BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE
INGENIERÍA METALÚRGICA
EFECTO DE LA TEMPERATURA DE COLADA SOBRE LA
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, TENSIÓN DE FLUENCIA,
DUCTILIDAD Y DUREZA EN LA ALEACIÓN EUTECTOIDE
ZINC – 22% ALUMINIO (ZA-22) COLADA EN MOLDE DE
ARENA Y MOLDE METÁLICO
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO METALURGISTA
AUTORES:
Br. DÁVILA SÁNCHEZ, Carlos Yanir.
Br. RODRÍGUEZ REYES, Carlos Quirino.
ASESOR:
Dr. Ing. PURIZAGA FERNÁNDEZ, Ismael
Trujillo – Perú
2019
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_____________________________________
Ms. Luis A. Alvarado Loyola
Presidente
CIP:
_____________________________________
Ms. Luis W. Aguilar Rodríguez
Secretario
CIP:
_____________________________________
Dr. Ismael I. Purizaga Fernández
Asesor
CIP:
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DEDICATORIA
A Dios, por haberme permitido llegar a esta etapa de mi vida profesional,
haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y
amor.
A mis padres Carlos e Inés, por haberme apoyado en todo momento, por sus
consejos, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de
bien.
A mis hermanos Johan y Anthony, por estar conmigo y apoyarme siempre.
A mi novia Treyci, por ser mi apoyo constante y motivación para seguir
superándome.
Carlos Yanir
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DEDICATORIA
En primer lugar agradezco a Dios por haberme permitido llegar a esta etapa
profesional en mi vida.
A mis queridos padres Mayita y Tío Quirino por su apoyo incondicional en mi
formación personal y profesional.
A mí adorada Juanita Jáuregui que siempre velo por mi bienestar, y a mi hermana
María Cristina por apoyarme siempre
A mi adorada Tía Pochita, por su apoyo incondicional en toda mi etapa de
formación.
Carlos Quirino
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AGRADECIMIENTO
Nuestro agradecimiento a la Escuela Académica Profesional de Ingeniería
Metalúrgica y a la plana docente que labora en ella, que con sus enseñanzas hicieron
posible nuestra formación profesional.
Expresamos nuestro eterno agradecimiento a nuestro asesor, Dr. Ing. Ismael
Purizaga Fernández, quien con su aporte ha hecho posible la realización del presente
trabajo de investigación.
Un agradecimiento especial a todos nuestros compañeros con los cuales
compartimos momentos inolvidables de estudio y satisfacciones durante nuestras
actividades de estudio.
Los autores
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RESÚMEN
Se ha estudiado el efecto de la temperatura de colada sobre la resistencia a la
tracción, tensión de fluencia, ductilidad y dureza evaluado en la aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22). Por tal motivo se fundieron a 500, 550, 600 650 y 700°C barras de
16 mm de diámetro x 180 mm de longitud colados en molde de arena y molde metálico
(coquilla), de donde se maquinaron probetas para el ensayo de tracción según norma
ASTM E-8 y para el ensayo de dureza según norma ASTM E-140.
Los resultados muestran que al incrementar la temperatura de colada desde 500
hasta 700°C, la resistencia a la tracción y tensión de fluencia disminuyen según se
incrementa la temperatura de colada para ambos tipos de molde, obteniéndose los
valores más altos a resistencia a la tracción y tensión de fluencia; para probetas coladas
en molde metálico (coquilla) para todos los niveles de temperatura de colada. La
ductilidad disminuye con el incremento de la temperatura de colada desde 500 hasta
700°C para ambos tipos de moldes. Los mejores valores de ductilidad se obtuvieron
para probetas coladas con molde de arena. Y con respecto a la dureza, ésta disminuye
con el incremento de la temperatura de colada para ambos tipos de molde y los valores
más altos de dureza fueron para probetas coladas en molde metálico (coquilla). Según el
análisis microestructural se observa que la solidificación fue dendrítica formada por
eutectoide (ϒ+β) y gamma (ϒ) para ambos tipos de molde y para probetas coladas en
molde de arena las dendritas son bastas, mientras que para probetas coladas en molde
metálico (coquilla) las dendritas son más finas.
