El silicio es el elemento de aleación más importante en las aleaciones de aluminio fundido. Más del 85 % de todas las piezas de aluminio fundido se fabrican con aleaciones de Al-Si, desde llantas de automóviles A356 hasta bloques de motor A380. Este predominio no es casual: el silicio mejora drásticamente el rendimiento de la fundición, a la vez que ofrece una combinación excepcional de resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión.
Este artículo explica cómo el contenido de silicio afecta el comportamiento de los lingotes de Aleación de aluminio durante la fundición y las propiedades físicas resultantes de los componentes terminados. Ya sea que se especifique el lingote para fundición en arena, molde permanente o fundición a alta presión, comprender el papel del silicio es fundamental para el control de calidad y costos.
¿Por qué el silicio? La justificación metalúrgica
El silicio se añade a las aleaciones de aluminio fundido por varias razones fundamentales:
- Excelente capacidad de lanzamiento: El silicio mejora drásticamente la fluidez, lo que permite que el metal fundido llene secciones delgadas y geometrías de moldes complejas.
- Baja contracción: Las aleaciones de Al-Si tienen un rango de solidificación estrecho (especialmente cerca de la composición eutéctica), lo que reduce el agrietamiento en caliente y la porosidad por contracción.
- Ligero: El silicio (densidad 2,33 g/cm³) es más ligero que el aluminio (2,70 g/cm³), por lo que un mayor contenido de silicio reduce el peso de la fundición.
- Buenas propiedades mecánicas: Las partículas de silicio fortalecen la Aleación manteniendo su ductilidad (especialmente cuando está modificada).
- Excelente resistencia a la corrosión: El silicio mejora el comportamiento de pasivación.
- Baja dilatación térmica: Las aleaciones con alto contenido de silicio tienen coeficientes de expansión térmica reducidos, ideales para componentes de precisión.
La fuente: Silicio metálico de alta pureza para aleación
La calidad de las aleaciones de fundición de aluminio-silicio comienza con el metal silicio utilizado como aditivo de aleación. Para fundiciones de aluminio de primera calidad, metal de silicio de alta pureza Es fundamental evitar la introducción de impurezas no deseadas que puedan degradar las propiedades mecánicas y la capacidad de fundición. Bright Alloys suministra una gama completa de grados de silicio metálico adecuados para la producción de aleaciones de aluminio:
- Metal de silicio de grado 97 (97 % Si mínimo) — Una opción económica para aleaciones de aluminio fundido de uso general donde no se requiere la máxima pureza.
- Metal de silicio de grado 331 (99,3 % Si) — Grado estándar para la mayoría de las aleaciones de fundición de aluminio-silicio, que equilibra pureza y costo.
- Metal de silicio de grado 441 (99,1 % Si, bajo contenido de Fe, Al y Ca) — Preferido para piezas fundidas de alta calidad que requieren una composición química uniforme y un contenido reducido de hierro.
- Metal de silicio de grado 553 (98,5 % Si) — Ampliamente utilizado para aleaciones de Fundición estándar, ofreciendo una buena relación calidad-precio para la producción en volumen.
- Metal de silicio de grado 1101 (99,7 % Si, impurezas ultrabajas) — Para piezas fundidas aeroespaciales y de alto rendimiento que exigen máxima pureza y consistencia.
La selección del grado de silicio metálico influye directamente en los niveles de impurezas de la Aleación final, en particular hierro, calcio y aluminio, lo que a su vez afecta la fluidez de la fundición, la respuesta al anodizado y las propiedades mecánicas.
Diagrama de fases Al-Si: hipoeutéctico, eutéctico e hipereutéctico
El diagrama de fases aluminio-silicio es la base para comprender estas aleaciones. La característica clave es la Punto eutéctico al 12,6 % de silicio y 577 °C..
Aleaciones hipoeutécticas (< 12,6 % Si)
Ejemplos: A356 (7% Si), A357 (7% Si), A319 (6% Si), A356.2 (7% Si)
Microestructura: Dendritas de aluminio primario + eutéctico Al-Si en regiones interdendríticas
Características: Presenta una buena ductilidad y una excelente combinación de resistencia y elongación, siendo ampliamente utilizado en piezas estructurales fundidas que requieren estanqueidad a la presión y buenas propiedades de fatiga. La modificación con estroncio o sodio es una práctica habitual para transformar las láminas aciculares de silicio en una morfología fibrosa, mejorando la ductilidad entre dos y tres veces.
