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					                                         ANEXO B ARTÍCULO



     FABRICACIÓN DE UNA ALEACIÓN DE MAGNESIO- ALUMINIO- ZINC Y OPTIMIZACIÓN DE LAS
                   PROPIEDADES MECÁNICAS PARA APLICACIONES AERONÁUTICAS

                        Sabrina Agudelo M, Paula Cardona H, Emigdio Mendoza F.

           Facultad de Ingeniería Aeronáutica, Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, Colombia



Resumen

Este trabajoestá basadoen la fabricación una aleación de magnesio-Aluminio-Zinc y la optimización de las
propiedades mecánicas, por medio de diferentes ensayos, seguido de la fabricación, se realiza un proceso de
deformación volumétrica, ensayos de resistencia a la indentación, conductividad eléctrica y resistencia a la
corrosión, con el fin de conocer el impacto de estos en la aleación obtenida y posteriormente presentar
posibles aplicaciones en la industria aeronáutica.

Palabras claves: Aleaciones de magnesio, laminación, dureza.



Abstract

This study is basedalloy Magnesium-Aluminum-Zinc fabrication with and the mechanical properties
optimization, after fabrication we realized a volumetrically deformation process, hardness test, electrical
conductivity and corrosion, to we know impact of this process in obtain alloy and finally build possible
applications in aeronautic industries.

Keywords: magnesium Alloy, rolling, hardness




1. INTRODUCCIÓN
                                                            mecánicas de la aleación obtenida. Finalmente se
                                                            exhiben las posibles aplicaciones donde la
                                                            aleación se puede desempeñar acorde a sus
Las aleaciones de magnesio tienen como                      propiedades.
principales aleantes el aluminio y el zinc, el
aluminio genera endurecimiento por deformación
aumentando las propiedades mecánicas, y el zinc
mejora propiedades de corrosión [1,2]. Adicional a          2.   FABRICACIÓN DE LA ALEACIÓN
esto, debido a la baja densidad de estas
aleaciones, se convierte en un material atractivo
para aplicaciones aeronáuticas.                             Debido a que el magnesio se oxida a altas
                                                            temperaturas con el ambiente es indispensable
                                                            mitigar este fenómeno con una capa de fundentes
                                                            de menor densidad que el material a fundir, para
En el presente trabajo, se abordan cuatro partes            que ésta capa actué en el proceso como aisladora
donde se describe la metodología experimental               permitiendo la fusión sin oxido, los fundentes
que permite definir una metodología para la                 utilizados son cloruro de potasio, cloruro de
fabricación de una aleación de Mg-Al-Zn y un                magnesio, oxido de magnesio y fluoruro de calcio
proceso de deformación plástica que permite                 [3], el proceso de fusión consiste en Introducir
conocer el impacto del proceso en las propiedades           4.837 gr de magnesio en un crisol, recubriéndolo


                                                                                                         76
con la mezcla preparada de los fundentes. El           con Nital al 4%, para revelar la microestructuras
crisol se introduce a un horno para llevarlo a         de ambos materiales.
750°C en una hora con tiempo de sostenimiento
de 1:30 y Faltando tan solo 45 minutos para que el     Para realizar el análisis metalográfico por medio
proceso culmine, se le agrega 0.26 gr de aluminio      de la microestructura revelada después de la
y 0.151 gr de zinc.                                    preparación, es indispensable antes, hacer un
                                                       análisis de los respectivos diagramas de fase
Para obtener la composición química de la              Mg-Al y Mg-Zn. Como se muestra a continuación,
aleación obtenida se realizó un ensayo de              la siguiente figura:
fluorescencia de rayos x, los porcentajes de cada
uno de los materiales presente en la aleación se
muestran a continuación en la tabla 1.

Tabla 1. Composición química de la aleación
obtenida.

