Aluminio AlSi12: Composición, Propiedades, Guía de Tratamientos Térmicos y Aplicaciones
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Resumen Integral
AlSi12 pertenece a la familia aluminio-silicio y se clasifica entre las aleaciones coladas de Al-Si, en lugar de la serie laminada 1xxx–7xxx; comúnmente se referencia bajo designaciones de fundición en lugar de los números de la serie laminada. La aleación contiene nominalmente aproximadamente 11–13% de silicio con niveles residuales de hierro, manganeso, cobre y elementos traza como titanio y cromo, usados para el refinamiento de grano y control de propiedades.
El mecanismo predominante de fortalecimiento para AlSi12 es microestructural: una fase de silicio cercana al eutéctico distribuida en una matriz de aluminio proporciona rigidez inherente y resistencia al desgaste. AlSi12 no es una aleación laminada clásica endurecible por precipitación (tratamiento térmico); las mejoras en propiedades mecánicas se obtienen mediante el control de la morfología del silicio (modificación, esferoidización) y tratamientos térmicos limitados, más que por procesos de envejecimiento impulsados por Mg/Cu.
Las características clave incluyen excelente fluidez para fundición, baja contracción por solidificación, buena estabilidad dimensional en forma fundida y una resistencia razonable a la corrosión debido a la película protectora de óxido de aluminio. La aleación exhibe resistencia a la tracción moderada, elongación modesta en estado fundido y buena conductividad térmica en comparación con otras aleaciones para fundición. Las industrias típicas que utilizan AlSi12 son la automotriz (componentes de motor por colada a presión, carcasas), maquinaria industrial (cuerpos de bomba, carcasas de válvulas), hardware marino y algunas aplicaciones de gestión térmica.
Los ingenieros eligen AlSi12 cuando se priorizan la capacidad de fundición, la baja contracción y un equilibrio entre resistencia y conductividad térmica sobre las máximas resistencias a la tracción. Su contenido de silicio lo hace atractivo para fundiciones complejas de paredes delgadas y componentes que requieren buenas características de desgaste y estabilidad durante ciclos térmicos.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Conformabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| F (Estado fabricado) | Bajo–Medio | Bajo–Medio | Limitada | Moderada | Condición típica fundida a presión o en molde de arena |
| O (Recocido) | Bajo | Medio–Alto | Mejorada | Buena | Alivio de tensiones/recocido para mejorar ductilidad y reducir tensiones residuales |
| T5 | Medio | Bajo | Limitada | Moderada | Enfriado desde la fundición y envejecido artificialmente para estabilización de propiedades |
| T6 | Medio–Alto | Bajo | Limitada | Moderada | Tratamiento de solución + envejecimiento artificial que puede esferoidizar el Si e incrementar la resistencia modestamente cuando la química lo permite |
| T4 (solucionado) | Medio | Bajo–Medio | Limitada | Moderada | Tratamiento de solución con envejecimiento natural; usado selectivamente tras modificación |
| H14 (endurecido por deformación) | No típico | No típico | No típico | No típico | El endurecimiento por deformación generalmente no es aplicable a AlSi12 fundido; incluido para referencia |
El temple influye fuertemente en el desempeño de AlSi12 porque la morfología del silicio y los defectos de fundición son los principales determinantes de las propiedades. Tratamientos térmicos como solución y envejecimiento artificial (T6/T5) pueden refinar la distribución de partículas de silicio y reducir la microsegregación, produciendo cambios modestos en resistencia o ductilidad respecto al estado fundido.