Aleaciones eutécticas (12,6% Si)
Ejemplos: A413 (12% Si), LM6 (12% Si)
Microestructura: Eutéctico completo: mezcla fina de aluminio y silicio.
Características: Máxima fluidez, mínima contracción, excelente estanqueidad a la presión y buena resistencia a la corrosión. La mejor capacidad de fundición de todas las aleaciones de Al-Si. Resistencia y ductilidad moderadas (mejorables con modificaciones). Ideal para piezas fundidas complejas de paredes delgadas, componentes hidráulicos y piezas fundidas a presión de gran complejidad.
Aleaciones hipereutécticas (> 12,6 % Si)
Ejemplos: A390 (17% Si), A390.1 (17-18% Si), A391 (19% Si)
Microestructura: Cristales de silicio primarios + eutéctico Al-Si
Características: Muy baja dilatación térmica (17-19 ppm/°C), excelente resistencia al desgaste, alta dureza y buena resistencia a altas temperaturas. Las partículas primarias de silicio actúan como fases duras y resistentes al desgaste. Requiere un procesamiento especial (inoculación con fósforo) para refinar el silicio primario. Su mecanizado es complejo (requiere herramientas de diamante). Se utiliza en bloques de motor, pistones, camisas de cilindro y componentes resistentes al desgaste.
Efecto en el rendimiento del lanzamiento
Fluidez (flujo de metal fundido)
La fluidez aumenta con el contenido de silicio hasta el punto eutéctico, para luego disminuir. Con un 0 % de silicio, el aluminio presenta una baja fluidez. Con un 7 % de silicio (A356), la fluidez mejora aproximadamente un 50 % en comparación con el aluminio puro. Con un 12 % de silicio (A413), la fluidez alcanza su máximo, superando en un 100 % la del aluminio puro. Por este motivo, en las piezas fundidas de paredes delgadas (de 1 a 2 mm de sección) se suelen utilizar aleaciones cercanas al punto eutéctico.
Susceptibilidad al desgarro (agrietamiento) en caliente
El agrietamiento en caliente se produce cuando el metal en proceso de solidificación no puede absorber las tensiones de contracción. El estrecho rango de solidificación de las aleaciones eutécticas (solo ~5 °C) minimiza el agrietamiento en caliente. Las aleaciones hipoeutécticas con un 5-9 % de Si presentan una susceptibilidad intermedia al agrietamiento en caliente. Las aleaciones con menos del 3 % de Si (por ejemplo, la serie 2xxx) son altamente susceptibles y rara vez se funden en arena o en moldes permanentes.
Contracción y alimentación
La contracción total por solidificación disminuye a medida que aumenta el contenido de silicio: Aluminio puro: ~6,6 % de contracción volumétrica. A356 (7 % Si): ~4,5 % de contracción. A413 (12 % Si): ~3,8 % de contracción. A390 (17 % Si): ~3,0 % de contracción. Una menor contracción implica bebederos más pequeños, mayor rendimiento y menor porosidad.
Efecto sobre las propiedades físicas y mecánicas
| Propiedad | Bajo contenido de Si (<5%) | Silicio medio (5-9%) | Alto contenido de silicio (12-18%) | Implicaciones prácticas |
|---|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (en estado de fundición) | Baja (~120-150 MPa) | Bueno (~180-240 MPa) | Moderado (~150-200 MPa) | El material hipoeutéctico ofrece la mejor resistencia después del tratamiento térmico (A356-T6: 310 MPa UTS). |
| Alargamiento (ductilidad) | Alto (~10-15%) | Bueno (~5-12%) | Bajo (~1-3%) | Un mayor contenido de Si reduce la ductilidad; la modificación restablece cierta ductilidad en las aleaciones hipoeutécticas. |
| Dureza (Brinell) | Bajo (~30-40 HB) | Moderado (~60-90 HB) | Alto (~100-150 HB) | Aleaciones hipereutécticas excelentes para aplicaciones de resistencia al desgaste. |
| Densidad (g/cm³) | 2.70-2.71 | 2.67-2.69 | 2.62-2.66 | Ahorro de peso del 1-3% gracias a las aleaciones eutécticas (utilizando materiales de mayor pureza). Grado 441 o 553 silicio metálico ayuda a mantener bajos los niveles de impurezas al tiempo que se logran estos beneficios de densidad) |
| Coeficiente de dilatación térmica (10⁻⁶/°C) | 23-24 | 21-22 | 17-19 | El alto contenido de silicio reduce la expansión térmica, algo fundamental para pistones y componentes de precisión. |
| Conductividad térmica (W/m·K) | ~200 | ~150-170 | ~120-140 | Menor conductividad con mayor contenido de Si: aceptable para la mayoría de las piezas fundidas, pero a tener en cuenta para intercambiadores de calor. |
Morfología del silicio: tal como se fundió frente a modificada
La forma de las partículas de silicio afecta drásticamente las propiedades mecánicas. En las aleaciones hipoeutécticas no modificadas, el silicio forma plaquetas gruesas y aciculares (en forma de aguja) que actúan como concentradores de tensión, limitando la ductilidad a una elongación del 2-4%.
