Aluminio AlSi10: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones
Compartir
Table Of Content
Table Of Content
Descripción General Completa
AlSi10 es una aleación fundida de aluminio-silicio perteneciente a la familia Al-Si, comúnmente referida como una composición Al-Si hipoeutéctica a casi eutéctica con aproximadamente 10 wt% de silicio. Normalmente se clasifica dentro de las normas para aleaciones fundidas en lugar de la serie laminada 1xxx–7xxx; los catálogos habituales utilizan EN AC-AlSi10 o equivalentes regionales para fundición en lugar de las designaciones laminadas AA 2xxx/6xxx.
El elemento de aleación dominante es el silicio, que controla el comportamiento de solidificación, la fluidez y las características de desgaste; pequeñas adiciones de Fe, Cu, Mn, Mg, Ti y elementos traza ajustan la resistencia, la fundibilidad y la respuesta al tratamiento térmico. El endurecimiento es una combinación del control de la microestructura en estado fundido (partículas de silicio eutéctico y morfología de la matriz de aluminio), con el potencial para endurecimiento por precipitación si hay suficiente Mg presente (por ejemplo, variantes AlSi10Mg) y se aplican ciclos adecuados de solución y envejecimiento.
Las características clave de AlSi10 incluyen excelente fundibilidad y baja contracción, buena conductividad térmica entre las aleaciones de aluminio, resistencia a la corrosión de moderada a buena en muchos ambientes, y generalmente buena soldabilidad en muchas formas cuando se controla la porosidad. Se utiliza ampliamente en la industria automotriz, herramientas, fundición a baja y alta presión, fabricación aditiva (SLM/EBM) y productos de consumo donde se requiere un balance entre fidelidad de fundición, estabilidad dimensional y un desempeño mecánico razonable.
Los ingenieros eligen AlSi10 cuando la fluidez, la capacidad de fundición con paredes delgadas, la gestión térmica y la baja cantidad de defectos en la fundición son prioridades, o cuando las piezas fabricadas aditivamente requieren una matriz rica en silicio para estabilidad térmica y mínima distorsión. Se selecciona sobre aleaciones laminadas de mayor resistencia cuando las geometrías complejas casi terminadas de fundición, costos de herramientas más bajos o mejor comportamiento térmico superan los requerimientos de máxima resistencia a la tracción o conformado extensivo.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Formabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O (Recocido) | Bajo | Alto | Excelente | Excelente | Aliviado de tensiones, condición más blanda para variantes tratables térmicamente |
| Estado fundido | Bajo–Moderado | Bajo–Moderado | Limitado | Bueno (con control) | Condición típica de entrega desde fundición; depende de la microestructura |
| T5 (Envejecido artificial tras enfriamiento) | Moderado | Bajo | Limitado | Bueno | Común para piezas fundidas y fabricadas aditivamente para aumentar resistencia sin solución completa |
| T6 (Tratamiento de solución + envejecimiento artificial) | Alto | Bajo–Moderado | Pobre | Bueno | Aplica principalmente cuando hay Mg presente; aumento significativo de resistencia |
| T7 (Reenvejecido / estabilizado) | Moderado | Moderado | Limitado | Bueno | Mejora estabilidad dimensional y tenacidad a costa de algo de resistencia |
El estado de temple modifica significativamente el balance entre resistencia y ductilidad para AlSi10, con tratamientos similares a T6 (donde hay Mg disponible) que aumentan el límite elástico y la resistencia última a costa de la elongación. La microestructura en estado fundido, la tasa de enfriamiento y el tratamiento térmico posterior (o su ausencia) son los principales parámetros para ajustar el desempeño; la presencia y cantidad de Mg determinan la efectividad del endurecimiento por precipitación.
