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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
PRACTICA PROFESIONAL
CINÉTICA DE TRANSFOMACIÓN DE LA FASE Al5FeSi→Al8Fe2Si
DURANTE EL HOMOGENEIZADO EN LOS CILINDROS PARA
EXTRUSIÓN DE ALEACIÓN 6063 CON DIFERENTES CONTENIDOS DE
MANGANESO EN C.V.G. VENALUM
CIUDAD GUAYANA, ABRIL DE 2011
AUTOR:
DIONEL LIRA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
PRACTICA PROFESIONAL
CINÉTICA DE TRANSFOMACIÓN DE LA FASE Al5FeSi→Al8Fe2Si
DURANTE EL HOMOGENEIZADO EN LOS CILINDROS PARA
EXTRUSIÓN DE ALEACIÓN 6063 CON DIFERENTES CONTENIDOS DE
MANGANESO EN C.V.G. VENALUM
CIUDAD GUAYANA, ABRIL DE 2011
DIONEL LIRA
Trabajo presentado antes el Departamento de Ingeniería Metalúrgica de la UNEXPO Vice – Rectorado Puerto Ordaz como requisito para la aprobación de la Práctica Profesional.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
PRACTICA PROFESIONAL
DIONEL LIRA
CINÉTICA DE LA TRANSFORMACION DE FASE Al5FeSi→Al8Fe2Si
DURANTE EL HOMOGENEIZADO EN LOS CILINDROS PARA
EXTRUSIÓN DE ALEACIÓN 6063 CON DIFERENTES CONTENIDOS DE
MANGANESO EN C.V.G. VENALUM
______________________ _______________________
ING. TEBEL IZQUIEL ING. VÍCTOR MAIZO
TUTOR INDUSTRIAL TUTOR ACADÉMICO
CIUDAD GUAYANA, ABRIL DE 2011
Lira Velázquez Dionel José Cinética de la transformación de la fase Al5FeSi→Al8Fe2Si durante el homogeneizado en los cilindros para extrusión de aleación 6063 con diferentes contenidos de manganeso en C.V.G. VENALUM.2011 Página 82. Práctica Profesional Universidad Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Metalúrgica. Tutor Industrial: Ing. Tebel Izquiel. Tutor Académico: Ing. Víctor Maizo. Referencias bibliográficas Pág. 76. Anexo Pág. 77. Ciudad Guayana, Abril de 2011.
v
DEDICATORIA
A Dios
A mis padres, Elías Velásquez y Eva Velásquez
A mi abuela, Carmen Velásquez
A mi hermano, Danny Lira
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios Todopoderoso, por darme la vida, y por haberme permitido lograr con
éxito la culminación de este trabajo .
A mis padres, por ser mi guía, mi ejemplo a seguir y mi apoyo en todo
momento.
A mi hermano, Danny Lira, por haber estado pendiente del desarrollo de
este trabajo.
A mis Tutores, Tebel Izquiel y Víctor Maizo, por su ayuda y recomendaciones
para lograr los objetivos planteados.
Al Ing. Gustavo Caldera e Ing. Argenis Vera, por todo el apoyo y la
colaboración brindada para la realización de este trabajo.
Al personal de laboratorio, por su valiosa colaboración en el logro de los
objetivos planteados.
Al Ing. Eustaquio López por facilitarme la pasantía en C.V.G. VENALUM.
A la UNEXPO – Puerto Ordaz por ser mi casa de estudios; y a cada uno de
los profesores que han contribuido a mi formación profesional.
A todos, Gracias
vii
ÍNDICE GENERAL
Pág.
ÍNDICE DE FIGURAS xii
ÍNDICE DE GRÁFICOS xiv
ÍNDICE DE TABLAS xv
RESUMEN xvi
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I EL PROBLEMA
Planteamiento del Problema
Formulación del Problema
3
4
Objetivos de la investigación 5
- Objetivo General 5
- Objetivo Especifico 5
Justificación 5
Delimitación 6
CAPÍTULO II MARCO DE REFERENCIA
Descripción de la empresa 7
- Reseña histórica 7
- Sector productivo 11
- Tipo de mercado 11
- Misión 11
- Visión 11
- Política de calidad 12
- Ubicación geográfica 12
- Espacio físico 14
- Estructura organizativa 14
- Proceso productivo de la empresa 15
viii
Área de carbón
- Molienda y compactación
- Horno de cocción
- Envarillado de ánodos
- Recuperación de baño
15
16
16
17
17
Área de reducción 17
Área de colada 18
Descripción del área de pasantía 20
- Área de colada 20
Unidad de colada horizontal 20
Unidad de colada vertical 20
Misión 22
Estructura organizativa 22
Descripción del trabajo asignado 23
Descripción del Proceso 24
- Tratamiento térmico de homogeneizado 24
- Principales efecto del tratamiento térmico de
homogeneizado
26
- Ventajas del tratamiento térmico de homogeneizado en
la extrusión
28
- Parámetros de homogeneizado de la aleación 6063 28
Velocidad de calentamiento 29
Temperatura de homogeneizado 30
Tiempo de homogeneizado 30
Velocidad de enfriamiento 31
- Cambio estructurales durante el homogeneizado de
aleación 6063 31
Disolución de Mg2Si 32
Transformación de Fase 32
ix
Precipitación de Mg2Si 33
Característica de fase homogeneizada de
aleación 6063 33
Glosario de términos 34
CAPÍTULO III ASPECTOS PROCEDIMENTALES
- Actividades ejecutadas 38
Selección de la muestra 38
Corte de las probetas para el respectivo análisis
microestructural
40
Homogeneizado de las probetas en el horno de
tratamiento térmico tipo mufla
42
Preparación metalográficas de las probetas 43
Determinación de la fracción volumétricas de
fase Al5FeSi y Al8Fe2Si
44
Equipos y materiales utilizados 45
- Técnicas de recolección de datos 46
Observación directa 46
Observación directa no participante 47
Revisión documental 47
- Instrumentos de recolección de datos 48
Horno de homogeneizado tipo mufla 48
Termocupla tipo K 48
Microscopio óptico 48
Hoja de cálculo 48
Cámara fotográfica 49
- Procesamiento de la información 49
Tabulación 50
Tabla de contención de los análisis 50
x
microestructural
Gráfico de los análisis microestructurales 51
Tipos de análisis a realizar 52
CAPÍTULO IV RESULTADOS
- Determinación de la fracción volumétrica de la fase
Al8Fe2Si y Al5FeSi en probetas de aluminio de la
aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223%
Mn homogeneizada a escala de laboratorio a 560
ºC
53
Parámetros evaluados en la estructura de
colada
53
Parámetros evaluados durante el
homogeneizado de probetas de aluminio con
0,0075% Mn a 560 ºC
54
Parámetros evaluados durante el
homogeneizado de probetas de aluminio con
0,0223% Mn a 560 ºC
55
- Determinación del tiempo óptimo de absorción
durante el homogeneizado que garantice un
porcentaje de la fase Al8Fe2Si mayor a 80% de
transformación
56
Cinética de transformación de la fase Al5FeSi a
Al8Fe2Si durante el homogeneizado
56
Tiempo equivalente de homogeneizado
Microestructura de la aleación 6063 con
0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn
58
64
CONCLUSIONES 74
RECOMENDACIONES 75
xi
LISTAS DE REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 76
ANEXOS 77
Anexo A. Tratamiento Térmico de
Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de
mantenimiento de 0 horas aplicado a probetas
6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
78
Anexo B. Tratamiento Térmico de
Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de
mantenimiento de 1 horas aplicado a probetas
6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
78
Anexo C. Tratamiento Térmico de
Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de
mantenimiento de 2 horas aplicado a probetas
6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn
79
Anexo D. Tratamiento Térmico de
Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de
mantenimiento de 3 horas aplicado a probetas
6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn
79
Anexo E. Tratamiento Térmico de
Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de
mantenimiento de 4 horas aplicado a probetas
6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn
80
Anexo F. Informe de la preparación de Colada
empleado para la visualización de la
composición química de la aleación con mayor
contenido de Mn
81
Anexo G. Informe de la preparación de Colada
empleado para la visualización de la
composición química de la aleación con bajo
contenido de Mn
82
xii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figuras Pág.
2.1 Ubicación geográfica de la empresa 13
2.2 Estructura organizativa de C.V.G. VENALUM 15
2.3 Área de carbón 16
2.4 Vista planta de complejo I 18
2.5 Entrada de complejo II 18
2.6 Proceso productivo de C.V.G. VENALUM 19
2.7 Área de colada 21
2.8 Organigrama de la Gerencia de Colada 22
2.9 Representación esquemática de los parámetros
involucrados en el proceso de homogeneizado
29
3.1Esquema de trabajo para el homogenizado de probetas
de los cilindros 6063 con 0,0075% Mn y 0,0223% Mn
40
3.2 Sierra Wagner KM - 44 41
3.3 Desbastadora manual Buehler 43
3.4 Pulidora de disco Buehler
3.5 Microscopio óptico acoplado a un analizador de
imágenes
44
44
4.1 Zona de calentamiento de curvas de homogeneizado
de la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con
0,0223% Mn.
4.2 Estructura de colada aleación 6063 con 0,0075% Mn
59
64
4.3 Estructura de colada aleación 6063 con 0,0223% Mn 65
4.4 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn a 560
ºC, 0 horas de absorción
66
4.5 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn a 560
ºC, 1 hora de absorción
66
4.6 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn a 560 67
xiii
ºC, 2 horas de absorción
4.7 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn a 560
ºC, 3 horas de absorción
68
4.8 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn a 560
ºC, 4 horas de absorción
69
4.9 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn a 560
ºC, 0 horas de absorción
70
4.10 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn a
560 ºC, 1 hora de absorción
71
4.11 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn a
560 ºC, 2 horas de absorción
71
4.12 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn a
560 ºC, 3 horas de absorción
72
4.13 Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn a
560 ºC, 4 horas de absorción
73
xiv
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráficos Pág.
3.1 Formato de gráfico elaborado para mostrar el comportamiento
de la cinética de transformación con diferentes contenidos de Mn
52
4.1 Fracción de Al8Fe2Si como función del tiempo de
homogeneización durante el homogeneizado
56
4.2 Ln(-Ln(1-x)) como función del Ln(t) 62
xv
ÍNDICE DE TABLAS
Tablas Pág.
2.1 División territorial de la empresa 14
3.1 Composición química (% peso) de las dos variantes de
aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn
39
3.2 Formato de tabla utilizado para la contención de los
resultados de análisis microestructural de la estructura de
colada
51
3.3 Formato de tabla utilizado para la contención de los
resultados de análisis microestructural de aleación 6063 con
0,0075% Mn y 0,0223% Mn homogenizada a 560 ºC con un
tiempo de absorción de 0, 1, 2, 3 y 4
51
4.1 Parámetros evaluados en la estructura de colada 53
4.2 Transformación de fases en probetas de aluminio de la
aleación 6063 con 0,0075% Mn
54
4.3 Transformación de fases en probetas de aluminio de la
aleación 6063 con 0,0223% Mn
55
4.4 Tiempo equivalente de homogeneizado en muestras
homogeneizada a 560 ºC
58
4.5 Fracción de Al8Fe2Si proveniente de Al5FeSi en el
homogeneizado a 560 ºC de la aleación 6063 con 0,0075%
Mn
60
4.6 Fracción de Al8Fe2Si proveniente de Al5FeSi en el
homogeneizado a 560 ºC de la aleación 6063 con 0,0223%
Mn
61
4.7 Valor del exponente de Avrami n para cada curva de aleación
6063
62
4.8 Resultados de K dado n 63
4.9 Resultados de Q dado K 64
xvi
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
PRACTICA PROFESIONAL
CINÉTICA DE TRANSFOMACIÓN DE LA FASE Al5FeSi→Al8Fe2Si
DURANTE EL HOMOGENEIZADO EN LOS CILINDROS PARA
EXTRUSIÓN DE ALEACIÓN 6063 CON DIFERENTES CONTENIDOS DE
MANGANESO EN C.V.G. VENALUM
Autor: Dionel Lira
RESUMEN
El objetivo de esta investigación consistió en estudiar la cinética de transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si durante el tratamiento térmico de homogeneizado en la aleación 6063 en función del contenido de Mn. Las fracciones volumétricas de Al5FeSi y Al8Fe2Si fueron medidas en muestras provenientes de cilindros para extrusión de la aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn, bajo las condiciones de colada y después del tratamiento térmico de homogeneizado a 560 ºC vía microscopía óptica. De particular interes fue los parámetros evaluados durante el homogeneizado de la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn, así como también la cinética de transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si durante el homogeneizado. Los resultados obtenidos indicaron que la velocidad de transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si está influenciada por el contenido de Mn, acelerando más el grado de transformación de fases en la aleación con un mayor contenido de Mn (0,0223% Mn), siendo el tiempo óptimo de 4 horas de absorción para alcanzar un 80% de transformación de fase Al8Fe2Si.
