25/06/2021
Cuando hablamos de aleaciones metálicas fundamentales en la industria moderna, especialmente en el sector automotriz y aeronáutico, es imposible no mencionar la combinación de aluminio y silicio. Esta aleación, conocida genéricamente como Silumin, es apreciada por una serie de propiedades que la hacen ideal para procesos de fundición complejos y para componentes que requieren ligereza, resistencia y durabilidad.
La aleación de aluminio y silicio no es una entidad única, sino que abarca una familia de composiciones que varían principalmente en el porcentaje de silicio y la adición de otros elementos. La respuesta a la pregunta de cómo se llama la aleación de aluminio y silicio puede ser simplemente "aleación de aluminio-silicio" o, de forma más común en la jerga industrial y técnica, "Silumin". Sin embargo, existen nombres específicos para aleaciones particulares dentro de esta familia, como Alusil, que tiene una composición y aplicación muy concretas.
¿Qué Es la Aleación de Aluminio y Silicio (Silumin)?
La aleación de aluminio-silicio, o Silumin, se define por la presencia de silicio como el principal elemento aleante, además del aluminio. Típicamente, el contenido de silicio varía entre un 3% y un 25% para las aleaciones de fundición, aunque en procesos de metalurgia de polvos pueden encontrarse composiciones con hasta un 50% de silicio. La adición de silicio al aluminio tiene un impacto profundo en sus propiedades, siendo uno de los más significativos la reducción de la temperatura de fusión y una mejora drástica en la fluidez del metal en estado líquido. Esta fluidez superior es lo que convierte al Silumin en una elección excelente para la fundición de piezas con formas intrincadas y paredes delgadas, minimizando los defectos de colada.
El punto eutéctico en el diagrama de fases aluminio-silicio se encuentra a 577°C con un contenido de silicio de aproximadamente 12.5% (o 12.6%). Las aleaciones con composiciones cercanas a este punto tienen temperaturas de fusión relativamente bajas y solidifican de una manera que favorece la colabilidad. La solubilidad del silicio en el aluminio sólido es limitada y disminuye rápidamente con la temperatura, siendo prácticamente insoluble a temperatura ambiente. Esto significa que el silicio tiende a precipitarse fuera de la solución sólida de aluminio a medida que la aleación se enfría.
Además del aluminio y el silicio, las aleaciones de Silumin a menudo contienen otras impurezas o elementos aleantes añadidos deliberadamente para modificar aún más sus propiedades. El hierro, por ejemplo, es una impureza común que generalmente se considera indeseable, ya que puede formar fases intermetálicas frágiles que reducen la resistencia y la ductilidad. Sin embargo, en la fundición a presión, una pequeña cantidad de hierro puede ser beneficiosa para evitar que la pieza se pegue al molde. Otros elementos como el cobre, el magnesio, el manganeso, el titanio y el boro se añaden para mejorar aspectos como la resistencia, la endurecibilidad, la resistencia a la corrosión o el refinamiento del grano.
Variantes Clave de las Aleaciones Aluminio-Silicio
Las propiedades y la microestructura de las aleaciones de Silumin dependen en gran medida de si su composición se encuentra por debajo (hipo-eutéctica), cerca (eutéctica o casi eutéctica) o por encima (hiper-eutéctica) del punto eutéctico.
Aleaciones Hipo-eutécticas (Silicio < 12.5%)
En estas aleaciones, durante la solidificación, el aluminio primario solidifica primero, a menudo formando estructuras dendríticas. A medida que la temperatura desciende, la concentración de silicio en el líquido restante aumenta hasta que se alcanza la composición eutéctica. En este punto, el líquido restante solidifica como una mezcla eutéctica de aluminio y silicio. Si el enfriamiento es lento, especialmente en fundición en arena, el eutéctico puede solidificar en una forma gruesa, con grandes láminas o agujas de silicio, lo que hace que el material sea frágil. Para evitar esta degeneración del eutéctico y obtener una estructura fina con mejores propiedades mecánicas, se utiliza un proceso conocido como modificación. Esto implica añadir pequeñas cantidades de elementos como sodio, estroncio o antimonio a la masa fundida justo antes de la colada. La modificación promueve la nucleación del silicio y altera el crecimiento del eutéctico, resultando en una estructura más fina y globulítica.
Aleaciones Eutécticas y Casi Eutécticas (Silicio ~ 11% - 13%)
Estas aleaciones, con un contenido de silicio muy cercano al punto eutéctico, exhiben la mejor colabilidad, fluidez y capacidad de llenado de molde. Son ideales para la fundición de piezas de pared fina y formas complejas. La solidificación ocurre principalmente en el punto eutéctico. Al igual que con las aleaciones hipo-eutécticas, la modificación es crucial para asegurar una estructura eutéctica fina y optimizar las propiedades mecánicas. El recocido (tratamiento térmico post-colada) puede mejorar la elongación y la resistencia a la fatiga de estas aleaciones.