Composición Química
| Elemento | % Rango | Notas |
|---|---|---|
| Si | 9.0 – 11.0 | Elemento principal de aleación que controla la fracción eutéctica, fluidez y conductividad térmica |
| Fe | 0.2 – 0.8 | Impureza que forma intermetálicos (β-Al5FeSi) que pueden reducir ductilidad |
| Mn | 0.05 – 0.45 | Controla la morfología de intermetálicos de Fe cuando está presente en pequeñas cantidades |
| Mg | 0.0 – 0.45 | Si está presente (>0.2) permite endurecimiento por precipitación (respuesta T6) |
| Cu | 0.02 – 0.3 | Aumenta resistencia pero puede reducir resistencia a la corrosión si es elevado |
| Zn | 0.02 – 0.2 | Menor; normalmente se mantiene bajo para evitar efectos nocivos |
| Cr | 0.01 – 0.2 | Modificador de la estructura de grano en algunas especificaciones |
| Ti | 0.01 – 0.2 | Refinador de grano para fundiciones y metalurgia de lingotes |
| Otros | Balance Al; residuos traza | Impurezas residuales (Ni, Co, Pb) se mantienen al mínimo según especificación |
El silicio determina la microestructura (tamaño, morfología y distribución de partículas de Si eutéctico) y afecta directamente el comportamiento en la fundición, la resistencia al desgaste y las propiedades térmicas. El hierro y manganeso influyen en la formación de intermetálicos frágiles; niveles controlados y modificación (por ejemplo, Sr para modificación del Si) mejoran ductilidad y maquinabilidad. La presencia de magnesio convierte a AlSi10 en una variante tratable térmicamente (AlSi10Mg), donde el tratamiento de solución y envejecimiento permiten mayores resistencias vía precipitación de Mg2Si.
Propiedades Mecánicas
El comportamiento a tracción de AlSi10 depende fuertemente del método de fundición, espesor de sección y tratamiento térmico. El material en estado fundido muestra típicamente un balance dúctil-frágil controlado por el tamaño y la morfología del silicio eutéctico y la porosidad; las variantes AlSi10Mg tratadas T6 ganan sustancialmente en límite elástico y resistencia última pero pierden algo de elongación. El desempeño a fatiga está limitado por defectos de fundición y condición superficial; la presencia de porosidad, cavidades por contracción o intermetálicos gruesos de Fe reduce drásticamente la vida a fatiga en comparación con aleaciones laminadas.
El límite elástico en condiciones fundidas es moderado y muy sensible a la sección; las secciones más delgadas enfrían más rápido y en general muestran mayor límite elástico y resistencia a tracción. Los rangos de dureza reflejan el temple: condiciones recocidas/fundidas rinden dureza baja, mientras que el envejecimiento artificial T5/T6 aumenta la dureza significativamente. Tratamientos superficiales, prensado isotérmico en caliente (HIP) o mecanizado para eliminar defectos superficiales mejoran el comportamiento a fatiga y tolerancia a deformación cíclica.
| Propiedad | O/Recocido | Temple clave (ej. T6) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (UTS) | 120 – 200 MPa | 240 – 320 MPa (AlSi10Mg T6) | Amplios rangos debido a método de fundición, tamaño de sección, porosidad y contenido de Mg |
| Límite elástico (prueba 0,2%) | 60 – 130 MPa | 150 – 250 MPa | T6 aumenta notablemente el límite; límite elástico en fundido depende de la sección |
| Elongación (A%) | 3 – 12% | 2 – 8% | Ductilidad inferior en T6; mejor en recocido/fundido cuando la microestructura es fina |
| Dureza (HB) | 40 – 80 HB | 70 – 120 HB | La dureza correlaciona con el grado de endurecimiento por precipitación y la morfología del Si |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | 2.68 g/cm³ | Típica para aleaciones fundidas Al–Si; ligeramente superior al aluminio puro por contenido de Si |
| Rango de fusión | ~577 – 640 °C | La solidificación relacionada con el eutéctico comienza cerca de 577 °C; rango de fusión depende de composición local |
| Conductividad térmica | ~120 – 150 W/m·K | Inferior al aluminio puro; las partículas de Si reducen la conductividad pero sigue siendo buena para disipadores térmicos/partes térmicas |
| Conductividad eléctrica | ~30 – 38 % IACS | Reducida en comparación con aluminio puro; útil para componentes conductores fundidos pero no al nivel conductor eléctrico |
| Calor específico | ~0.90 J/g·K (900 J/kg·K) | Calor específico típico del aluminio cerca de temperatura ambiente |
| Coeficiente de expansión térmica | 22 – 24 µm/m·K | Coeficiente similar a otras aleaciones de aluminio; considerar contenido de Si para comportamiento compuesto |
AlSi10 mantiene la útil conductividad térmica y la ventaja de baja densidad del aluminio mientras que el contenido de silicio reduce la conductividad comparado con aluminio puro pero mejora la estabilidad térmica y resistencia al desgaste. El comportamiento de fusión/solidificación—reacciones eutécticas—rigen la práctica de fundición e influyen en estrategias de control microestructural como modificación y refinamiento de grano. La conductividad eléctrica es suficiente para muchas aplicaciones conductoras accesorias pero no es competitiva con aluminio de alta pureza para transmisión eléctrica.
