó un

termopar tipo “K” y la tarjeta de adquisición de datos Omega modelo OMB-Net 6000

Series, como se ilustra en la figura 3.7.

26

Figura 3.7. Tarjeta y termopar Omega. Fuente: Elaboración propia.

3.3.3. Propiedades mecánicas y metalografía

Para realizar los cortes para la obtención de muestras para análisis metalográfico y los

ensayos de tensión se empleó una electroerosionadora marca Suzhou. La máquina se

muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8. Electroerosionadora. Fuente: Elaboración propia.

Los ensayos de tensión de las uniones obtenidas mediante el proceso SFA, se llevaron a

cabo en una máquina universal Shimadzu (AG-1) de 100 KN (ver figura 3.9a). Las pruebas

de microdureza se realizaron en el micro-durómetro marca Shimadzu que se muestra en

la figura 3.9b, con la escala de dureza Vickers (HV) mediante un penetrador de punta

de diamante en forma piramidal con una carga de 2.942 N.

27

Figura 3.9. a) Maquina Universal. b) Durómetro Shimadzu. Fuente: Elaboración propia.

El desbaste grueso, desbaste fino y pulido se efectuó en una pulidora marca Metkon,

modelo Forcipol 1, como muestra en la figura 3.10a. Posteriormente, se obtuvieron las

fotomicrografías en un microscopio óptico metalográfico (MOM) marca Union

Versament modelo III, como se muestra en la figura 3.10b.

Figura 3.10. a) Pulidora Metkon. b) Microscopio óptico metalográfico (MOM). Fuente:

Elaboración propia.

La figura 3.11, muestra el microscopio electrónico de barrido (MEB) marca JEOL, modelo

JSM-5900LVcon aditamento de espectrometría de dispersión de rayos X (EDS, energy

dispersive X-ray spectrometer) de la marca Oxford Instruments modelo 7274, equipo

donde se analizó la microestructura de la uniones.

a) b)

a) b)

28

Figura 3.11. Microscopio electrónico de barrido (MEB). Fuente: Elaboración propia.

3.3.4. Herramientas o métodos computacionales

Los estudios estadísticos de los resultados obtenidos se realizaron con el software Minitab®

18.

3.4. PROCEDIMIENTO ANALÍTICO DE LOS DATOS

3.4.1. Fundición

En la primera etapa se realizó el proceso de fundición y los cálculos pertinentes para

obtener la aleación deseada. Se utilizó el material base A380 y se fundió junto con

lingotes de Mg el cual tenía una pureza de 95% de acuerdo con proveedor.

Para calcular el peso necesario, se utilizó la ecuación 1, en donde la variable

dependiente es el peso inicial en gramos (g) del material (Mg) con una concentración

29

del 95% de Mg que se requiere para fundir en el lingote de A380 para llegar a la

concentración deseada:

𝑃𝑒𝑠𝑜𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =(𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑀𝑔𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙) ∗ (𝑃𝑒𝑠𝑜𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙)

(𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑀𝑔𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)

Ecuación 1

El cálculo utilizado para obtener la masa del compuesto al 5% de Mg se muestra en la

ecuación 2, en que el peso del material A380-5% Mg a conseguir fue de 472 g y el

resultado de Mg a 95% pureza requerido fue de 24.84 g.

𝑃𝑒𝑠𝑜95%𝑀𝑔→5% 𝑀𝑔 =(0.05) ∗ (472 𝑔)

0.95

𝑃𝑒𝑠𝑜95%𝑀𝑔→5% 𝑀𝑔 = 24.84 𝑔

Ecuación 2

El cálculo utilizado para obtener la masa del compuesto al 10% de Mg se muestra en la

ecuación 3, en que el peso del material A380-10% Mg a conseguir fue de 440 g y el

resultado del Mg a 95% pureza requerido fue de 46.31 g.

𝑃𝑒𝑠𝑜95%𝑀𝑔 →10% 𝑀𝑔 =(0.1) ∗ (440 𝑔)

0.95

𝑃𝑒𝑠𝑜95% 𝑀𝑔→10% 𝑀𝑔 = 46.31𝑔

Ecuación 3

Se procedió a la fabricación de 2 moldes, cada uno con 3 cavidades para cada placa,

ensamblado con 4 placas separadas entre sí mediante placas de mismo ancho de 12.7

mm, sujetadas en los extremos mediante juntas atornilladas; en seguida, se utilizaron 4

placas del mismo espesor cortadas y soldadas en un ángulo de 90° para fabricar el canal

de alimentación del metal fundido hacia las cavidades del molde.

El siguiente paso fue el proceso de fundición de los metales, los materiales con sus peso

controlados se colocaron en el horno de crisol a una temperatura de 770°C; debido a

que las aleaciones tienden a solidificarse rápidamente por sus propiedades térmicas,

también se colocó el molde donde se vacía el metal a una temperatura de 450°C en

otro horno de crisol, en la figura 3.12 se muestra el molde donde se vació el metal fundido

para formar las placas.

30

Figura 3.12. Molde para placas de Aluminio. Fuente: Elaboración propia.

Se fundieron un total de 6 pares de placas, donde cada par constituye un grupo del

experimento de cada vaciada, el cual se especifica en la tabla 3.2. Estas placas tienen

una dimensión de 190 mmx 65 mm x 3 mm, como se ilustra en la figura 3.13, cada sección

de las placas se identificó como A (normal al molde), L (longitudinal al molde) y T

(transversal al molde).

Figura 3.13. Representación gráfica de la geometría de las placas y las secciones de

referencia. Fuente: Elaboración propia.

Sección A

Sección L

Sección T

31

Una vez realizada la fundición de las placas se procedió a determinar la composición

química mediante la técnica de espectrometría de emisión de chispa.

Para la obtención de la densidad correspondiente al A380 resulta en 2.71gr/cm3 de

acuerdo con la literatura [11], para la densidad de la aleación A380 %5 Mg se utilizaron

las dimensiones de 2.69 x 0.97 x 0.31cm de una placa y para la aleación A380 10%Mg

de1.67 x 0.27 x 0.28cm.

Con las dimensiones se obtuvo el volumen y se ejecutó el pesaje en la balanza analítica,

resultando pesos de 2.0148 y 1.4268 gr, respectivamente para cada aleación.

Finalmente se utilizó la ecuación 4 para obtener la densidad:

𝜌 =𝑚

𝑉

Ecuación 4

Donde ρ es la densidad (gr/cm3), m es la masa (gr) y V es el volumen (cm3).

3.4.2. Proceso de SFA

Un elemento fundamental del proceso de SFA, es la herramienta rotacional, la cual

puede tener distintos tipos de geometría; para el presente estudio, se definió utilizar la

geometría de pin cuadrado debido a la revisión del marco teórico, donde se

encontraron estudios de comparación entre distintas geometrías en una aleación de

aluminio y cuya conclusión fue que la geometría cuadrada obtuvo la menor cantidad

de defectos [19] [22] [21], además, se decidió incorporar el pin cónico para evaluar el

efecto en la temperatura del proceso de SFA. Las herramientas se ilustran en la figura

3.14, las cuales se maquinaron en una fresadora CNC como lo muestra la figura 3.15, y

en la tabla 3.1 se especifican las dimensiones de la herramienta rotacional.

