El impacto de la fundición por compresión en la microestructura y las propiedades mecánicas de las aleaciones de magnesio con alto contenido de zinc

El magnesio y las aleaciones de magnesio se caracterizan por su baja densidad, alta resistencia y rigidez específicas, buenas propiedades de amortiguación, excelente rendimiento de blindaje electrónico y facilidad de reciclaje. Tienen un valor de aplicación significativo y amplias perspectivas en áreas como las industrias automotriz, electrónica, aeroespacial y de defensa. Entre ellas, las aleaciones de la serie Mg-Zn-Al (ZA) exhiben un buen rendimiento a altas temperaturas, excelentes propiedades de fundición y menores costos de producción. Las investigaciones indican que alterando el contenido de Zn y controlando la relación w(Zn)/w(Al) en aleaciones de Mg-Zn-Al, es posible mejorar la resistencia al calor y la resistencia a la fluencia a altas temperaturas de la aleación.

La microestructura de las aleaciones de Mg-Zn-Al consiste principalmente en fases termoestables como τ-Mg32(Al,Zn)49 (punto de fusión 535°C), ϕ-Al2Mg5Zn2 (punto de fusión 393°C) o ε-MgZn (punto de fusión 347°C). Las aleaciones con w(Zn)/w(Al) ≥ 2, especialmente aquellas con alto contenido de zinc (por ejemplo, ZA102, ZA122, ZA122), exhiben resistencia al calor y resistencia a la fluencia mejoradas debido a la formación de fases termoestables como Mg32(Al,Zn)49 y ε-MgZn. Sin embargo, los defectos de fundición, como la contracción, todavía limitan la aplicación adicional de aleaciones de Mg-Zn-Al en los procesos de fundición tradicionales.

La fundición por compresión es una tecnología de procesamiento de metales eficiente y precisa que combina las características de la fundición y la deformación plástica. La aplicación de presión durante la solidificación es beneficiosa para refinar el tamaño del grano y lograr una alimentación forzada durante la solidificación, reduciendo o eliminando los defectos de fundición causados ​​por el gas en la masa fundida y la contracción de la solidificación. Esto da como resultado una estructura de fundición más densa.

En el estudio centrado en la aleación Mg-14Zn-3Al (ZA143), se realizaron experimentos de fundición por compresión con presiones variables (0, 40, 80 y 120 MPa) para investigar sus efectos sobre la microestructura, la microporosidad y las propiedades mecánicas. Los resultados mostraron que el aumento de la presión eliminó eficazmente los defectos de fundición, mejorando la densidad y las propiedades mecánicas de la aleación.

Sin presión (fundición por gravedad), las dendritas de α-Mg eran gruesas y la segunda fase en los límites de los granos se distribuyó de forma discontinua con una pequeña fracción de área. A medida que la presión aumentó a 40 MPa, las dendritas de α-Mg se refinaron, la segunda fase aumentó y su distribución en los límites de los granos cambió de discontinua a continua, con una tendencia al refinamiento en la distribución interna de la segunda fase granular (ε-MgZn). Con un mayor aumento de presión, la tendencia de refinamiento de las dendritas de α-Mg disminuyó y la segunda fase exhibió una distribución reticulada continua en los límites de los granos, mientras que la distribución interna de la segunda fase granular fina continuó aumentando.

Además, se observó que se producía microporosidad cuando no se aplicaba presión. A medida que aumentó la presión, especialmente a 80 MPa y 120 MPa, no se observó microporosidad. Sin presión, la microporosidad en las piezas fundidas de aleación de magnesio ZA143 se concentraba principalmente en la parte media superior, formando "bandas" distribuidas simétricamente alrededor del centro, mientras que había menos microporosidad en las superficies laterales e inferiores. Al aumentar la presión, la microporosidad en las piezas fundidas de aleación de magnesio ZA143 a 40 MPa y 80 MPa disminuyó y ya no exhibió agrupaciones densas sino más bien una distribución más grande en "forma de V". Esto se atribuyó al efecto de enfriamiento en la superficie del molde, lo que provocó que el metal fundido en el borde de la fundición se solidificara primero, formando una cáscara sólida. La carcasa sólida sufrió deformación plástica bajo presión, sometiendo el metal fundido a presión isostática. En las primeras etapas de la fundición por compresión, la delgada capa sólida era propensa a la deformación plástica, lo que generaba una alta presión isostática sobre el metal fundido, inhibiendo la formación de microporosidad en las superficies laterales e inferiores. Sin embargo, a medida que avanzaba la solidificación, el espesor de la capa sólida aumentó y la energía consumida por la deformación plástica de la capa sólida bajo presión aumentó. En consecuencia, la presión isostática sobre el metal fundido en la región central disminuyó, haciéndolo susceptible a la formación de microporosidad.

En resumen:

1. La fundición por compresión refina las dendritas de α-Mg, aumenta la segunda fase y transforma la microestructura de la aleación de Mg-14Zn-3Al de la matriz de α-Mg, fase τ-Mg32(Al,Zn)49 en forma de bloque largo, a fase granular o esquelética de ε-MgZn, con una transición de distribución discontinua a continua en los límites de los granos.

2. El aumento de la presión de fundición por compresión reduce la microporosidad en las piezas fundidas de aleaciones de Mg-14Zn-3Al. La fracción del área de microporosidad disminuye del 15,67 % a 0 MPa al 0,81 % a 120 MPa.

3. El aumento de la presión de fundición por compresión mejora el rendimiento general de la aleación Mg-14Zn-3Al. A 120 MPa, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la aleación son 218,1 MPa y 5,2 %, respectivamente, lo que representa un aumento del 13,2 % en la resistencia a la tracción y un aumento del 333 % en el alargamiento en comparación con la fundición por gravedad.