Formas de Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento de Resistencia | Tratamientos Habituales | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Chapa | Raro; fundidos delgados limitados | Comportamiento como fundido o envejecido | Como fundido / T5 | Chapa fundida de paredes delgadas posible mediante fundición a presión o AM; no común como producto laminado |
| Placa | 2 – 200 mm (fundido) | Sensibilidad a sección; secciones más gruesas disminuyen resistencia | Como fundido / T6 (si Mg presente) | Placas de fundición en arena y molde permanente usadas para piezas estructurales |
| Extrusión | Limitado | No típico; extrusiones forjadas disponibles solo en aleaciones especiales | N/A | AlSi10 es principalmente una aleación para fundición; extrusiones usan otras aleaciones como 6063 |
| Tubo | Secciones fundidas o fundidas a presión | Depende de la técnica de fundición | Como fundido / T5 | Tubos de paredes delgadas fundidos posibles mediante fundición a presión o inversión; AM permite canales complejos |
| Barra / Varilla | Barras o lingotes fundidos | Usado como materia prima y para forjado | Como fundido | Frecuentemente refundido o procesado adicionalmente para rutas de fabricación específicas |
AlSi10 se suministra y utiliza predominantemente en formas de fundición: molde de arena, a presión, molde permanente, inversión y cada vez más como polvo para fabricación aditiva. Las propiedades mecánicas y la sensibilidad a defectos varían notablemente entre estas formas debido a diferencias en la velocidad de enfriamiento; las piezas fundidas a presión y AM se enfrían más rápido y producen microestructuras más finas, proporcionando mayores resistencias en estado como fabricado. Las formas forjadas (extrusiones / placas laminadas) son poco comunes; los diseñadores deberían preferir otras aleaciones forjadas si se requiere conformado en frío extensivo.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| EN | AC-AlSi10 | Europa | Designación estándar para aleación de fundición de aluminio con cerca de 10% Si |
| AA / ASTM | AlSi10 (aprox.) | EE.UU. | No es una designación AA exacta; A356 y A357 son variantes similares de bajo Si con Mg |
| JIS | ADC10 (aproximado) | Japón | ADC10 y ADC12 son aleaciones para fundición a presión con contenido similar de Si pero niveles diferentes de Cu/Mg |
| GB/T | AlSi10 | China | Normas chinas listan grados de fundición AlSi10 con ventanas composicionales comparables |
Los equivalentes son aproximados porque las normas regionales ajustan elementos traza e impurezas permitidas para procesos específicos de fundición (fundición a presión versus molde de arena). Las aleaciones de fundición a presión de la serie ADC y EN AC-AlSi10 son cercanas en contenido de Si pero pueden diferir en niveles de Cu o Mg; estas diferencias afectan la tratabilidad térmica y el comportamiento a la corrosión. Siempre consulte la hoja de norma específica para límites químicos y resistencia a la tracción cuando se sustituyan grados regionales.
Resistencia a la Corrosión
AlSi10 generalmente ofrece buena resistencia a la corrosión atmosférica debido a la formación de una película protectora de óxido de aluminio; el silicio en sí es inerte y no acelera significativamente la corrosión uniforme. La corrosión localizada puede ocurrir donde intermetálicos ricos en Fe y defectos de fundición generan sitios micro-galvánicos; superficies con porosidad o acabado deficiente son más susceptibles a picaduras, especialmente en ambientes clorurados.