Aleaciones Hiper-eutécticas (Silicio > 12.5%)
Con contenidos de silicio que generalmente van del 13% al 17% (y a veces superando el 20% en aleaciones especiales para pistones), estas aleaciones se caracterizan por su baja expansión térmica y, sobre todo, por su altísima resistencia al desgaste. Durante la solidificación, los cristales de silicio duro primario solidifican primero directamente de la masa fundida. El líquido restante se enriquece en aluminio hasta que alcanza la composición eutéctica y solidifica como una mezcla eutéctica de aluminio y silicio. Para refinar el tamaño de los cristales de silicio primario, se suelen añadir aleaciones madre de cobre-fósforo.
Un ejemplo destacado de aleación hiper-eutéctica es el Alusil (composición típica Al17Si4CuMg o A390), que contiene aproximadamente un 17% de silicio. Esta aleación fue desarrollada para la fabricación de bloques de motor de aluminio sin camisas de cilindro de acero o hierro fundido. El proceso de fabricación implica fundir la aleación y, tras la colada, someter la superficie interior de los cilindros a un grabado químico o electroquímico controlado. Este grabado elimina selectivamente una pequeña cantidad de la matriz de aluminio, dejando expuestos los duros cristales de silicio primario en la superficie. La superficie resultante es una red de partículas de silicio muy resistentes al desgaste, con pequeñas cavidades entre ellas que actúan como reservorios de aceite. Esto crea una superficie de apoyo excelente para los aros del pistón, eliminando la necesidad de las camisas tradicionales. BMW es un ejemplo de fabricante que adoptó el Alusil (cambiando desde el Nikasil) en algunos de sus motores a partir de 1996 para evitar problemas de corrosión causados por el azufre en la gasolina.
Influencia de Otros Elementos en las Aleaciones Al-Si
La adición de otros elementos transforma las aleaciones binarias Al-Si en sistemas ternarios o cuaternarios con propiedades significativamente diferentes:
Aleaciones Aluminio-Silicio-Magnesio (AlSiMg)
Con pequeñas adiciones de magnesio (típicamente 0.3% a 0.6%) y silicio en rangos del 5% al 10%, estas aleaciones son tratables térmicamente (endurecibles). El endurecimiento se basa en la precipitación de la fase Mg2Si (siliciuro de magnesio) finamente dispersa en la matriz de aluminio durante un tratamiento térmico de envejecimiento. Las aleaciones AlSiMg ofrecen una buena combinación de resistencia, ductilidad, facilidad de colada y, a diferencia de las aleaciones con cobre, una excelente resistencia a la corrosión. Son ampliamente utilizadas en componentes estructurales, chasis y llantas de vehículos, a menudo fabricadas mediante fundición a baja presión.
Aleaciones Aluminio-Silicio-Cobre (AlSiCu)
Estas aleaciones contienen cobre (1% a 4%) además de silicio (4% a 10%). El cobre permite que la aleación sea tratable térmicamente para lograr una alta resistencia, similar al mecanismo de endurecimiento de las aleaciones de aluminio-cobre. Aunque ofrecen alta resistencia, son menos resistentes a la corrosión que las AlSiMg, especialmente con altos contenidos de cobre. Su colabilidad es adecuada, aunque generalmente inferior a las aleaciones eutécticas o casi eutécticas puras. Se emplean en piezas que requieren buena resistencia mecánica y térmica, como carcasas de motor, cajas de cambios y culatas, a menudo fundidas a partir de aluminio secundario reciclado.
Aplicaciones Diversas de las Aleaciones de Aluminio y Silicio
La versatilidad y las propiedades únicas del Silumin lo convierten en un material fundamental en numerosas industrias:
- Industria Automotriz: Es, sin duda, el sector donde más se utilizan. Se emplean en la fundición de bloques de motor (especialmente las aleaciones hiper-eutécticas como Alusil), culatas de cilindro (AlSiMg, AlSiCu), pistones (aleaciones hiper-eutécticas de alto silicio, a veces forjadas en aviación), carcasas de transmisión y caja de cambios (AlSiCu), componentes de suspensión y chasis (AlSiMg), llantas (AlSiMg), colectores de admisión y cárteres de aceite.
- Piezas de Maquinaria General: Componentes que requieren formas complejas, ligereza y resistencia a la corrosión.
- Aeronáutica: Aunque menos comunes que en automoción, ciertas aleaciones Al-Si forjadas se usan en pistones de aviación.
- Almacenamiento de Energía Térmica Latente: La aleación eutéctica Al-Si (12.5% Si) tiene un punto de fusión definido (577°C) y una alta entalpía de fusión. Esto permite utilizarla como Material de Cambio de Fase Metálico (mPCM) para almacenar y liberar grandes cantidades de calor a una temperatura constante. Esto tiene aplicaciones potenciales en sistemas de gestión térmica para vehículos eléctricos, recuperando calor residual o almacenando energía para la calefacción interior.