Palabras clave: Cinética de transformación de fase/ Homogeneizado/
Fracción volumétrica/ Tratamiento Térmico.
1
INTRODUCCIÓN
El estudio de la cinética de transformación de fase Al5FeSi→Al8Fe2Si
durante el tratamiento térmico de homogeneizado de los cilindros para
extrusión de aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn se desarrolló en
la sala de colada de C.V.G. VENALUM, específicamente en la unidad de
productos verticales, con el fin de mejorar la calidad microestructural de los
cilindros para extrusión de la aleación 6063 y poder inferir en los tiempos de
homogeneizados.
A través de esta investigación se ha podido constatar que el Mn permite
una rápida transformación de fase Al5FeSi a Al8Fe2Si durante el tratamiento
térmico de homogeneizado pudiendo reducir los tiempos de homogeneizado,
obteniéndose así un aumento en la productividad de los cilindros para
extrusión. Tal hecho ha motivado la realización de investigaciones acerca de
la aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn.
En este trabajo se estudio la aleación 6063 determinando la fracción
volumétrica de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si después de aplicado el
tratamiento térmico de homogeneizado durante 0, 1, 2, 3 y 4 horas de
absorción a 560ºC.
La metodología empleada fue de tipo experimental, donde se seleccionó
la muestra bajo estudio para aplicarle los análisis microestructurales. El
objetivo principal de este trabajo es evaluar experimentalmente la influencia
que tiene el Mn en la cinética de transformación de fases Al5FeSi a Al8Fe2Si
durante el tratamiento térmico de homogeneizado.
La investigación realizada se estructuró en cuatro (4) capítulos
describiendo lo siguiente: Capítulo I, la formulación del problema por el cual
2
se decidió desarrollar este tema; Capítulo II, en el que se plasman las
generalidades de la empresa, su proceso productivo y las bases teóricas que
fundamentan la investigación; Capítulo III, donde se describe las actividades
ejecutadas para cumplir con los objetivos planteados y el Capítulo IV donde
se muestran los resultados obtenidos. Finalmente se presentan las
conclusiones, recomendaciones, listas de referencias bibliográficas y anexos.
3
CAPITULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del Problema
La Industria Venezolana de Aluminio C.V.G. VENALUM, se dedica a
producir aluminio primario con fines de exportación e industrialización
nacional, lo cual obliga a revisar frecuentemente todas sus etapas y
procesos; por lo tanto, en la Gerencia de Colada, se esfuerza por aumentar
la producción a menores costos, poniendo en práctica la optimización del
proceso productivo que en esta empresa se realiza.
En la sala de colada de la empresa, C.V.G. VENALUM se estudia la
factibilidad de disminuir los tiempos de homogeneización en los cilindros para
extrusión de aleación 6063 incrementando el contenido de Mn. Actualmente
en el área de Colada, específicamente en la unidad de productos verticales
se aplica el tratamiento térmico de homogenizado a los cilindros para
extrusión a una temperatura de 565 ºC ± 5 durante 3 horas de
mantenimiento o absorción.
Para la fabricación de cilindros de aluminio para extrusión de la aleación
6063 es indispensable que los mismos sean sometidos a un proceso de
tratamiento térmico de homogeneizado para mejorar las propiedades
mecánicas y metalúrgicas del material previo a su extrusión. En la actualidad
la empresa C.V.G. VENALUM tiene como propósito el incremento de
4
productividad de los cilindros, lo cual esta orientado a proponer acciones que
generen un potencial incremento de capacidad en el homogeneizado.
Estudios previos, han encontrado que el Mn tiene una influencia
significativa sobre la cinética de transformación de fases Al5FeSi a Al8Fe2Si
durante el tratamiento térmico de homogeneizado. El Mn actúa como
catalizador en la transformación, acelerando el grado de transformación de la
fase Al5FeSi a Al8Fe2Si, pudiendo reducir considerablemente los tiempos de
homogeneización, obteniéndose así una disminución en el consumo de
energía y un aumento en la producción.
Ante tal situación, y a fin de aclarar lo concerniente a este fenómeno, se
presenta en este informe una evaluación experimental de la velocidad de
transformación de fases Al5FeSi a Al8Fe2Si a la temperatura de 560 ºC
durante el tratamiento térmico de homogeneizado a escala de laboratorio con
un tiempo de absorción de 0, 1, 2, 3, 4 horas aplicado a probetas
provenientes de los cilindros para extrusión de la aleación 6063 con
diferentes contenidos de Mn, a fin de comprobar experimentalmente, el
efecto que tiene el Mn sobre la cinética de transformación de fase Al5FeSi a
Al8Fe2Si durante el proceso de homogeneizado.
Formulación del Problema
La influencia que tiene el Mn sobre la cinética de transformación de la
fase Al5FeSi a Al8Fe2Si trae como consecuencia una rápida velocidad de
transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si, lo cual es de gran importancia
en la industria de la extrusión, ya que con una composición química
adecuada se puede reducir los tiempos de absorción o mantenimiento a
escala industrial durante el tratamiento térmico de homogeneizado en los
cilindros para extrusión de aleación 6063 producidos en C.V.G. VENALUM,
5
obteniéndose así una disminución en el consumo de energía y un aumento
en la producción.
Objetivos de la investigación
Los objetivos planteados en la investigación son los siguientes:
Objetivo General
- Determinar experimentalmente la velocidad de transformación de fase
Al5FeSi → Al8Fe2Si a la temperatura de 560 ºC durante el tratamiento
térmico de homogeneizado a escala de laboratorio aplicado a probetas
provenientes de los cilindros para extrusión de la aleación 6063 con
0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn.
Objetivo Específico
- Determinar la fracción volumétrica de la fase Al8Fe2Si y Al5FeSi en
probetas provenientes de cilindros para extrusión de la aleación 6063
con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn homogeneizada a escala de
laboratorio a 560 ºC.
- Determinar el tiempo óptimo de absorción durante el homogeneizado
que garantice un porcentaje de la fase Al8Fe2Si mayor a 80% de
transformación.
Justificación
Esta investigación es de gran importancia ya que permitirá inferir sobre el
tiempo de mantenimiento o absorción a escala industrial de los cilindros para
6
extrusión de aleación 6063 en el proceso de homogeneizado en C.V.G.
VENALUM, permitiendo reducir los tiempos de absorción a escala industrial.
Delimitación
El proyecto se desarrolla en la empresa C.V.G. VENALUM, ubicada en el
sector Mantazas de Ciudad Guayana, específicamente en la unidad de
productos verticales, perteneciente al área de colada. La intención del mismo
es estudiar la cinética de transformación de la fase Al5FeSi→Al8Fe2Si durante
el tratamiento térmico de homogeneizado en los cilindros para extrusión de
aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn, iniciando por determinar las
fracciones volumétricas de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si e inferir en el tiempo
óptimo de homogeneizado para alcanzar un porcentaje mayor de 80% de
transformación.
7
CAPITULO II
MARCO REFERENCIAL
Descripción de la empresa
La Industria Venezolana del Aluminio C.V.G. VENALUM, adscrita a la
Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G.), es de capital mixto y por sus
condiciones jurídicas es una compañía anónima.
La empresa C.V.G. VENALUM se encarga de la producción del aluminio,
utilizando como materia prima la alúmina, criolita y aditivos químicos (fluoruro
de calcio, litio y magnesio). Este proceso de producir aluminio se realiza en
celdas electrolíticas, dentro del proceso de producción existe ciertos
mecanismos que tiene un papel importante en el funcionamiento, estas áreas
son: Área de Carbón, Área de Reducción, Área de Colada y otras
instalaciones auxiliares.
Reseña Histórica
La Industria Venezolana de aluminio, C.A. (C.V.G. VENALUM), fue
constituida el 29 de Agosto de 1973, con el objeto de producir aluminio
primario en diversas formas con fines de exportación, convirtiéndose en una
empresa mixta con una capacidad de 150.000 TM/Año y un capital mixto de
34.000 millones de bolívares, donde el 80% fue suscrito por seis empresas
japonesas y el 20% restante por la Corporación Venezolana de Guayana. En
8
1974 el 80% del capital, fue representado por la Corporación Venezolana de
Guayana (C.V.G.), y un 20% de capital extranjero, suscrito por el consorcio
japonés integrado por Showa Denko K.K., Kobe Steel Company Ltd., y
Marubeni Corporation.
Para Octubre de 1974, C.V.G. VENALUM considera su capacidad a
280.000 TM/Año y se negocia con los socios japoneses, no solo el
incremento del capital social, sino también un cambio estructural que
favorece a Venezuela, tomando C.V.G. posesión del 80% de las acciones,
mientras que la participación japonesa se reduce al 20%. El 11 de Diciembre
de 1974 el capital fue aumentando a 550.000.000 bolívares, por resolución
de la asamblea general extraordinaria de accionista. En Octubre de 1978 el
capital se incrementó 750.000.000 bolívares, donde el aumento fue
totalmente suscrito por el Fondo de Inversiones de Venezuela (F.I.V.).
Finalmente el 12 de Diciembre de 1978 por resolución de la asamblea de
accionista, el capital fue aumentando a 1.000.000.000 bolívares, quedando
conformado de la siguiente manera: Tanto la construcción, tecnología,
entrenamiento de personal y la asistencia técnica, para el arranque de la
planta fue suministrada por la compañía japonesa Showa Denko. Luego, al
obtener una participación mayoritaria, se contrata a Reynolds International
Incorporated para prestar asesoramiento técnico a la construcción de una
planta con una capacidad de 280.000 TM/Año.
Con la finalidad de aumentar la producción de aluminio se realizo un
proyecto de mejoras operativas y la expansión de una línea de celda: V línea,
que constituye el proyecto más sólido realizado por C.V.G. VENALUM, a
permitir la instalación de 180 celdas de reducción electrolítica. En cuanto a la
ampliación, la planta tendría ahora cuatro líneas de reducción de 280 celdas
9
cada una, para un total de 720 celdas con alimentación central y un sistema
de control automatizado de proceso.
En 1977 se inicia el funcionamiento de la planta de cátodo y el muelle de
carga y descarga sobre el margen del Río Orinoco para atracar barcos de
hasta 30.000 toneladas.
El 27 de enero de 1978, arranca la celda 302 de la sala 3, línea II. Al día
siguiente se produce aluminio por primera vez en C.V.G. VENALUM. La
primera línea de celda fue puesta el 27 de Enero de 1975 y fue terminada en
Diciembre de 1978 y la última línea de las primeras cuatros comenzó el 27 de
Octubre de 1978.
Desde su inauguración oficial, C.V.G. VENALUM, se ha convertido,
paulatinamente, en unos de los pilares fundamentales de economía
venezolana, siendo a la vez, en su tipo, la planta más grande de
Latinoamérica, con una fuerza laboral de 3.200 trabajadores
aproximadamente y unas de las instalaciones más modernas del mundo,
produciendo anualmente 440.000 TM de aluminio primario por año. Parte de
este de producto se integra al mercado nacional, mientras un mayor
porcentaje es destinado a la exportación. El 75% de la producción esta
destinado a los mercados de los Estados Unidos, Europa y Japón,
colocándose el 25% restante en el mercado nacional.
Para el año de 1980 se logra culminar el proyecto al entrar en
funcionamiento las 720 celdas y alcanzándose operar a plena capacidad de
producción en 1981. Para el año de 1986 se comienza a construir un
complejo de reducción de aluminio que lleva por nombre V línea, la cual fue
terminada en construir y puesta en funcionamiento en el año 1987 y entra en
10
plena operación en 1989, con una capacidad de producción de 1.722 Kg. de
aluminio por día.
Para el año 1993, la Industria Venezolana de Aluminio C.V.G. VENALUM
se une administrativamente a C.V.G. BAUXILUM. En 1996 por primera en su
historia C.V.G. VENALUM alcanzó su máxima capacite producción instalada,
430.000 TM aluminio primario, un logro sin precedentes, lo cual coloca a esta
industria como líder en el mercado internacional, especialmente como la
mayor productora de metal en el mundo.
La constitución de esta nueva sociedad trajo consigo complejidades e
ineficiencia en el desenvolvimiento competitivo de las empresas de aluminio
en los mercados, fue entonces cuando la asamblea general de accionista de
la empresa Corporación de Aluminio de Venezuela (CAVSA) conjuntamente
con el directorio de la Corporación Venezolana de Guayana, aprobó el 4 de
Abril de 200, la disolución de esta sociedad obteniendo cada empresa su
autonomía de gestión.
