El papel del Mg2Si en la aleación 6061
La aleación 6061 es una aleación de aluminio-magnesio-silicio en la que la resistencia útil proviene casi en su totalidad de una fase: siliciuro de magnesio, Mg2Si. En estado recocido, el magnesio y el silicio están en gran medida en solución o presentes como partículas gruesas que aportan poca resistencia. El tratamiento térmico cambia eso. El tratamiento con solución disuelve los elementos, un enfriamiento rápido los atrapa en una solución sólida sobresaturada y el envejecimiento artificial los precipita como partículas finas y coherentes de Mg2Si que tensan la red de aluminio y bloquean el movimiento de dislocación. Eso es lo que convierte un tubo extruido blando en la condición T6.
Las especificaciones relevantes son ASTM B221 para tubos y barras extruidos, ASTM B241 para tubos y tubos sin costura, EN 755-2 para las propiedades mecánicas del producto extruido y AMS 2772 para el tratamiento térmico de piezas de aleación de aluminio, que establece las prácticas de horno y enfriamiento. Los límites de composición registrados de 6061 son magnesio entre 0,8 y 1,2 por ciento, silicio entre 0,4 y 0,8 por ciento, cobre entre 0,15 y 0,40 por ciento, cromo entre 0,04 y 0,35 por ciento, con hierro limitado a 0,7 por ciento.
Equilibrio de composición y estequiometría de fase.
Debido a que Mg2Si contiene magnesio y silicio en una proporción atómica fija, los dos elementos deben estar presentes en una proporción adecuada para que se desarrolle el efecto de endurecimiento completo. La relación estequiométrica corresponde a aproximadamente 1,73 partes de magnesio por una parte de silicio en peso. En 6061, el contenido de magnesio es alto en relación con esa proporción, por lo que la aleación normalmente es rica en magnesio-y una proporción del magnesio permanece en solución sólida después del envejecimiento, lo que contribuye al fortalecimiento adicional de la solución sólida-. El exceso de silicio, por otro lado, tiende a formar partículas gruesas que consumen soluto y reducen la respuesta al envejecimiento.
| Elemento, porcentaje | Límite en 6061 | Efecto sobre la formación de Mg2Si |
|---|---|---|
| Magnesio | 0.8-1.2 | Formador de fase; el exceso permanece en solución sólida |
| Silicio | 0.4-0.8 | Formador de fase; el exceso promueve partículas gruesas |
| Cobre | 0.15-0.40 | Añade un precipitado fortalecedor adicional. |
| Cromo | 0.04-0.35 | Refina la estructura del grano, controla la recristalización. |
| Hierro | 0,7 máx. | Forma fases insolubles que retienen el soluto. |
Tasa de solidificación y enfriamiento
El estado del metal antes del tratamiento térmico ya importa. Durante la fundición o extrusión, la velocidad de enfriamiento a través del rango de solidificación controla la cantidad de Mg2Si que se puede formar como partículas primarias o eutécticas gruesas. Una velocidad de enfriamiento lenta permite que el magnesio y el silicio se segreguen y formen Mg2Si en bloques grandes que son difíciles de disolver más adelante, dejando menos soluto disponible para la precipitación durante el envejecimiento. Un enfriamiento más rápido mantiene una mayor cantidad de elementos en la solución sobresaturada y promueve una distribución fina y uniforme de partículas finas, lo que a su vez acorta el tratamiento de la solución necesario y aumenta la dureza lograda.
En la extrusión, el tocho se calienta a una temperatura lo suficientemente alta para que se pueda trabajar la aleación, pero lo suficientemente baja para evitar una fusión incipiente, y luego se enfría en la mesa-de salida. Un enfriamiento en prensa demasiado lento permite que el Mg2Si grueso precipite en los límites de los granos, lo que reduce tanto la dureza como la tenacidad y puede dejar el tubo con una estabilidad dimensional deficiente durante el mecanizado.
Tratamiento de solución, enfriamiento y envejecimiento
Tratamiento de solución: 529 grados C más o menos 6 grados C, mantenido durante el tiempo suficiente para disolver las fases solubles, como se especifica en AMS 2772 para 6061. La temperatura no debe aumentar, porque la aleación tiene un eutéctico de bajo punto de fusión.
