Descripción general del artículo: Aleaciones de aluminio fundidas a presión sin tratamiento térmico para piezas estructurales de automóviles

1. Introducción

La aplicación comercial de las piezas fundidas a presión de aleación de aluminio se remonta a 1915. Después de un siglo de desarrollo, más de la mitad de las piezas fundidas de aleación de aluminio utilizan actualmente el proceso de fundición a presión. En la década de 1990, un caso representativo fue el chasis de carrocería totalmente de aluminio del Audi A8, que utilizaba piezas de fundición a presión de aleación de aluminio en las uniones clave de la carrocería. Presenta buena tenacidad sin sacrificar la resistencia. Por lo tanto, en comparación con las piezas de fundición a presión tradicionales, dichas piezas utilizan un proceso de fundición a presión de alto vacío para reducir los defectos de porosidad y, por otro lado, emplean una aleación de aluminio resistente y tenaz para obtener excelentes propiedades mecánicas integrales.

Durante mucho tiempo, la aleación de aluminio de fundición a presión más utilizada para piezas estructurales de fundición a presión al vacío de carrocerías ha sido la AlSi10MnMg. Las características de esta aleación consisten en controlar el bajo contenido de Fe y, al mismo tiempo, aumentar el contenido de Mn para mejorar el problema de adherencia. La baja relación Fe/Mn favorece la precipitación de una fase α-Al(Fe, Mn)Si de morfología china, estrellada o poliédrica, evitando la precipitación de la fase β-AlFeSi escamosa, lo que confiere una buena tenacidad. Como aleación de aluminio de fundición a presión tratable térmicamente, las propiedades mecánicas —con diferentes combinaciones de resistencia y tenacidad— se pueden obtener ajustando el contenido de Mg y el sistema de tratamiento térmico. Por ejemplo, la torre de choque y la caja de torsión de un determinado modelo de vehículo, fabricadas mediante fundición a presión al vacío, adoptan un contenido de Mg del 0,25 % al 0,35 %, combinado con tratamiento térmico T7, logrando un límite elástico ≥ 120 MPa, una resistencia a la tracción ≥ 180 MPa y un alargamiento tras fractura ≥ 10 %, así como un ángulo de flexión en frío ≥ 60°, cumpliendo con los requisitos del proceso de remachado autoperforante (SPR) y el rendimiento de seguridad en caso de colisión.

Sin embargo, con el rápido desarrollo de los vehículos de nueva energía, las piezas estructurales de automóviles están evolucionando hacia un diseño y una fabricación integrados, ligeros y de alta eficiencia —por ejemplo, aldabas de puerta de estampación en caliente de una sola pieza, carrocerías de fundición a presión de una sola pieza, bastidores auxiliares de fundición a presión de una sola pieza, etc. Para las piezas estructurales de fundición a presión al vacío, el tratamiento térmico de la aleación AlSi10MnMg puede provocar problemas de deformación y formación de ampollas en la superficie de las piezas, especialmente con la ampliación continua de las piezas de fundición a presión, lo que aumenta considerablemente la dificultad de conformado posterior y la tasa de desechos. Por lo tanto, por un lado, los materiales de aleación de aluminio de fundición a presión no tratados térmicamente se pueden utilizar directamente en estado de fundición para evitar los problemas mencionados, y por otro lado, también pueden reducir el costo de fabricación de las piezas. En los últimos años, su desarrollo y aplicación se han convertido progresivamente en un foco de investigación. En la actualidad, la investigación sobre aleaciones de aluminio fundidas a presión no tratadas térmicamente para piezas estructurales de automóviles se centra principalmente en dos categorías: las series Al-Si y Al-Mg. Este estudio se centra en el progreso de la investigación de estos dos tipos de aleaciones.

2. Aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente de la serie Al-Si

En la Tabla 2 se enumeran algunos nombres de aleaciones y sus composiciones químicas para piezas estructurales fundidas a presión no tratadas térmicamente. Desde la perspectiva del contenido de Si, se pueden dividir en dos categorías: alto contenido de silicio y bajo contenido de silicio. En comparación con las aleaciones de fundición a presión para tratamiento térmico, el contenido de Mg es significativamente menor e incluso puede ser nulo. Además, dichas aleaciones presentan las características comunes de las aleaciones de fundición a presión de alta resistencia y tenacidad: bajo contenido de Fe, alto contenido de Mn y adición de Sr para modificar el silicio eutéctico, etc.