32

Tabla 3.1. Geometría y dimensiones de herramienta rotacional. Fuente: Elaboración

propia.

a b c d

Sección

Transversal

Diámetro

Hombro (mm)

Diámetro

mayor del pin

(mm)

Diámetro

menor del pin

(mm)

Profundidad

del pin (mm)

Cuadrado (CU) 12 2.8 N/A 2.8

Cónico (CO) 12 4 2 2.8

Figura 3.14. Geometrías de herramienta rotacional. Fuente: Elaboración propia.

Figura 3.15. Fresado del pin cuadrado. Fuente: Elaboración propia.

Una vez que se obtuvo la herramienta rotacional, se llevó a cabo el proceso de SFA

como se muestra en la figura 3.15. Se acondicionaron las placas a la geometría

especificada y se definieron 6 grupos de acuerdo con las variables independientes a

a

b

c

d

a

b

d

Pin Cuadrado (CU) Pin Cónico (CO)

33

analizar, identificándolos como se indica en la tabla 3.2, donde el sufijo CO se refiere a

cónico, CU se refiere a cuadrado, 5 y 10% al porcentaje de contenido de Mg.

Tabla 3.2. Identificación de cada grupo del experimento. Fuente: Elaboración propia.

Número Identificación del

grupo Contenido de Mg Geometría del Pin

1 380-CO 0.132% ≈ 0% Cónico

2 380-CU 0.132% ≈ 0% Cuadrado

3 380-5%-CO 4.905% ≈ 5% Cónico

4 380-5%-CU 4.905% ≈ 5% Cuadrado

5 380-10%-CO 9.904% ≈ 10% Cónico

6 380-10%-CU 9.904% ≈ 10% Cuadrado

En el epígrafe 2.3.1. se mencionaron los parámetros del proceso críticos para el proceso

de SFA y cómo interactúan con la calidad de soldadura, esfuerzo a la tensión y otras

características; adicional a esto, se encontraron otras referencias con procesos de SFA

de otras investigaciones [26] [27], donde se probaron distintas magnitudes de avance,

frecuencia rotacional, profundidad y velocidad de inmersión para determinar los

parámetros óptimos de un aluminio A6061-T6, por lo que se definieron las magnitudes de

la tabla 3.3 para realizar los 6 pares de placas, el único parámetro que se afectó por las

limitaciones de la máquina fresadora fue la frecuencia rotacional.

Tabla 3.3. Tabla de parámetros de proceso. Fuente: Elaboración propia.

El par de placas de cada grupo se colocaban en paralelo con su sección L a tope, y en

la parte central de su longitud, se colocó el termopar tipo “K” para obtener el perfil de

Parámetro de Proceso Valor Unidad de medida

Frecuencia rotacional 1854 rpm

Velocidad de avance 20 mm/min

Profundidad de inmersión del hombro 0.15 mm

Velocidad de inmersión 4 mm/min

34

temperatura (Temperatura vs. Tiempo) que alcanza durante el proceso de SFA, en la

figura 3.16a la fecha A muestra una pieza unida mediante el proceso SFA y la posición

del termopar.

Ambas placas se sujetaron con un sistema de 4 mordazas como lo muestra la figura

3.16b. En cada grupo se unieron dos placas del mismo espesor, longitud y material

mediante el proceso SFA.

Figura 3.16. Proceso SFA aplicado entre las dos placas a tope del aluminio A380.

Fuente: Elaboración propia.

Una vez unidas las placas mediante el proceso SFA, se seccionaron las placas de cada

uno de los 6 grupos mediante el proceso de electroerosionado, y se obtuvieron de cada

unión dos grupos de muestras.

3.4.3. Metalografía y propiedades mecánicas

Se tomaron dos grupos de muestras como se muestra en la figura 3.17, en el cual se

cortaron placas de 30mm de longitud de las secciones T y L, ambos cortes se

encapsularon con polvo termoplástico transparente, posterior al endurecimiento se

realizó el pulido de las muestras desde los grados de lija 60 hasta 1200 μm y el paño Dip-

Floc, por último, se realizó el ataque químico con ácido fluorhídrico para revelar la

microestructura. Las muestras atacadas fueron examinadas en el MOM.

A

a) b)

35

Figura 3.17. Muestras encapsuladas. Fuente: Elaboración propia.

A este mismo grupo de muestras se les realizó la medición de microdureza con durómetro

utilizando un paso de 200µ y una carga de 100 gr/seg, esta se midió de la Zona del Centro

del Cordón (ZCC) hasta 8mm de cada placa, es decir, pasando por la ZAF. En la figura

3.18, la línea punteada representa la trayectoria por la que se realizaron las mediciones.

Figura 3.18. Zona de medición de microdureza. Fuente: Elaboración propia.

RS AS ZCC

36

La figura 3.19 ilustra el portaobjetos que se fabricó para poder observar las muestras en

el MEB, el cual tiene 120mm de diámetro y 10 mm de altura y con una ranura al centro

para colocar las muestras unidas mediante el proceso SFA. Solamente se analizaron las

muestras del grupo de geometría cónica a los tres niveles de Mg (A380-CO, A380-5%-CO

y A380-10%-CO) y el corte se realizó de tal forma que se apreciara el material base y la

ZAF.

Figura 3.19. Porta objetos para MEB con muestras. Fuente: Elaboración propia.

Las muestras se analizaron en el MEB y con la técnica de EDS, en los cuales se

identificaron las principales fases y se obtuvieron los principales elementos químicos.

El otro grupo de muestras constituido de 3 probetas de tensión con una longitud

calibrada de acuerdo con la norma ASTM A370 (21) se ensayaron en la máquina

universal Shimadzu como se muestra en la figura 3.20.

Figura 3.20. Ensayos de tensión de las 18 muestras. Fuente: Elaboración propia.

37

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

4.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA

Los resultados obtenidos experimentalmente se muestran en la tabla 4.1, en la que se

puede observar que los contenidos de Al, Si y Mg de la muestra de A380 se encuentran

dentro del rango de la literatura de acuerdo a la tabla 2.2.

Por otra parte, los resultados muestran como el porcentaje de Mg aumenta de 0.132%

(Grupo A380) a 4.905% (Grupo A380-5%Mg) y hasta un 9.904% (Grupo A380-10%Mg), por

lo que se confirma que los cálculos utilizados fueron adecuados.

Tabla 4.1. Composición química de las aleaciones utilizadas. Fuente: Elaboración

propia.

Composición Química (wt %)

Aleación Si Fe Cu Mn Mg Zn Al Cr

A380 9.601 0.906 1.881 0.157 0.132 1.230 85.86 0.035

A380 5% Mg 9.688 1.220 1.523 0.145 4.905 1.237 81.09 0.029

A380 10% Mg 10.220 0.777 1.406 0.155 9.904 1.008 76.23 0.041

Se observa además, que el contenido del Fe es mayor en el grupo del 5% Mg, se

considera que este incremento puede atribuirse a que la aleación haya absorbido Fe

durante su fase líquida, ya que el Al líquido es capaz de disolver el hierro del herramental

sin protección y equipos de hornos con un tiempo de exposición prolongado, los niveles

de Fe pueden alcanzar el 2% a temperaturas de fusión alrededor de 700°C, esto debido

a que el punto eutéctico entre una aleación Al-Fe existe a una temperatura de 655°C

con una concentración de 1.7% Fe [28].

