Introducción
En la era de la transición energética, la construcción ligera desempeña un papel fundamental en el sector de la automoción, la aviación y el transporte. En lo que respecta a la electromovilidad, una reducción de peso de 100 kg puede ahorrar hasta 0,64 KW/h por cada 100 km para un turismo [1]. Debido a su elevada resistencia específica, las aleaciones de aluminio se cuentan entre los grupos de materiales más importantes en el diseño estructural ligero. La sustitución de componentes de acero por aleaciones de aluminio permite ahorrar hasta un 30% de peso [2].
Las aleaciones AlMgSi son materiales de aluminio con magnesio (0,6 a 1,2% en masa) y silicio (0,4 a 1,3% en masa) como principales elementos de aleación [3]. Pertenecen al grupo de aleaciones que se endurecen por precipitación y pueden reforzarse aún más -por ejemplo, tras un proceso de conformado- mediante un tratamiento térmico específico. En la norma DIN EN 515 [4] figura una clasificación de las condiciones de tratamiento térmico pertinentes.
Durante el tratamiento térmico, se forman en el material precipitados de siliciuro de magnesio finamente dispersos. Éstos distorsionan la red cristalina de la matriz de aluminio e impiden el movimiento de las dislocaciones. Sin embargo, el efecto de refuerzo resultante depende en gran medida de la morfología de los precipitados y de su integración en la matriz de aluminio (coherencia). En el caso de las aleaciones AlMgSi, existe el siguiente orden de precipitación, presentado en la figura 1, que se produce con el aumento de la temperatura [5]:
Los racimos finos y las zonas Guinier-Preston (zonas GP1) que se forman en primer lugar no conducen a ningún refuerzo significativo del material. Debido a la fase β" coherente en forma de aguja que se desarrolla posteriormente, el sistema de aleación alcanza la máxima resistencia. A continuación, se desarrolla la fase β' semicoherente en forma de barra. Posteriormente, ésta transiciona a la fase β de equilibrio (Mg2Si), que conduce a la fragilización de la aleación debido a su tamaño (100 nm y más) e incoherencia. [5]
las zonas1Guinier-Prestonse forman en una aleación metálica por procesos de segregación en los que -por encima de temperaturas específicas- los átomos de un elemento de aleación se ensamblan para formar aglomerados a nivel atómico hasta precipitados microscópicos.
Análisis de la morfología del precipitado mediante calorimetría de barrido diferencial
La formación y disolución de precipitados constituyen procesos exotérmicos o endotérmicos que conducen a la absorción o liberación de calor. Con ayuda de la calorimetría diferencial de barrido (DSC), estos calores de reacción pueden registrarse en función de la temperatura. Durante las mediciones DSC, un crisol con una muestra y un crisol de referencia que suele estar vacío se someten a un programa definido de tiempo-temperatura en una cámara de temperatura diseñada simétricamente. El crisol sirve para evitar la contaminación de la célula de medición por el material analizado. Durante el experimento, tanto la temperatura de la muestra como la de la referencia se miden mediante termopares. Gracias a la disposición simétrica de los lados de muestra y referencia y a un puente térmico definido entre ambos, se puede determinar el flujo de calor o la entalpía de reacción. Así, por un lado, el DSC permite determinar las temperaturas necesarias para la formación de las fases de precipitación y, por otro, extraer conclusiones sobre el estado de microestructura existente basándose en las entalpías de transformación medidas.
Los materiales metálicos suelen caracterizarse en calorímetros diferenciales de barrido de alta temperatura (por encima de 750 °C) para detectar sus temperaturas de fusión. Sin embargo, dependiendo del material o del efecto que se desee analizar, los dispositivos de baja temperatura también pueden ser adecuados.
Debido a los termopares -generalmente del tipo E empleados-, los dispositivos de baja temperatura se caracterizan por una sensibilidad al flujo térmico en el rango de medición respectivo significativamente mayor que los equipos de alta temperatura -por ejemplo, con termopares del tipo S-. Según la norma DIN EN 60584-1 [7], el tipo E presenta aproximadamente ocho veces más tensión diferencial térmica por Kelvin a 300 °C que un elemento de tipo S. Esto hace que los dispositivos de baja temperatura sean especialmente adecuados para analizar los efectos térmicos de small.
La figura 2 muestra un diagrama de flujo de temperatura-calor de 30°C a 450°C de una muestra de AlMgSi endurecida de forma incompleta, similar a un estado T42 como el utilizado en operaciones de conformado. La medición se llevó a cabo bajo una atmósfera de N2 a una velocidad de calentamiento de 10 K/min y utilizando crisoles de aluminio Concavus®. Debido al rango de temperaturas de investigación de 30°C a 560°C y a la capa de pasivación tanto de la muestra como del crisol, se puede suponer que no se produce ninguna reacción entre ambos. Se seleccionó un crisol vacío como referencia. Sobre la base de una chapa semiacabada de 1,0 mm de espesor, las muestras se prepararon en discos cilíndricos mediante un proceso de corte y posterior esmerilado. Basándose en las entalpías de transformación relativamente small esperadas de unos pocos J/g, se seleccionó un peso inicial comparativamente large de 25 mg ± 0,5 mg. Para mayor seguridad estadística, todas las mediciones se realizaron tres veces.