A raíz de la disolución de estas empresas, C.V.G. VENALUM, C.A.
modifico su estructura organizativa y teniendo ya su autonomía decidió
adecuarse a la nueva versión de la norma ISO 9001:2002, la cual especifica
los requisitos para los Sistema de Gestión de la Calidad aplicables a toda
organización. C.V.G. VENALUM, C.A. trabajando sobre esta nueva meta,
logro cumplir con todos los requisitos exigidos por la norma ISO implantando
satisfactoriamente el Sistema de Gestión de la Calidad, el 30 de Enero de
2004, donde recibe formalmente la certificación en su línea de producción:
Colada y fabricación de lingotes de aluminio para refusión y de cilindros de
aluminio para extrusión, por parte del ente certificador, Fondo para la
Normalización y Certificación de la Calidad, FONDONORMA y el certificado
de la Red de Certificación Internacional, Certificación Network., IQnet,
11
motivándose así a continuar por el sendero de la excelencia, orientado hacia
el logro de mejoramiento continuo.
Sector Productivo
La industria de aluminio C.V.G. VENALUM, es una empresa del sector
productivo secundario, ya que se encarga de transformar la alúmina (materia
prima) en aluminio, el cual es procesado en diferentes formas: cilindros,
pailas y lingotes, de acuerdo a los pedidos realizados por sus clientes.
Tipo de Mercado
La estructura de mercado de esta industria es del tipo Monopolio de
Estado, por ser una de las dos industrias del aluminio existentes en el país,
las cuales no compiten entre sí por pertenecer a la misma corporación.
Misión
Tiene por misión producir y comercializar aluminio de forma productiva,
rentable y sustentable para generar bienestar y compromiso social en las
comunidades, los trabajadores, los accionistas, los clientes y los proveedores
para así contribuir a fomentar el desarrollo endógeno de la República
Bolivariana de Venezuela.
Visión
Será la empresa líder en productividad y calidad en la producción
sustentable de aluminio con trabajadores formados y capacitados en un
ambiente de bienestar y compromiso social que promuevan la diversificación
productiva y la soberanía tecnológica, fomentando el desarrollo endógeno y
12
la economía popular de la República Bolivariana de Venezuela.
Política de Calidad
C.V.G. VENALUM, con la participación de sus trabajadores y proveedores,
produce, comercializa aluminio y mejora de forma continua su sistema de
gestión, comprometiéndose a:
- Garantizar los requerimientos del cliente.
- Prevenir la contaminación asociada a las emisiones atmosféricas,
efluentes líquidos y desechos.
- Cumplir ka legislación y otros requisitos que suscriba la empresa, en
materia de calidad y ambiente.
Ubicación Geográfica
Se encuentra ubicada en la zona Industrial Matanzas en Ciudad Guayana,
urbe creada por decreto presidencial el 2 de Julio de 1961 mediante fusión
de Puerto Ordaz y San Félix.
La escogencia de la zona de Guayana, como sede de la gran industria del
aluminio, obedece a las siguientes razones:
Integrada por los Estados Bolívar, Delta Amacuro y Amazonas, esta
zona geográfica ubicada al sur del Río Orinoco y cuya porción de
448.000Km2 ocupa exactamente la mitad de Venezuela, reúne
innumerables recursos naturales.
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El inmenso potencial hidroeléctrico de la región Guayana, asegura el
suministro de energía a bajo costo, a través de las centrales
hidroeléctrica “Simón Bolívar” ubicada en Guri, Macagua I y II, así
como a través de otros proyectos de envergadura como son
“Caruachi” y “Tocoma” (en construcción), siendo este un recurso
indispensable para el proceso de reducción en C.V.G. VENALUM.
La región Guayana es recorrida por los ríos más caudalosos del país,
siendo esto una gran ventaja para C.V.G. VENALUM, ya que limita
con uno de ellos, el Río Orinoco. La navegación del Río Orinoco, en
una distancia aproximada 184 millas náuticas (341 kilómetros) hasta el
mar caribe y de allí a todos los puertos del mundo, aumenta las
potencialidades de comercialización de los productos de la región de
Guayana, contribuyendo al crecimiento económico de Venezuela. El
Río Orinoco es utilizado como vía fluvial de transporte para la
exportación de materia prima requerida en el proceso de reducción de
aluminio.
En la figura 2.1 puede observarse la ubicación geográfica de esta
empresa.
Figura 2.1: Ubicación Geográfica.
Fuente: Manual de inducción de C.V.G. VENALUM.
14
Espacio Físico
La empresa cuenta con un área total de 1.455.634,78 m2, lo cual están
distribuidos tal como se observa en la tabla 2.1:
Tabla 2.1: División territorial de la empresa.
Fuente: Manual de inducción de C.V.G. VENALUM.
Estructura Organizativa
La estructura organizativa es de tipo lineal y de asesoría, donde las líneas
de autoridad y responsabilidad se encuentran bien definidas. Actualmente, ha
sido reestructurada y aprobada por la Corporación Venezolana de Guayana.
Esta se encuentra constituida por gerencias administrativas y operativas.
En la figura 2.2 se muestra la estructura Organizativa de C.V.G
VENALUM.
15
Figura 2.2: Estructura Organizativa de C.V.G. VENALUM.
Fuente: Intranet C.V.G. VENALUM (http://venalumi/).
Proceso Productivo
Entre las principales áreas que integran el proceso productivo,
fundamentales para la producción de aluminio, se encuentran las siguientes:
Área de Carbón
El Área de Carbón y todas sus instalaciones (figura 2.3) sirve de apoyo al
núcleo vital de operaciones: Las Celdas.
16
Figura 2.3: Área de Carbón.
Fuente: Intranet C.V.G. VENALUM (http://venalumi/).
En el Área de Carbón se fabrican los ánodos que hacen posible el
proceso electrolítico. El Área de Carbón tiene cuatro (4) áreas:
- Molienda y Compactación
En esta área se fabrican los bloques de ánodos verdes a partir de coque
de petróleo, alquitrán y remanentes de ánodos consumidos (cabos), los
cuales son triturados, molidos y tamizados en proporciones definidas y
mezclados en mezcladores tipo bacth. Una vez que se ha alcanzado la
temperatura de mezclado (155 ºC) la pasta es compactada en máquinas
vibrocompactadoras, convirtiendo la pasta anódica en bloque de ánodos de
970 Kg.
- Hornos de Cocción
Durante aproximadamente 21 días, los ánodos están sujetos a un proceso
de cocción en cuatro (4) hornos cerrados, llevándolos desde la temperatura
ambiente hasta 1100 ºC, con el propósito de mejorar sus propiedades físico-
químicas y mecánicas, a fin de ser usado como electro positivo en celdas.
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- Envarillado de Ánodos
El ánodo es acoplado a una barra conductora de electricidad mediante el
uso de una fundición gris. Posteriormente, es recubierto con una capa de
aluminio, obteniendo así el producto final de todo el proceso del Área de
Carbón: el ánodo envarillado, el cual es enviado finalmente a las líneas de
celdas.
- Recuperación de Baño
En esta área se limpian los cabos procedentes de celdas, los cuales son
enviados a envarillados, donde se separa el cabo de la varilla anódica. El
baño electrolítico recuperado de los cabos se procesa conjuntamente con el
procedente de cubas y sótanos y se suministra a las líneas de celdas con las
especificaciones granulométricas requeridas para el proceso productivo de
reducción.
Área de Reducción
El proceso de reducción es llevado a cabo en celdas electrolíticas, las
cuales realizan la transformación de la alúmina en aluminio a través del
proceso Hall – Heroult. El Área de Reducción esta comprendida por los
complejos I y II (Figuras 2.4 y 2.5) y V línea para un total de 900 celdas, 720
de tecnología Reynolds y 180 de tecnología HydroAluminium, adicionalmente
hay 5 celdas del tipo V-350.
Las celdas electrolíticas están controladas y supervisadas por un sistema
computarizado, el cual controla el voltaje, los rompecostra, la alimentación de
la alúmina y el estado general de la celda. Cada línea de producción cuenta
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con dos (2) plantas de tratamiento de humo (PTH) que permiten recolectar
los gases provenientes de las celdas.
Área de Colada
El aluminio líquido obtenido de celdas es trasegado y transferido en
crisoles a la sala de colada, donde se elaboran los diferentes productos
terminados. El aluminio líquido se vierte en los hornos de retención y de
acuerdo a los requerimientos de los clientes, se le agregan los elementos
aleantes para preparar las aleaciones de aluminio. Cada línea de producción
determina la colada de una forma específica: Lingotes de 10, 22 y 680 Kg;
cilindros de 6”, 61/8”, 7”, 8” y 9” y metal líquido, que se despacha a los
clientes en crisoles con peso aproximado de cinco (5) toneladas.
Una vez que el proceso de colada es completado, los productos de
aluminio se pesan, codifican y estarán listos para la venta en el mercado
nacional e internacional. (Véase figura 2.6).
Figura 2.4: Vista de planta de complejo I.
Fuente: Intranet C.V.G. VENALUM
(http://venalumi/).
Figura 2.5: Entrada de complejo II.
Fuente: Intranet C.V.G. VENALUM
(http://venalumi/).
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Figura 2.6: Proceso Productivo de C.V.G. VENALUM.
Fuente: Intranet de C.V.G. VENALUM (http://venalumi/).
20
Descripción del Área de Pasantía
A continuación se presenta una descripción detallada del área de colada,
por ser la misma área correspondiente al desarrollo de esta práctica
profesional.
Área de Colada
En la sala de colada se encuentran dos (2) líneas de producción:
- Unidad de Colada Horizontal: Asegura la transformación de aluminio
líquido proveniente de las celdas de reducción en lingotes de 10 Kg.,
22 Kg. y 680 Kg., destinados a la comercialización para su posterior
refusión. La solidificación se realiza en un tren de lingotera con
velocidad definida, las cuales se alimentan por una rueda giratoria a la
salida de los hornos.
- Unidad de Colada Vertical: Se fabrican cilindros para extrusión de
diferentes medidas (6”, 61/8”, 7”, 8” y 9”), pesos y aleaciones con
tecnología Hot Top Showa y Wagstaff que trabajan por gravedad.
Durante la colada se somete a un proceso de desgasificado al metal
líquido y luego los cilindros son sometidos a un proceso de tratamiento
térmico de homogeneizado con la finalidad de conferirle las
propiedades mecánicas adecuadas para el proceso de extrusión
posterior.
La sala de colada esta constituida por:
Doce (12) hornos de retención de metal líquido con diferentes
capacidades de toneladas.
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Un (1) horno basculante de 45 toneladas.
Seis (6) máquinas lingoteras para la fabricación de lingotes de 22 Kg.
Una (1) rueda giratoria para la fabricación de lingotes de 680 Kg.
Tres (3) mesas de coladas verticales para la fabricación de cilindros:
- Dos (2) unidades de colada vertical Hot Top Showa para
fabricar cilindros con diámetros de: 6”, 61/8”, 7”, 8” y 9”.
- Una (1) unidad de colada vertical Wagstaff para fabricar
cilindros con diámetros de 7”.
Tres (3) hornos de homogeneizados, dos (2) continuo (Herwitch) y
uno (1) por carga (Sunbeam).
Seis (6) apiladores y seis (6) desgasificadores en líneas para
desgasificar aluminio líquido.
Dos (2) sierras Wagner KM-41 y KM-44 para corte de cilindros.
Ocho (8) grúas, entre ellas seis (6) grúas Whiting de 25 toneladas de
capacidad y dos (2) grúas Kone de 20 toneladas de capacidad normal.
Herramientas y otros equipos auxiliares para el desarrollo de la
actividad productiva.
En la figura 2.7 se muestra el área de desarrollo de la práctica profesional.
Figura 2.7: Área de Colada.
Fuente: Manual de Inducción de C.V.G. VENALUM.
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Misión
El Área de Colada tiene como misión garantizar el cumplimiento de las
metas de producción para la obtención de productos terminados, despacho
de metal líquido y sólido para la venta en conformidad con los planes de
producción en condiciones de calidad, oportunidad y al más bajo costo,
mediante un mejoramiento continuo en los aspectos humanos, sociales,
técnicos y administrativo.
Estructura Organizativa
La estructura organizativa del Área de Colada, es de tipo lineo-funcional
adscrita a la Gerencia de Colada, donde las líneas de autoridad y
responsabilidad se encuentran bien definidas. (Figura 2.8).
Figura 2.8 Organigrama de la Gerencia de Colada.
Fuente: Intranet de C.V.G. VENALUM (http://venalumi/).
