Composición de la aleación de aluminio A357: explicación del silicio, magnesio y tratamiento térmico

Si un dibujo indica A357-T6 y un proveedor envía A356-T6, las piezas seguirán atornilladas. Seguirán midiendo correctamente en una CMM. Incluso pueden pasar una prueba de banco. Lo que no lograrán es alcanzar el límite elástico que asumió el diseño, y ese déficit tiende a aparecer meses después como una carcasa agrietada, una cara de sello supurante o una falla por fatiga en la protuberancia de un perno. La diferencia química es pequeña sobre el papel, que es exactamente la razón por la que pasa desapercibida en la inspección entrante.

La composición de la aleación de aluminio A357, en peso, es 6,5 a 7,5 por ciento de silicio, 0,40 a 0,70 por ciento de magnesio, un máximo de 0,20 por ciento de hierro, un máximo de 0,20 por ciento de cobre, un máximo de 0,10 por ciento de manganeso, un máximo de 0,10 por ciento de zinc y un máximo de 0,20 por ciento de titanio. . El aluminio constituye el equilibrio. En comparación con el A356, tanto el piso de magnesio como el techo de magnesio se mueven hacia arriba y el límite de hierro se mantiene más estricto. Esos dos cambios son los que ofrecen aproximadamente un 15 por ciento más de límite elástico después de un tratamiento térmico T6 adecuado.

Esa es la respuesta corta. El resto de este artículo desglosa la química elemento por elemento, compara el A357 con el A356 y el 356 en números reales y luego explica cómo la ruta de fundición y el ciclo de envejecimiento deciden si esa química se convierte en una pieza estructural confiable o en una costosa pila de chatarra.

Composición de la aleación de aluminio A357: la química completa, elemento por elemento

La siguiente tabla enumera los límites de composición publicados para la designación de fundición A357.0, junto con una ventana objetivo práctica a la que las fundiciones realmente aspiran dentro de esos límites. Los límites provienen de las especificaciones estándar de fundición de aluminio utilizadas en toda la industria, y los mismos números aparecen en las hojas de designación de la Asociación del Aluminio y en el Manual de ASM, Volumen 15: Fundición, que sigue siendo la referencia estándar para la metalurgia de fundición de aluminio.

Un detalle que sorprende a los compradores: algunas variantes del A357 permiten una adición muy pequeña de berilio, entre el 0,04 y el 0,07 por ciento, para redondear las plaquetas que contienen hierro. Otros limitan el berilio al 0,0007 por ciento y lo prohíben en la práctica. Si una pieza está destinada a un entorno regulado o una celda de mecanizado con reglas estrictas de manejo de aire, esa única línea en la hoja de especificaciones cambia qué taller de fundición puede cotizarle.

Qué hace realmente cada elemento dentro de una pieza de fundición

Silicio entre 6,5 y 7,5 por ciento

El silicio es la razón por la que esta aleación se puede verter. Reduce el rango de fusión y empuja la aleación hacia el eutéctico de aluminio y silicio, que se sitúa cerca de los 577 grados Celsius. Con aproximadamente un 7 por ciento de silicio, la aleación es hipoeutéctica, por lo que la estructura solidificada es una mezcla de dendritas de aluminio rodeadas por una fina red eutéctica. Esa red es lo que le brinda fluidez de pared delgada, resistencia al desgarro en caliente y una tensión de contracción razonablemente baja.

Si se deja caer la silicona por debajo del rango, los errores de funcionamiento y las roturas calientes se vuelven rutinarios. Empújelo por encima del rango y el silicio eutéctico se vuelve grueso formando placas aciculares que actúan como muescas internas. El silicio eutéctico no modificado en una pieza fundida A357 puede reducir el alargamiento en un 40 por ciento o más en comparación con una masa fundida adecuadamente modificada, razón por la cual una adición de estroncio de aproximadamente 0,010 a 0,020 por ciento, o un modificador a base de sodio, es una práctica estándar.

Magnesio entre 0,40 y 0,70 por ciento

El magnesio es el elemento endurecedor y la razón principal por la que el A357 existe como una aleación separada. Durante el envejecimiento artificial, el fino siliciuro de magnesio precipita la formación de núcleos en toda la matriz de aluminio y bloquea el movimiento de dislocación. A356 limita el magnesio al 0,45 por ciento; El A357 permite hasta el 0,70 por ciento. Ese magnesio adicional aumenta el límite elástico en edad máxima en aproximadamente 20 a 30 MPa cuando todo lo demás es igual.