Enfriamiento: enfriamiento rápido, normalmente en agua a temperatura controlada, a través del rango de temperatura en el que de otro modo el Mg2Si se nuclearía y crecería como partículas gruesas. Un enfriamiento lento reduce la respuesta de envejecimiento y puede dejar una capa superficial suave.
Envejecimiento artificial: mantener en el rango de 160-180 grados C durante 8 a 18 horas, dependiendo de la sección y las propiedades especificadas, para precipitar Mg2Si fino y uniformemente disperso.
Envejecimiento natural: los tubos mantenidos a temperatura ambiente después del enfriamiento continúan cambiando lentamente; Por lo tanto, el intervalo antes del envejecimiento artificial se controla para mantener las propiedades constantes de un lote a otro.
Enderezamiento: cuando el tubo se estira o se enrolla después del enfriamiento para lograr la rectitud, se debe registrar la práctica, porque la estructura de dislocación resultante interactúa con la nucleación del precipitado.
Debe evitarse el envejecimiento excesivo. Si el tubo se mantiene por mucho tiempo o a una temperatura demasiado alta, los precipitados finos se vuelven más gruesos, el espaciamiento de los precipitados aumenta y la dureza y la resistencia a la prueba disminuyen aunque el material sea más blando y más moldeable. Es por eso que los registros del horno, los rastros de termopares y los tiempos de retardo-de enfriamiento forman parte de la documentación del tratamiento térmico.
Control y Verificación de Procesos
Debido a que la dureza del 6061 depende de una secuencia de pasos y no solo de la composición, la línea de producción controla cada paso y verifica el resultado:
Calibración del horno y termopares de carga para demostrar que toda la carga alcanzó la temperatura de la solución, no solo el aire del horno.
Límites de tiempo de retardo del enfriamiento, ya que el tubo debe ingresar al enfriamiento antes de que la temperatura caiga al rango crítico.
Registro de la curva de envejecimiento, con la temperatura de la carga registrada durante el mantenimiento completo.
Prueba de dureza en el tubo terminado como verificación de rutina, respaldada por pruebas de tracción según los valores de aceptación ASTM B221 o ASTM B241.
Examen metalográfico donde se cuestiona la respuesta al envejecimiento, en busca de precipitados límite de grano grueso-o una distribución desigual de Mg2Si.
Medición de conductividad, que es sensible a la cantidad de soluto en la solución y es una forma rápida de detectar una extinción incompleta.
Los tubos se suministran en estado T6 con un certificado que informa del ciclo de tratamiento térmico, la dureza y las propiedades de tracción. Los controles dimensionales cubren el diámetro, el espesor de la pared y la rectitud, y los tubos se empaquetan en paquetes o en cajas de madera con protección en los extremos para envíos de exportación.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué es exactamente la fase Mg2Si?
R: Es el compuesto intermetálico formado a partir de magnesio y silicio en una proporción atómica fija. En 6061 es la fase que precipita durante el envejecimiento artificial y proporciona la mayor parte de la fuerza de la condición T6.
P: ¿Por qué es tan importante la tasa de extinción?
R: Un enfriamiento rápido mantiene el magnesio y el silicio en una solución sobresaturada. Si el tubo se enfría demasiado lentamente, se forma Mg2Si grueso en lugar de los precipitados finos necesarios para la dureza, y la respuesta al envejecimiento se debilita.
P: ¿Cuál es la temperatura correcta de tratamiento de la solución?
R: AMS 2772 especifica 529 grados C más o menos 6 grados C para 6061. Si se mantiene por encima de ese rango, se corre el riesgo de una fusión incipiente en los límites de los granos, mientras que si se mantiene por debajo deja parte del soluto sin disolver.
P: ¿Qué sucede si el tubo tiene-edad excesiva?
R: Los precipitados finos se vuelven más gruesos y la resistencia y la dureza de la prueba disminuyen. El tubo sobre-envejecido es más moldeable pero puede no cumplir con los requisitos de tracción de ASTM B221 o ASTM B241 para el temple T6.
P: ¿Cómo se verifica el tratamiento térmico en un tubo entregado?
R: Mediante registros de horno y envejecimiento rastreables hasta el lote, además de pruebas de dureza y pruebas de tracción de muestras, con medición de conductividad utilizada como indicación rápida de que el enfriamiento se completó.