Superintendencia
Distribución y
Preparación de
Metal
Superintendencia
de productos
Horizontales
Gerencia de Colada
Superintendencia
de Productos
Verticales
Superintendencia
de inventario y
Despacho
Superintendencia
Mantenimiento
Colada
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Descripción del Trabajo Asignado
El trabajo Asignado consiste en seleccionar muestras de diferentes
coladas provenientes de cilindros para extrusión con tres variantes
composicionales de Mn de la aleación 6063, en la unidad de productos
verticales, perteneciente al área de colada en C.V.G. VENALUM, para
aplicarle tratamiento térmico de homogeneizado y análisis de microscopia
óptica, con la finalidad de evaluar la influencia del Mn sobre la cinética
transformación de fase Al5FeSi → Al8Fe2Si a la temperatura de 560 ºC
durante el tratamiento térmico de homogeneizado a escala de laboratorio.
Los cilindros para extrusión de aleación 6063 que fueron seleccionados
correspondían a muestras de inicio, medio y final de colada bajo las
siguientes designaciones: 11-5520 y 11-5506. Estas fueron cortadas
transversalmente en probetas de tipo disco, y luego son llevadas a la
máquina cortadora para la obtención de 22 probetas pequeñas para su
posterior proceso de homogeneizado, temple en agua, preparación
metalográfica y subsecuente evaluación microscópica.
Una vez que las muestras fueron homogeneizadas con un tiempo de 0, 1,
2, 3 y 4 horas, templadas en agua, desbastadas y pulidas, se procedió a
realizarles un ataque químico con un reactivo apropiado en unas condiciones
cuidadosamente controladas, esto con la finalidad de revelar sus
características microestructurales.
La determinación del porcentaje de fases fue realizada usando un
microscópio óptico acoplado a un analizador de imágenes, el cual posee un
programa Clemex Visión que facilita el estudio de las fases presente en la
microestructura.
24
Descripción del Proceso
El primer paso para el procedimiento termomecánico de los cilindros para
extrusión luego del proceso de colada, es el tratamiento térmico de
homogeneizado, el cual se describe a continuación:
Tratamiento Térmico de Homogeneizado
El tratamiento térmico de homogeneizado es un tratamiento térmico de
recocido que se aplica a los cilindros para extrusión de aleación 6063. Se
persigue con este tratamiento facilitar el proceso de extrusión disminuyendo
las tensiones de colada y mejorando la estructura mediante la disminución de
las heterogeneidades de composición de las dendritas y esferoidización de
las partículas intermetálicas ricas en hierro.
Los cilindros para extrusión forman parte de la variedad de productos de
aluminio que se fabrican en C.V.G. VENALUM. El aluminio liquido
proveniente de las celdas de reducción, se vierte en uno de los hornos de
retención utilizado para la fabricación de productos verticales, en este horno
se lleva a cabo la preparación del metal, es decir, se le añaden elementos
aleantes que mejoran las propiedades metalúrgicas y cumplen con las
especificaciones del cliente, finalmente se procede a la colada del metal
liquido a través de las unidades hidráulicas denominadas Hot Top Showa y
Wagstaff.
Sin embargo, esta preparación en el horno no garantiza la formación de
una estructura con propiedades mecánicas favorables para llevar a cabo el
proceso de extrusión. Debido a la naturaleza del proceso de solidificación,
una parte importante de la concentración de los elementos aleantes y las
impurezas pueden estar segregadas o incorporadas en forma sobresaturada
25
en los bordes de grano. Esta segregación produce una variación de
concentraciones que originan la no homogeneidad del material, por lo que
surge la necesidad de efectuar la modificación química de las zonas que
presentan concentración diferente.
La homogeneización consiste principalmente en colocar el cilindro dentro
de un horno a altas temperaturas durante algunas horas. La homogenización
tiene la finalidad de cambiar las microestructura en el interior del cilindro, ya
que disuelve partículas intermetálicas de fase Mg2Si, refina la estructura del
grano y al mismo tiempo transforma la fase Al5FeSi a fase Al8Fe2Si. Las
partículas de Mg2Si se disuelven relativamente fáciles al aumentar la
temperatura, sin embargo el factor que determina la temperatura y el tiempo
de homogeneización es la transformación de fase Al5FeSi a Al8Fe2Si.
Es importante mencionar que las partículas de fase AlFeSi nunca logran
disolverse en la matriz del aluminio por la baja solubilidad del Fe en el
aluminio sólido, por lo cual permanecen separadas aun después de largos
tiempos de homogenización y únicamente se puede controlar el grado de
transformación de Al5FeSi a Al8Fe2Si.
Algunos autores coinciden en que el inicio de la transformación de las
partículas Al8Fe2Si se nuclean en las fronteras de la fase Al5FeSi, así mismo,
éstas partículas Al5FeSi tipo laminillas son reemplazadas gradualmente por
partículas Al8Fe2Si mas redondeadas.
Encontrar aleaciones que permitan una rápida transformación Al5FeSi a
Al8Fe2Si es de gran importancia en la industria de la extrusión, ya que una
composición química adecuada puede reducir considerablemente los tiempos
de homogeneización, obteniéndose así una disminución en el consumo de
energía y un aumento en la producción. Se han encontrado que tanto el Mn
26
como el Si tiene una influencia significativa en el grado de transformación. El
Mn actúa como catalizador para la transformación, acelerando el grado de
transformación de Al5FeSi a Al8Fe2Si.
En C.V.G. VENALUM, los cilindros para extrusión son sometidos a un
tratamiento térmico de homogeneizado en dos (2) tipos de hornos, de paso
continuo (Hertwich) y por carga (Sunbeam), con el fin de producir la
modificación de la estructura de colada.
El horno de paso continuo (Hertwich) consta de una zona de
calentamiento rápido donde se introducen inicialmente los cilindros, aquí son
sometidos a un calentamiento hasta alcanzar una temperatura de 565 ºC,
luego pasan a la zona de calentamiento constante en donde se mantiene a
esta temperatura (565 ºC) durante 3 horas, finalmente salen del horno para ir
a una zona de enfriamiento rápido con aire a través de ventiladores
industriales.
Como el proceso de homogenización es controlado por difusión se puede
ver involucrado dos pasos:
1. Difusión desde los bordes de grano y otras regiones enriquecidas en
soluto en el centro de los granos.
2. Disolución de partículas intermetálicas solubles, presente
frecuentemente en el área eutéctica de bajo punto de fusión.
Principales efecto del Tratamiento Térmico de Homogeneizado
Entre los cambios que sufre el material a causa del tratamiento térmico de
homogeneizado se tienen:
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Eliminación de los gradientes de concentración de magnesio y silicio a
nivel interdendrítico. Eliminación de los eutécticos de bajos punto de
fusión en el material como por ejemplo AlMg2Si.
Transformar las fases que contiene hierro, particularmente esferoidizar
las partículas de AlFeSi, para que se pierda la forma acicular que
presentan las estructura de colada (AS-Cast).
Controlar la distribución de precipitados en aleaciones que contienen
manganeso, cromo y Zirconio.
Controlar el tamaño y la dispersión de las partículas de Mg2Si.
Eliminar esfuerzos residuales heredados del proceso de colada.
Redistribuir el hierro sobresaturado. El hierro a pesar de su baja
solubilidad en el aluminio, es capaz de alcanzar concentraciones muy
elevadas cuando la velocidad de solidificación es alta.
La velocidad de enfriamiento luego del homogeneizado tiene un rol
importante sobre las propiedades de la aleación 6063, ya que este parámetro
gobierna las cantidades y el tamaño de las partículas de Mg2Si y que debe
ser adecuada para prevenir la formación de precipitados gruesos de estos.
Por otro lado, una velocidad de enfriamiento rápida después de la
homogeneización retendrá la mayor parte del magnesio y el silicio y
producirá precipitados pequeños y uniformemente dispersos.
Una mayor velocidad de enfriamiento retiene mayor cantidad de aleantes
en solución, sin embargo se produce un aumento considerable de la
resistencia al cambio de forma durante el prensado. Generalmente la rata de
enfriamiento después del homogeneizado para las aleaciones 6063 es
suficientemente rápida (excede los 200 ºC/h) y asegura que las partículas de
Mg2Si puedan ser finamente dispersa.
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Ventajas del Tratamiento Térmico de Homogeneizado en la
extrusión
En la experiencia industrial se ha demostrado que los cilindros de
aleaciones homogeneizadas producen mejores productos extruidos que los
sin tratamiento, algunos de estos beneficios son:
Mayor velocidad de extrusión.
Menor presión necesaria para el proceso de extrusión.
Mejores propiedades mecánicas.
Mejor acabado superficial.
Parámetros del Homogenizado de la aleación 6063
Para garantizar una adecuada homogenización se deben seleccionar
cuidadosamente los parámetros involucrados en el proceso tales como:
temperatura de homogeneizado o absorción, velocidad de calentamiento,
tiempo de homogeneizado y velocidad de enfriamiento. Se considera que la
temperatura y el tiempo de homogeneizado, debe ser seleccionados por la
transformación de fases del Fe, más que por la disolución del Mg2Si, se
señala además que la alta velocidad de extrusión se debe a la
transformación de la fase Al5FeSi, la cual existe en el lingote de colada a la
fase Al8Fe2Si.
En la figura 2.9 puede observarse esquemáticamente los parámetros
involucrados en el tratamiento térmico de homogeneizado en C.V.G.
VENALUM.
29
Figura 2.9: Representación esquemática de los parámetros involucrados en el proceso de
homogeneizado en C.V.G VENALUM.
Velocidad de Calentamiento
Es la etapa que requiere más tiempo en el proceso tipo Batch y más
energía ya que el material debe absorber la suficiente energía para alcanzar
los valores de temperatura de homogeneización, esto por la cantidad de
material que se maneja. Desde el punto de vista de producción se busca que
la velocidad de calentamiento sea lo más rápida posible y que cree la menor
diferencia de temperatura en la carga para cuidar la uniformidad en el
proceso.
Por lo general el periodo de calentamiento en C.V.G. VENALUM, se
encuentra por encima de las 8 horas de proceso, lo que permite decir una
velocidad media de 50 ºC/h. este tiempo es excesivo, pero el calentamiento
contribuye a la disolución y transformación de las fases, lo que permite
disminuir los tiempos de homogeneizado contabilizando el tiempo
equivalente aportado por el periodo de calentamiento.
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Temperatura de Homogeneizado
En la aleación 6063 la temperatura de homogeneizado va a depender de
la cantidad de silicio (Si) en exceso que posea, ya que este elemento
produce una ligera disminución de la solubilidad del Mg2Si. El intervalo de
solubilidad para bajas concentraciones de Mg2Si (hasta 0,8%) esta
comprendido entre 425 ºC y 630 ºC mientras que para concentraciones más
elevadas (mayores a 0,8%) dentro de los límites comerciales de la aleación,
se reduce el rango de 540 a 610 ºC aproximadamente.
La experiencia a nivel de aleación 6063, predice que cualquier
temperatura por encima de los 480 ºC e inferior a 595 ºC, podría ser
apropiada para homogeneizar. El rango de temperatura recomendado por la
práctica operativa de C.V.G. VENALUM es de 565 ± 5 ºC para 6063, rango
que tiene como fin uniformizar los cambios en la aleación. Es crítico
sobrepasar los 600 ºC, ya que existe la posibilidad de fundir los compuestos
eutécticos de la aleación y perder la carga por deformación.
Tiempo de Homogeneizado
El homogeneizado es un tratamiento controlado por difusión, lo que
establece que debe darse el tiempo necesario para que las diferencias de
concentración se estabilicen. Se tienen en estándar de 3 horas en C.V.G.
VENALUM, pero este tiempo varía según la composición y temperatura de
homogeneizado, recordemos que la cinética de difusión se incrementa con la
temperatura.
Darle un tiempo excesivo al homogeneizado, implica además de aumentar
los tiempos de producción exponer a la estructura a un crecimiento excesivo
del tamaño de grano. Encontrar la relación tiempo-temperatura absorción del
31
equipo de homogeneizado para una transformación de fases aceptables, es
lo que se persigue con los estudios de laboratorios, la tendencia en general,
es disminuir los tiempos de homogeneizado y aumentar la temperatura para
incrementar así los tiempos de producción.
Velocidad de Enfriamiento
La velocidad de enfriamiento debe ser adecuada para prevenir la
formación de precipitados gruesos de Mg2Si. Si la velocidad de enfriamiento
es lenta, el cilindro tendrá propiedades mecánicas bajas. Mientras que
cuando el enfriamiento es rápido las propiedades mecánicas son más
uniformes.
Una velocidad de enfriamiento para la aleación 6063 que exceda los 200
ºC/h, asegura que las partículas de Mg2Si puedan ser finamente dispersas,
es por eso que se busca la forma de extraer la mayor cantidad de calor en el
menor tiempo posible, hay que aclarar que la consistencia de esto depende
de la uniformidad de enfriamiento en la carga y que es recomendable que
esta velocidad se establezcan durante la primera y segunda hora, que es
cuando se esta pasando por la zona de precipitación del Mg2Si.
