Fabricación de un equipo de extrusión para el refinamiento de grano: Aplicación a la aleación Al-Mg-Si-La

Abstract

Las nuevas tecnologías han demostrado el impacto que tiene el tamaño del grano en las propiedades de los materiales metálicos, de tal forma que su refinamiento a escala nanométrica se ha convertido en un reto para los investigadores e ingenieros de la ciencia de materiales. En la práctica el prensado por presión en canal angular de sección constante, ECAP (del acrónimo en inglés Equal Channel Angular Pressing) es uno de los métodos con mayor potencial para procesar materiales policristalinos con tamaño de grano ultrafino. Esta técnica consiste en presionar una muestra a través de una matriz especial que contiene dos canales de igual sección transversal que se interceptan un ángulo . El material al ser forzado a pasar a través de la intersección de los canales se deforma fuertemente por cizalladura simple y de esta manera se consigue afinar el tamaño de grano. En este sentido el propósito de este trabajo consistió en fabricar y poner a punto un equipo de extrusión por ECAP con el fin de procesar la aleación de aluminio Al-Mg-Si-0,14%La y evaluar su respuesta frente a la deformación aplicada, específicamente en dos aspectos: refinamiento de grano y propiedades mecánicas (microdureza). La aleación de aluminio Al-Mg-Si-0,14%La se obtuvo adicionando 0,14% La a una aleación comercial de aluminio AA6063 destinada para extrusión como posible vía para reducir el efecto nocivo de las partículas intermetálicas ricas en hierro en la extrudabilidad de la aleación. El diseño del equipo ECAP, el cual consta de un punzón y una matriz, se hizo en base a la configuración y dimensiones de las mordazas de la máquina de ensayo universal Zwick/Roell Z250, utilizada para acoplar el dispositivo y llevar a cabo los ensayos de extrusión. Para fabricar el punzón y los dos bloques que constituyen la matriz se seleccionó el acero AISI 4140 (Cr-Mo). En cada uno de los bloques se mecanizaron dos canales rectangulares de 6 mm2 de sección transversal y se interceptaron un ángulo  = 90° en forma de “L. Adicionalmente, se diseñó y fabricó, en acero al carbono ASTM A38, una base y una tapa para encofrar la matriz y evitar que los bloques se separaran durante el proceso de extrusión. Para la puesta a punto del equipo, del tocho de la aleación de aluminio Al-Mg-Si-0,14%La en estado de colada, se cortaron y mecanizaron probetas rectangulares de 11,7 mm2 de sección transversal y de 117 mm de longitud, luego se lubricaron con bisulfuro de molibdeno y se fueron procesaron en la matriz ECAP hasta lograr obtener una aplicación con los parámetros adecuados para extruir las probetas sin ningún tipo de falla. La aplicación se creó en modo compresión con el programa TestXpert II que controla la máquina de ensayo universal. Posteriormente, se procesaron a temperatura ambiente probetas con uno, dos, tres y cuatro pases consecutivos con una velocidad del cabezal de 1 mm/s aplicando la ruta BC, que consiste en rotar la muestra 90°alrededor de su eje longitudinal cada vez que se reinserta en el canal. Para la caracterización microestructural por microscopia óptica y conocer la respuesta mecánica del material procesado por ECAP se cortaron de cada una de las probetas procesadas muestras en el sentido de la dirección de la extrusión. Todas las curvas registradas durante el procesamiento de las probetas con uno, dos, tres y cuatro pases consecutivos por la matriz ECAP presentaron el mismo comportamiento iniciándose con un rápido incremento de la fuerza aplicada hasta alcanzar un valor máximo, en el cual la pendiente de la curva cambia y la fuerza comienza a disminuir progresivamente. Tampoco se observaron irregularidades a lo largo de las curvas sugiriendo que los lingotes no presentaron grietas o serraciones durante el proceso de extrusión. Se alcanzaron fuerzas máximas entre 12000 y 18000 N ratificando el incremento de la resistencia del material por efecto de la deformación aplicada. Los resultados del análisis microestructural de la aleación de aluminio Al-Mg-Si-0,14%La evidenció que con la matriz ECAP y las condiciones experimentales impuestas se consiguió refinar el tamaño de grano del material, obteniéndose en la probeta con cuatro pases consecutivos una reducción de un 64,7% con respecto al tamaño de grano de la aleación sin procesar. En cuanto al aspecto de radio, el cual es una medida de elongación de los granos, se observó un incremento en las probetas con uno y dos pases consecutivos en la matriz ECAP, a partir de allí disminuyó progresivamente alcanzándose en el último cuarto pase un valor semejante al obtenido con un solo pase, sugiriendo que la estructura de grano tiende a adquirir una forma más equiaxial a medida que aumenta la deformación, en concordancia con las predicciones teóricas. Las medidas de microdureza Vickers mostraron que con solo dos pases la dureza presentó un incremento significativo de un 36,4% en relación a la aleación sin procesar. Este comportamiento sugiere que el proceso por ECAP es una forma eficiente y rápida de mejorar las propiedades mecánicas de los materiales. Con el incremento del número de pases la dureza sigue aumentando, aunque no tan pronunciadamente como en los dos primeros pases con tendencia a la saturación, obteniéndose un aumento de un 43,9% con el último cuarto pase. Estos resultados muestran que la buena extrusión a temperatura ambiente y el refinamiento microestructural obtenido en la aleación de aluminio Al-Mg-Si-0,14%La en estado de colada hace que la deformación plástica severa por ECAP pudiera tener una buena acogida a nivel industrial para obtener aleaciones comerciales de aluminio con mejores propiedades mecánicas que pueden satisfacer demandas personalizadas para aplicaciones específicas.