      ELEMENTO                PORCENTAJE
     Magnesio (Mg)               88.990
      Aluminio (Al)              6.300
        Zinc (Zn)                3.360
       Silicio (Si)              0.608
                                                       Figura 1. Diagrama de fase magnesio – Aluminio
       Sodio (Na)                0.280
                                                                             [4].
       Cloro (Cl)                0.200
       Potasio (K)               0.133
                                                       El diagrama de fase de Mg-Al indica como sobre
      Calcio (Ca)                0.047
                                                       la isopleta a una temperatura de 25°C, se
       Cobre (Cu)                0.030
                                                       observan dos fases, una fase β rica en magnesio
     Manganeso (Mn)                0.016
                                                       y una fase intermetálica rica en aluminio para
       Hierro (Fe)                 0.012
                                                       determinar el porcentaje de cada fase se utiliza la
       Níquel (Ni)                 0.007
                                                       regla de Gibbs; los resultados obtenidos se
       Cromo (Cr)                  0.004
                                                       observan en la tabla 2.

                                                       Tabla 2. Porcentaje de fases obtenidos a 25°C en
La tabla anterior muestra la presencia de varios       el diagrama de fase Mg-Al
elementos algunos de ellos con porcentajes más
significados que otros, a su vez también se                             Fase                   %
observa que el porcentaje del magnesio es de                  Fase β rica en magnesio         92.5
90%, aluminio 6% y zinc 3%. Esto significa que la
                                                              Fase intermetálica rica en
aleación obtenida es AZ63. De los elementos                                                   7.5
                                                                      Aluminio
adicionales que tiene la aleación, el porcentaje
más significativo es el silicio, porque para algunas
aleaciones no ferrosas el silicio permite la
formación de intermetálicos que promueve un            La figura 2 muestra el diagrama de fase Mg-Zn,
incremento en las propiedades mecánicas, el            cinco fases intermetálicas que presentan rangos
cloro, potasio y el calcio provienen de la             estrechos de homogeneidad, tres de estas son:
composición de los diferentes fundentes y los          MgZn – Mg2Zn3 - MgZn2, al no tener rangos de
demás elementos de impurezas en las materias           homogeneidad grandes se puede decir que los
primas utilizadas para el proceso de fusión.
                                                       límites de fase no han estado determinados [5].


3.   ANÁLISIS METALOGRÁFICO

Con el fin de revelar la microestructura del
material se efectúa un análisis metalográfico que
consiste en obtener una superficie de acabado
espejo; éste se logra mediante el uso de papeles
abrasivos y el paño, después se ataca la probeta



                                                                                                       77
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                                                                                              β
                                                                 Precipitados



                                                       Figura 3. Microestructura de la aleación obtenida,
 Figura 2. Diagrama de fase magnesio – zinc [6].       atacada químicamente con NITAL al 4% (la línea
                                                         roja indica la fase β, precipitados y eutécticos)


Sobre la isopleta para la aleación obtenida se
puede observar que en el diagrama de fase a una        En la figura 4 se observa la microestructura del
temperatura de 25°C se cuenta con la presencia         magnesio puro, con aparentes deformaciones
de dos fases; fase β rica en magnesio y otra fase      internas que pueden ser consecuencia de las
intermetálica rica en zinc, con la utilización de la   deformaciones plásticas en frio, el tamaño de
regla de Gibbs se hallaron los respectivos             grano es muy grande lo que indica que éste fue
porcentajes de cada fase se ven reflejados en la       colado a altas temperaturas.
tabla 3.

Tabla 3. Porcentaje de fases obtenidos a 25°C en
el diagrama de fase Mg-Zn.




                Fase                      %

      Fase β rica en magnesio           96.07
    Fase intermetálica rica en zinc      3.94
                                                                                          β


                                                         Figura 4. Microestructura de magnesio puro,
Todo este comportamiento mencionado de los             atacada químicamente con NITAL al 4% (la línea
respectivos diagramas de Mg-Al y Mg-Zn a                   roja indica se encuentra la fase β rica en
temperatura ambiente y sobre la isopleta, se                               magnesio)
observa en la figura 3, que exhibe la
microestructura con una fase primaria β, esta
corresponde a la matriz de magnesio con la             4.   PROCESO DE LAMINACIÓN PARA LA
presencia de precipitados que aumentan las                  ALEACIÓN DE MAGNESIO OBTENIDAY EL
propiedades mecánicas y partículas eutécticas               MAGNESIO PURO.
variables en tamaño y forma,      dispersados
heterogéneamente [7].
                                                       El procedimiento de laminación se realizó en frio,
                                                       las muestras utilizadas para este procedimiento
                                                       tienen dimensiones de 2.5 cm de longitud, 0.53 cm
                                                       de ancho y 0.3 de espesor para el magnesio puro
                                                       y 2.3 cm de longitud, 0.51 cm de ancho y 0.31 cm
                                                       de espesor para la aleación de magnesio, en este



                                                                                                       78
procedimiento se busca reducir el espesor de
ambas láminas alterando las medidas del área
                                                                                                    β
transversal, mediante fuerzas de compresión, que
son generadas por el paso entre dos rodillos del                      Precipitados
laminador, para así obtener una mejora de
propiedades.