Cambios estructurales durante el Homogeneizado de Aleación
6063
Durante el tratamiento térmico de homogeneizado se produce una
distribución de las fases presentes en la aleación a nivel de morfología,
composición química, distribución en matriz y tamaño. Por eso se tiene las
siguientes etapas:
32
Disolución de Mg2Si
Ocurre en el periodo de calentamiento a partir de los 140 ºC comienza la
precipitación del Mg2Si y llega a ser máxima a los 315 ºC aproximadamente.
Luego de esta temperatura se inicia la disolución y coalescencia del Mg2Si
con morfología de finas agujas con orientadores definidos dentro del grano. A
temperatura de 425 ºC se incrementa la solubilidad del Mg2Si, y a los 480
ºC prácticamente todo está disuelto.
Transformación de Fase
El Fe sobresaturado precipita como partícula pequeña de Al8Fe2Si una
vez que se supera el limite de solubilidad, sólo resta mantener un cierto
tiempo de manera que por el mecanismo de difusión se uniformicen la
diferencia de composición. La mayor parte de Fe se encuentra formando
compuesto con Al y Si que bordean los limites de granos.
Las partículas de estos compuestos intermetálicos formados son de
formas acicular, por lo que la transformación de fase Al5FeSi a Al8Fe2Si es un
fenómeno lento donde los parámetros tiempo y temperatura de
homogeneizado quedan determinados por la transformación y esferoidización
de las fases de Fe. Ciertos elemento de transición como Mn, Cr, Co y Sr
aceleran la transformación.
Los estudios indican que las características de estas fases intermetálicas
(Al5FeSi y Al8Fe2Si): forma, tamaño, fracción volumétrica y distribución tiene
efectos decisivos en la extrudabilidad y calidad del producto final, aunque la
Comalco opina por sus experiencias que las propiedades en la extrusión son
por la distribución y tamaño de Mg2Si precipitado durante el enfriamiento. Por
ejemplo las partículas Al5FeSi (son de naturaleza frágil y abrasiva); las
33
partículas Al8Fe2Si tiene forma más compacta que mejoran la ductilidad y
extrudabilidad así como las propiedades mecánicas.
Precipitación de Mg2SI
La velocidad de enfriamiento luego del homogeneizado es un factor
importante ya que hay que controlar la cantidad, distribución y tamaños de
las partículas de Mg2Si. Una mayor velocidad de enfriamiento retiene mayor
cantidad de aleantes en solución, sin embargo se produce un aumento
considerable de la resistencia al cambio de forma durante el prensado.
El Mg2Si precipitado a una velocidad lenta de enfriamiento requiere menor
presión de extrusión, pero si el tamaño es demasiado grande no se
redisuelve en el precalentamiento previo a extrusión y por lo tanto las
propiedades en el material serán bajas.
Características de fases homogeneizadas de aleación 6063
De lo dicho anteriormente se puede apreciar algunas de las influencias de
las fases en el procedimiento de extrusión, por lo que su vigilancia es
importante en los cilindros homogeneizados.
La caracterización se realiza no solo por el seguimiento a los parámetros
de operación sino por el análisis metalográficos a los productos finales
mediante las técnicas de microscopia óptica y de transmisión, verificando los
rasgos de las fases que afecten en mayor proporción al proceso de extrusión.
Los métodos de identificación de las fases, se basan en la diferencia de
concentración, color, forma, composición química y estructura cristalina. La
identificación de cada fase, permite cuantificarle mediante los equipos de
34
análisis de imágenes a través de microscopia óptica y de barrido, mediante el
ataque selectivo con el reactivo adecuado para revelar la mayor firmeza sus
características donde se verifican con mayor firmeza sus características
donde se verifican los parámetros de las fases que establecen las normas.
Las técnicas metalográficas han permitido identificar las fases Al8Fe2Si en
muestras de colada, por su morfología denominada estructura china,
mientras que las fases Al5FeSi se observa como finas agujas que definen el
borde de grano.
Sin embargo, cuando la velocidad de solidificación es elevada, la
identificación por morfología de estas fases puede conducir a errores ya que
ambas presentan aspectos similares.
Glosarios de Términos
Aleación: Mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más
metales con algunos elementos no metálicos.
Aluminio: Elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata
de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado
en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la
corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de
la vegetación y de los animales.
Cámara de Enfriamiento: Equipo auxiliar de homogeneizado, para alcanzar
la velocidad de enfriamiento que permitan obtener la mejor distribución de las
partículas Mg2Si en los cilindros para extrusión. Las velocidades son
alcanzadas mediante la extracción de calor en forma forzada, por la acción
35
de dos (2) ventiladores que succionan el aire del ambiente y lo hacen circular
a través de la cara.
Cilindro para Extrusión: Sólido utilizado en industria de la extrusión
constituido por aluminio primario y/o aluminio secundario (reciclado), el cual
se produce por colada continúa.
Cinética de Transformación: Velocidad de transformación de fases durante
el tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio.
Colada: Proceso que da forma a un objeto al entrar material líquido en una
cavidad formada en un bloque de arena aglomerada u otro material que se
llama molde y dejar que se solidifique el líquido.
Difusión: Es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se
introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la
entropía del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y
el medio donde se difunden o disolvente.
Disolución: Mezcla homogénea a nivel molecular o iónico de dos o más
sustancias que no reaccionan entre sí, cuyos componentes se encuentran en
proporción que varía entre ciertos límites.
Energía Activación: Energía que necesita un sistema antes de poder iniciar
un determinado proceso. La energía de activación suele utilizarse para
denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción
química dada. Para que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas
deben colisionar en la orientación correcta y poseer una cantidad de energía
mínima.
36
Extrudabilidad: Máxima velocidad de producción dada una capacidad de
presión, manteniendo las propiedades mecánicas deseadas, la calidad
superficial y las tolerancia geométricas del perfil extruído.
Fase: Cada una de las partes macroscópicas de una composición química y
propiedades físicas homogéneas que forman un sistema.
Hornos de Homogeneización: Hornos de tratamientos térmicos con la
finalidad de someter a los materiales a una temperatura determinada con el
objeto de conferirle las propiedades adecuadas para los tratamientos
posteriores.
Horno Hertwich: Horno de homogeneizado continuo, para cilindros para
extrusión de aleaciones de aluminio de 60.000 t/año, el cual esta diseñado
para procesar cilindros de hasta 229 mm de diámetro y 6700 mm de longitud,
con los parámetros de proceso de homogeneizado de 565 ºC con un tiempo
de mantenimiento de 3 horas, según el estándar industrial.
Horno Sunbeam: Horno de homogeneizado tipo Bacth, cuyo proceso de
homogeneizado se lleva a cabo gracias a la circulación a través de la carga
de aire caliente, calentado por una batería de tubos radiantes, 18 en total, y
además forzado por ventiladores dispuestos de manera lateral. Para
asegurar la uniformidad del calentamiento se cambia el sentido de
movimiento del aire mediante la inversión de giro de los ventiladores cada 45
minutos.
Interfase: Superficie o separación entre dos fases físicas o químicas
diferentes.
37
Microestructura: Estructura micrográfica detallada de un sólido, en especial
de un mineral o de un metal.
Microsegregación: Segregación en el interior de un grano o de un área
pequeña asociada normalmente a la solidificación celular o dendrítica.
Morfología: Estudio de la forma de un organismo o sistema.
Nucleación: Comienzo de un cambio de estado en una región pequeña pero
estable. El cambio de estado puede ser la formación de gas o cristal a partir
de un líquido.
Partículas: Cuerpo material pequeño que constituye la materia.
Precipitación: Caída de partículas líquidas o sólidas de agua.
Precipitado: Sólido que se produce en una disolución por efecto de una
reacción química o bioquímica.
Solubilidad: Medida de la capacidad de una determinada sustancia para
disolverse en otra.
38
CAPITULO III
ASPECTOS PROCEDIMENTALES
Actividades Ejecutadas
Entre las principales actividades ejecutadas para llevar a cabo la
investigación se encuentra las siguientes:
Selección de las muestras
De las coladas de la aleación 6063 se tomaron dos (2) cilindros de 17,78
cm de diámetro (7”) con diferentes contenidos de manganeso, que
presentaban rechazo parcial, para la obtención de ocho (8) muestras tipo
disco sin tratamiento térmico de homogeneizado, adicionalmente una
muestra por cada cilindros para realizar comparación con la estructura de
colada.
Las características de los cilindros son las siguientes:
Diámetro 17,78 cm y longitud de 609 cm.
Composición Química.
En la siguiente tabla 3.1 se muestran los datos recolectados de la
preparación de colada de los cilindros de aleación 6063 con diferentes
contenidos de Mn, con sus respectivas composiciones químicas.
39
Elementos
Aleantes
Aleación 6063 con
0,0075% Mn
Aleación 6063 con
0,0223% Mn
Si 0,42 0,44
Fe 0,17 0,18
Mn 0,0075 0,0223
Mg 0,53 0,53
Ni 0,0032 0,003
Zn 0,0012 0
Ti 0,0092 0,0112
B 0,0007 0,0006
V 0,0069 0,0053
Al 98,88 98,82
Tabla 3.1: Composición química (% peso) de la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con
0,0223% Mn.
Fuente: Sistema Integral de Colada (SIC).
Para este estudio se requirió de la obtención de 20 probetas
homogenizadas a 560 ºC a diferentes tiempos de absorción 0, 1, 2, 3 y 4
horas respectivamente. Adicionalmente se tomó una probeta por cada
variante composicional de Mn para observar y analizar la estructura de
colada.
Las probetas se homogenizaron a la temperatura mostrada en el siguiente
esquema de trabajo presentado en la figura 3.1:
40
Figura 3.1: Esquema de trabajo para el homogenizado de probetas de los cilindros 6063 con 0,0075%
Mn y 6063 0,0223% Mn.
Fuente: Autor.
Corte de las probetas para respectivos análisis microestructural
Se cortaron dos cilindros (2) cilindros con diferentes contenidos de Mn, sin
tratamiento térmico de homogenizado en la sierra Wagner KM – 44 (figura
3.2) para la obtención de ocho (8) muestras tipo disco. Después, las
muestras son llevadas a la máquina cortadora marca Buelhler donde se
extraen del centro tres bandas, la cual se subdivide en probetas pequeñas
(como se aprecia en la figura 3.1).
Cilindro perteneciente a la aleación 6063 con
0,0223% Mn
Cilindro perteneciente a la aleación 6063 con
0,0075% Mn
Muestras provenientes de los cilindros destinados a extrusión con diferentes contenidos de Mn
Muestras del cilindro de aleación 6063 con 0,0075% Mn
Muestras del cilindro de aleación 6063 con 0,0223% Mn
P
C
M
M
P
P M M P
Probetas obtenidas del disco P (Periferia), M (Medio) y C (centro)
Tiempo de Absorción 2 horas
Tratamiento Térmico de Homogeneizado a 560 ºC
Tiempo de Absorción 0 hora
Tiempo de Absorción 1 horas
Tiempo de Absorción 3 horas
Tiempo de Absorción 4 horas
41
Figura 3.2: Sierra Wagner Km-44.
Fuente: El Autor.
La misma metodología se aplicó para obtener las probetas de la
estructura de colada sin tratamiento térmico de homogeneizado. Las
probetas se identificaron del siguiente modo:
De la banda de ambos centros se obtuvieron 9 probetas por cada disco a
las cuales se les asignaron un código P (Periferia), M (Medio) y C (Centro).
Es importante señalar, que las probetas que se estudiaron son las asignadas
con el código M (Medio), ya que esta posee la mayor cantidad de probetas (4
probetas por discos), y se tomó un duplicado de cada una de ellas para el
homogeneizado. Las muestras a homogeneizar a 560 ºC con un tiempo de
absorción de 0, 1, 2, 3, 4 horas son las siguientes:
1M Probeta de aleación 6063 con 0,0075% de Mn (2 y 4 Horas)
2M Probeta de aleación 6063 con 0,0075% de Mn (1 y 3 Hora)
3M Probeta de aleación 6063 con 0,0075% de Mn (0 hora)
4M Probeta de aleación 6063 con 0,0075% de Mn (E. Colada)
5M Probeta de aleación 6063 con 0,0223% Mn (2 Horas y 4 Horas)
7M Probeta de aleación 6063 con 0,0223% Mn (1 Hora y 3 Horas)
8M Probeta de aleación 6063 con 0,0223% Mn (0 Hora y E. Colada)
42
Homogeneizado de las probetas en el horno de tratamiento
térmico tipo Mufla
El tratamiento térmico de homogeneizado se realizó a nivel de laboratorio
en un horno de tratamiento térmico programable Barstead/Thermolyne. Las
probetas se homogeneizaron bajo las siguientes condiciones:
Tiempo de precalentamiento: 250 ºC (15 minutos), 500 ºC (60
minutos) y 560 ºC (95 minutos).