En ambientes marinos o ricos en cloruros, AlSi10 se comporta moderadamente bien pero no es tan resistente como aleaciones sacrificiales de magnesio serie 5xxx; la principal preocupación es la picadura inducida por cloruros y comúnmente se aplican recubrimientos protectores o anodizado. La susceptibilidad a la fisuración por corrosión bajo tensión (SCC) es baja comparada con aleaciones Al-Zn-Mg de alta resistencia, pero tensiones residuales y picaduras pueden combinarse para iniciar grietas por fatiga; un diseño prudente y tratamientos post-fundición reducen riesgos.
Las interacciones galvánicas siguen el comportamiento típico del aluminio: AlSi10 corroe anodicamente en contacto eléctrico con metales más nobles como acero inoxidable o cobre en electrolitos conductores. Comparado con aleaciones 3xxx/5xxx trabajadas en frío endurecidas, AlSi10 sacrifica algo de tenacidad a la corrosión a cambio de beneficios específicos de fundición; comparado con aleaciones tratables térmicamente y de alta resistencia (7xxx), AlSi10 es más resistente a la corrosión y menos susceptible a SCC pero generalmente con menor resistencia mecánica máxima.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
La soldadura de AlSi10 es factible con procesos TIG y MIG para reparación o unión de fundiciones, pero la porosidad y grietas en caliente son preocupaciones principales. Precalentamiento a temperaturas moderadas, control de fuentes de hidrógeno y uso de alambres de aporte adecuados (comúnmente basados en Al-Si como ER4043 o AlSi5) reducen grietas y mejoran la integridad del cordón. El ablandamiento en la zona afectada por el calor (ZAC) es generalmente limitado comparado con aleaciones altamente endurecibles por envejecimiento, pero cambios locales en la morfología del silicio y porosidad pueden afectar el desempeño mecánico de la región soldada.
Maquinabilidad
La maquinabilidad de AlSi10 es moderada: la presencia de partículas duras de silicio eutéctico aumenta el desgaste de herramienta y promueve condiciones de corte abrasivo comparado con aluminio puro. Se recomienda herramienta de carburo con flautas pulidas, geometría de filo positiva y refrigerante para una vida útil fiable y buen acabado superficial. La formación de viruta tiende a ser discontinua; avances y velocidades estables que eviten el filo construido y minimicen vibración mejoran la integridad superficial y el control dimensional.
Conformabilidad
El conformado en frío de AlSi10 es muy limitado porque es una aleación de fundición con baja ductilidad en la mayoría de tratados; doblado, embutición profunda y estampado son normalmente impracticables. Las mejores aproximaciones de conformado son el fundido cerca de la forma final, mecanizado o conformado térmico localizado en piezas fundidas especialmente preparadas. Cuando se requiere algo de deformación, se pueden usar condiciones recocidas más blandas y métodos de conformado en temperatura elevada, pero los diseñadores suelen preferir otras aleaciones forjadas para conformados extensos.
Comportamiento al Tratamiento Térmico
Cuando Mg está presente por encima de niveles umbral (AlSi10Mg), AlSi10 responde a secuencias clásicas de tratamiento térmico: tratamiento de solución a aproximadamente 520–540 °C disuelve fases portadoras de Mg y homogeneiza la microestructura, seguido de enfriamiento rápido y envejecimiento artificial (típicamente 150–200 °C) para precipitar Mg2Si y alcanzar niveles de resistencia T6 o T5. La red de silicio y partículas eutécticas gruesas limitan la resistencia máxima alcanzable comparado con aleaciones forjadas Al-Mg-Si, pero el tratamiento T6 mejora de forma confiable límite elástico y resistencia última para piezas fundidas y AM.
Las variantes como fundido y no tratables térmicamente dependen de la microestructura solidificada y posible endurecimiento por deformación para resistencia. Se emplean ciclos de recocido para aliviar tensiones residuales y ablandar el material para procesamiento limitado post-fundición, típicamente mediante recocido subcrítico o tratamientos de alivio de tensiones. El sobreenvejecimiento (T7) se usa para mejorar estabilidad dimensional y tenacidad en componentes que requieren resistencia a temperatura de servicio.
Los ciclos de solución y envejecimiento deben ajustarse cuidadosamente al tamaño de la sección de fundición y presencia de porosidad; enfriamiento lento o templado inadecuado dejan precipitados gruesos y reducen respuesta de endurecimiento. El prensado isostático en caliente (HIP) se usa frecuentemente antes del envejecimiento en componentes de alta integridad para cerrar porosidad interna y mejorar resistencia a la fatiga antes del templado final.