38

4.2. DENSIDAD

Se determinó experimentalmente la densidad del material A380 en cada grupo con

distinto contenido de Mg, los resultados se muestran en la tabla 4.2, en la que se confirma

que la adición del Mg es inversamente proporcional a la densidad de la aleación,

debido a la densidad menor que tiene el Mg (1.74 g/cm3) con respecto del Al (2.7 g/cm3)

[29].

En la figura 4.1, se muestra la gráfica donde se aprecia las densidades de los grupos, es

evidente una disminución de la densidad con el aumento del Mg. Es relevante señalar

que en el caso de los grupos al 5 y 10% de Mg, la densidad se obtuvo de muestras

experimentales con un alto índice de porosidad observado en la figura 4.3, lo cual

aporta valores de baja densidad.

Cabe destacar que existen diversos estudios, donde se pretende llevar las aleaciones de

Al hasta su mínima densidad, por lo que no sólo se opta por aumentar el Mg sino otros

elementos; estudios recientes [30] utilizan el Litio (0.53 g/cm3) como elemento para

reducir la densidad sin disminuir sus propiedades mecánicas, en este caso se agregó 1%

de Li y 5% de Mg a la misma aleación A380, obteniendo una densidad de 2.42 g/cm3,

muy similar a la alcanzada en la presente tesis con un 10% de Mg.

Tabla 4.2. Densidad de Aleaciones Al-Mg-Si. Fuente: Elaboración propia.

Grupo de Aleación

Al

(% en peso)

Mg

(% en peso)

Densidad Aleación

(gr/cm3)

A380 85.89 0.132 2.71

A380+5%Mg 81.09 4.905 2.49

A380+10%Mg 75.09 9.904 2.4

39

Figura 4.1. Densidad respecto al porcentaje añadido de Mg. Fuente: Elaboración

propia.

4.3. APARIENCIA SUPERFICIAL Y TRANSVERSAL DE LAS UNIONES OBTENIDAS

MEDIANTE EL PROCESO SFA.

A través de las macrografías se realizó un análisis descriptivo de cada uno de los 6 grupos,

mediante imágenes desde una vista superficial e imágenes que muestran la sección

transversal del cordón de soldadura, descritos a continuación.

4.3.1. Apariencia superficial

A continuación, se describen las características de cada uno de los 6 grupos unidos

mediante SFA, utilizando la nomenclatura especificada en la tabla 3.2.

a) 380-CO: En la figura 4.2a, se ilustra la unión soldada con un excesivo

desplazamiento de material en ambas placas, en la placa superior dicho

exceso presenta una forma asimétrica indicado por la flecha “A”, el ancho

tiende a aumentar conforme avanza la herramienta en sentido de la dirección

de la soldadura; este exceso de material se forma por encima del plano del

cordón formando una capa señalada por la flecha “B”, la sección transversal

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

A380 A380+5%Mg A380+10%Mg A380+5%Mg+1%Li[30]

Den

sid

ad (

g/cm

3)

Aleación

Densidad de Aleación vs Porcentaje de Mg

40

del exceso se muestra en la flecha “C” de la figura 4.3a, este efecto podría ser

causado por una diferencia en el espesor de la placa superior.

b) 380-CU: En la figura 4.2b, se observa a 15 mm del extremo exceso de material.

La flecha “E” muestra la huella o marca que deja el pin en las placas al

extremo de salida de la soldadura, lo cual es característico en todas las

uniones.

c) 380-5%-CO: En la figura 4.2c, se observa en la placa inferior a una distancia

de 20 mm del extremo inicial de la soldadura una disminución del ancho del

material desplazado.

d) 380-5%-CU: En la figura 4.2d, se observa que en los primeros 10 mm de la

soldadura discontinuidad de material, la cual se señala con la flecha “D”.

e) 30-10%-CO: En la figura 4.2e, se observa que la placa inferior tiene exceso de

material a lo largo de toda la trayectoria de la soldadura, mientras que en la

placa superior sólo en los últimos 50mm.

f) 30-10%-CU: En la figura 4.2f, en ambas placas de la unión presentan exceso

de material, el cual tiende a aumentar el ancho entre los 40mm y 70mm

posteriores al inicio de la penetración del pin.

a) b) A

B

Dirección de soldadura

E

380-CO 380-CU

41

Figura 4.2. Uniones por el proceso de SFA: a) 380-CO, b) 380-CU, c) 380-5%-CO, d) 380-

5%-CU, e) 380-10%-CO, f) 380-10%-CU. Fuente: Elaboración propia.

4.3.2. Apariencia transversal

En este epígrafe se describe la apariencia superficial de cada sección transversal de las

uniones soldadas mediante el proceso SFA, utilizando la nomenclatura especificada en

la tabla 3.2.

a) 380-CO: En la figura 4.3a, la flecha “C” muestra como el exceso de material

se desplaza hacia la parte superior del plano de acuerdo a la trayectoria de

la herramienta rotacional, este efecto puede ser causado por un exceso de

inmersión de la herramienta.

c) d)

D

e) f)

380-5%-CO 380-5%-CU

380-10%-CO 380-10%-CU

42

b) 380-CU: En la figura 4.3b, parte central, justo por debajo de la ZAF se puede

exhibir falta de material con una longitud de 0.8mm, su profundidad es mínima

ya que se puede observaren la parte inferior una zona con falta de agitación.

c) 380-5%-CO: En la figura 4.3c, la muestra presenta alrededor de 16

discontinuidades de material con distintas geometrías y localizadas de

manera dispersa indicados por la flecha “F”, esto puede ser debido a que el

grano de la aleación A380-5%Mg sea mayor a comparación de las otras

muestras y/o a que algunos gases se hayan quedado atrapados en el material

durante el proceso de fundición. Estos faltantes de material pueden disminuir

significativamente la resistencia a la tensión del material debido a que se

crean áreas de sección transversal menores.

d) 380-5%-CU: En la figura 4.3d, se presentan alrededor de 10 discontinuidades

de material con misma longitud, todos concentrados en la placa izquierda;

Además se observa un espacio justo por debajo de la ZA indicado por la

flecha “G”, el área del espacio es mayor en la placa derecha debido al

sentido de rotación de la herramienta.

e) 30-10%-CO: En la figura 4.3e, se observa discontinuidades de material con un

diámetro aproximado de 0.1mm a lo largo del material base, en esta muestra

hay un exceso de material en la parte superior, indicado por la flecha “H”; y el

mismo espacio por debajo de la ZA ya mencionado.

f) 30-10%-CU: En la figura 4.3f, se ilustra el mismo caso que su pareja en

contenido, sólo que sin excedente de material en la parte superior.

a) 380-CO

C

43

b) 380-CU

c) 380-5%-CO

F

d) 380-5%-CU

G

44

Figura 4.3. Apariencia superficial de la sección transversal de las uniones soldadas

obtenidas mediante el proceso de SFA: a) 380-CO, b) 380-CU, c) 380-5%-CO, d) 380-5%-

CU, e) 380-10%-CO, f) 380-10%-CU. Fuente: Elaboración propia.