La selección práctica del temple depende de la vía de fundición y función de la pieza; el recocido y envejecimiento controlado se utilizan para mejorar la maquinabilidad y reducir tensiones internas, mientras que los enfoques agresivos termomecánicos usados en aleaciones laminadas no son generalmente aplicables para fundiciones de AlSi12.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | 11.0–13.0 | Elemento principal; controla estructura eutéctica, fluidez y resistencia al desgaste |
| Fe | 0.3–1.3 | Impureza común; aumento de Fe fomenta intermetálicos que fragilizan y reducen ductilidad |
| Mn | 0.1–0.6 | Controla morfología de intermetálicos de Fe; mejora fundibilidad y propiedades mecánicas |
| Mg | 0.05–0.5 | Puede estar en trazas o cantidades pequeñas; permite cierto endurecimiento por precipitación si está en cantidad suficiente |
| Cu | 0.05–0.5 | Generalmente bajo; aumento de Cu eleva resistencia pero reduce resistencia a la corrosión |
| Zn | 0.05–0.5 | Traza; típicamente residual y controlado para evitar fisuras por fragilización en caliente |
| Cr | 0.05–0.25 | Aditivo menor para control de estructura y retener Fe en fases benignas |
| Ti | 0.02–0.20 | Refinador de grano usado para controlar la estructura del grano primario del aluminio |
| Otros | Resto Al con impurezas traza | Elementos residuales (Ni, Pb, Sr de modificación) controlados para cumplir desempeño de fundición |
El silicio es la palanca principal de desempeño en AlSi12: reduce el rango de fusión, aumenta fluidez y disminuye contracción, además de aportar resistencia al desgaste debido a partículas duras de Si. Hierro y manganeso controlan fases intermetálicas perjudiciales formadas durante la solidificación. Elementos traza como Ti y Sr se usan para refinar granos y modificar la forma del silicio, pasando de laminar a fibroso o esferoidal, mejorando la tenacidad y maquinabilidad.
Propiedades Mecánicas
Las coladas de AlSi12 exhiben un comportamiento tensil dominado por la morfología del silicio eutéctico y la calidad de fundición (porosidad, contracción y velocidad de solidificación). La resistencia en estado fundido es moderada y la elongación limitada; las propiedades direccionales en fundiciones pueden variar con el espesor de la sección debido a gradientes de solidificación. La resistencia puede aumentar modestamente por tratamiento de solución y envejecimiento cuando se modifican adecuadamente química y microestructura.
El límite elástico suele ser más bajo que en aleaciones laminadas endurecibles por tratamiento térmico de alta resistencia; sin embargo, la aleación ofrece desempeño estable en diferentes técnicas de fundición cuando se controla adecuadamente la contracción y porosidad. La dureza se correlaciona con la distribución de partículas de silicio: Si fino y esferoidizado brinda mayor tenacidad y ligeramente menor dureza superficial que el silicio grueso y en forma de lámina.
El desempeño a fatiga en AlSi12 es sensible a defectos de fundición como porosidad gaseosa e inclusiones de óxido, que actúan como sitios de iniciación; fundiciones sanas con mínimos defectos pueden lograr una vida a fatiga respetable para componentes rotativos no críticos. El espesor de sección afecta la velocidad de enfriamiento y por ende la morfología del silicio: las secciones delgadas enfrían rápido produciendo microestructura más fina y mayor resistencia que las secciones gruesas que enfrían lentamente formando silicio más grueso.
| Propiedad | O/Recocido | Temple Clave (T6/T5) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (UTS) | 90–140 MPa (típico) | 150–240 MPa (típico, depende de aleación y proceso) | Amplios rangos debido a método de fundición, control de porosidad y modificación microestructural |
| Límite elástico (0.2% desviación) | 40–90 MPa | 100–170 MPa | Mejora del límite tras solución y envejecimiento es modesta respecto a aleaciones con alto Mg/Cu |
| Elongación | 2–10% | 1–6% | La ductilidad disminuye tras envejecimiento; las fundiciones de pared delgada muestran mayor elongación |
| Dureza (Brinell) | 35–70 HB | 60–110 HB | La dureza aumenta con Si fino y tratamiento térmico; valores dependen de sección y procesamiento |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | 2.68 g/cm³ | Densidad típica para aleaciones coladas Al-Si; ligeramente mayor que aluminio puro por el contenido de silicio |
| Rango de fusión | ~577–600 °C | Aleación cercana al eutéctico con punto de fusión bajo respecto al Al puro; reacción eutéctica cerca de ~577 °C |
| Conductividad térmica | ~110–140 W/m·K | Menor que el aluminio puro pero aún adecuada para disipación de calor en componentes fundidos |
| Conductividad eléctrica | ~30–40% IACS | Reducida respecto al aluminio puro debido a la dispersión por silicio e intermetálicos |
| Calor específico | ~0.88–0.92 kJ/kg·K | Cercano al aluminio puro; útil para cálculos de masa térmica |
| Coeficiente de expansión térmica | ~21–24 µm/m·K | Coeficiente ligeramente inferior al Al puro en algunos estados tratados térmicamente por el contenido de Si |
Las propiedades físicas de AlSi12 lo hacen atractivo para componentes donde la gestión térmica o la estabilidad dimensional durante ciclos de calentamiento/enfriamiento es importante. El menor punto de fusión y buena fluidez facilitan la producción de geometrías complejas de paredes delgadas con buen llenado del molde.