La contrapartida es la sensibilidad del proceso. El A357 se encuentra más cerca del límite de su límite de solubilidad, por lo que un tratamiento de solución corto o un enfriamiento desigual deja siliciuro de magnesio sin disolver, y la pieza entonces tiene un rendimiento inferior a su especificación aunque aún pasa una verificación espectrográfica en el lingote entrante.

Planchar al 0,20 por ciento como máximo

El hierro es el asesino silencioso de la ductilidad. Por encima de aproximadamente el 0,25 por ciento en una aleación de silicio del 7 por ciento, el hierro forma plaquetas de Al5FeSi en fase beta que son frágiles, parecidas a placas y propensas a agrietarse bajo carga. Mantener el hierro en 0,20 por ciento o menos, y preferiblemente 0,15 por ciento para trabajos de primera calidad, mantiene esas plaquetas pequeñas y menos dañinas. Este límite de hierro más estricto, más que el de magnesio, es lo que distingue una fusión A357 premium de una aleación secundaria ordinaria.

Refinamiento de titanio y grano

El titanio al 0,10 al 0,15 por ciento, normalmente introducido a través de una aleación maestra Al-5Ti-1B, restringe el crecimiento del grano durante la solidificación. Los granos finos equiaxiales mejoran la alimentación, distribuyen la porosidad de contracción en poros más pequeños y mejor distribuidos y aumentan tanto la resistencia a la tracción como el alargamiento. Una masa fundida que haya sido desgasificada y modificada pero no refinada en grano mostrará granos columnares gruesos y una dispersión más amplia en los resultados de las pruebas mecánicas.

Cobre, manganeso, zinc y el cubo de trazas

El cobre tiene un límite del 0,20 por ciento porque degrada el rendimiento contra la corrosión en ambientes húmedos o cargados de sal. El manganeso a un máximo de 0,10 por ciento modifica ligeramente la fase de hierro, pero no puede rescatar una masa fundida que ya tiene mucho hierro. El zinc a un máximo de 0,10 por ciento es en gran medida un parámetro de control de desechos. Los límites generales, 0,05 por ciento para cualquier elemento no especificado y 0,15 por ciento en total, existen para evitar que residuos desconocidos cambien el comportamiento de solidificación de la aleación.

A357 vs A356 vs 356: donde los números se separan

Estas tres aleaciones se citan con frecuencia indistintamente y, en una revisión del dibujo, pueden parecer variantes administrativas. No lo son. La siguiente tabla muestra los valores típicos de T6 publicados; Los números reales varían según el proceso de fundición, el espesor de la sección y la posición desde la que se corta el cupón.

La lectura práctica: si su análisis de tensión asumió el límite elástico del A357 y usted recibe el A356, silenciosamente ha perdido alrededor de 50 MPa de margen. En una pieza con un factor de seguridad de 3, eso es invisible. En una pieza dimensionada con un factor de seguridad de 1,4, es la diferencia entre pasar una prueba de fatiga y un rediseño.

Tratamiento térmico: por qué la química por sí sola no es suficiente

Puede alcanzar todos los números de la Tabla 1 y aun así producir una pieza blanda. La aleación sólo alcanza su resistencia especificada después de un ciclo T6 de tres etapas, y cada etapa tiene una ventana práctica estrecha.

1. Tratamiento de solución a aproximadamente 540 grados Celsius durante 6 a 12 horas, tiempo suficiente para disolver las fases ricas en magnesio nuevamente en una solución sólida.
2. El enfriamiento, generalmente en agua tibia o en un baño de polímero, es lo suficientemente rápido como para atrapar una solución sólida sobresaturada, pero lo suficientemente lento como para evitar que se deformen las secciones delgadas.
3. Envejecimiento artificial a aproximadamente 155 a 170 grados Celsius durante 4 a 8 horas para precipitar las finas partículas de siliciuro de magnesio que realizan el fortalecimiento real.