4.4. ANÁLISIS MACROESTRUCTURAL Y MICROESTRUCTURAL DE LAS UNIONES

SOLDADAS MEDIANTE EL PROCESO SFA

El análisis macroestructural y microestructural se enfocó a los grupos con diferentes

contenidos de Mg y geometría del pin, debido a que este es el objetivo general de este

trabajo.

e) 380-10%-CO

H

380-10%-CU f)

45

4.4.1. Análisis macroestructural

Los análisis que se presentan en este epígrafe muestran imágenes obtenidas con el MOM

y MEB, cada una contiene una etiqueta en la parte superior derecha, la cual presenta

la siguiente nomenclatura:

En la figura 4.4, se aprecia el grupo de macrografías de las secciones transversales de las

aleaciones con base de A380, en las que la zona del centro del cordón (ZCC) se ve

homogénea y al igual que el metal base, no se observan patrones que presenten

porosidad, a excepción sólo en el grupo de la figura 4.4b se presenta una discontinuidad

de material en la parte inferior de la ZAF señalada con la flecha “A”.

Figura 4.4. Macrografía de grupo A380 con: a) pin cónico y b) pin cuadrado. Fuente:

Elaboración propia.

380-MB-ZA-1000X

1 2 3 4

1) Contenido de Mg:

380

380-5%

380-10%

2) Zona de sección

transversal:

ZA - Zona de

Agitación

MB - Material base

3) Ataque (Si

aplica):

AQ - Ataque

químico

4) Ampliación

de imagen:

1000X

250X

200X

A

1mm

1mm

380-CU b)

380-CO a)

46

Las macrografías que se ilustran en la figura 4.5 corresponden al metal base que

contiene 5%Mg, en la que se aprecian excesivas porosidades, no solo por debajo de la

ZAF, sino que también en el metal base, el cual no sufrió ninguna agitación termo-

mecánica durante el proceso de SFA, por lo que la excesiva porosidad fue debido

proceso de fundición. Otra observación relevante, es que en la ZAF se ve claramente

homogeneidad del material, lo cual se debe a la agitación que sufre el material.

Figura 4.5. Macrografía de grupo A380 y 5% de Mg con pin cónico (a) y pin cuadrado

(b). Fuente: Elaboración propia.

Por último, se tiene el grupo con 10% de Mg, las imágenes tienen tonalidades distintas

con respecto a los otros dos grupos, porque se utilizó otro tipo de filtro.

En la figura 4.6 se puede apreciar que el material base no es homogéneo y que existen

zonas con granos de mayor brillo, estos pueden ser atribuidos debido al alto contenido

de Mg, en general se observan porosidades, pero en menor cantidad que los grupos al

5% de Mg.

380-5%-CO a)

380-5%-CU b)

1mm

1mm

47

Figura 4.6. Macrografía de grupo A380 y 10% de Mg con pin cónico (a) y pin cuadrado

(b). Fuente: Elaboración propia.

Para los análisis microestructurales, se decidió analizar solamente los grupos que se

unieron con el pin de geometría cónico, debido a las limitaciones del tiempo de uso del

MEB y a que en las micrografías con el MOM se observaron microestructuras similares

entre ambas geometrías de pin, esto debido posiblemente a que el pin cuadrado se

comportaba como pin cónico al adherírsele material en sus caras durante el proceso de

SFA. Estos análisis se describen en los próximos apartados.

4.4.2. Análisis microestructural de las uniones con A380

En la figura 4.7, se muestra la micrografía del grupo A380, en la cual se observa en el

metal base la matriz de Al, el eutéctico Si con partículas dispersas con forma acicular

señaladas con la flecha “A” a lo ancho de la matriz del Al. Por otra parte, también se ve

claramente la ZAF donde las partículas aciculares desaparecen y el material es

homogéneo. Esta transición se señala con la flecha “B” y además se observa otra fase

de Al5FeSi de color gris, identificada mediante EDS.

380-10%-CO a)

380-10%-CU b)

1mm

1mm

48

Figura 4.7. Micrografía del grupo A380. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 4.8, se observa en el inciso a) y c) el eutéctico del Si del grupo A380 y en el

inciso d), mediante la flecha “C”, se señala la aguja de Si de forma más clara, el cual es

una imagen a 1000X en una zona que fue atacada químicamente, donde la aguja

resistió al ataque químico y junto a ella está adherida la fase de Al2Cu; todas las fases se

fracturaron a pequeñas partículas al pasar por la ZAF como lo ilustra el inciso a), donde

se observa la transición a la ZA y en el inciso b), donde a pesar de estar a 1000X, no se

observa ninguna fase con forma acicular en la ZA.

B

a) b) 380-MB 380-ZA A

49

Figura 4.8. Micrografías MEB+EDS de A380. Fuente: Elaboración propia.

El estudio mediante EDS, permitió identificar los elementos químicos de algunas de las

fases. En la figura 4.9, se ilustra la imagen completa en donde se analizaron las fases y su

número asignado, entre ellas está la fase que se adhiere a las agujas (3), fases poco

visibles (2) y fases de color gris claro que su contorno no está bien definido (1). Las

referidas fases se describen a continuación:

Figura 4.9. Micrografía para EDS del A380. Fuente: Elaboración propia.

a) 380-ZA-250X b) 380-ZA-1000X

c) 380-MB-200X d) 380-MB-AQ-1000X

2 1

3

c

50

1. Fase constituida por Hierro (Fe) y Cobre (Cu). En la figura 4.10, se muestra una de

las fases observadas en el A380,cabe señalar que el EDS tiene diferentes tipos de

reportes, dos de ellos fueron utilizados para realizar los análisis de este estudio, el

que se presenta en esta figura es el reporte de tipo mapeo, donde la imagen a

analizar se segmenta en distintas imágenes que representa cada elemento

químico y en donde el contraste que muestra cada imagen indica la presencia

de dicho elemento, por lo que en esta imagen se muestra que la matriz es de Al,

la fase a observar de Fe y zonas más brillantes, de Cu.

Figura 4.10. EDS de fase de Fe y Cu en A380. Fuente: Elaboración propia.

2. Fase constituida de Si. La figura 4.11 muestra la fase formada por Al y Si, en este

caso, el reporte es lineal, es decir, se traza una línea recta a lo largo de la imagen

y se generan distintos gráficos que muestran la frecuencia de cada elemento a

lo largo de esa línea recta.

1

Fe

Cu

Al

51

Figura 4.11. EDS de fase de Si en A380. Fuente: Elaboración propia.

3. Fase de Al y Cu, es la que se presenta frecuentemente adherida a las agujas de

Si. Los resultados de EDS son mostrados en la figura 4.12.

Figura 4.12. EDS de fase de Al y Cu en A380. Fuente: Elaboración propia.

4.4.3. Análisis microestructural de las uniones A380-5% Mg

En la figura 4.13 se ilustran los grupos con 5% de Mg, aquí la microestructura es distinta a

la del grupo del A380. Las fases de Si aciculares desaparecen y en cambio se ven otro

tipo de compuestos con formas irregulares que se indican con la flecha “A”, las cuales

tienen forma similar a la morfología tipo escritura china y se presentan en diferentes

tonalidades.

2

3

52

Figura 4.13. Micrografía de grupo A380-5% de Mg. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 4.14, en el inciso a), c) y d), se muestran imágenes a un acercamiento de

hasta 300X con el MEB, donde se observan de forma más clara las fases con morfología

de escritura china, además de otras fases adicionales con forma similar a la dendrítica.