Temperatura de Absorción: 560 ºC.
Tiempo de Absorción: 0, 1, 2, 3 y 4 horas.
Para la temperatura que se empleo durante el tratamiento térmico de
homogeneizado se realizaron los siguientes pasos:
Encendido del horno de tratamiento térmico programable
Barstead/Thermolyne.
Programación del horno (Temperatura de mantenimiento y tiempo de
mantenimiento de dicha temperatura).
Inicio de programa del horno de tratamiento térmico
Barstead/Thermolyne y apagado del horno.
Luego de aplicar el tratamiento térmico de homogeneizado, las probetas
fueron sacadas del horno aplicándose un enfriamiento rápido en agua
(Temple).
43
Preparación Metalográficas de las probetas
Las probetas previamente cortada e identificada con un código M (Medio)
fueron preparadas metálograficamente según el siguiente procedimiento:
Desbaste de las Probetas: Se realizó un desbaste grueso, en la
desbastodra manual, marca Buehler (Figura 3.3) utilizando un papel
abrasivo (Grit 240), para eliminar las rayas dejadas por el corte.
Desbaste Final: Este desbaste consiste en hacer pasar las probetas por
una desbastadora manual, marca Buehler utilizando diferentes papeles
abrasivos (Grit 240, Grit 320, Grit 400 y Grit 600).
Figura 3.3: Desbastadora Manual Buehler.
Fuente: El Autor.
Pulido Intermedio: Este pulido mecánico se realizó en una pulidora de
disco, marca Buehler (figura 3.4). Se hacen pasar las probetas por un
paño de fieltro, utilizando jabón y alumina (5μm; 1μm; 0,3μm y 0,05μm).
44
Figura 3.4: Pulidora de disco Buehler.
Fuente: El Autor.
Determinación de las Fracciones Volumétricas de fase Al5FeSi y
Al8Fe2Si
Las probetas ya preparadas metálograficamente son observadas al
microscopio óptico acoplado a un analizador de imágenes, el cual posee un
programa Clemex Visión que facilita el estudio de la fase presente (Figura
3.5).
Figura 3.5: Microscopio óptico acoplado a un analizador de imágenes.
Fuente: Autor.
45
Equipos y Materiales Utilizados
A continuación se muestra la lista de equipos, materiales y reactivos
empleados durante la realización de las experiencias:
Equipos:
- Sierra Wagner KM – 44.
- Máquina cortadora marca Buhler.
- Horno de tratamiento térmico programable Barstead/ Thermolyne.
- Desbastadora manual marca Buelher.
- Pulidora de disco Buehler.
- Microscopio óptico acoplado a un analizador de imagen marca
Buelher, modelo Electromet III.
Materiales:
- Termocupla tipo K.
- Probetas de cilindros para extrusión 6063 con 0,0075% Mn y 6063
con 0,0223% Mn.
- Registrador de temperatura marca Wahl.
- Reloj.
- Destornillador.
- Alicate.
- Alambre de cobre.
- Lana Mineral.
- Agua.
- Recipiente.
- Papeles abrasivos: Grit 200, Grit 240, Grit 320, Grit 400 y Grit
600.
46
- Paños de fieltro para pulir.
Reactivos
- Ácido Fluorhídrico (HF) 1%.
- Agua destilada.
- Alúmina 5 μm, 1 μm, 0.3 μm y 0.05 μm.
- Alcohol.
Técnicas de recolección de datos
En esta parte se hará mención a las técnicas y procedimientos que se
utilizaron para la obtención de los datos, con lo cual se obtuvo la información
necesaria para el desarrollo de la investigación. Como técnicas de
recolección de datos se recurrió a la observación directa de tipo participante,
en el área de ubicación de la unidad de productos verticales; observación
directa no participante, en este caso las técnicas de microscopia óptica; y
revisión documental, a fin de obtener la mayor información posible
relacionada con el proceso.
Observación Directa
Un buen inicio de toda la investigación se logra realizando una inspección
visual para verificar las condiciones de la unidad de estudio, y así estar al
tanto de los procedimientos que serán ejecutados durante el desarrollo de la
misma. En este caso, se realizó una inspección visual en el área de
productos verticales, donde se visualizaron los diferentes equipos tales
como: Hornos de retención, horno de homogenizado Sunbeam y el horno de
homogeneizado Hertwitch, con la finalidad de tener conocimiento práctico
del ciclo de homogenizado aplicado en la empresa.
47
Observación directa no participante
En este caso se recurrió a las técnicas de microscopia óptica, con la
finalidad de identificar las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si, y determinar el porcentaje
de fases Al8Fe2Si y Al5FeSi arrojado por las muestras de aleación 6063 con
0,0075% Mn y las muestras de aleación 6063 con 0,223% Mn, a través de un
analizador de imágenes acoplado al microscopio óptico.
Revisión documental
Es importante desarrollar en el diseño los principales elementos teóricos
sobre los cuales se pretende enforcar la investigación. Es por ello que se
realizó una revisión documental que permitió crear una base teórica del
trabajo a realizar.
En este sentido, Méndez (1994) dice: “Se refiere a la actitud que
surge en el investigador para profundizar en uno o en varios
enfoques teóricos que tratan el problema que se explica, a partir de
los cuales se espera avanzar en el conocimiento planteado y
encontrar nuevas explicaciones que modifiquen o complementen el
conocimiento inicial” (pp. 58).
Entre los documentos revisados se encuentran: Registros de empresa e
informes de los reportes de coladas, los cuales fueron posibles de recolectar
información a través del Sistema Integral de Colada, SIC, de C.V.G.
VENALUM, el cual es un programa directamente relacionado con el área de
colada.
48
Instrumentos de recolección de datos
Para la recolección de los datos que fueron usados durante la
investigación fue necesario utilizar los siguientes instrumentos:
Horno de Homogenizado tipo mufla
Utilizado con la finalidad de homogeneizar las muestras a 560 ºC.
Termocupla tipo K
Utilizada para tomar la temperatura de las muestras dentro de horno de
homogeneizado y llevar el control del ciclo de homogenizado.
Microscopio óptico
Se empleo un microscopio óptico acoplado a un analizador de imagen, el
cual posee un programa Clemex Visión para determinar las fases presentes
en la microestructura y las fracciones volumétricas de Al5FeSi y Al8Fe2Si.
Hoja de cálculo
Es un programa que permite la manipulación de archivos en los que se
trabaja y se almacenan datos. Su principal función es realizar operaciones,
pero también la de computar complejas interrelaciones y ordenar y presentar
en forma de gráfico los resultados obtenidos.
Para este estudio, la hoja de cálculo fue utilizada a fin de condensar en
dos tablas los datos a estudiar, tales como la variación de la fracción de la
fase Al8Fe2Si (%) y el tiempo de homogeneización (min) durante el
49
homogeneizado de las muestras a 560ºC, esta condensación de los datos
obtenidos fue realizada con la finalidad de organizarlo y facilitar así su
manejo, observación y análisis.
La hoja de cálculo también fue empleada para la elaboración de gráficas
que permitiesen la realización de análisis comparativos orientados al
cumplimiento de los objetivos previstos.
Cámara fotográfica
Con la finalidad de captar algunas zonas en el área, fue utilizada una
cámara digital, marca Kodak, modelo EasyShare C180.
Procesamiento de la Información
Luego de obtener la información, se creó una base principal de datos, la
cual tenía los valores correspondientes a los resultados de los análisis
microestructurales realizados a las muestras de aleación 6063 con 0,0075%
Mn y 6063 con 0,0223% Mn (% fases Al8Fe2Si y % fases Al5FeSi), además
de los valores correspondientes al tiempo de homogeneizado a 560 ºC, lo
cuales fueron necesarios para realizar el estudio planteado.
En la primera etapa del estudio, fue necesaria la realización de un análisis
comparativo, del comportamiento presentado por los resultados del
porcentaje de fase Al8Fe2Si y Al5FeSi en función del tiempo de absorción
durante el homogeneizado a 560 ºC arrojados por las muestras de aleación
6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn.
Para la realización de este análisis fue necesario la elaboración de
gráficos de líneas con los porcentajes de fase Al8Fe2Si en el eje de las
50
ordenadas, y el tiempo de absorción durante el homogeneizado a 560 ºC en
el eje de las abscisas. Posteriormente, se procedió a la realización de
análisis comparativos del comportamiento mostrado por las dos (2) variantes
estudiadas.
Para este análisis, se tomó como referencia el comportamiento
presentado por la fracción volumétrica de fase Al8Fe2Si (%) para cada
variante composicional de Mn. Con la finalidad de analizar comparativamente
estos comportamientos, fue necesario la elaboración de gráficos de líneas
con los porcentajes de fase Al8Fe2Si en el eje secundario de las ordenadas, y
el tiempo de homogeneizado en el eje primario de las abscisas.
Tabulación
La presentación de los datos estudiados se realizó a través del uso de
tablas, con el fin de facilitar el conocimiento de los valores de una forma
ordenada.
Tabla de contención de los análisis microestructural
Estas tablas fueron creadas con la finalidad de reportar los resultados de
los análisis microestructural realizados a las muestras de aleación de
aluminio 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn.
En primer lugar, se elaboro una tabla para reportar los análisis
microestructural de la estructura de colada, la cual presenta los porcentajes
de fases Al5FeSi y Al8 Fe2Si. En segundo lugar, se elaboro otra tabla similar a
la antes mencionada, donde se presentan los porcentajes de fases Al5FeSi y
Al8Fe2Si para cada tiempo de homogeneizado a 560 ºC. (Tabla 3.1 y 3.2).
51
Aleación
Al5FeSi (%)
Al8Fe2Si (%)
Aleación 6063 con 0,0075 % Mn
Aleación 6063 con 0.0223% Mn
Tabla 3.2: Formato de tabla utilizada para la contención de resultados de análisis microestructural de
la estructura de colada homogeneizada a 560 ºC
Fuente: Autor.
Parámetro Evaluado
Tiempo de Absorción (Horas)
Fases
0
1
2
3
4
Al5FeSi (%)
Al8Fe2Si (5)
Tabla 3.3: Formato de tabla utilizada para la contención de resultados de análisis microestructural de
la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn homogeneizada a 560 ºC con un tiempo de
absorción de 0,1, 2, 3 y 4 horas.
Fuente: Autor.
- Gráficos de los resultados de los análisis microestructurales
Fue elaborado un gráfico de líneas con la finalidad de mostrar el
comportamiento de la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223%
Mn, y así con los resultados obtenido poder inferir en el tiempo óptimo de
homogeneizado que garantice un porcentaje de fase Al8Fe2Si mayor a 80%
de transformación.
52
Tiempo de homogenización (min)F
racc
ión
de
Al8
Fe2
Si
Gráfico 3.1: Formato de gráfico elaborado para mostrar el comportamiento de la cinética de
transformación con diferentes contenido de Mn en la aleación 6063.
Fuente: El Autor.
Tipo de Análisis a Realizar
El presente trabajo se fundamenta en dos tipos de análisis; un análisis
estadísticos de tipo descriptivo de los datos estudiados. En este sentido,
Tamayo (2003:44) sostiene que lo que se busca con este tipo de análisis es:
“Describir de modo sistemático las característica de una población,
situación o área de interés”.
Mediante los resultados arrojados por los análisis microestructurales
realizados a las muestras de aleación de aluminio 6063 con 0,0075% Mn y
0,0223% Mn, se describió el comportamiento del Mn durante el tratamiento
térmico de homogenizado a la temperatura de 560 ºC con un tiempo de
absorción de 0, 1, 2, 3 y 4 horas.
Se realizo además un análisis de tipo experimental. En 2003, Tamayo
señala que este tipo de análisis es apropiado en situaciones naturales, en la
que no es posible el control y manipulación absoluta de las variables, tal como
corresponde al presente estudio.
53
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados de la presente investigación
referente al tratamiento térmico de homogeneizado aplicado a probetas de la
aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn, con sus respectivo análisis
microestructural.
Determinación de la fracción volumétrica de la fase Al8Fe2Si y
Al5FeSi en probetas de aluminio de la aleación 6063 con 0,0075%
Mn y 0,0223% Mn homogeneizada a escala de laboratorio a 560 ºC
- Parámetros evaluados en la estructura de colada
La estructura de colada de las dos variantes de aleación 6063 estudiadas
tienen las siguientes características, presentada en la tabla 4.1.
Aleación
Al5FeSi (%)
Al8Fe2Si (%)
Aleación 6063 con 0,0075 % Mn 77,5 22,5
Aleación 6063 con 0.0223% Mn 79,5 20,4
Tabla 4.1: Parámetros evaluados en la estructura de colada.