La conductividad eléctrica se reduce en comparación con el aluminio puro y debe considerarse cuando se requiere un rendimiento eléctrico. La densidad y el calor específico son similares a otras aleaciones de aluminio fundido, lo cual es beneficioso para aplicaciones estructurales livianas y térmicas.
Formas de Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento de Resistencia | Templados Comunes | Observaciones |
|---|---|---|---|---|
| Piezas fundidas en arena | Espesores de pared 3–50 mm | Variable; microestructura más gruesa en secciones gruesas | F, O, T5 | Usado para componentes grandes y complejos; microestructura controlada por tasa de enfriamiento |
| Fundición a presión (molde permanente) | Paredes delgadas 1–10 mm | Mayor resistencia debido al enfriamiento rápido; Si fino | F, T5, T6 | Común para carcasas automotrices y piezas de precisión |
| Fundición por gravedad / molde permanente | 2–20 mm | Resistencia y acabado superficial intermedios | F, T5, T6 | Buena repetibilidad y propiedades mecánicas para series de producción medianas |
| Pomelos de arena / lingotes | Variable | Materia prima base | F | Materia prima en bruto o material re-melt para fundiciones |
| Barra / Varilla fundida | Diámetros hasta 200 mm | Similar a fundidos; forjado o laminado limitado | F, O | Usado para blanks de mecanizado y algunas piezas estructurales pequeñas |
Las diferentes formas de producto surgen según la aplicación prevista y las tolerancias mecánicas/geométricas requeridas. La fundición a presión produce la microestructura más fina y el mejor control dimensional, siendo adecuada para piezas automotrices de paredes delgadas y producción en volumen alto. La fundición en arena tolera secciones más grandes y geometrías internas complejas, pero requiere un control cuidadoso de defectos.
La forma de suministro afecta el procesamiento secundario: las piezas fundidas a presión normalmente requieren menos margen para mecanizado y tienen mejor acabado superficial, mientras que las piezas fundidas en arena pueden necesitar más mecanizado y tratamiento térmico para alcanzar las tolerancias deseadas.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Observaciones |
|---|---|---|---|
| AA | AlSi12 (fundición) | EE.UU. | Designación genérica para fundición Al-Si con ~12% Si |
| EN | EN AC-AlSi12 / AlSi12 | Europa | Designación estandarizada para fundiciones (anteriormente AlSi12); el grado EN suele incluir “F” para condición de fundición |
| JIS | ADC12 (similar) | Japón | ADC12 es ampliamente usado en fundición a presión y es cercano en composición, pero frecuentemente contiene niveles mayores de Cu y Zn |
| GB/T | AlSi12 | China | Norma china para aleaciones Al-Si para fundición en general equivalente; las tolerancias de composición pueden variar |
Las diferencias sutiles entre grados regionales están principalmente en los niveles permitidos de Cu, Zn y elementos traza, así como en los niveles de hierro y manganeso permitidos. ADC12 (JIS) suele presentar mayor contenido de cobre para mejorar propiedades mecánicas en fundiciones a presión, sacrificando algo de resistencia a la corrosión. EN AC-AlSi12 tiende a estar controlado para bajo Fe y se especifica ampliamente para fundiciones de alta calidad en Europa.