Como sucedió en el A380, todas las distintas fases se fracturaron al pasar por la ZA como

se exhibe en el inciso b).

A

a) b) 380-5%-MB 380-5%-ZA

53

Figura 4.14. Micrografías MEB+EDS de A380+5% Mg. Fuente: Elaboración propia.

En este caso, el EDS se utilizó para analizar la fase que se presenta en forma de escritura

china (4), la fase que tiende a tener forma dendrítica (6) y fases de forma irregular (5),

todos estos mostrados las cuales se pueden observar en la figura 4.15.

Figura 4.15. Micrografías MEB+EDS de A380+5% Mg. Fuente: Elaboración propia.

a) 380-5%-ZA-250X b) 380-5%-ZA-1000X

c) 380-5%-MB-200X d) 380-5%-MB-300X

4 5

6

54

4. La figura 4.16, muestra la fase de Mg y Si con forma de escritura china, los

resultados de EDS donde se confirma la presencia de estos dos elementos,

predominando el Mg.

Figura 4.16. EDS de la fase de Mg y Si en A380-5% Mg. Fuente: Elaboración propia.

5. Fase de Al. en este caso, el EDS proporciona un resultado que podría ser impreciso,

ya que se encontró Al significativamente por encima de todos los demás

elementos, sin embargo, debería ser un compuesto diferente a la matriz de ya

que presentan una tonalidad distinta. Se debe tener en cuenta que la técnica de

EDS es cualitativa, además de que la composición medida es normalizada la zona

medida. La figura 4.17 muestra estos resultados.

Figura 4.17. EDS de fase de Al en A380-5% Mg. Fuente: Elaboración propia.

4

5

55

6. Fase de Mg y Si. La figura 4.18, muestra el análisis EDS de una de las fases en gris

oscuro que presentan formas similares a las dendríticas, en esta ocasión, el Mg

predomina.

Figura 4.18. EDS de fase de Mg en A380-5% Mg. Fuente: Elaboración propia.

4.4.4. Análisis microestructural de las uniones A380-10% Mg

El último grupo de 10% de Mg, ilustrados en la figura 4.19, la flecha “A” señala partículas

de un tamaño aproximado de 70 µm, las cuales no se observan en ninguno de los grupos

anteriores, además se confirmó con el EDS que estas partículas se constituyen de Mg. La

flecha “F” indica que las fases observadas en la aleación al 5% Mg se conservan,

mientras que la flecha “G” señala la ZA y su homogenización.

6

56

Figura 4.19. Micrografía de grupo A380-10% de Mg. Fuente: Elaboración propia.

Las micrografías del MEB de la aleación al 10% Mg se exhiben en la figura 4.20, como en

anteriores casos, los incisos a), c) y d) muestran las fases del metal base, las cuales son

similares a las observadas al 5% Mg, con la diferencia de que en esta aleación se

presenta una gran cantidad de fases con forma poligonal, mostradas de forma más

clara en el inciso d). Como es de esperarse, todas las distintas fases se pulverizan al pasar

por la ZAF como lo ilustra el inciso b).

A

a) b) 380-10%-MB 380-10%-ZA

F G

57

Figura 4.20. Micrografías MEB+EDS de A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 4.21, se observan en la ZAF las nuevas fases (7) y (8) que fueron analizadas

mediante EDS, las cuales se describen a continuación:

Figura 4.21. Micrografía para EDS de A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia.

7. En esta zona es difícil encontrar fases con el reporte de mapeo, debido al tamaño

de las partículas, sin embargo, los resultados arrojan que en su mayoría hay

a) 380-10%-ZA-250X b) 380-10%-ZA-1000X

c) 380-10%-MB-200X d) 380-10%-MB-1000X

7

8

58

contenido de Al, Si y Mg como es de esperarse en esta aleación, los resultados se

presentan en la figura 4.22.

Figura 4.22. EDS de ZA en A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia

8. Fase de Mg. Se realizó EDS lineal a la fase que se presentó en gran cantidad y con

forma poligonal de esta aleación de Mg, esto indica que el Mg a alta

concentración no logró diluirse completamente, quedando partículas dispersas

dentro de la matriz del Al. Los resultados se muestran en la Figura 4.23.

Figura 4.23. EDS de fase de Mg en A380-10% Mg. Fuente: Elaboración propia.

7

8

59

4.5. TEMPERATURA DURANTE EL PROCESO DE SFA

En la figura 4.24, se muestran los perfiles de temperatura de cada grupo unido mediante

el proceso SFA, la temperatura máxima de todas las muestras fue de 365°C, alcanzada

en los grupos 380-CO y 380-10%-CO. De acuerdo con el diagrama ternario presentado

en el epígrafe 2.2.4. , se identificó que el punto de fusión teórico de una aleación Al-Si-

Mg con porcentajes equivalentes a los del experimento realizado, la temperatura de

fusión menor en cualquiera de las 3 aleaciones analizadas es de 577°C [15], por lo que

el proceso de SFA no se requiere alcanzar el punto de fusión de la aleación para realizar

la unión. Así mismo, se obtuvo el punto de solidificación teórico de 560°C, por lo que se

infiere que durante el proceso de SFA no se llegó a obtener ninguna fase con elementos

líquidos.

De acuerdo con los resultados, la temperatura observada durante el proceso de SFA de

los seis grupos indica que con el pin de geometría cónica se alcanza una temperatura

alrededor de 50°C mayor a comparación del pin de geometría cuadrado, esta

diferencia en temperaturas, se atribuye a que existe mayor fricción del pin cónico con

respecto al cuadrado debido al diámetro mayor superior que presenta el primero,

aunque, se observó que al finalizar cada unión mediante SFA, el pin cuadrado

presentaba una geometría cilíndrica después del proceso, debido a la presencia de

material adherido a sus caras, generando una geometría tipo cónica.

60

Figura 4.24. Perfil de temperatura durante proceso de SFA con geometría del pin

cónico y cuadrado. Fuente: Elaboración propia.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tiempo (seg)

Temperatura SFA - Pin Cónico

380-CO 380-5%-CO 380-10%-CO

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tiempo (seg)

Temperatura SFA - Pin Cuadrado

380-CU 380-5%-CU 380-10%-CU

61

4.6. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS UNIONES OBTENIDAS MEDIANTE EL

PROCESO SFA

4.6.1. Microdureza

Los resultados de la microdureza de los 6 grupos del experimento se separaron en dos

gráficas, una para cada tipo de geometría del pin y cada una contiene el perfil a distinto

porcentaje del contenido de Mg. En la figura 4.25, cada grafica representa una de las

geometrías de pin y dentro de ellas, cada serie representa los 3 grupos con distinto

contenido de Mg, no se logra identificar algún patrón relacionado al giro de la

herramienta, solamente se identifica una diferencia aparente en variación entre pin

cónico y cuadrado, especialmente en la ZCC donde el pin cónico. De acuerdo a la

literatura [31], el punto con menor microdureza se encuentra entre la ZAT y ZATM, el cual

es alrededor de los +/- 2mm, mientras que la mayor microdureza está en el material base,

posterior a los 3mm, sin embargo, en estas graficas no se observa el mismo

comportamiento, lo anterior puede ser debido a los espacios discontinuos de material

revisados en la figura 4.3, ya que los grupos con 5 y 10% de Mg presentan la mayor

variación con picos desde 40 hasta 220 HV.