Se concluye que la temperatura de colada desde 500 hasta 700°C afecta
significativamente la resistencia a la tracción, tensión de fluencia, ductilidad y dureza en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de arena y molde
metálico (coquilla). Los resultados han sido contrastados con un análisis estadístico con
un nivel de confianza de 95%.
Palabras claves: Aluminio, zinc, temperatura de colada, molde de arena, coquilla,
tracción, ductilidad y dureza.
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ABSTRACT
The effect of the casting temperature on the tensile strength, yield stress, ductility
and hardness evaluated in the zinc alloy - 22% aluminum (ZA-22) has been studied. For
this reason they were fused to 500, 550, 600 650 and 700 ° C bars of 16 mm in diameter
x 180 mm in length cast in sand mold and metal mold (shell), where test pieces were
machined for the tensile test according to ASTM E-8 standard and for the hardness test
according to ASTM E-140 standard.
The results show that when increasing the casting temperature from 500 to 700 ° C,
the tensile strength and yield stress decrease as the casting temperature increases for
both types of mold, obtaining the highest values for tensile strength and creep tension;
for test specimens cast in metallic mold (shell) for all levels of casting temperature. The
ductility decreases with the increase of the casting temperature from 500 to 700 ° C for
both types of molds. The best ductility values were obtained for cast samples with sand
mold. And with respect to the hardness, this decreases with the increase of the
temperature of casting for both types of mold and the highest values of hardness were
for specimens cast in metallic mold (shell). According to the microstructural analysis it
is observed that the solidification was dendritic formed by eutectoid (Υ + β) and gamma
(Υ) for both types of mold and for specimens cast in sand mold the dendrites are coarse,
while for specimens cast in metallic mold (shell) the dendrites are thinner.
It is concluded that the casting temperature from 500 to 700 ° C significantly affects
the tensile strength, yield stress, ductility and hardness in zinc alloy specimens - 22%
aluminum (ZA-22) cast in sand mold and metal mold (Coquilla). The results have been
contrasted with a statistical analysis with a confidence level of 95%.
Keywords: Aluminum, zinc, casting temperature, sand mold, shell, traction, ductility
and hardness.
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ÍNDICE
Dedicatoria..........................................................................................................................i
Agradecimiento ............................................................................................................... iii
Resumen ...........................................................................................................................iv
Abstract .............................................................................................................................. v
Índice ................................................................................................................................vi
Lista de tablas ................................................................................................................ viii
Lista de figuras .................................................................................................................. x
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 Realidad problemática ....................................................................................................... 1
1.2 Antecedentes ...................................................................................................................... 3
1.3 Fundamento teórico ........................................................................................................... 6
1.3.1 Zinc ................................................................................................................................. 6
1.3.2 Aluminio ......................................................................................................................... 7
1.3.3 Aleaciones de zinc - aluminio ......................................................................................... 8
1.3.4 Proceso de fundición ..................................................................................................... 12
a. Moldeo en arena ............................................................................................................ 12
b. Moldeo en molde permanente o coquilla por gravedad ................................................ 16
c. Calentamiento ............................................................................................................... 18
1.3.5 Ensayo de tracción ........................................................................................................ 20
a. Resistencia a la tracción ................................................................................................ 23
b. Ductilidad ...................................................................................................................... 24
1.3.6 Ensayo de dureza........................................................................................................... 25
1.4 Problema .......................................................................................................................... 27
1.5 Hipótesis .......................................................................................................................... 27
1.6 Objetivos.......................................................................................................................... 27
vi
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1.6.1 Objetivos generales ....................................................................................................... 27
1.6.2 Objetivos específicos .................................................................................................... 28
CAPÍTULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Material de estudio .......................................................................................................... 29
a. Composición química de los elementos de aleación ........................................................ 29
b. Propiedades mecánicas de los elementos de aleación ...................................................... 29
2.1.1. Muestra ......................................................................................................................... 30
2.1.2. Equipos, instrumentos y materiales consumibles ......................................................... 31