2 Estado T4: tratado en solución, templado y envejecido naturalmente según DIN EN 515 [3]
Capa de pasivación
La pasivación es la formación de una especie de "película protectora" en la superficie de ciertos metales. Contrarresta la corrosión y es fomentada por los mismos elementos que la desencadenan. La capa de pasivación debe presentar una alta DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad y una baja porosidad. Al mismo tiempo, para lograr una alta compatibilidad, la capa debe ser muy fina y estar distribuida homogéneamente por la superficie del metal.
El DSC de baja temperatura NETZSCH dispone de un sensor de medición de alta precisión (precisión entálpica < 1% para el indio) y, en función del sistema de refrigeración utilizado, permite realizar mediciones hasta 750 °C (según el modelo) y velocidades de calentamiento y enfriamiento entre 200 y 500 K/min (según el módulo). Además, está equipado con una célula de medición estanca a los gases que permite el acoplamiento a un espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR) o a un espectrómetro de masas (MS), así como el ajuste de atmósferas definidas.
En el primer efecto EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico, de aprox. 150°C a 240°C, se disuelven los clusters small y las zonas GP presentes en la microestructura y que actúan como núcleos (fig. 2). Además, siguen creciendo precipitados de mayor tamaño. Por encima de un tamaño de nucleación crítico, se produce una reacción exotérmica desde aproximadamente 240°C hasta 340°C; esto es atribuible a la formación de la fase β' coherente y β" semicoherente. La diferenciación directa de las señales calóricas no puede llevarse a cabo sobre la base de la medición. Tanto Fang et al. [8] como Gaber et al. [6] documentan un solapamiento de los dos picos de precipitación dependiente de la relación entre Mg y Si, lo que también impide separar allí los efectos calóricos. No se conoce la composición exacta de las aleaciones investigadas aquí, por lo que no se pueden extraer más conclusiones. A partir de aprox. 410°C se forma la fase β incoherente. Inmediatamente después (a partir de aprox. 500°C), estos precipitados vuelven a disolverse, lo que explica el último efecto EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico.
En la figura 3 se muestra la influencia de un tratamiento térmico previo de media hora a 180°C y 220°C en comparación con el estado inicial. El tratamiento térmico se realizó en el DSC - en una sección del programa anterior que no se muestra aquí. El diagrama muestra el calentamiento posterior a 560°C. El tratamiento durante 30 minutos a 180°C tiende a reducir el pico EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico a aproximadamente 220°C. En comparación con el estado inicial, la entalpía media disminuye de 1,98 ± 0,19 J/g a 1,77 ± 0,09 J/g (figura 4 a). Además, el área del pico de la precipitación exotérmica de la fase β' und β" a aproximadamente 270°C también disminuye ligeramente de -5,88 ± 0,26 J/g a -5,07 ± 0,34 J/g (figura 4 b). Cabe suponer que ambas reacciones, es decir, la disolución de las zonas subcríticas de cluster y GP junto con la formación de la fase β' o β", han tenido lugar en menor medida durante el tratamiento térmico precedente a 180°C.
El aumento de la temperatura a 220°C con el mismo tiempo de mantenimiento amplía el efecto. Como se muestra en las figuras 4a) y 4b), tanto el pico de disolución endotérmica como la formación de precipitados exotérmicos se reducen significativamente, hasta valores de 0,84 ± 0,09 J/g y -1,26 ± 0,22 J/g, respectivamente. En conclusión, una proporción large de fases β' o β" ya están presentes en la microestructura. La medida en que el potencial de precipitación restante contribuye al aumento de la resistencia del material, o la medida en que puede optimizarse el programa de temperatura, debe determinarse utilizando también ensayos mecánicos como los ensayos de tracción. Un detalle importante es que, en el caso de ambos tratamientos de temperatura, la entalpía de reacción del crecimiento de la fase β (efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico a unos 410 °C) y la posterior disolución endotérmica de los precipitados no cambian sustancialmente (véase la figura 3).
Resumen
Las aleaciones AlMgSi son materiales de aluminio que pueden reforzarse mediante la formación de precipitados inducida por la temperatura. La formación y disolución de los precipitados de siliciuro de magnesio finamente dispersos constituyen así efectos exo y endotérmicos en el rango de un dígito J/g. Los calorímetros diferenciales de baja temperatura suelen emplearse para el análisis de sustancias de baja fusión, como los polímeros, y se caracterizan especialmente por su alta sensibilidad al flujo térmico. Con la ayuda del DSC de baja temperatura, estos efectos pueden cuantificarse con precisión. Basándose en mediciones comparativas, pueden extraerse conclusiones sobre las temperaturas de formación y la morfología resultante. Junto con el análisis fundamental de los mecanismos que tienen lugar, pueden diseñarse disposiciones de tratamiento térmico optimizadas tanto desde el punto de vista energético como de la resistencia, en combinación con otros métodos de ensayo, como los ensayos de tracción uniaxial.