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Mic

rod

ure

za(H

V)

Distancia (mm)

Pin cónico (CO)

380-CO 380-5%-CO 380-10%-CO

ZCCRS AS

a)

62

Figura 4.25. a) Microdureza HV vs. Geometría de pin cónico, b) Microdureza HV vs.

Geometría de pin cuadrado. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 4.26a se muestra el resultado de una prueba t de student, donde se

comparan las medias de todo el rango de microdureza para cada geometría de pin, la

hipótesis nula (H0) es que las medias son iguales a un nivel de confianza α=0.05, se tiene

como resultado una probabilidad P=0.280, por lo que no hay evidencia suficiente para

rechazar H0, así que se infiere que las medias son estadísticamente iguales, para efectos

prácticos, no hay diferencia en la media de microdureza debido a la geometría de pin.

Por otra parte, la figura 4.26b, muestra la prueba de Bonnet donde se comparan las

desviaciones estándar de cada geometría de pin, la hipótesis nula (H0) es que las

desviaciones estándar son iguales a un nivel de confianza α=0.05, se tiene como

resultado una probabilidad P=0.709, por lo que no hay evidencia suficiente para

rechazar H0, se infiere que las desviaciones estándar son estadísticamente iguales, por lo

que no hay diferencia en variación de microdureza debido a la geometría de pin.

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Mic

rod

ure

za(H

V)

Distancia (mm)

Pin cuadrado (CU)

380-CU 380-5%-CU 380-10%-CU

ASRS ZCC

b)

63

Figura 4.26. a) Prueba t de medias. b) Desviación estándar de la microdureza respecto

a la geometría cónica y cuadrada del pin. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 4.27a se muestra el resultado de un análisis de la varianza de un factor donde

se comparan las medias de todo el rango de microdureza en cada grupo de distinto

contenido de Mg, la hipótesis nula H0 es que las medias son iguales a un nivel de

confianza α=0.05, se tiene como resultado una probabilidad P=0.157, por lo que no hay

evidencia suficiente para rechazar H0, es decir, las medias son iguales y no hay diferencia

debido al porcentaje de Mg agregado. En la figura 4.27b se presenta el resultado de la

prueba de comparación múltiple (CM) donde se comparan las desviaciones estándar

de cada grupo con distinto contenido de Mg, la hipótesis nula H0 es que las desviaciones

estándar son iguales a un nivel de confianza α=0.05, se tiene como resultado una

probabilidad P<0.001 por lo que hay evidencia estadística suficiente para rechazar H0,

a

b

64

es decir, el grupo del A380 contiene menor variación de microdureza que los otros grupos

con adición de Mg.

Figura 4.27. a) Análisis de varianza (ANOVA) de un factor. b) Prueba de desviación

estándar de la microdureza respecto al contenido de Mg. Fuente: Elaboración propia.

Por lo anterior, a pesar de que la estadística descriptiva indica sugiere que la geometría

del pin modifica la variación (desviación estándar) de la microdureza, el único factor

que estadísticamente influyó es el contenido de Mg, dónde el grupo de A380 es menor

a los otros 2 grupos, esto puede deberse a los resultados ya revisados en las macrografías,

donde las muestras con contenido de Mg del 5 y 10% contienen alto porcentaje de

porosidad debido al proceso de fundición.

a

b

65

4.6.2. Ensayos de tensión

Durante el ensayo de tensión, se observó que la ubicación de las fracturas de cada

probeta podrían clasificarse en dos zonas, 10 probetas se fracturaron fuera de la ZAF

(mostrada en la figura 4.28b) y en 8 probetas la fractura ocurrió dentro de la ZAF

siguiendo la línea donde se encuentra la ZAT (mostrada en la figura 4.28a). En la figura

4.28c, se pueden observar las 18 probetas y lugares en donde ocurrió la fractura. Este

comportamiento indica que en las muestras donde la fractura estuvo fuera de la ZAF, la

unión por el proceso de SFA tiene mayor resistencia que el material base, este aumento

en la resistencia de la ZAF se debe a que las partículas del Si se homogenizan en la matriz

de Al [12], esto aplica a todos los grupos de muestras que se analizaron en epígrafes

anteriores, en la que las fases son fracturadas durante el proceso de SFA, incluyendo la

eliminación de porosidad, provocando que el material tenga mayor resistencia en la ZAF

a comparación del MB con alto contenido de porosidad.

Figura 4.28. Fracturas de cada muestra del ensayo de tensión. Fuente: Elaboración

propia.

380-CO 380-CU 380-5%CO 380-5%CU 380-10%CO 380-10%CU

a) b)

c)

Fractura

dentro de

la ZAF.

Fractura

fuera de

la ZAF.

66

A continuación, se presentan cinco graficas que muestran los diagramas de esfuerzo-

deformación obtenidos del ensayo de tensión; los resultados de las pruebas se

agruparon por contenido de Mg (380, 380-5% y 380-10%) y por geometría de pin

(cuadrado y cónico). Las gráficas contienen diversas series, en la cual cada una

representa una de las 18 muestras, la nomenclatura del nombre de estas series se

especifica a continuación:

En la figura 4.29a la cual pertenece al grupo del A380, se observa una media en el

esfuerzo último a la tensión (EUT) de 118 MPa para el pin cónico y 112.9 MPa para el pin

cuadrado. Al tratarse de un aluminio, no se presenta un punto de fluencia claro, sin

embargo, las flechas “A” muestran un cambio significativo en la deformación sin recibir

un aumento en su esfuerzo, lo que se infiere como es punto de resistencia a la fluencia

que presenta el material, el cual está alrededor de los 100 MPa en todas las muestras.

La curva de esfuerzo-deformación indica que el material es frágil debido a su porcentaje

de alargamiento menor al 5% y el tipo de fractura observada durante el experimento no

tuvo una reducción aparente en su área de sección transversal.

El grupo del A380-5% Mg se muestra en la figura 4.29b, cuya media en el EUT está en 53.2

y 34.1 MPa para el pin cónico y cuadrado respectivamente; en este caso el punto de

fluencia es prácticamente el mismo que el EUT en el pin cónico, esto indica que el

material es frágil ya que prácticamente no tiene deformación plástica.

Por último, el grupo del A380-10% mostrado en la figura 4.29c, el cual tiene una media

en el EUT de 79.8 y 56.8 MPa para el pin cónico y cuadrado respectivamente.

380-5%-CU_2

1 2 3

1) Contenido de Mg:

380

380-5%

380-10%

2) Geometría de

pin:

CU – Cuadrado

CO – Cónico

3) Número de

muestra:

1

2

3

67

Figura 4.29. Diagrama esfuerzo-deformación: a) A 380 con pin cónico y cuadrado, b)

A380-5%Mg con pin cónico y cuadrado y c) A380% con pin cónico y cuadrado.

Fuente: Elaboración propia.