- Aluminizado por Inmersión en Caliente: Las masas fundidas de Al-Si casi eutécticas se utilizan para recubrir láminas de acero, proporcionando una capa resistente al calor para componentes que operan a altas temperaturas, como los tubos de escape. Este proceso, conocido como aluminizado por inmersión en caliente, crea un recubrimiento delgado y protector.
Características Principales Resumidas
En resumen, las aleaciones de aluminio-silicio destacan por una combinación de características deseables:
- Alta colabilidad y fluidez en estado líquido.
- Baja densidad (inherente al aluminio).
- Buena resistencia a la corrosión (especialmente las aleaciones AlSi y AlSiMg).
- Posibilidad de endurecimiento por tratamiento térmico (con adiciones de Mg y/o Cu).
- Alta resistencia al desgaste en aleaciones hiper-eutécticas.
- Baja expansión térmica en aleaciones hiper-eutécticas.
- Permiten la fundición de piezas grandes y complejas que pueden operar bajo cargas considerables.
Un desafío en la fundición de algunas aleaciones Al-Si, especialmente las modificadas con sodio, es la tendencia a la porosidad. Esto puede mitigarse mediante técnicas de fundición avanzadas como la colada a presión en autoclaves.
Tabla Comparativa de Tipos de Aleaciones Al-Si
| Tipo de Aleación | Contenido de Si (aprox.) | Elementos Adicionales Clave | Propiedades Clave | Usos Típicos |
|---|---|---|---|---|
| Hipo-eutéctica | 3% - 12% | Na, Sr, Sb (Modificación) | Resistencia media, buena colabilidad (mejorada con modificación) | Piezas de maquinaria general, componentes estructurales |
| Eutéctica / Casi Eutéctica | 11% - 13% | Na, Sr, Sb (Modificación) | Excelente colabilidad, fluidez, llenado de molde. Buena resistencia (mejorada con recocido) | Piezas de pared fina, componentes complejos, culatas (ciertas variantes) |
| Hiper-eutéctica (Ej: Alusil) | 13% - >20% (Alusil ~17%) | Cu, Mg (en Alusil), P (Refinamiento) | Baja expansión térmica, altísima resistencia al desgaste, alta dureza | Bloques de motor sin camisas, pistones |
| Aluminio-Silicio-Magnesio (AlSiMg) | 5% - 10% | Mg (0.3% - 0.6%) | Endurecible por TT, buena resistencia, ductilidad, excelente resistencia a la corrosión | Llantas, componentes de chasis, piezas estructurales |
| Aluminio-Silicio-Cobre (AlSiCu) | 4% - 10% | Cu (1% - 4%), Mg (opcional) | Endurecible por TT, alta resistencia (menos ductilidad), menor resistencia a la corrosión | Carcasas de motor y transmisión, culatas (ciertas variantes) |
Preguntas Frecuentes (FAQs)
¿Cuál es el nombre común de la aleación de aluminio y silicio?
El nombre común y genérico es Silumin.
¿Por qué las aleaciones de aluminio-silicio son tan populares para la fundición?
Principalmente por la adición de silicio reduce la temperatura de fusión y, sobre todo, aumenta significativamente la fluidez del metal fundido, permitiendo crear piezas complejas con facilidad y menos defectos.
¿Qué es Alusil y para qué se usa?
Alusil es una aleación específica hiper-eutéctica de aluminio-silicio (aprox. 17% Si) con adiciones de cobre y magnesio. Se utiliza principalmente para fabricar bloques de motor de aluminio sin camisas, aprovechando la alta resistencia al desgaste de los cristales de silicio expuestos en la superficie interior de los cilindros.
¿Se pueden endurecer las aleaciones de aluminio-silicio?
Las aleaciones binarias de aluminio-silicio puro no son tratables térmicamente para endurecimiento. Sin embargo, con la adición de magnesio (AlSiMg) o cobre (AlSiCu), se vuelven endurecibles mediante tratamientos térmicos de solución y envejecimiento.
¿Cómo afecta el silicio puro al aluminio?
La adición de silicio puro reduce el punto de fusión del aluminio, mejora su fluidez en estado líquido y aumenta su dureza y resistencia. Sin la presencia de otros elementos como el magnesio o el cobre, la aleación resultante no es endurecible por tratamiento térmico.
¿Son las aleaciones de aluminio-silicio resistentes a la corrosión?
Sí, generalmente tienen una buena resistencia a la corrosión, especialmente las aleaciones binarias Al-Si y las variantes AlSiMg. Las aleaciones que contienen cobre (AlSiCu) tienden a ser menos resistentes a la corrosión.
Conclusión
Las aleaciones de aluminio y silicio, o Silumin, son un pilar de la ingeniería de materiales moderna, ofreciendo una combinación inigualable de ligereza, colabilidad y propiedades mecánicas adaptables. Desde los componentes vitales del motor de un automóvil hasta aplicaciones innovadoras en almacenamiento de energía, su versatilidad, potenciada por el ajuste del contenido de silicio y la adición estratégica de otros elementos, asegura su continua relevancia en el desarrollo de tecnologías eficientes y avanzadas.
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