Modificación La adición de (0,005-0,03% de Sr o Na) transforma el silicio acicular en una morfología fibrosa fina. Resultados: La elongación aumenta del 3% al 10-12% (A356). La resistencia a la tracción aumenta del 15 al 25%. La vida a la fatiga mejora de 2 a 5 veces. La tenacidad a la fractura se duplica. Por esta razón, prácticamente todas las aleaciones de fundición hipoeutécticas de Al-Si se modifican en las fundiciones modernas. La efectividad de la modificación depende en parte de la pureza de la fuente de silicio: alta pureza Metal de silicio de grado 1101 El contenido de Si al 99,7% minimiza las impurezas que interfieren y que pueden envenenar la reacción de modificación.
Aleaciones comunes de fundición de aluminio-silicio
| Aleación | Si (%) | Tipo | Aplicaciones típicas | Propiedades clave |
|---|---|---|---|---|
| A356 / A356.2 | 6,5-7,5% | Hipoeutéctico | Ruedas para automóviles, componentes de suspensión, piezas fundidas estructurales, accesorios aeroespaciales | Excelente relación resistencia-peso después del tratamiento térmico T6 (310 MPa UTS, 10% de elongación). La mejor Aleación de fundición de uso general. Requiere modificación con Sr. Mejores resultados con Grado 441 o 331 silicio metálico. |
| A357 | 6,5-7,5% | Hipoeutéctico | Fundiciones aeroespaciales, componentes automotrices de alto rendimiento y componentes militares. | A356 con mayor contenido de Mg (0,5-0,7%) para mayor resistencia después del tratamiento térmico (UTS de 345 MPa). Aleación premium. Requiere alta pureza. Metal de silicio de grado 1101 para la certificación aeroespacial. |
| A319 | 5,5-6,5% | Hipoeutéctico | Culatas de motor, colectores de admisión, carcasas de transmisión, bombas | Buena resistencia a altas temperaturas, excelente estanqueidad a la presión, buena maquinabilidad. Contiene Cu (3-4%) para mayor resistencia. |
| A380 | 7,5-9,5% | Hipoeutéctico (casi eutéctico) | Fundición a presión: carcasas de componentes electrónicos, cuerpos de herramientas eléctricas, soportes para automóviles, componentes de electrodomésticos. | La mejor Aleación para fundición a presión: excelente fluidez, buena resistencia y buena resistencia a la corrosión. El 80% de las piezas de aluminio fundidas a presión son de Aleación A380. |
| A413 | 11-13% | Eutéctico / casi eutéctico | Fundición a presión de paredes delgadas, componentes hidráulicos, formas complejas, piezas fundidas estancas a la presión. | Máxima fluidez, excelente estanqueidad a la presión, mínima contracción. Menor resistencia que el A356, pero mejor moldeabilidad. |
| A390 | 16-18% | Hiperetéctico | Bloques de motor (algunos), pistones, camisas de cilindro, componentes del compresor, anillos de desgaste | Muy alta resistencia al desgaste, baja expansión térmica, alta dureza. Requiere manipulación especial (inoculación con P, herramientas de diamante). Alta pureza. Grado 97 o 553 silicio metálico Se utiliza normalmente para estas aleaciones con alto contenido de silicio. |
Efecto del silicio en el procesamiento secundario
Tratabilidad térmica
Las aleaciones hipoeutécticas (A356, A357) responden excelentemente a los tratamientos térmicos T5, T6 y T7. El tratamiento de solución disuelve los precipitados de Mg₂Si, seguido de un envejecimiento para formar finos precipitados de refuerzo. Las aleaciones eutécticas (A413) muestran una respuesta mínima al tratamiento térmico (sin Mg). Las aleaciones hipereutécticas se utilizan normalmente en estado de fundición (T1) o con un envejecimiento limitado.
maquinabilidad
Bajo contenido de Si (<5%): Gomoso, mala formación de virutas, borde recrecido. Moderado contenido de Si (5-9%): Buena maquinabilidad con la herramienta adecuada. Alto contenido de Si (12-18%): Abrasivo, requiere herramientas de carburo o diamante, pero produce un excelente acabado superficial. Las aleaciones hipereutécticas (A390) se encuentran entre las aleaciones de aluminio más abrasivas, pero pueden acabarse en superficies similares a espejos. El contenido de hierro en el metal de silicio (menor en Grado 441 y 331) afecta significativamente la vida útil de la herramienta durante las operaciones de mecanizado.