Las fuerzas requeridas para mover los rodillos del
laminador se ven reflejadas en la siguiente tabla.                                              Eutéctico
                                                                                                o

Tabla 3. Fuerza aplicada para la laminación.
                                                            Figura 5. Microestructura de la aleación después
                                                                de la deformación volumétrica, atacada
               ALEACIÓN                                             químicamente con NITAL al 4%
                                  MAGNESIO PURO
               OBTENIDA
               N         Kgf        N        Kgf           La figura 5 indica la presencia de eutécticos y de
 Fuerza      5283.2     539.1     2773.68   283.03         precipitados como lo mostro la microestructura
                                                           antes del proceso de deformación volumétrica,
                                                           pero se observa alargamiento de granos, en la
                                                           dirección en que fue llevada a cabo la laminación.
La tabla 4 muestra claramente la diferencia de
espesores del material después del proceso de
laminación, con esta se halla y la longitud de
                                                           5.      ENSAYOS DE DUREZA Y MICRO-DUREZA
contacto entre los rodillos y el material.


Tabla 4. Reducción de espesor (d) y longitud de                    5.1. Micro-dureza Vickers
contacto después de la laminación.
                                                           Este ensayo se realiza con una carga aplicada de
                   ALEACIÓN OBTENDIA MAGNESIO PURO         100 grf, con un tiempo de carga de 5 segundos y
    d (mm)                1.1                   1          un tiempo de sostenimiento de 11 segundos, se
    L (mm)                5.23                4.98         realizó tanto a la aleación de magnesio obtenida
                                                           como al magnesio puro utilizado para la
                                                           fabricación de la aleación [8].
A continuación la tabla 5 muestra los resultados
del momento de torsión y la potencia requerida
para el proceso de laminación
                                                            Tabla 6. Micro-dureza Vickers antes y después
                                                           de la laminación del magnesio y la aleación
                                                           obtenida
Tabla 5. Momento de torsión & potencia.

                                                         MICRO-
                   ALEACIÓN OBTENIDA    MAGNESIO PURO    DUREZA         ANTES DE LAMINACIÓN     DESPUÉS DE LAMINACIÓN
  T (N-mm)             13815.57             6906.46      VICKERS
    P (Hp)               0.046               0.023
                                                                                                MAGNESI
                                                                                     ALEACIÓN               ALEACIÓN
                                                                       MAGNESIO                    O
                                                        MUESTRA                      OBTENIDA               OBTENIDA
                                                                      PURO (HR15T)               PURO
                                                                                      (HR15T)                (HR15T)
4.1 Metalografía de la aleación después del                                                     (HR15T)
proceso de deformación volumétrica.                        1              34.1         57.4       47.2        87.6
                                                           2              34.1         63.8       45.2        83.6
                                                           3              34.4         56.9       41.7        87.4
                                                           4              34.0         59.3       46.8        87.4
                                                           5              42.6         62.7       52.6        84.7

                                                        PROMEDIO         35.84        60.02       46.7       86.14

                                                                                                                     79
Aunque ambos materiales arrojaron resultados               6.   DENSIDAD
favorables, la aleación obtenida presenta mejores
valores de dureza que el magnesio puro antes y             La densidad experimental y teórica de la aleación
después de la laminación.                                  de magnesio obtenida, se presentan a
                                                           continuación:

                                                            Tabla 8. Densidad experimental y teórica de la
       5.2. Dureza superficial Rockwell                    aleación