Resistencia a la Corrosión
AlSi12 exhibe buena resistencia general a la corrosión atmosférica debido a la formación de una película protectora de óxido de aluminio. En ambientes neutros y poco agresivos la aleación se comporta bien, pero puede ocurrir disolución anódica localizada en defectos de fundición, porosidad o donde existan fases intermetálicas. El acabado superficial y los sistemas de pintura sellante mejoran substancialmente el desempeño a largo plazo en ambientes expuestos.
En ambientes marinos y con presencia de cloruros, la aleación puede sufrir corrosión por picaduras y en racimos, especialmente donde defectos o superficies rugosas retienen medios corrosivos. El contenido relativamente bajo de cobre en AlSi12 típico mejora la resistencia a la corrosión por tensión en comparación con aleaciones ricas en Cu, pero los diseñadores deben considerar las interacciones catódicas/anódicas al unir con metales más nobles.
La fisuración por corrosión bajo tensión no es un modo de falla mayor para AlSi12 debido a su contenido limitado de solutos que provocan fragilización intergranular, pero la corrosión-fatiga combinada con defectos de fundición puede causar fallas prematuras en ambientes marinos o industriales cíclicos. Las interacciones galvánicas con aceros y aleaciones de cobre deben mitigarse mediante barreras aislantes o márgenes de corrosión adecuados para evitar ataques acelerados.
En comparación con aleaciones forjadas marinas de la serie 5xxx, AlSi12 presenta menor tenacidad intrínseca y es más sensible a defectos de fundición, pero ofrece ventajas en fundibilidad y estabilidad dimensional para formas complejas. Los diseñadores deben evaluar la exposición ambiental y la integridad de la fundición al seleccionar AlSi12 para aplicaciones en servicio corrosivo.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
La soldadura de fundiciones AlSi12 es factible con procesos TIG y MIG cuando se usan aleaciones de aporte apropiadas y preparación previa. Llanas de aluminio-silicio como ER4043 (Al-5Si) y ER4047 (Al-12Si) se recomiendan comúnmente para igualar contenido de silicio del metal base y reducir el riesgo de fisuras por contracción. El precalentamiento y desgasificación se utilizan frecuentemente para reducir porosidad por hidrógeno; sin embargo, la soldadura puede modificar localmente la morfología del silicio en la zona afectada térmicamente (ZAT) y generar concentraciones de tensión y contracción que requieren tratamiento térmico posterior o rectificado para eliminar defectos.
Mecanizado
La mecanización de AlSi12 es generalmente buena para un aluminio fundido, pero las partículas duras de silicio aceleran el desgaste abrasivo de herramientas en comparación con aluminio puro. Se recomienda herramienta de carburo con recubrimientos de nitruro de titanio o similares y geometría positiva para mecanizado a alta velocidad; el control de viruta es típicamente aceptable pero la vida útil de la herramienta debe monitorearse en corridas largas. Los parámetros de mecanizado deben considerar el espesor de sección y variaciones locales de dureza causadas por la morfología del silicio e historial de tratamiento térmico.
Formabilidad
La conformabilidad de AlSi12 es limitada porque la aleación se usa típicamente en forma fundida y tiene baja ductilidad respecto a aleaciones de aluminio trabajadas. El doblado en frío o embutición profunda no es práctico para componentes AlSi12 fundidos típicos; en cambio, los diseñadores dependen del diseño del molde, núcleos e insertos para lograr la geometría requerida. Para mejorar la formabilidad, el procesamiento semi-sólido o la modificación a una microestructura de silicio esferoidizado mediante tratamiento térmico pueden mejorar la ductilidad local, pero no alcanzan la formabilidad de aleaciones trabajadas 5xxx o 6xxx.
