Reología y plastificación de las aleaciones ligeras en estado semisólido

Resum

El sector de automoción, que se caracteriza por ser altamente competitivo, lo que se traduce en una constante presión sobre los fabricantes para que éstos lancen al mercado productos cada vez más evolucionados sin un significativo aumento de coste y con restricciones medioambientales cada vez mas exigentes. Hay una relación directa entre las emisiones contaminantes y el consumo y es obvia la relación directa entre el comportamiento dinámico (seguridad y prestaciones) del vehículo y su peso. Así pues, uno de los objetivos estratégicos en automoción es el aligeramiento de los componentes del vehículo. La tecnología actual no es capaz de satisfacer todos estos requerimientos, sólo es posible mediante la ruptura tecnológica que supone conseguir nuevos procesos de transformación de materiales ligeros a bajo coste, obteniendo productos de altas prestaciones. Para ello es necesario un análisis crítico de la terna materiales-producto-proceso de las soluciones tecnológicas actuales, estudio realizado y donde se evidencian las debilidades de los procesos actuales. Desde el punto de vista de materiales, parece claro que por la diferencia de densidad, las aleaciones ligeras deben ser la primera opción en la búsqueda de esta ruptura tecnológica. Dentro de los procesos existentes, concluimos que, los que presentan mejores expectativas en la relación prestaciones-precio en componentes de altos requerimientos mecánicos, son los procesos de fundición. Analizados todos estos, no llegan a los objetivos que presenta este sector. Para poder conseguirles, se precisa una investigación con la que generar el conocimiento científico que constituya las bases de una posible ruptura tecnológica. Hemos puesto a punto un desarrollo experimental donde hemos correlacionado la defectología con las propiedades y las condiciones en los diferentes procesos de fundición. Utilizando nuevos códigos de simulación, validados gracias a la realización de numerosas pruebas y probetas en diferentes. En este estudio hemos concluido que los parámetros que determinan las prestaciones finales son la calidad de llenado (ausencia de inclusiones) y velocidad de solidificación (microestructura fina). - La primera se consigue disminuyendo la turbulencia de flujo, que puede conseguirse, disminuyendo la velocidad del frente de llenado o aumentando la viscosidad del material. - La calidad de solidificación se consigue con molde metálico refrigerado. Ambas calidades se conseguirían en un proceso de molde metálico refrigerado llenado con material de alta viscosidad, que son los procesos semisólidos. La investigación que aquí presentamos, relativa al comportamiento fluidodinámico de las aleaciones ligeras en fundición, se ha constituido en un pilar de nuestro conocimiento, siendo la precursora de una nueva línea y grupo de investigación en la Fundación Cidaut. La inyección semisólida se presentó como una alternativa revolucionaria en el sector de la Inyección, puesto que por primera vez no se cambiaban los parámetros de proceso, sino que se cambiaba el estado del material a inyectar. Esta razón hizo que la industria de fundición, fundamentalmente en los 90 se lanzara a la búsqueda frenética del "mejor proceso", patentando diferentes rutas para conseguir el material semisólido; sin un análisis científico en profundidad; análisis que hacían las Universidades, desconectadas de la problemática industrial. Esto dio lugar a un fracaso a nivel industrial y una pérdida de confianza en las posibilidades de estas tecnologías. En esta investigación hemos pretendido desarrollar el conocimiento científico que nos permitiría el dominio del procesado de estos materiales en estado semisólido y su posible aplicación en el sector de automoción. Se ha comenzado analizando los diagramas de fase y cómo éstos se ven modificados cuando las condiciones se alejan de las de equilibrio (calentamiento y enfriamiento no cuasi-estáticos; más próximos a las condiciones de proceso real). En este caso el porcentaje y la composición de la fase sólida son diferentes a las mostradas en el diagrama de equilibrio, lo cuál empieza a delatar la influencia de la ruta seguida para tener el material semisólido, sobre las propiedades de éste. Asimismo se ha estudiado cómo la velocidad de cizalla, que afecta al tamaño y forma de los glóbulos de fase sólida y sus aglomerados, y por tanto a la cantidad de fase líquida activa, influye de manera determinante en la viscosidad del material. Finalmente se han investigado las diferentes rutas existentes para conseguir material semisólido globular, concluyendo que la cizalla Mecánica es la más ventajosa por ser un proceso en un