La aleación Castasil 37, o AlSi9MnMoZr, es una aleación de fundición a presión no tratable térmicamente desarrollada por Rheinfeld. La aleación no contiene Mg, por lo que no presenta efecto de endurecimiento por envejecimiento, mientras que se añaden Mo y Zr para fortalecer por dispersión. El contenido de Si de la aleación es cercano al de la AlSi10MnMg, por lo que la tasa de contracción es básicamente la misma. Cuando el contenido de Mg varía, afecta el límite elástico y el alargamiento tras fractura del material fundido. Por lo tanto, se debe prestar atención al control del contenido de Mg en la producción. Las propiedades mecánicas y los efectos de diferentes contenidos de Mg se muestran en la Tabla 3. Sin embargo, según las investigaciones de Rheinfeld, el aumento del contenido de Mg afecta a la estabilidad térmica de las propiedades mecánicas de la pieza fundida, lo que significa que el límite elástico puede aumentar gradualmente durante el servicio en un entorno de temperatura determinado. Por lo tanto, Castasil 37 limita el contenido de Mg a un valor máximo del 0,06 %.

La aleación Aural 6, o 375.0, es una aleación fundida a presión no tratable térmicamente desarrollada por Magna Corporation. Su composición química es muy similar a la de Castasil 37, pero no contiene Mo ni Zr, sino que incluye una pequeña cantidad de Mg para obtener un cierto efecto de fortalecimiento. Por lo tanto, considerando el efecto del contenido de Mg sobre las propiedades de Castasil 37, también se debe prestar atención a la estabilidad térmica de las propiedades mecánicas de esta aleación.

La aleación C611 es una aleación fundida a presión sin tratamiento térmico desarrollada por Alcoa. Su contenido de Si es relativamente bajo, ya que el tratamiento térmico de solubilización puede mejorar la morfología del silicio eutéctico, y normalmente se puede tolerar un mayor contenido de Si para obtener una buena tenacidad. Sin embargo, en estado fundido no se puede superar el 8 % de Si, ya que, si bien la resistencia de la pieza mejora, el alargamiento tras fractura disminuye; por lo tanto, es más apropiado utilizar un menor contenido de Si para aleaciones no tratadas térmicamente. La aleación contiene una cierta cantidad de Mg, lo que significa que no es un material no tratado térmicamente en sentido estricto. El tratamiento térmico T5 o T85 (de recubrimiento y horneado) puede mejorar aún más el límite elástico, como se muestra en la Tabla 4.

La aleación Aural 5, o 374, es una aleación fundida a presión no tratable térmicamente desarrollada por Magna Corporation. Es básicamente similar a la C611. Randolf Scott Beals elaboró y estudió las ideas de diseño y las propiedades mecánicas de esta aleación en su patente, y realizó una comparación detallada con la C611. En comparación con la aleación de fundición a presión Aural 2 (para tratamiento térmico), la eliminación del proceso de solubilización, conformado y envejecimiento puede reducir el costo de fabricación. La buena plasticidad y la estabilidad natural del envejecimiento de la aleación después de la fundición y antes del horneado del recubrimiento pueden cumplir con los requisitos de conexión SPR de las piezas estructurales de carrocería, como se muestra en la Tabla 4. Al mismo tiempo, al igual que la C611, su resistencia mejora tras el recubrimiento y horneado, y también puede cumplir con los requisitos de estabilidad térmica de ciclo corto (1 h a 205 °C) y de estabilidad térmica a largo plazo (1000 h a 150 °C).

Por primera vez, Tesla utilizó una unidad de fundición a presión de 6000 t para fabricar la carrocería inferior trasera de fundición a presión integrada de aleación de aluminio en su modelo Model Y. El diseño altamente integrado e innovador de esta pieza también plantea mayores exigencias para las aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente. Stucki Jason describió el proceso de desarrollo de la nueva aleación en su patente. En primer lugar, se establecen requisitos de resistencia y tenacidad del material: el límite elástico y el ángulo de flexión en frío de la aleación objetivo en estado recién fundido deben ser superiores a 135 MPa y 24°, respectivamente, para cumplir con los requisitos de la pieza. Al mismo tiempo, debido al enorme tamaño de la pieza, también se requiere que la aleación tenga excelentes propiedades de fluidez. El estudio encontró que en condiciones de fundición a presión, cuando el contenido de Si supera el 6 %, aumentar aún más el Si no mejora significativamente la fluidez, pero incrementa la fase de silicio eutéctico y afecta la tenacidad. Por lo tanto, la aleación controla el contenido de Si para equilibrar fluidez y tenacidad. Generalmente, la adición de Cu puede aumentar la resistencia, pero reduce la ductilidad y la tenacidad. Mediante el control de la relación Cu/Mg para favorecer la precipitación de la fase AlCuMgSi en lugar de las fases Mg₂Si y Al₂Cu, se puede mejorar la resistencia sin causar una disminución importante de la ductilidad y la tenacidad. Además, se añade Sr para modificar la fase Si, y V para precipitar la fase esférica AlFeSi(Mn+V), lo que reduce la fase rica en hierro escamosa y favorece la tenacidad del material. Se tolera un mayor contenido de impurezas de Fe.

3. Aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente de la serie Al-Mg

En la Tabla 5 se enumeran las composiciones químicas de algunas aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente de la serie Al-Mg, aunque no se revelan algunos contenidos de elementos de nuevas aleaciones, por lo que las celdas correspondientes están en blanco. Se puede observar que se subdividen en Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si-Mn, Al-Mg-Fe, Al-Mg-Mn-Cu y otros tipos.

La aleación C446F, o 560, es una aleación de fundición a presión a base de Al-Mg no tratable térmicamente desarrollada tempranamente por Alcoa. Esta aleación se utilizó en el panel interior de la puerta del Nissan GT-R. El espesor de pared de la pieza es de unos 2 – 3 mm, y el peso de una sola puerta se reduce en 5,5 kg. La aleación presenta excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, debido a su amplio rango de temperatura de solidificación, la tendencia al agrietamiento en caliente durante la fundición a presión es muy alta. Por lo tanto, no es una opción adecuada para piezas complejas, especialmente aquellas con variaciones notables en el espesor de material. La Figura 1a muestra la evolución del contenido de fase líquida de la aleación Al-3,6Mg-1,2Mn-0,12Fe durante el enfriamiento, calculada mediante el software JMatPro, con temperatura de líquidus de 642,93 °C, temperatura de sólidus de 450 °C y un rango de solidificación de 193 °C.

La aleación A152/A153 es un nuevo tipo de aleación de fundición a presión desarrollada por Alcoa a partir de la C446F para mejorar el comportamiento frente al agrietamiento en caliente. Mediante la adición de una proporción adecuada de Si, el rango de temperatura de solidificación se puede reducir notablemente: como se muestra en la Figura 1b, la adición del 1,3 % de Si reduce el rango de solidificación a 43 °C, disminuyendo así considerablemente la susceptibilidad al agrietamiento en caliente. La aleación se desarrolló utilizando métodos de cálculo de materiales; se compararon y optimizaron los coeficientes de sensibilidad al agrietamiento en caliente de aleaciones con diferentes composiciones, y se empleó el índice de tendencia al agrietamiento en caliente para la verificación experimental. Un contenido de Si del 1,2 % al 1,6 % mejora significativamente el problema del agrietamiento en caliente, como se muestra en la Figura 2. La aleación se divide en dos calidades: A152 (bajo Mg) y A153 (alto Mg). La A152 alcanza un límite elástico de 150 MPa, una resistencia a la tracción de 265 MPa y un alargamiento tras fractura del 11 %; la A153 presenta una resistencia a la tracción de 280 MPa y un alargamiento del 9 %.

La aleación Magsimal 59, o AlMg5Si2Mn, es una aleación de fundición a presión no tratable térmicamente desarrollada por Rheinfeld. Además de mejorar el comportamiento frente al agrietamiento en caliente, la adición de Si también mejora la fluidez en el proceso de fundición, pero según datos empíricos, esta aleación aún presenta dificultades de colada, por lo que tiene poca aplicación en América del Norte y China, y se utiliza solo en algunas plantas de fundición a presión en Europa. Además, dado que sus propiedades mecánicas están estrechamente relacionadas con la velocidad de solidificación —es decir, con el espaciado de las dendritas α—, el espesor de pared tiene un mayor impacto en las propiedades mecánicas, como se muestra en la Tabla 6.

La aleación SJTU-Al-Mg-Si-Mn es una aleación de fundición a presión no tratada térmicamente desarrollada por la Universidad Jiao Tong de Shanghái. Su objetivo es mejorar el límite elástico manteniendo una buena tenacidad. En la aleación Al-Mg-Si-Mn, al aumentar el contenido de Mg, el límite elástico y el límite de fatiga aumentan, pero el alargamiento disminuye significativamente. Por lo tanto, al aumentar el contenido de Mg y Si y ajustar su relación relativa, se añadieron Ti, Zr y V para refinar la microestructura, y se introdujo la modificación con compuestos Re/Ca para refinar el silicio eutéctico, logrando un límite elástico > 180 MPa y un alargamiento > 10 %. De manera similar, la aleación SJTU-Al-Mg-Cu-Mn se fortaleció mediante la adición de Cu, y se introdujeron elementos de tierras raras Y, Er y Ce para refinar la fase Al₂CuMg, obteniendo un límite elástico > 180 MPa, una resistencia a la tracción > 320 MPa y un alargamiento > 8 %, combinando alta resistencia y alta tenacidad.