Comportamiento de Tratamiento Térmico
AlSi12 no es una aleación primaria endurecible por precipitación de aluminio porque carece de cantidades significativas de magnesio y cobre para el endurecimiento clásico T6. No obstante, los tratamientos térmicos afectan la morfología del silicio y tensiones residuales. El tratamiento de solución a temperaturas cercanas a 520–540 °C seguido de un enfriamiento rápido puede homogenizar parcialmente la microestructura y esferoidizar las partículas de silicio; el envejecimiento artificial posterior (T5/T6) puede estabilizar la microestructura y aportar pequeñas mejoras de resistencia.
Para muchas fundiciones AlSi12, los tratamientos térmicos más valiosos son el recocido y la homogeneización para aliviar tensiones de fundición y reducir la microsegregación. Estos tratamientos mejoran la mecanizabilidad y disminuyen la incidencia de fisuras por calentamiento durante operaciones secundarias. Debido a que el endurecimiento por trabajo no es práctico para componentes fundidos, los diseñadores confían en el control microestructural, tratamientos térmicos y modificaciones de aleación (por ejemplo, tratamiento con Sr) para afinar las propiedades.
El control del proceso durante el tratamiento térmico es crítico: el sobreenvejecimiento o una solución inapropiada pueden coarsen el silicio y reducir la ductilidad, mientras que una desgasificación insuficiente o tasas de enfriamiento lentas pueden provocar porosidad retenida y pobre desempeño mecánico. Para aleaciones con pequeñas adiciones de Mg o Cu, los ciclos controlados de solución y envejecimiento aportan el mayor beneficio; de lo contrario, los tratamientos se enfocan en alivio de tensiones y optimización de la morfología del silicio.
Rendimiento a Alta Temperatura
A temperaturas elevadas, AlSi12 presenta pérdida progresiva de resistencia debido a la activación térmica que permite el movimiento de dislocaciones y el coarsening de características microestructurales. Las temperaturas prácticas de servicio suelen limitarse a menos de ~150–200 °C para aplicaciones estructurales, evitando así deformación por fluencia significativa y pérdida de rigidez. Exposiciones de corta duración hasta 250 °C son posibles para componentes térmicos no portantes, pero la fiabilidad mecánica a largo plazo se degradará.
El comportamiento a la oxidación es típico del aluminio: se forma un óxido estable que protege el material base, pero la formación y crecimiento de la capa de óxido puede degradar la resistencia térmica de contacto en aplicaciones de transferencia de calor. La zona afectada térmicamente generada por soldadura o tratamientos térmicos locales puede tener distribuciones alteradas de silicio que reducen localmente el rendimiento a alta temperatura y aceleran la fluencia o fisuración inducida por oxidación. Para componentes destinados a servicio a temperaturas elevadas, es esencial un diseño cuidadoso para minimizar concentraciones de tensión y evitar secciones delgadas en zonas portantes.
Aplicaciones
| Industria | Componente Ejemplo | Por qué se usa AlSi12 |
|---|---|---|
| Automotriz | Cajas de transmisión, carcasas de caja de cambios, cuerpos de válvulas | Excelente capacidad de fundición a presión y estabilidad dimensional para componentes complejos de paredes delgadas |
| Marina | Carcasas de bombas, fundiciones estructurales no críticas | Resistencia a la corrosión y fundibilidad para geometrías complejas |
| Aeroespacial y Defensa | Soportes, carcasas para estructuras no primarias | Buena relación resistencia-peso para componentes fundidos y buena estabilidad térmica |
| Maquinaria Industrial | Carcasas de engranajes, carcasas de rodamientos, cuerpos de válvulas | Baja contracción, buena resistencia al desgaste y resistencia mecánica adecuada |
| Electrónica / Gestión Térmica | Carcasas disipadoras y componentes de masa térmica | Conductividad térmica razonable combinada con capacidad para fundición compleja |
AlSi12 ofrece buen desempeño cuando las ventajas del proceso de fabricación por fundición (formas complejas, nervaduras integradas, paredes delgadas) superan la necesidad de la más alta resistencia a la tracción o una formabilidad extrema. Su combinación de precisión dimensional, conductividad térmica y resistencia adecuada lo hace ampliamente utilizado en componentes de fundición a presión de alto volumen y fundiciones medianas económicas.