                                                                                                       ALEACIÓN
                                                                             PROPIEDADES               MAGNESIO
En este ensayo se utiliza un indentador esférico
de diámetro pequeño, (1.588 mm), según la norma                      Densidad teórica [g/ cm3 ] [11]     1,8
(E18 ASTM), la carga aplicada es de 147.1 N,
                                                                    Densidad experimental [g/ cm3]       1,78
Esta    prueba    será    empleada    para     la
caracterización de la aleación de magnesio
obtenida y el magnesio puro [9].                           Debido a que la aplicación que se le dará a la
                                                           aleación de magnesio es en el sector aeronáutico,
                                                           se busca reemplazar las aplicaciones de
Tabla 7. Dureza Rockwell antes y después de la
                                                           aleaciones de aluminio con las aleaciones de
laminación del magnesio y la aleación obtenida
                                                           magnesio, por esto; la densidad es una
                                                           característica importante, ya que es determinante
                                                           en el peso.
 DUREZA
ROCKWELL
             ANTES DE LAMINACIÓN   DESPUÉS DE LAMINACIÓN   Haciendo una comparación de densidades de las
                                                           aleaciones de magnesio y de aluminio, se observa
            MAGNESIO    ALEACIÓN   MAGNESIO    ALEACIÓN
                                                           que la densidad de la aleación de magnesio es
MUESTRA       PURO      OBTENIDA     PURO      OBTENIDA                               3
             (HR15T)     (HR15T)    (HR15T)     (HR15T)
                                                           menor, siendo de 1.78 g/cm y la de las aleaciones
                                                                                    3
   1          25.9         50.3      41.5        65.8      de aluminio de 2.7 g/cm , demostrando así que
   2           30          50.9      44.1        64.3      piezas fabricadas con aleaciones de magnesio
   3          28.8         50.3      44.7        72.3      son más ligeras que las fabricadas en aleaciones
   4          27.7         41.3      42.4        66.9      de aluminio [12].
   5          26.3         48.9      40.3        69.0

PROMEDIO      27.74       48.34      42.6       67.66
                                                           7.   CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA

                                                           La medición de la conductividad eléctrica consiste
En esta tabla se observa que la aleación presenta          en encontrar la resistencia eléctrica de ambos
valores de dureza más elevados que el magnesio             materiales,       al conocer la resistencia de la
puro, esto es satisfactorio ya que indica que solo         lámina de magnesio puro de dimensiones 0.014
teniendo la aleación aún sin realizarle un proceso         m de longitud, 0.0025 m de espesor y 0.008 m de
o tratamiento térmico se está incrementando la             ancho y de la lámina de la aleación obtenida con
resistencia al desgaste por aumento de dureza,             dimensiones 0.014 m de longitud, 0.0023 m de
una vez realizada la laminación el promedio de             espesor y 0.008 m de ancho; se halla la
dureza tanto del magnesio puro, como de la                 resistividad del material; una vez se encuentre, se
aleación aumentan, pero aún sigue teniendo                 obtiene la conductividad que es la inversa de la
valores más altos la aleación. Esto afirma, la             resistividad.
teoría que dice que todo proceso de deformación
plástica tiene como objetivo mejorar las
propiedades mecánicas de los materiales [10].




                                                                                                                80
Tabla 9. Variables medidas en las probetas              Tabla 10. Datos iniciales para el análisis de
rectangulares para la medición de conductividad         corrosión
eléctrica
                                                          CARACTERISTICAS              ALEACIÓN
                                                                                                           MAGNESIO PURO
                                 ALEACIÓN    MAGNESIO                                  OBTENIDA
       CARACTERISTICAS           OBTENIDA     PURO        Longitud inicial (m)          0.0141                 0.014
         Longitud (m)             0.0141       0.014
                                                          Espesor inicial (m)           0.0023                 0.0025
          Espesor (m)             0.0023      0.0025

          Ancho (m)               0.008        0.008       Ancho inicial (m)             0.008                 0.008
 Resistencia del material (µΩ)     113          55          Área inicial del                     -4                    -4
                                                                                       1.128x10               1.12x10
     Área del material (m2)      1.84x10-5    2x10-5        material (m2)