La aleación Castaduct 42, o AlMg4Fe2, es un nuevo tipo de aleación de fundición a presión no tratada térmicamente desarrollada por Rheinfeld. A diferencia de las aleaciones Al-Mg-Mn mencionadas, esta corresponde a un nuevo sistema Al-Mg-Fe basado en el eutéctico Al-Fe; su alto contenido de Fe puede prevenir el problema de adherencia al molde durante la fundición a presión, pero al mismo tiempo convierte al Si en un elemento de impureza que debe limitarse estrictamente. Sin embargo, esta aleación presenta una gran similitud con la C446F en cuanto a sus características de composición (alto Mn o Fe y bajo Si), por lo que su moldeabilidad aún está por verificar. La aleación ofrece una resistencia moderada y una buena tenacidad plástica en estado fundido, lo que puede cumplir con los requisitos de remachado y seguridad frente a impactos de las piezas. Sus propiedades mecánicas se muestran en la Tabla 7. También cabe señalar que su composición química es muy similar a la de las aleaciones de aluminio forjado de la serie 5xxx utilizadas en el estampado de piezas estructurales de carrocería, como la aleación 5182 (AlMg4.5Mn0.4). El diseño con alto contenido de Fe puede facilitar el reciclaje de dicho aluminio residual, reduciendo la proporción de aluminio electrolítico A00 utilizado y, por lo tanto, reduciendo en gran medida las emisiones de carbono de las piezas estructurales de carrocería de aleación de aluminio.

4. Conclusión

Con la demanda cada vez más severa de ahorro energético y reducción de emisiones en los automóviles, la tasa de penetración de las piezas fundidas al vacío de aleación de aluminio en componentes estructurales clave continúa aumentando, gracias a su integración, ligereza y buena combinación de resistencia y tenacidad. Sin embargo, con la mejora continua del grado de integración de las piezas de fundición a presión —especialmente el concepto y la aplicación de la tecnología de carrocería integrada de Tesla—, la aleación tradicional AlSi10MnMg no puede satisfacer la demanda debido a la necesidad de tratamiento térmico, por lo que la investigación sobre nuevas aleaciones de aluminio de fundición a presión no tratadas térmicamente se está impulsando continuamente. En cuanto a la aplicación, los casos de investigación y aplicación actuales se concentran principalmente en dos categorías: sistemas Al-Si y Al-Mg.

Para las empresas automovilísticas, las piezas fundidas a presión de aleación de aluminio para piezas estructurales de automóviles difieren de las piezas fundidas a presión tradicionales. El proceso de conexión en la fabricación y el rendimiento durante el servicio exigen mayores requisitos en cuanto a las propiedades mecánicas integrales de las piezas, especialmente la tenacidad. Las aleaciones actuales de Al-Si y Al-Mg presentan generalmente características de resistencia y tenacidad moderadas. Con la mejora continua de los requisitos de integración y diseño ligero, el desarrollo de nuevas aleaciones de fundición a presión debería avanzar hacia la mejora de la resistencia y/o la tenacidad, manteniendo al mismo tiempo buenas propiedades de fluidez y colabilidad.

Para las empresas de procesamiento de aluminio, debido al bajo contenido de Fe de las aleaciones de fundición a presión para piezas estructurales de automóviles —incluso con la adición de elementos con alto contenido de Mn—, estas aleaciones aún presentan una erosión significativa del molde, y la vida útil del molde se reduce considerablemente en comparación con las piezas de fundición a presión tradicionales, lo que eleva el costo de fabricación de las piezas estructurales de fundición a presión de automóviles, especialmente con la ampliación continua de las piezas, lo que aumenta el desafío para el molde. Al mismo tiempo, las aleaciones de fundición a presión con bajo contenido de Fe requieren lingotes de aluminio puro, por lo que el costo de las materias primas y las emisiones de carbono son significativamente más altos que en las piezas de fundición a presión tradicionales. Por lo tanto, se necesita investigar y desarrollar nuevas aleaciones de fundición a presión resistentes y de alta resistencia con mayor tolerancia al Fe para promover su reciclabilidad. La aplicación de aleaciones de aluminio en piezas estructurales de fundición a presión de automóviles no solo beneficia el control de costos, sino que también reduce en gran medida las emisiones de carbono en la etapa de adquisición de materia prima, mejorando así significativamente la competitividad del producto.