Comportamiento a Alta Temperatura
AlSi10 muestra pérdida progresiva de resistencia con el aumento de temperatura; los límites prácticos para servicio continuo suelen estar en el rango de 100–150 °C para aplicaciones estructurales, con exposiciones a corto plazo hasta ~200 °C posibles según el tratamiento. La microestructura rica en silicio proporciona mejor estabilidad dimensional a temperatura elevada que muchas aleaciones de aluminio más blandas, pero la resistencia endurecida por precipitación (si está presente) se degrada con la exposición térmica y el sobreenvejecimiento.
La oxidación en aire está limitada a la superficie debido a la capa protectora de Al2O3, por lo que las tasas de oxidación son pequeñas a temperaturas comunes de servicio, pero la exposición prolongada a temperaturas elevadas acelera el crecimiento de la microestructura y el ablandamiento. El comportamiento de la zona afectada por el calor durante soldadura o picos locales de temperatura puede mostrar fragilización o reducción de ductilidad debido al crecimiento del silicio y evolución de poros.
Aplicaciones
| Industria | Componente de Ejemplo | Por Qué Se Usa AlSi10 |
|---|---|---|
| Automotriz | Soportes de motor, colectores de admisión, carcasas | Excelente capacidad de fundición, aptitud para paredes delgadas, rendimiento térmico |
| Marina | Carcasas no estructurales, componentes de bombas | Buena resistencia a la corrosión atmosférica y capacidad de fundición para formas complejas |
| Aeroespacial | Soportes, conductos, carcasas de baja carga | Baja densidad y estabilidad dimensional para geometrías complejas en fundición o fabricación aditiva |
| Electrónica | Disipadores de calor, distribuidores térmicos | Buena conductividad térmica y facilidad para fabricar canales complejos de refrigeración |
| Fabricación Aditiva / Utillaje | Insertos con refrigeración conformada, prototipos | Alta fidelidad en SLM/EBM, microestructura fina, respuesta a tratamiento térmico posterior |
AlSi10 es preferido cuando se requieren piezas complejas prácticamente terminadas con requisitos térmicos y resistencia mecánica razonable. Su amplia adopción en fabricación aditiva y fundición a presión se debe a su microestructura repetible, buen comportamiento térmico y la capacidad de producir componentes ligeros de forma económica.
Aspectos para la Selección
Para una selección general, elija AlSi10 cuando la fundibilidad, el control dimensional y la conductividad térmica sean los factores principales de diseño, y cuando la geometría de la pieza favorezca la producción near-net-shape. Espere una resistencia estática moderada y una conformabilidad limitada; especifique condición T6 (si es variante AlSi10Mg) cuando se requiera mayor resistencia y se garantice control de porosidad para piezas críticas en fatiga.
En comparación con aluminio comercialmente puro (1100), AlSi10 sacrifica algo de conductividad eléctrica y térmica y formabilidad a cambio de una resistencia en estado fundido sustancialmente mayor y una mejor capacidad de fundición. En comparación con aleaciones endurecidas en frío como 3003 o 5052, AlSi10 generalmente ofrece mayor resistencia específica para fundición y facilita la producción de formas complejas a costa de conformado en frío limitado y tolerancia variable a la corrosión en ambientes clorurados agresivos. En comparación con aleaciones trabajadas y tratables térmicamente como 6061/6063, AlSi10 (especialmente variantes sin Mg) puede ofrecer menores resistencias máximas a la tracción pero mejor capacidad de fundición y comportamiento térmico, lo que lo convierte en la opción preferida para componentes fundidos o fabricados por aditivo incluso si la resistencia última es menor.
Resumen Final
AlSi10 sigue siendo una aleación de ingeniería relevante porque combina excelente capacidad de fundición y rendimiento térmico con propiedades mecánicas suficientes para muchas aplicaciones industriales, particularmente en fundición a presión y fabricación aditiva. Su química rica en silicio y procesamiento adaptable (fundición, tratamiento térmico, HIP, fabricación aditiva) brindan a los diseñadores un compromiso práctico entre manufacturabilidad y desempeño en servicio para componentes ligeros y complejos.