Fuente: Autor.
54
En la tabla 4.1 se muestra las fracciones volumétricas de Al5FeSi y
Al8Fe2Si presentes en la estructura de colada de la aleación de aluminio
6063 con 0,0075% Mn y 6063 con 0,0223% Mn, en la cual el porcentaje de
fase Al5FeSi es mayor que el porcentaje de fase Al8Fe2Si, razón por la cual
se aplica el tratamiento térmico de homogeneizado debido a que la fase
Al5FeSi perjudica las propiedades finales del producto.
Parámetros evaluados durante el homogeneizado de probetas de
aluminio con 0,0075% Mn a 560 ºC
Parámetro Evaluado
Tiempo de Absorción (Horas)
Fases
0
1
2
3
4
Al5FeSi (%) 72,9 65,2 53,1 40,0 26,2
Al8Fe2Si (%) 27,1 34,8 46,9 60,0 73,8
Tabla 4.2: Transformación de fases en probetas de aluminio de la aleación 6063 con 0,0075% Mn
homogeneizada a 560 ºC.
Fuente: Autor.
De acuerdo al tratamiento térmico de homogeneizado a 560 ºC las
fracciones de Al8Fe2Si (%) ilustrada en la tabla 4.2 se incrementan, a medida
que avanza el tiempo de homogeneizado. Es importante hacer notar que
para 4 horas de absorción, se logra alcanzar el 73,8% de fase Al8Fe2Si, la
cual se encuentra por debajo de valor mínimo aceptable para el
homogeneizado de los cilindros para extrusión. Con respecto a la estructura
de colada las probetas homogeneizadas aumentan su fracción volumétrica
55
en un 4,6% y 51,3% durante 0 y 4 horas de absorción respectivamente. La
mayor fracción volumétrica de Al8Fe2Si que se obtuvo fue de 73,8% para un
tiempo de absorción de 4 horas.
- Parámetros evaluados durante el homogeneizado de probetas de
aluminio con 0,0223% Mn a 560 ºC
Parámetro Evaluado
Tiempo de Absorción (Horas)
Fases
0
1
2
3
4
Al5FeSi (%) 71,3 55,5 37,6 34,5 18,4
Al8Fe2Si (%) 28,7 44,5 62,4 65,5 81,6
Tabla 4.3: Transformación de fases en probetas de aluminio de la aleación 6063 con 0,0223% Mn
homogeneizada a 560ºC.
Fuente: Autor
Para el tratamiento térmico de homogeneizado en probetas de aluminio de
aleación 6063 con 0,0223% Mn se puede observar en la tabla 4.3., que a
medida que se incrementa el tiempo de absorción aumenta la fracción de
fase Al8Fe2Si. Con un mayor contenido de Mn (0,0223% Mn) en la aleación,
se acelera más la cinética de transformación, obteniéndose así un mayor
contenido de fase Al8Fe2Si en las probetas homogeneizadas. La mayor
fracción volumétrica de fase Al8Fe2Si se logró alcanzar con un tiempo de
absorción de 4 horas obteniéndose un 81,6%.
56
Determinación del tiempo óptimo de absorción durante el
homogeneizado que garantice un porcentaje de la fase Al8Fe2Si
mayor a 80% de transformación
- Cinética de transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si durante
el homogeneizado
H omog eniz ado a 560 ºC Aleac ión 6063 c on
0,0075 Mn y 6063 c on 0,0223% Mn
y = 23,597e0,0044x
R2 = 0,9949
y = 24,961e0,0049x
R2 = 0,9134
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250 300
T iempo de homog eniz a c ión (min)
Fra
cc
ión
vo
lum
étr
ica
de
Al8
Fe
2S
i (%
)
% de fracc ión de A l8F e2S i con 0,0075% Mn
% de fracc ión de A l8F e2S i con 0,0223% Mn
Gráfico 4.1: Fracción de Al8Fe2Si como función del tiempo de homogeneización durante el
homogeneizado.
En el gráfico 4.1, se muestra la cinética de transformación de las dos
variantes estudiadas. La variación de la fracción de la fase Al8Fe2Si como
función del tiempo de absorción durante el homogeneizado, puede ser
descrita a través de la ecuación de Kolmogorov-Jhonson-Mehl-Avrami
(KJMA):
57
Xα = 1 – exp (-Ktn) (4.1)
Donde Xα es la fracción de volumétrica de la fase Al8Fe2Si que es
transformada, n es un exponente del tiempo (t) o exponente de Avrami y K
coeficiente de difusión. De los resultados obtenidos referente a la
cuantificación de fases, indican que la transformación de Al5FeSi a Al8Fe2Si
puede ser considerada como un mecanismo de nucleación y crecimiento, y
que la transformación Al5FeSi a Al8Fe2Si es controlada por difusión, por lo
cual se propone como modelo solución la ecuación de KJMA ya que los
resultados experimentales obtenidos siguen un comportamiento con esa
tendencia.
El comportamiento mostrado por las dos variantes estudiadas Aleación
6063 con 0,0075% Mn y Aleación 6063 con 0,0223% Mn en el gráfico 4.1,
esta influenciado por el contenido de Mn en la aleación; en particular para la
curva de fracción volumétrica de 0,0223% Mn se puede lograr una
transformación fα= 81,6 % a los 254 minutos (4 horas), mientras que para la
curva de fracción volumétrica de 0,0075% Mn se logra una transformación
fα= 73,6% para un mismo tiempo de homogeneizado, es decir, con un
diferencia en el contenido de Mn de 0,0148% Mn hay una diferencia en el
grado de transformación.
Comparando ambos comportamientos de las curvas, se puede decir que
existe una tendencia al incremento de la fracción volumétrica de Al8Fe2Si,
siendo mayores las de la aleación 6063 con 0,0223% Mn, debido a que
mientras mayor es el contenido de Mn en la aleación, más se acelera la
transformación de fases. Con estos resultados se puede inferir que el tiempo
óptimo para alcanzar un mínimo de 80% de transformación de fase Al8Fe2Si
es de aproximadamente 4 horas para la aleación 6063 con 0,0223% Mn.
58
Es principalmente el Mn el elemento que define la velocidad de
transformación, ya que se ha observado que para aleaciones de bajo
contenido de Mn (0,0075% Mn) la transformación es lenta, mientras que para
la aleación con un mayor contenido de Mn (0,0223% Mn) es rápida.
Debido al incremento de la velocidad de transformación que presenta la
aleación con mayor contenido de Mn, provocaría períodos de tiempo de
homogenización más corto, en comparación con una aleación de bajo
contenido de Mn como la estudiada en el presente trabajo.
- Tiempo equivalente de homogeneizado
Durante el tiempo equivalente de homogeneizado ocurre la primera
transformación de fase durante el tratamiento térmico de homogeneizado.
Temperatura (ºC)
Tiempo equivalente (min.)
560 ºC 14
Tabla 4.4: Tiempo equivalente de homogeneizado en muestras homogeneizadas a 560 ºC.
Fuente: Autor.
La tabla 4.4 ilustra el tiempo equivalente de homogeneizado en muestras
de aleación 6063 con diferentes contenidos de Mn a 560 ºC. A través de las
curvas de homogeneizado de la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con
0,0223% Mn (Temperatura vs. Tiempo), se obtuvo una zona de
calentamiento (Figura 4.1) y realizando un ajuste polinomial, se obtiene la
ecuación de la curva, de la forma at2+bt+ c. Luego se discretizó cada minuto
para calcular el tiempo equivalente de homogeneizado.
59
Figura 4.1: Zona de calentamiento de curvas de homogeneizado de la aleación 6063 con 0,0075% Mn
y 6063 con 0,0223% Mn.
Fuente: Autor.
El tiempo equivalente de homogeneizado fue calculado a través de la
expresión:
∆tq = ∆tactual * exp TactualTrefR
Q 11* (4.2)
Donde ∆tq es el tiempo equivalente de homogeneizado a la temperatura
actual, ∆tactual es siempre un minuto ya que en realidad es un ∆t, Q es la
energía de activación en J/mol, R es la constante de los gases ideales (8,31
J/K-mol), Tref es la temperatura de referencia en grados kelvin (En este caso
560 ºC) y Tactual es la temperatura actual proveniente de la discretización
T = at2 + bt + c
T (ºC)
Zona de calentamiento
t (min)
60
cada minuto. Finalmente el tiempo total del homogeneizado es la sumatoria
de todos los ∆tq.
El valor promedio obtenido es de 14 minutos, este resultado es de gran
importancia, ya que indica la posibilidad de optimizar el ciclo de
homogeneizado reduciendo el tiempo de absorción debido al aporte difusivo
en la etapa de precalentamiento, lo que conllevaría al incremento de la
productividad.
La tabla 4.5 muestra las fracciones de Al8Fe2Si (Xα) provenientes de
Al5FeSi, así como los valores de Ln (t) y Ln (-Ln (1- Xα)) necesarios para la
aplicación de la primera regresión lineal y la obtención de los exponentes y
coeficientes de Avrami.
Tiempo de
Absorción
(min.)
Al8Fe2Si
[fα/ (fα+fβ)]
Al8Fe2Si de
Al5FeSi
[fαf – fαi]
Ln (t) Ln (-Ln(1-
Xα))
1 0,271 0,046 0 -3,05566
60 0,348 0,123 4,09 -2,03066
120 0,469 0,244 4,79 -1,27398
180 0,6 0,375 5,19 -0,75501
240 0,738 0,513 5,48 -0,32921
Tabla 4.5: Fracción de Al8Fe2Si proveniente de Al5FeSi en el homogeneizado a 560 ºC de la aleación
6063 con 0,0075% Mn.
Fuente: Autor.
61
En la tabla 4.6 se muestran los resultados obtenidos de la fracción de
Al8Fe2Si proveniente de Al5FeSi en el homogeneizado a 560 ºC de aleación
6063 con 0,0223
Tiempo de
Absorción
(min)
Al8Fe2Si
[fα/(fα+fβ)]
Al8Fe2Si de
Al5FeSi
[fαf – fαi]
Ln (t) Ln (-Ln(1-
Xα))
1 0,287 0,083 0 -2,44590
60 0,445 0,241 4,09 -1,28824
120 0,624 0,420 4,79 -0,60747
180 0,655 0,451 5,19 -0,51139
240 0,816 0,612 5,48 -0,05472
Tabla 4.6: Fracción de Al8Fe2Si proveniente de Al5FeSi en el homogeneizado a 560 ºC de aleación
6063 con 0,0223% Mn.
Fuente: Autor.
De acuerdo a los valores mostrados en la tabla 4.5 y 4.6, el tiempo de
homogeneizado es la suma del tiempo equivalente y el tiempo de absorción.
Durante este tiempo ocurre el fenómeno de difusión, trayendo como
consecuencia la transformación de fases.
Trazando una gráfica doble- logarítmica se obtiene el valor del exponente
de Avrami n para las dos variantes 6063 bajo estudios (Gráfico 4.2).
62
LN(-LN(1-X)) Vs LN(t)
y = 0,8275x - 4,6611
R2 = 0,9544
y = 1,2157x - 7,0408
R2 = 0,9956
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0 2 4 6
LN(t)
LN
(-L
N(1
-X))
Aleación 6063 con 0,0075% Mn
Aleación 6063 con 0,0223% Mn
Lineal (Aleación 6063 con 0,0223% Mn)
Lineal (Aleación 6063 con 0,0075% Mn)
Gráfico 4.2: Ln (-Ln (1- Xα)) como función del Ln (t).
La pendiente individual de cada curva es el valor de exponente Avrami n.
Aleación 6063 con 0,0075% Mn
Aleación 6063 con 0,0223% Mn
n = 1,21 n = 0,82
Tabla 4.7: Valor de exponente de Avrami n para cada curva de aleación 6063.
Fuente: Autor.
En la tabla 4.7, se observa que el valor de exponente de Avrami n para
cada curva es muy cercano, sugiriendo que la cinética de transformación de
fases tiene un mecanismo similar para cada curva de aleación 6063
estudiada. Luego, asumiendo un 50% de transformación y sustituyendo el
exponente de Avrami n y X para un tiempo t50% Transformación, es posible
determinar el valor de K a través de la siguiente ecuación:
63
LN (-LN (1- X0,5)) = LNK + nLnt0,5 (4.3)
A continuación se ilustran en tabla 4.8 los valores obtenidos de k para
cada variante en diferentes tiempo de homogeneizado.
Variante LN K K
Aleación 6063 con
0,0075% Mn -6,9852 0,00093
Aleación 6063 con
0,0223% Mn -4,6305 0,0097
Tabla 4.8: Resultados de K dado n.
Fuente: Autor.