                                                          Densidad (g/ cm3)              1.78                   1.74




Con los valores indicados anteriormente se obtuvo       Tabla 11. Variables después del proceso de
                                                   -8
que la resistividad del magnesio es de 7.85x10          corrosión
                                               -7
Ωm y la de la aleación obtenida de 1.47x10 Ωm
esto indica que la aleación se resiste más al paso             CARACTERISTICAS            ALEACIÓN
                                                                                                            MAGNESIO PURO
                                                                                          OBTENIDA
de la corriente eléctrica y por consiguiente la
                                                               Longitud final (m)           0.012                0.014
conductividad de la aleación será menor que la
                                                                Espesor final (m)          0.0018               0.0024
del        magnesio       puro,       rectificándolo
                                                                 Ancho final (m)           0.0066                0.007
matemáticamente la conductividad de la aleación              Área final del material                  -5
               6
es de 6.7x10 S/m y la del magnesio puro de                                                7.92x10               9.8x10-5
                                                                      (m2)
        6
12.7x10 S/m. Esto se atribuye a la obstrucción                 Densidad (g/ cm3)            1.78                 1.74
que se presenta por los elementos aleantes que                Masa después de la
                                                                                             200                  400
actúan como barreras, reduciendo el paso de la                  corrosión(mg)
                                                                    t (horas)                240                  240
corriente.
                                                                K (constante de
                                                                                            87.6                 87.6
                                                                   magnitud)

8.   CORROSIÓN
                                                        Conociendo que la aplicación de la aleación de
Este proceso se realizó con una lámina de
                                                        magnesio obtenida se ubicara en el campo
magnesio puro de dimensiones 0.014 m de
                                                        aeronáutico, la corrosión debe ser un factor
longitud, 0.0025 m de espesor y 0.008 m de ancho
                                                        controlable, pues      esta se presenta por la
y una la lámina de la aleación obtenida con
                                                        interacción de las piezas y el entorno donde estará
dimensiones 0.014 m de longitud, 0.0023 m de
                                                        usado. Ante esto es importante conocer la
espesor y 0.008 m de ancho, se introducen en un
                                                        velocidad de corrosión para poder tomar medidas
recipiente de vidrio con una solución de salmuera
                                                        correctivas que eviten fallas abruptas.
con una composición de 100 ml de agua por 3 gr
de sal.

Cada una de las probetas después de la inmersión        Tabla 12. Velocidad de corrosión de la aleación de
en las soluciones corrosivas, serán evaluadas           magnesio obtenida y magnesio puro.
ópticamente y luego se medirá la pérdida o
ganancia de masa durante el proceso corrosivo.
                                                                                       ALEACIÓN              MAGNESIO
                                                                                       OBTENIDA               PURO
                                                        Velocidad de
                                                                                        0.518x106             0.856x106
                                                        corrosión (mm/año)