El modo de falla clásico es un retraso de enfriamiento mayor de lo que la aleación puede tolerar. El A357 es más sensible aquí que el A356 porque la mayor carga de magnesio significa que se debe retener más soluto en la solución. Una demora de unos pocos minutos entre tirar de la carga y golpear el tanque de enfriamiento puede reducir el límite elástico muy por debajo del mínimo especificado y dejar la resistencia a la tracción solo marginalmente afectada, lo que hace que el problema sea difícil de detectar con una sola verificación de dureza.

Las piezas de cilindros de motores de aluminio tratadas térmicamente y piezas de fundición estructurales similares son un buen ejemplo de la rentabilidad. La misma geometría, vertida a partir de la misma masa fundida, puede salir del horno con un límite elástico de 250 MPa o 290 MPa, dependiendo únicamente de cómo se manejó el enfriamiento.

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La ruta de fundición cambia lo que ofrece la misma química

El A357 es abrumadoramente una aleación de la familia de la gravedad. Se vierte en moldes de arena, revestimientos, moldes permanentes de acero y matrices de fundición a baja presión. No es una opción natural para la fundición a presión convencional a alta presión, y la razón es el gas, no la química.

La fundición a presión a alta presión llena una matriz en milisegundos y atrapa el aire y los productos de descomposición del lubricante de la matriz dentro del metal. Esos huecos son invisibles hasta que la pieza entra en un horno de tratamiento de solución a 540 grados Celsius, momento en el que la presión interna aumenta y la superficie se ampolla. A357 depende del T6 para alcanzar su resistencia, por lo que el proceso y la aleación tiran en direcciones opuestas. Si desea la química A357 en una pieza de alta presión, generalmente debe aceptar una condición de fundición o envejecido a baja temperatura y una resistencia correspondientemente menor.

La fundición a presión a baja presión se encuentra en un útil término medio. El llenado es lento y controlado, el tubo ascendente alimenta metal bajo presión a través de la solidificación y el atrapamiento de gas es mucho menor que en un disparo de alta presión. Eso hace que el A357 de baja presión sea una ruta realista para piezas que necesitan tanto control del espesor de la pared como propiedades T6 completas. Si desea conocer los antecedentes de cómo el proceso llena una cavidad, esta explicación de cómo funciona la fundición a presión de aluminio recorre la secuencia de llenado paso a paso.

Una comparación práctica de las tres rutas para trabajos tipo A357:

• La fundición en arena brinda la mayor libertad de diseño y la solidificación más lenta, lo que engrosa la microestructura y reduce el alargamiento a menos que se utilicen enfriamientos.
• La fundición en molde permanente acelera el enfriamiento, refina la estructura del grano y normalmente agrega de 20 a 30 MPa de resistencia a la tracción sobre la arena para la misma aleación.
• La fundición a baja presión combina un molde permanente con un llenado controlado, manteniendo la porosidad del gas lo suficientemente baja para un ciclo T6 completo en piezas de paredes gruesas.

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Defectos que se remontan a la composición o manipulación del material fundido

La mayoría de los rechazos del A357 no se deben a que la aleación sea incorrecta. Se deben a un mal tratamiento de la masa fundida. Los cinco problemas recurrentes son estos:

Porosidad de los gases. La solubilidad del hidrógeno en aluminio líquido es aproximadamente veinte veces mayor que la solubilidad en aluminio sólido. Cualquier hidrógeno que quede en la masa fundida después de la desgasificación se convierte en poros redondos a medida que el metal se congela. La solución es la desgasificación rotativa con argón o nitrógeno más una carga limpia y seca y un nivel de hidrógeno medido por debajo de aproximadamente 0,15 ml por 100 g de aluminio para trabajos estructurales.

Porosidad de contracción. El A357 se contrae aproximadamente entre un 6 y un 7 por ciento en volumen al solidificarse. Las rutas de alimentación, los elevadores y los enfriadores deben diseñarse de manera que el último líquido en congelarse se encuentre en un elevador en lugar de en un saliente de perno. En las transiciones de grueso a fino es donde esto aparece primero.

Inclusiones de óxido. El óxido de aluminio se forma en segundos sobre una superficie fundida alterada. El vertido turbulento pliega esa película en la pieza fundida y produce un defecto lineal que aparece en una cara mecanizada como una raya oscura que no se pule.