En la figura 4.30, se muestra una gráfica de puntos individuales del esfuerzo último (EU)

de cada grupo con intervalos de confianza al 95%, en ella se aprecia de forma explícita

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 1.8% 2.0%

Esf

ue

rzo

(M

Pa

)

Deformación (%)

Gráfica de Esfuerzo-Deformación

A380-5% vs. Geometría de Pin

380-5%-CO_1 380-5%-CO_2 380-5%-CO_3

380-5%-CU_1 380-5%-CU_2 380-5%-CU_3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 1.8% 2.0%

Esf

ue

rzo

(M

Pa

)

Deformación (%)

Gráfica de Esfuerzo-Deformación

A380 vs. Geometría de Pin

380-CO_1 380-CO_2 380-CO_3

380-CU_1 380-CU_2 380-CU_3

A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 1.8% 2.0%

Esf

ue

rzo

(M

Pa

)

Deformación (%)

Gráfica de Esfuerzo-Deformación

A380-10% vs. Geometría de Pin

380-10%-CO_1 380-10%-CO_2 380-10%-CO_3

380-10%-CU_1 380-10%-CU_2 380-10%-CU_3

a

)

b

)

c

)

68

la diferencia entre medias del EUT entre cada factor, confirmando que la media del pin

cónico es siempre mayor y respecto al porcentaje de Mg, el grupo A380 tiene la mayor

magnitud de EUT, seguido del 10 y 5% con la menor.

Figura 4.30. Gráficas con media de esfuerzo último por grupo e intervalos de confianza

al 95% mostrando media mayor en pin cónico y grupo A380. Fuente: Elaboración

propia.

En la figura 4.31, se muestran los mismos datos analizados en la figura anterior, solo que

expresados estadísticamente como parte de un diseño de experimentos factorial

multinivel con 2 factores; la geometría de pin con 2 niveles (cónico y cuadrado) y el

porcentaje de magnesio con 3 niveles (A380, A380-5%, A380-10%), se utilizó un α=10%, y

el modelo de regresión final obtuvo las siguientes características:

a) Coeficiente de determinación ajustado con R2= 87.59%.

b) Grafica de residuales sin patrones.

c) Prueba de normalidad Anderson Darling con P=0.530.

d) Prueba de falta de ajuste con P=0.497.

e) Grados de libertad del error puro igual a 12.

f) La interacción entre ambos factores obtuvo un valor P=0.497, por lo que se

remueven del modelo de regresión final.

Por lo anterior, se toma el modelo de regresión obtenido como válido y en base al valor

P=0 de cada factor se infiere que ambos factores son estadísticamente significativos

para la media del esfuerzo último.

Material

Geometria de Pin

A380-10%A380-5%A380

CUADRADOCONICOCUADRADOCONICOCUADRADOCONICO

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Esf

uerz

o U

ltim

o (

MP

a)

56.8244

79.8244

34.1821

53.2255

112.944118.007

Individual Value Plot of Esfuerzo Ultimo95% CI for the Mean

Individual standard deviations are used to calculate the intervals.

69

Los resultados indican que el contenido de Mg tiene mayor influencia que la geometría

del pin, y que el grupo con mayor EUT es el de una aleación de A380 unido con un pin

de geometría cónica.

Figura 4.31. Resultados del diseño de experimentos. Fuente: Elaboración propia.

Cabe resaltar que el comportamiento del contenido de Mg respecto del EUT no fue

lineal, es decir, al aumentar el contenido de Mg al 5% se redujo el EUT hasta llegar a sus

valores más bajos, mientras que al continuar aumentando el Mg al 10%, el EUT se

incrementó hasta llegar a un punto medio; este resultado se atribuye a que el grupo de

5% Mg obtenidas por fundición, presentaron más discontinuidades y/o porosidades con

respecto a las otras aleaciones, por lo que el modelo matemático se ajusta a las

condiciones de las muestras tomadas y podría no ajustarse a otras poblaciones.

De acuerdo con los resultados encontrados de EUT descritos anteriormente y a los niveles

de discontinuidades descritos en el epígrafe 4.3.2. , se estima que si el material estuviese

en condiciones densas, el comportamiento en EUT debiese ser lineal y en el caso del

grupo con 5% de Mg, esta propiedad debería estar alrededor de los 90 MPa.

70

Respecto al mayor EUT con pin cónico respecto a pin cuadrado, se cree que la mayor

temperatura alcanzada durante el proceso de SFA fue un factor determinante, debido

a que una mayor temperatura (sin acercarse lo suficiente al punto de fusión), puede

aumentar la ZAT, pero además reducir el tamaño de la región de deformación al mejorar

el flujo de material alrededor del pin, manteniendo una microestructura más consistente

[32].

71

CONCLUSIONES

En el proceso de fundición del A380 se logró llegar al ajuste metalúrgico para obtener

aleaciones con 5 y 10% Mg.

Se disminuyó la densidad con respecto a la aleación A380, debido a la cantidad de

Mg en la aleación al 10% de Mg y en menor medida a las discontinuidades de

material generadas durante el proceso de fundición.

No hubo cambio en la media de microdureza debido a la adición del Mg o

geometría de pin, sólo aumento su variación en los grupos al 5 y 10% de Mg debido

a las discontinuidades de material.

En la microestructura obtenida en el proceso de fundición se observa un cambio

significativo en los intermetálicos debido a que los elementos de aleación como el Si,

Cu y Mg no son solubles al 100% en el Al. Se observa como al aumentar el Mg

aparecen las fases de Si y Mg con forma de escritura china y al llegar al 10% de Mg,

se satura el Mg y se presentan granos con forma poligonal.

En todos los grupos de muestras se generó una recristalización en la ZAT y un

refinamiento de grano en la ZAF, pero solo en el grupo sin discontinuidades de

material (A380) hubo un aumento en las propiedades mecánicas (esfuerzo último a

la tensión y microdureza), en la zona central de las uniones por el proceso SFA.

El pin cuadrado con respecto al cónico no generó un aumento en la temperatura

posiblemente a la adherencia de material en los vértices del cuadrado creando un

pin cilíndrico durante el proceso del SFA con un menor diámetro que el pin cónico.

La media del esfuerzo último a la tensión se incrementó al utilizar el pin cónico, sin

embargo, decreció al utilizar un contenido de Mg mayor al material A380.

72

RECOMENDACIONES

En el proceso de fundición se encontraron varias oportunidades de mejora a tomarse en

cuenta en futuras investigaciones relacionadas a la adición de Mg en una aleación de

aluminio A380. Debido a la alta porosidad encontrada en las muestras con contenido

de Mg, se recomienda utilizar un desgasificador y un refinamiento de grano para este

proceso, así también, el realizar las muestras con un proceso de fundición a presión, que

replique el proceso más frecuente que se somete este tipo de aleación en la industria

automotriz. Por último, el molde debe ser capaz de mantener la temperatura antes del

vaciado para evitar problemas de solidificación prematura.

Se recomienda seguir explorando con la aleación de aluminio A380 utilizando niveles de

Mg menor al 5%, esto debido a las muestras de 10% de Mg que presentaron fases sin

disolver completamente dentro de la matriz de Al.

Una de las limitaciones técnicas del proceso de SFA fue la velocidad de giro, debido a

las capacidades técnicas de la fresadora, no se pudo hacer un ajuste fino de esta, por

lo que una de las variables más importantes del proceso se mantuvo constante; como

se revisó en el capítulo 3, la velocidad de giro y avance son factores críticos en el

proceso, los cuales deben ser tomados en cuenta para futuros análisis.