                                                                                                                            81
La tabla 12 muestra que la velocidad de corrosión     La deformación plástica aumenta la resistencia a
                                                6
de la aleación del magnesio es 0.518x10               la indentacion, tanto en el magnesio puro como a
                                         6
mientras la del magnesio es 0.856x10 , estos          la aleación, pero en mayor proporción a la
                                                      aleación.
valores indican que el magnesio se corroe más
rápido en comparación con la aleación de              El magnesio puro y la aleación tienen
magnesio                                              comportamiento eléctrico similar, ambos son
                                                      conductores permitiendo fácilmente el paso de
                                                      corriente, pero el magnesio puro en mayor
                                                      proporción.
                                                      La composición química de la aleación obtenida
9.   APLICACIONES
                                                      indica el grado de impureza de los elemento
                                                      aleantes o la mezcla de los fundentes con la
                                                      aleación, ya que esta muestra la presencia de
La aleación de magnesio será aplicada en las          elementos diferentes al Mg-Al-Zn en pequeñas
uniones permanentes, específicamente            los   cantidades.
remaches ya que éstos se fabrican de diferentes       La aleación de Mg-Al-Zn obtenida se debe aplicar
materiales y pueden utilizarse en piezas de           en piezas que resistan esfuerzos y que busquen
iguales o distintos materiales, con diferentes        reducción de peso.
espesores.
Los criterios para aplicar la aleación de magnesio
a las uniones mecánicas están basados en: la          REFERENCIAS
compatibilidad de los materiales que serán unidos
evitando que exista corrosión galvánica, ( para la    [1] B.LMordike, “Creep resistant magnesium
total seguridad de que no existirá corrosión          alloys” Mater Sci. Eng. A. 324 (1-2)(2002), 103-
galvánica entre las aleaciones de magnesio con        112.
las aleaciones de aluminio que son con las que
están construidas las pieles, se hace un
recubrimiento con vanadia que es usado para           [2]     Mathew         Philip,William Bolton,
proteger las aleaciones de magnesio, este             “Technology of engineering materials”.Linacre
proceso se basa en la investigación del Instituto     House, Jordan Hull, Oxford, OX2 5DP
Max Planck (MPI) que usa la vanadia como un
pre-tratamiento superficial anti-corrosivo para las   [3]      Metalurgia de los Metales no ferrosos,
aleaciones de magnesio ya que es una alternativa      Capitulo 15 Magnesio.
innovadora en comparación con los sistemas
existentes y disminuye la complejidad del sistema     [4]      Hugh     Baker“Binary     Alloy    Phase
de recubrimiento mediante un acabado en una           Diagrams” Metals Handbook, ASM international,
sola capa, mientras que al mismo tiempo reduciría     alloy phase diagrams, volume 3, ninth edition
los compuestos orgánicos volátiles. Además, la
facilidad de aplicación del tratamiento superficial   [5]     D.Kevorkov,         M.      Pekguleryuz,
de vanadia tiene como ventaja el bajo costo y un      “Experimental Study of the Ce-Mg-Zn phase
tiempo de aplicación corto [unos 10 min])[13], la     diaram at 350°c via diffusion couple techniques”.
baja densidad ya que la industria aeronáutica se      McGill   University,   Mining    and    Materials
busca reducción de peso para poder aumentar la        Engineering 3600 University street, Montreal,
cara paga y así reducir el consumo de                 Quebec, Canada, 2009.
combustible y por ende la reducción de CO2.
                                                      [6]      Chenglong Liu, YunchangXin, Guoyi
                                                      Tang, Paul k. Chu. “Influence of heat treatment on
CONCLUSIONES                                          degradation behavior of bio-degradable die-cast
                                                      AZ63 magnesium alloy in simulated body fluid”.
El proceso de fundición para la obtención de la       Department of physics and materials science, City
aleación Mg-Al-Zn requiere el acompañamiento          University of Hong Kong, Tat Chee Avenue,
obligatorio de atmosfera reductora o fundentes        Kowloon, Hong Kong. 7 December 2006.
que generen aislamiento del material con el
oxígeno.



                                                                                                     82
[7]       M. Masoumi, F. Zarandi, M. Pekguleryuz.
“Microestructure and texture studies on twin-roll
cast AZ31 (Mg-3wt. %Al-1wt.%Zn) alloy and the
effect of the thermomechanicalprecessing” . McGill
University, Materials Engineering, 3610 University,
Monterreal, QC, Canada H3A 2B2. (2011).

[8]       A. Iost, R. Bigot “Hardness of coatings”.
ENSAM/LMP/LSPES CNRS URA 234, 8
Boulevard Louis XIV, 59046 Lille Cedex,
France.1996. (en línea) Disponible en internet en
la dirección (on line)

[9]     Donald R. Askeland, “Ciencia e ingeniería
de los materiales”, Cuarta edición. Cap 6:
Propiedades    y   comportamiento     mecánico.
Pradeep P. Phulé.

[10] Groove, M. P. ¨Fundamentos de manufactura
moderna¨. Tercera Edición. Cap. 21: Deformación
volumétrica (masiva) en el trabajo de metales.
Graw Hill. Mexico D.F.

[11] Susan Housh and Barry Mikucki, Dow
Chemical U.S.A,      and Archie Stevenson,
Magnesium Elektro, Inc. ¨Properties of magnesium
alloys¨ Metals Handbook, ASM international, Vol 2,
tenth edition.


[12]      M.M Avedesian, Hugh Baker, ASM
international Handbook commite “Properties of
unalloyed     magnesium”  magnesium       and
magnesium alloys

[13]    Abdel Salam Hamdy, I. Doench, H.
Möhwald “Smart self-healing anti-corrosion
vanadia coating for magnesium alloys Original
Research Article Progress in Organic Coatings, In
Press, Corrected Proof”, articulopublicado 12 June
2011. (en línea)




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