Soldabilidad
Disminuye con el aumento del contenido de silicio. Las aleaciones A356/A357 tienen buena soldabilidad (GTAW, GMAW). Las aleaciones A380/A413 tienen mala soldabilidad debido a su alto contenido de silicio y cobre; no se recomiendan para soldadura estructural.
Guía práctica para la selección de aleaciones
Utilice este marco de decisión para seleccionar la Aleación de fundición Al-Si óptima para su aplicación:
- ¿Necesita la máxima ductilidad y resistencia después del tratamiento térmico? → A356 o A357 (6,5-7,5 % Si) con tratamiento térmico T6. Especificar Grado 441 o 331 silicio metálico para obtener resultados óptimos.
- ¿Necesita piezas fundidas a presión complejas de paredes delgadas con buenas propiedades en estado de fundición? → A380 (8-9% Si) para fundición a presión general; A413 (11-13% Si) para paredes extremadamente delgadas. Metal de silicio de grado 553 es la opción estándar.
- ¿Necesita resistencia al desgaste y baja dilatación térmica? → A390 (16-18% Si) hipereutéctico. Metal de silicio de grado 97 Ofrece una fuente económica de silicio para estas aleaciones con alto contenido de silicio.
- ¿Necesita resistencia a temperaturas elevadas (aplicaciones en motores)? → A319 (5,5-6,5% Si) con adición de Cu
- ¿Se requiere estanqueidad a la presión para los componentes hidráulicos? → A413 (eutéctico) o A356 (con alimentación cuidadosa)
- ¿Necesita una certificación de grado aeroespacial con la máxima pureza? → A357 con Metal de silicio de grado 1101 (99,7% Si, impurezas ultrabajas)
Ejemplo práctico: Selección de Aleación para llantas de automóviles
Un fabricante de llantas de aluminio fundido para automóviles evaluó tres aleaciones candidatas: A380 (9% Si), A356 (7% Si) y A413 (12% Si). Requisitos: alta resistencia para seguridad, buena ductilidad para resistencia al impacto, excelente acabado superficial para atractivo estético y capacidad de fundir radios delgados (secciones de 5 mm). Resultados: la A380 ofreció buena capacidad de Fundición pero ductilidad limitada (3-5% de elongación) y mala respuesta al tratamiento térmico. La A413 ofreció excelente capacidad de Fundición pero menor resistencia (200 MPa UTS). La A356 con modificación de Sr y tratamiento térmico T6 ofreció 310 MPa UTS, 10% de elongación y capacidad de Fundición aceptable con un sistema de alimentación adecuado. La Fundición especificó Metal de silicio de grado 441 Por su bajo contenido constante de hierro, que mejoró la ductilidad y la uniformidad del anodizado, se seleccionó la aleación A356, lo que demuestra que la mejor capacidad de fundición no siempre es el factor decisivo; los requisitos de propiedades determinan la selección, y la calidad del metal de silicio influye directamente en dichas propiedades.
El contenido de silicio es la variable más importante en el diseño de aleaciones de fundición de aluminio. Desde la Aleación hipoeutéctica A356 para piezas estructurales hasta la eutéctica A413 para piezas de fundición de pared delgada y la hipereutéctica A390 para componentes resistentes al desgaste, el silicio controla la fluidez, la resistencia al agrietamiento en caliente, la contracción, las propiedades mecánicas y el comportamiento del procesamiento secundario. Al comprender el diagrama de fases Al-Si y las compensaciones asociadas con los diferentes niveles de silicio, las fundiciones y los compradores de piezas fundidas pueden seleccionar la Aleación óptima para cada aplicación, equilibrando la capacidad de fundición, el costo y el rendimiento del componente final. La base de toda pieza fundida de aluminio-silicio de calidad es el silicio metálico de alta pureza. Bright Alloys suministra una gama completa de grados de silicio metálico — Grado 97, 331, 441, 553, y 1101 — con una composición química certificada para cumplir con los exigentes requisitos de las fundiciones de aluminio de todo el mundo.