73

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Recent development in aluminium alloys for the automotive industry. W.S. Miller, L.

Zhuang, J. Bottema, A.J. Wittebrood, P. De Smet, A. Haszler, A. Vieregge. s.l. : Materials

Science and Engineering A280, 2000.

[2] Liu, L. Welding and Joining of Magnesium Alloys. Dalian : Woodhead Publishing, 2010.

9781845696924.

[3] Friction stir welding and processing. R.S. Mishraa, Z.Y. Mab. s.l. : Materials Science and

Engineering, 2005, Vol. 50.

[4] Dissimilar Welding of Al and Mg Alloys by FSW. Taiki Morishige, Atsushi Kawaguchi,

Masato Tsujikawa, Makoto Hino, Tomotake Hirata, Kenji Higashi. Sakai : Materials

Transactions,, 2008, Vol. 49.

[5] Friction Stir Welding of Quenched and Tempered C-Mn Steel. C.J. Sterling, T.W. Nelson,

C.D. Sorensen, R.J. Steel, S.M. Packer. Utah : The Minerals, Metals & Materials Society, 2002.

[6] George E. Totten, D. Scott Mackenzie. Handbook of Aluminum. New York : Marcel

Dekker, Inc, 2003. 0-8247-0494-0.

[7] Kaufman, J. Gilbert. Introduction to Aluminum Alloys and Tempers. s.l. : ASM

International, 2000.

[8] Basics, Alloying: Understanding the. J.R. Davis,. s.l. : ASM International, 2001. 978-0-

87170-744-4.

[9] Destin Die Casting, LLC. Destin Die Casting. [Online] [Cited: July 28, 2018.]

https://destindiecasting.com/.

[10] International, ASTM. Standard Specification for Aluminum-Alloy Die Castings. West

Conshohocken : s.n., 2018. Vols. ASTM B85 / B85M - 18.

[11] MatWeb, LLC. MatWeb Material Property Data. [Online] 1996. [Cited: March 3, 2019.]

http://www.matweb.com/.

[12] Friction stir processing and characterisation of A380 cast aluminium alloy. Unal, H. E.

C¸amurlu and N. s.l. : International Journal of Cast Metals Research, 2011, Vol. 24.

[13] Magnesium Technology and Manufacturing for Ultra Lightweight Armored Ground

Vehicles . Kyu Cho, Tomoko Sano, Kevin Doherty, Chian Yen, George Gazonas, Jonathan

Montgomery, Paul Moy. Orlando : Army Research Laboratory , 2009.

74

[14] Corrosion Behavior of Friction Stir Welded Al-Mg-(Zn) Alloys. Hou Longgang, Yu Jiajia,

Zhang Di, Zhuang Linzhong, Zhou Li, Zhang Jishan. 9, Weihai : Rare Metal Materials and

Engineering, 2017, Vol. 46.

[15] Aluminium – Magnesium – Silicon. K.C. Hari Kumar, Nirupan Chakraborti, Hans-Leo

Lukas, Oksana Bodak, Lazar Rokhlin. s.l. : Landolt-Börnstein, Vol. New Series IV/11A3.

[16] The Effect of Mg on the Microstructure and Mechanical Behavior of Al-Si-Mg Casting

Alloys. C.H. Caceres, C.J. Dadidson, J.R. Griffiths, and Q.G. Wang. s.l. : METALLURGICAL

AND MATERIALS TRANSACTIONS A, 1999, Vol. 30.

[17] Effect of magnesium content on the ageing behaviour of water-chilled AI-Si-Cu-Mg-

Fe-Mn (380) alloy castings. F. H. SAMUEL, A. M. SAMUEL, H. LIU. Quebec : Journal of

Materials Science, 1995, Vol. 30.

[18] Midling, Ole Terje and Edward James Morley, Anders Sandvik. Friction Stir Welding.

5,813,592 Cambridge, England, January 5th, 1995. Method of friction welding.

[19] Influences of pin profile and rotational speed of the tool on the formation of friction

stir processing zone in AA2219 aluminium alloy. K. Elangovan, V. Balasubramanian. Tamil

Nadu : Materials Science and Engineering, 2007, Vol. 459.

[20] Mechanistic models and experimental analysis for the torque in FSW considering the

tool geometry and the process velocities. Karen J. Quintana, Jose Luis L. Silveira. Río de

Janeiro : Journal of Manufacturing Processes, 2017, Vol. 30.

[21] Influences of tool pin profile and welding speed on the formation of friction stir

processing zone in AA2219 aluminium alloy. K. Elangovan, V. Balasubramanian. Tamil

Nadu : journal of materials processing technology, 2008, Vol. 200.

[22] Influences of tool pin profile and tool shoulder diameter on the formation of friction

stir processing zone in AA6061 aluminium alloy. K. Elangovan, V. Balasubramanian. Tamil

Nadu : Materials and Design, 2008, Vol. 29.

[23] Friction stir based welding and processing technologies - processes, parameters,

microstructures and applications: A review. G.K. Padhy, C.S. Wu, S. Gao. Jinan : Journal

of Materials Science & Technology, 2018, Vol. 34.

[24] Friction stir welding of precipitation strengthened aluminium alloys: scope and

challenges. P.S. De, R.S. Mishra. s.l. : Science and Technology of Welding and Joining,

2011, Vol. 16.

[25] Recent Developments in Friction Stir Welding of Al-alloys. Gürel Çam, Selcuk

Mistikoglu. 6, s.l. : Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, Vol. 23.

75

[26] Evaluación de los parámetros de soldadura por fricción en un aluminio A6061-T6. E.A.

López Baltazar, A. Hernandez Jácquez. Aguascalientes : Memorias del Congreso

Internacional Anual de la SOMIM, 2018.

[27] Joaquin Calderon Zamora, Raul Alejandro Murillo Flores. Efecto de la geometria de

pin en la soldadura por friccion y agitacion de un aluminio A6061-T6. Mexico, Junio 2017.

[28] The Effect of Iron in Al-Si Casting Alloys. Taylor, John A. Brisbane, Australia :

Cooperative Research Centre for Cast Metals Manufacturing (CAST), 2004.

[29] Ramos, Juan. Science Trends. The Density Of Metals. [Online] January 16, 2018.

https://sciencetrends.com/the-density-of-all-metals/. ISSN: 2639-1538.

[30] Effect of Lithium-Magnesium in the A380 and A390 Aluminum alloys on its capacity of

being welded with FSW. Carrillo, Adán. Cancún : XXVII International Materials Research

Congress 2018, 2018.

[31] Microstructural Evolution in the Heat-Affected Zone of a Friction Stir Weld. R.W. Fonda,

J.F. Bingert. s.l. : Metallurgical and Materials Transactions, 2004, Vol. 35A .

[32] Observer-Based Adaptive Robust Control of Friction Stir Welding Axial Force. Tyler A.

Davis, Yung C. Shin, and Bin Yao. West Lafayette : IEEE/ASME Transactions on

Mechatronics, 2010, Vol. 16.

[33] Magnesium: Current and Potential. Luo, Alan A. 2, Warren, Michigan : The Journal of

The Minerals, Metals & Materials Society, 2002, Vol. 54. ISSN: 1047-4838.

)