Lagrimeo en caliente. El contenido de silicio del A357 le otorga una buena resistencia, pero una masa fundida con bajo contenido de silicio o con un grano mal refinado se romperá en las esquinas internas afiladas durante los primeros minutos de enfriamiento. Radio las esquinas y mantén el titanio en el medio de su rango.

Ampollas durante T6. Se trata de un fallo de selección del proceso más que de un fallo químico, y es la razón más común por la que un comprador descubre que la ruta de fundición elegida no puede ofrecer el temple especificado.

Donde las piezas del A357 se ganan el sustento

El A357 aparece dondequiera que una pieza fundida deba soportar cargas, sobrevivir a vibraciones y aun así mantener una tolerancia mecanizada. Todas las aplicaciones siguientes comparten ese patrón.

• Fundición estructural de aeronaves y helicópteros, donde el peso es crítico y la vida a fatiga es el caso de diseño que rige.
• Nodos de suspensión y chasis de automóviles, incluidos brazos de control, rótulas y soportes de subchasis.
• Carcasas de bombas, compresores y hidráulicas que ven presión interna y carga cíclica.
• Carcasas de motor y tapas de extremo, donde la aleación tiene que mantener redondos los orificios de los rodamientos mediante ciclos térmicos.
• Impulsores y componentes giratorios, donde el equilibrio entre resistencia y alargamiento decide el margen de explosión.
• Componentes de gestión térmica en sistemas de propulsión electrificados, donde una combinación de rigidez y trayectoria de calor importa más que la resistencia a la tracción bruta.

Una carcasa de motor fundida a presión es un caso de estudio representativo. La pieza suele tener una pared cilíndrica delgada, una brida de montaje gruesa y asientos de cojinete mecanizados en cada extremo. Esas tres características impulsan el comportamiento de solidificación en tres direcciones diferentes a la vez: la pared necesita un enfriamiento rápido, la brida necesita alimentación y los orificios necesitan estabilidad dimensional después del tratamiento térmico. Obtener los tres de una aleación significa mantener el silicio en el rango medio para la fluidez, el magnesio en el rango medio para la resistencia y el hierro en el extremo inferior para la maquinabilidad.

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Lista de verificación de adquisiciones antes de emitir una orden de compra

Unas pocas preguntas iniciales eliminan la mayor parte del riesgo de un pedido de A357. Si los analiza en este orden, la conversación técnica se acortará.

1. Confirme el temperamento, no sólo la aleación. A357-F, A357-T5 y A357-T6 son productos diferentes con diferentes niveles de resistencia y el dibujo debe indicar cuál.
2. Pregunte por los objetivos de magnesio y hierro, no sólo los límites. Un proveedor que aspira a un 0,45 por ciento de magnesio está entregando efectivamente el A356 con una etiqueta A357.
3. Indique de dónde se cortará el cupón de prueba mecánica. Un corte de cupón de una contrahuella siempre se verá mejor que un corte de la pieza.
4. Acordar el registro del tratamiento térmico. El tiempo de solución, el retraso del enfriamiento y la temperatura de envejecimiento son los tres números que deciden el resultado.
5. Decida los criterios de aceptación para la solidez interna antes del primer artículo, porque los resultados radiográficos y de corte impulsan los cambios de herramientas.
6. Confirme las tolerancias de mecanizado. El A357 se mecaniza limpiamente, pero los puntos duros debido a la segregación o un eutéctico grueso destruirán un inserto de carburo y un programa de entrega a tiempo al mismo tiempo.

Si desea una respuesta directa sobre si su geometría se adapta al A357 o a una aleación diferente, envíe el dibujo y la descripción de la aleación a nuestro equipo de ingeniería y volveremos con la ruta del proceso, el estado alcanzable y el margen de mecanizado en una sola respuesta.

Preguntas frecuentes sobre la composición de la aleación de aluminio A357

¿Es el A357 lo mismo que el 357.0?

Se refieren a la misma familia. A357 es la designación de fundición utilizada en los estándares de fundición de aluminio y 357.0 es la designación de la Asociación del Aluminio para la misma composición. Cuando vea 357.0-T6 o A357-T6 en un dibujo, léalos como el mismo material y verifique los límites de magnesio y hierro para estar seguro, porque los dibujos más antiguos a veces tienen tolerancias de hierro más flexibles que la práctica actual.

¿Se puede fundir el A357 a alta presión?