En la tabla 4.8, se observa los valores obtenido del coeficiente de difusión
K para cada tiempo durante el homogenizado a 560 ºC, encontrándose
valores mayores en la aleación 6063 con 0,0223% Mn, lo cual indica que la
disolución, crecimiento o transformación de una fase será mas rápida en
comparación con la aleación 6063 con 0,0075% Mn, la cual es más lenta.
Sin embargo como el coeficiente de difusión K depende de la
temperatura, entonces de la ecuación de Arrhenius (ver ec. 4.4), se obtiene
la ecuación 4.5, para el cálculo de la energía de activación Q estimada.
K0,5 = A exp RT
Q (4.4)
LN(K0,5) = LNA - R
Q*
T
1 (4.5)
64
Donde K0,5 es el coeficiente de difusión asumiendo un 50% de
transformación, A es un factor pre-exponencial en m2/s, R es la constante de
los gases ideales (8,31 J/K-mol), T es la temperatura absoluta en kelvin y Q
es la energía de activación estimada en KJ/mol.
Variante Q (KJ/mol)
Aleación 6063 con
0,0075% Mn 48,35
Aleación 6063 con
0,0223% Mn 32,05
Tabla 4.9: Resultados de Q dado K.
Fuente: Autor.
Microestructuras de la aleación 6063 con 0,0075% Mn y 6063 con
0,0223% Mn homogeneizadas a 560 ºC
Las microestructuras que se presentan a continuación muestran las fases
en la estructura de colada y en probetas homogenizadas de las dos variantes
estudiadas.
Figura 4.2: Estructura de colada aleación 6063 con 0,0075% Mn.
Fuente: Autor.
Posible fase Al5FeSi
Posible fase Al8Fe2Si
65
Figura 4.3: Estructura de colada aleación 6063 con 0,0223% Mn.
Fuente: Autor.
En la figura 4.2 y 4.3, se pueden apreciar los compuestos intermetálicos
presentes en la estructura de colada. La fase Al5FeSi tiene una morfología
de tipo bastoncillo o acicular, mientras que la fase Al8Fe2Si tiene una
morfología más equiaxial o redondeada. En ambas microestructuras se
presentan un mayor porcentaje de fracción volumétrica Al5FeSi que fracción
de Al8Fe2Si, además de pequeñas partículas de Mg2Si.
La figura 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 y 4.8, muestran la distribución de fases de la
aleación 6063 con 0,0075% Mn, revelando los cambios microestructurales
después del tratamiento térmico de homogeneizado a 560 ºC. Las partículas
Al5FeSi y de morfología tipo aguja, se transforman en múltiples partículas
Al8Fe2Si pero ahora de morfología más redondeadas.
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
66
Figura 4.4: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075%Mn a 560 ºC, 0 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.4, se puede observar un considerable número de partículas
alargadas y en forma de agujas o Al5FeSi, los cuales forman una red
continua distribuida en toda la matriz de aluminio. Algunas investigaciones
han encontrado que en las primera etapa de transformación, las partículas
Al8Fe2Si se nuclean, tanto sobre, como en la orillas de las partículas Al5FeSi,
sin embargo las partículas Al5FeSi no sufren variación en su ancho.
Figura 4.5: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn, 1 hora de absorción.
Fuente: Autor.
Posible fase Al5FeSi
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
67
En la figura 4.5, se observa la distribución de la fase Al5FeSi y Al8Fe2Si,
se puede decir que el mayor porcentaje de partículas los posee la fase
Al5FeSi. La microestructura resultante evidencia distribución de partículas en
forma dispersa, con morfología semejantes de agujas fragmentada y esferas.
Con el tratamiento térmico de homogeneizado a 1 hora de absorción la
microestructura del material tiene un 34,8 % de la fase Al8Fe2Si.
Figura 4.6: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075 % Mn a 560 ºC, 2 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.6, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si,
en donde hay un mayor numero de partícula alargadas de fase Al5FeSi.
También se puede observar la fragmentación de las partículas, influenciada
por el tiempo de absorción.
Para 2 horas de absorción se produce un 46,9% de la fase Al8Fe2Si. La
transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si se produce por nucleación de la
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
68
fase en la interfase de fase Al5FeSi y la matriz. A 2 horas de absorción existe
un mayor predominio de la fase Al5FeSi, sin producir ningún cambio en la
microestructura. En la industria es recomendable obtener un 80% de la fase
Al8Fe2Si, de modo que se garantice las propiedades para la extrusión.
Figura 4.7: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn, 3 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.7, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si,
se puede decir que el mayor porcentaje de partículas los posee la fase
Al8Fe2Si, en donde la red pierde continuidad debido a que las partículas
Al5FeSi se transforman en múltiples partículas Al8Fe2Si.
Durante 3 horas de absorción en la microestructura, aumenta la fracción
de la fase Al8Fe2Si, ya que durante este tiempo se disuelve la mayor parte de
la fase Al5FeSi que se encuentra en los bordes de granos.
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
69
Figura 4.8: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0075% Mn, 4 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.8, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si,
en la cual predomina la fase Al8Fe2Si, para un tiempo de absorción de 4
horas. Además se puede observar que existe una mayor esferoidización de
las partículas Al8Fe2Si.
En la figura 4.9, 4.10, 4.11, 4.12 y 4.13, muestran la distribución de fase
de la aleación 6063 con 0,0223% Mn, revelando los cambios
microestructurales después del tratamiento térmico de homogeneizado a 560
ºC.
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
70
Figura 4.9: Homogeneizado a 560 ºC aleación 6063 con 0,0223% Mn, 0 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.9, se ilustra los cambios microestructurales en la aleación
6063 con 0,0223% Mn para un tiempo de 0 horas, se puede observar que
hay un mayor número de partículas Al5FeSi en comparación con la figura 4.2,
formándose así una red continua distribuida en toda la matriz del aluminio.
Además se observa pocas partículas Al8Fe2Si en la matriz.
La diferencia apreciada entre la microestructura de la muestra de aleación
6063 con 0,0075% Mn y la aleación con 0,0223% Mn homogeneizada a 0
horas, se debe básicamente al contenido de Mn.
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
71
Figura 4.10: Homogeneizado a 560 ºC aleación 6063, con 0,0223% Mn, 1 hora de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.10, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si,
en el cual la fase Al8Fe2Si tiene un 44,5% para un tiempo de absorción de 1
hora. Para este tiempo de absorción no se ha iniciado la fragmentación y
esferoidización de las partículas.
Figura 4.11: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn a 560 ºC, 2 horas de absorción.
Fuente: Autor.
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
Posible fase Al5FeSi
Posible fase Al8Fe2Si
72
En la figura 4.11, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y
Al8Fe2Si, se puede decir que el mayor porcentaje de partículas lo posee la
fase Al8Fe2Si. La microestructura resultante evidencia distribución de
partículas en forma dispersa, con morfologías de semejantes agujas
fragmentadas y esféricas. Con el homogeneizado a 2 horas de absorción la
microestructura tiene un 62,4% de la fase Al8Fe2Si.
Figura 4.12: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn, 3 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.12, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y Al8Fe2Si,
se puede observar que el mayor porcentaje de partículas al igual que le caso
anterior lo posee la fase Al8Fe2Si. También se puede observar la
fragmentación de las partículas, influenciada por el tiempo de absorción.
Posible fase Al5FeSi
Posible fase Al8Fe2Si
73
Para 3 horas de absorción se produce un 65,5% de la fase Al8Fe2Si. La
transformación de la fase Al5FeSi a Al8Fe2Si se produce por nucleación de la
fase en la interfase de la fase Al5FeSi y la matriz.
Figura 4.13: Homogeneizado aleación 6063 con 0,0223% Mn, 4 horas de absorción.
Fuente: Autor.
En la figura 4.13, se observa la distribución de las fases Al5FeSi y
Al8Fe2Si, en la cual la fase Al8Fe2Si tiene un 81,6% para un tiempo de
absorción de 4 horas. Se puede observar que existe una mayor
esferoidización de la partícula Al8Fe2Si y es recomendable para el proceso
de homogeneizado de los cilindros para extrusión.
Posible fase Al8Fe2Si
Posible fase Al5FeSi
74
CONCLUSIONES
De acuerdo a los resultados obtenidos en esta investigación, se pueden
establecer las siguientes conclusiones:
1. Se pudo comprobar experimentalmente que el Mn tiene un importante
efecto sobre la velocidad de transformación de la fase Al5FeSi a
Al8Fe2Si durante el proceso de homogenizado.
2. La máxima fracción volumétrica alcanzada de la fase Al8Fe2Si fue de
81,6% en la aleación 6063 con 0,0223% Mn homogeneizada a una
temperatura de 560 ºC y 4 horas.
3. El tiempo de absorción para alcanzar un 80% de transformación de
fase Al8Fe2Si durante el homogeneizado de la aleación 6063 con
diferentes contenidos de Mn a 560 ºC, es de 4 horas para la aleación
6063 con 0,0223% Mn.
4. En la aleación 6063 con 0,0075% Mn no se logra alcanzar un 80% de
transformación de fase Al8Fe2Si.
75
RECOMENDACIONES
Continuar con el desarrollo de este trabajo, aplicándole períodos de
tiempo mayores durante el homogeneizado, de tal manera que se
garantice un grado de transformación de la fase Al8Fe2Si cercano a
100% de transformación.
Caracterizar muestras de cilindros para extrusión de aleación 6063
con diferentes contenidos de Mn homogeneizada a escala industrial,
con la finalidad de inferir en los parámetros de operación del proceso
de homogeneizado.
76
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Montes, R. (2008). “Cinética de transformación de β-AlFeSi a α-AlFeSi en
una aleación Al-Mg-Si de bajo contenido de Mn cuantificada por circularidad
crítica”.
Kuijpers, N.C.W., Kinetics of the β-AlFeSi to α-Al(FeMn)Si transformation in
Al-Mg-Si alloys. 2004, Technische Universiteit Delft. p.152.
Rondón, M. (2001). “Estudio de la transformación de fase Al5FeSi a Al8Fe2Si
durante el tratamiento térmico de homogeneizado a diferentes temperaturas
en la aleación 6063 en C.V.G VENALUM”.
Díaz, Y., Tosta A., & Orsetti, P. (1998). “Cambios microestructurales en la
aleación 6063 durante el homogeneizado”. Revista de la Unexpo, Vol. 2
No.7, Pág. 29-34.
Cuba, I. & Torres M. (1998). “Caracterización de las aleaciones 6060-14 y
6063-32”.
Centeno, O. (2003). “Mejora del sistema del proceso de homogeneizado tipo
bacth de cilindros para extrusión en C.V.G VENALUM”.
Tamayo y Tamayo (2001). El proceso de la investigación. Limusa.
Venezuela.
Sabino, C. (1998). El proceso de la investigación. Panpoi. Caracas,
Venezuela.
77
ANEXOS
78
Anexo A. Tratamiento Térmico de Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de mantenimiento de
0 horas aplicado a probetas 6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
205080
110140170200230260290320350380410440470500530560590620
0
20
40
60
80
10
0
12
0
14
0
16
0
18
0
20
0
22
0
24
0
26
0
Temp. horno Temp. muestra temp. Prog. horno
Anexo B. Tratamiento Térmico de Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de mantenimiento de
1 hora aplicado a probetas 6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
20 50 80
110 140 170 200 230 260 290 320 350 380 410 440 470 500 530 560 590 620
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165
Temp. horno Temp. Muestra Temp. Prog. horno
79
205080
110140170200230260290320350380410440470500530560590620
0 25 50 75 100
125
150
175
200
225
250
275
300
Temp. horno Temp. Muestra
Temp. prog. horno
Anexo C. Tratamiento Térmico de Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de mantenimiento de
2 horas aplicado a probetas 6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
205080
110140170200230260290320350380410440470500530560590620
0
25
50
75
10
0
12
5
15
0
17
5
20
0
22
5
25
0
27
5
30
0
32
5
35
0
37
5
Temp. horno Temp. muestra temp. Prog. horno
Anexo D. Tratamiento Térmico de Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de mantenimiento de
3 horas aplicado a probetas 6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
80
205080
110140170200230260290320350380410440470500530560590620
0
25
50
75
10
0
12
5
15
0
17
5
20
0
22
5
25
0
27
5
30
0
32
5
35
0
37
5
40
0
Temp. horno Temp. muestra Temp. Prog. horno
Anexo E. Tratamiento Térmico de Homogeneizado a 560 ºC con un tiempo de mantenimiento de
4 horas aplicado a probetas 6063 con 0,0223% Mn y 0,0075% Mn.
81
Anexo F. Informe de la preparación de Colada empleado para la visualización de la composición
química de la aleación con mayor contenido de Mn (0,0223% Mn).
82
Anexo G. Informe de la preparación de Colada empleado para la visualización de la
composición química de la aleación con bajo contenido de Mn (0,0075% Mn).