solo paso, sin posterior recalentamiento, sin oxidación y sin manipulación de material semisólido. El problema que se plantea en la agitación mecánica es que se desconoce la plastificación del material en el husillo, es decir, el comportamiento del material al ser sometido a cizalla y procesos de calentamiento o enfriamiento simultáneamente. Por lo tanto no se sabe como optimizar el diseño de la geometría en función de las variables de proceso. De aquí surge uno de los grandes objetivos de esta investigación, desarrollar un modelo de plastificación de las aleaciones ligeras en un husillo. Objetivo que se abordará en el capitulo 5. Previamente es necesario conocer la relación entre la variable clave en la Inyección Semisólida, la viscosidad, y los parámetros que influyen en ella; básicamente la cizalla y la temperatura. Esto constituye uno de los grandes hitos de esta investigación: el Comportamiento Reológico de las aleaciones ligeras. Cuando se inicia está investigación no se tiene constancia de ningún modelo consistente. Para su desarrollo es fundamental un equipamiento que permita investigar el comportamiento de las aleaciones ligeras en las condiciones reales de proceso. Solamente hemos encontrado en la bibliografía modelos con rangos de validez muy limitados, seguramente por la inexistencia de reómetros válidos para el espectro de las variables (velocidad de cizalla, viscosidad, temperatura) que se dan en los procesos de transformación de aleaciones ligeras en estado semisólido. Ante esta adversidad, hemos analizado en profundidad toda la problemática de la medida de la viscosidad de las aleaciones ligeras: los diferentes reómetros, sistemas de medida, y sobre todo el origen y corrección de las posibles fuentes de variabilidad y error. Gracias a ello, se ha conseguido descubrir la influencia del calor por disipación viscosa y la adiabaticidad sobre la temperatura de medida o la importancia de la corrosión del material del reómetro por el aluminio semisólido. También se ha minimizado la influencia de fenómenos como la capilaridad, el efecto de Weissenberg y el efecto de borde en los reómetros rotacionales, para finalmente medir el comportamiento pseudoplástico y tixotrópico de las aleaciones ligeras en estado semisólido. Finalmente, se ha conseguido obtener un procedimiento de ensayo y medida que relaciona las magnitudes reológicas, permitiéndonos obtener el primer modelo reológico basado en el modelo matemático de Carreau Yasuda que describe el comportamiento del material en todo el rango de cizalla utilizado en procesos semisólidos que considera a la vez el efecto de la velocidad de cizalla y de la fracción sólida, poniendo de manifiesto la relación directa de esta magnitud con la viscosidad. Finalmente, se han analizado otros fenómenos necesarios para el estudio de la plastificación, como es el tiempo de cizalla necesario para conseguir estructura globular o la corrección del mapa de viscosidad si el material de entrada es sólido en granza. Cubierto este objetivo, se desarrolla un modelo de plastificación de las aleaciones ligeras en estado semisólido en husillos. Para ello, se divide el husillo en varios tramos, cada uno de los cuáles constituye un volumen de control sobre el que se aplican las ecuaciones de conservación de la masa y de la energía, obteniendo una serie de ecuaciones que después de procesos iterativos, predicen las propiedades del material a la salida de cada volumen de control. Gracias al modelo de plastificación desarrollado, se ha determinado la gran importancia que tiene la contrapresión en la plastificación de las aleaciones ligeras, detectándose como ésta produce un perfil de velocidades del material en el husillo que facilita la separación de fases e imposibilita la cizalla y el arrastre de la fase sólida hacia la cámara de acumulación. Su estudio nos ha permitido concluir que en el caso de las aleaciones ligeras, las dimensiones de los husillos convencionales, no ofrecen suficiente cizalla para obtener fase sólida globular. Finalmente todo el modelo se ha implementado en un programa informático que calcula, en función de la geometría del husillo y de las variables operativas, si existe riesgo de material no cizallado y las propiedades del material. Como conclusión, el objetivo que se ha conseguido en esta Tesis es: Generar el conocimiento necesario para poder procesar piezas de alta calidad en aleaciones ligeras en estado semisólido. Para ello hemos desarrollado el primer modelo reológico que cubre el espectro de proceso de aleaciones ligeras en estado semisólido, un modelo de plastificación adecuado a él, una metodología de diseño de husillo de plastificación, así como la herramienta de cálculo predictivo necesaria.