Se puede fundir en una máquina de fundición a presión de alta presión, pero no se le puede dar fácilmente un tratamiento T6 completo después porque el gas atrapado se expande a la temperatura de la solución y forma ampollas en la superficie. En la práctica, las piezas A357 de alta presión se suministran como fundidas o deliberadamente envejecidas. Si el dibujo requiere A357-T6, la pieza debe encaminarse a fundición a baja presión, molde permanente, arena o fundición a la cera perdida.

¿Por qué el A357 cuesta más que el A356?

Tres razones. El límite de hierro más estricto requiere un material de carga más limpio y un mejor control de la fundición, lo que reduce la cantidad de chatarra de bajo costo que una fundición puede utilizar. La mayor carga de magnesio significa un control del proceso más estricto durante el tratamiento de la solución. Y las rutas de proceso que pueden ofrecer un resultado T6 genuino, como baja presión o molde permanente, tienen tiempos de ciclo más largos que un disparo de alta presión.

¿Cómo verifico el contenido de magnesio en un lote entrante?

La espectrometría de emisión óptica en una muestra enfriada del vertido es el método estándar y solo lleva unos minutos una vez preparada la muestra. Solicite que la cifra de magnesio se informe como un número en lugar de como un aprobado o no en una ventana amplia, y tome muestras de más de una ubicación en piezas fundidas grandes porque el magnesio puede segregarse durante la solidificación lenta.

¿El A357 necesita berilio?

No, y muchas especificaciones lo prohíben. Una adición de berilio de 0,04 a 0,07 por ciento mejora la morfología de las fases que contienen hierro y puede ayudar con el comportamiento de la piel del óxido, pero introduce requisitos de manipulación en la fundición y en el mecanizado. La mayor parte del trabajo estructural se realiza con A357 sin berilio y, en su lugar, con un límite estricto de hierro.

¿Se pueden soldar piezas del A357?

Pueden hacerlo, con el relleno y el control del proceso adecuados, pero soldar una pieza T6 crea una zona local afectada por el calor que pierde resistencia. Cuando la soldadura no es estructural, esto no es un problema. Cuando la soldadura se asienta en una trayectoria de carga, el diseño debe asumir una reducción en la resistencia local en esa zona y tenerla en cuenta.

¿Qué acabado superficial y tolerancia puedo esperar?

Las superficies fundidas de un molde permanente o de una matriz de baja presión suelen tener una Ra de entre 3,2 y 6,3 micrómetros, dependiendo del revestimiento de la matriz y del espesor de la pared. Las caras mecanizadas están limitadas por las herramientas y los accesorios más que por la aleación, y las tolerancias generales de mecanizado de más o menos 0,05 mm en orificios y caras críticas son rutinarias en una fundición estable.

¿El A357 es adecuado para piezas de paredes delgadas?

Sí, dentro de unos límites. El contenido de silicio del 7 por ciento proporciona una buena fluidez y se pueden lograr paredes de hasta aproximadamente 3 mm en molde permanente o fundición a baja presión. Por debajo de eso, el desafío pasa de la fluidez a la velocidad de solidificación: las secciones delgadas se enfrían tan rápido que el siliciuro de magnesio puede permanecer parcialmente sin disolver incluso después de un tratamiento de solución completa, y la pieza no alcanzará las propiedades que sugiere su química.

Para cerrar el círculo: la composición de la aleación de aluminio A357 se define por entre un 6,5 y un 7,5 por ciento de silicio, entre un 0,40 y un 0,70 por ciento de magnesio y un máximo de un 0,20 por ciento de hierro, mientras que los elementos restantes se mantienen a nivel de trazas y el aluminio constituye el equilibrio. El rango de magnesio es lo que lo separa del A356 y le otorga aproximadamente 50 MPa de límite elástico adicional en la condición T6. El límite del hierro es lo que preserva la ductilidad. Y la ruta de fundición más la disciplina de enfriamiento deciden si alguna de esas ventajas realmente se refleja en la pieza terminada.

Si una cotización para el A357-T6 parece notablemente más barata que el resto, la respuesta suele estar en uno de estos tres lugares: el objetivo de magnesio, el techo de hierro o el temperamento que realmente se entrega. Pregunte por los números y la discusión terminará rápidamente.