2.2. Métodos y técnicas .......................................................................................................... 33
2.2.1. Modelo Experimental ................................................................................................... 33
2.2.2. Matriz de datos ............................................................................................................. 34
2.3. Procedimiento experimental ............................................................................................ 35
2.4. Procesamiento de datos ................................................................................................... 37
CAPÍTULO III
RESULTADOS
3.1. Resultados del ensayo de tracción ................................................................................... 38
a. Resistencia a la tracción .................................................................................................. 38
b. Tensión de fluencia.......................................................................................................... 39
c. Ductilidad ........................................................................................................................ 41
3.2. Resultados del ensayo de dureza ..................................................................................... 42
CAPÍTULO IV
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. Del ensayo de tracción ..................................................................................................... 43
a. Resistencia a la tracción .................................................................................................. 43
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b. Tensión de fluencia.......................................................................................................... 44
c. Ductilidad ........................................................................................................................ 44
4.2. Del ensayo de dureza ....................................................................................................... 45
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones .................................................................................................................... 47
5.2 .Recomendaciones ............................................................................................................ 47
Referencias bibliográficas ............................................................................................... 49
APÉNDICE I
ANÁLISIS ESTADÍSTICO
I.1. Modelo estadístico ............................................................................................................ 52
I.2. Análisis de varianza para el diseño de un solo factor....................................................... 52
I.3. Análisis de residuos ......................................................................................................... 62
APENDICE II
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL
Análisis microestructural ................................................................................................. 70
ANEXOS
Fotografías ....................................................................................................................... 77
LISTADO DE TABLAS
Tabla 2.1. Composición química del zinc y aluminio comercialmente puro .................. 29
Tabla 2.2. Propiedades mecánicas y físicas del zinc y aluminio ..................................... 29
Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de los resultados ................ 34
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Tabla 2.4. Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor para determinar
los valores de las propiedades en estudio ........................................................................ 34
Tabla 3.1. Resultados de la resistencia a la tracción (MPa) obtenidos de probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio ............................ 38
Tabla 3.2. Resultados de la tensión de fluencia
(MPa) obtenidos de probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio ............................ 40
Tabla 3.3. Resultados de la ductilidad obtenidos en probetas de aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio ............................................................. 41
Tabla 3.4. Resultados del ensayo de dureza (HB) obtenidos en probetas de aleación zinc
– 22% aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio.................................................. 42
Tabla I.1. Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza de un solo factor ......... 53
Tabla I.2. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas
de estudio en molde de arena ........................................................................................... 54
Tabla I.3. Análisis de varianza de los resultados de tensión de fluencia (MPa) en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas
de estudio en molde de arena ........................................................................................... 55
Tabla I.4. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (%) en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde de arena ............................................................................................................ 56
Tabla I.5. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde
de arena…. ...................................................................................................................... 57
Tabla I.6. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas
de estudio en molde metálico (coquilla) .......................................................................... 58
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Tabla I.7. Análisis de varianza de los resultados de tensión de fluencia (MPa) en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas
de estudio en molde metálico (coquilla) .......................................................................... 59
Tabla I.8. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (%) en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde metálico (coquilla) ........................................................................................... 60
Tabla I.9. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde
metálico (coquilla) ........................................................................................................... 61
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1. Diagrama de fases Zn – Al (0 – 40% Al) ...................................................... 10
Figura 1.2. Proceso de fabricación del molde y macho, colada y desmoldeo ................. 15
Figura 1.3. Pasos en la fundición de molde permanente ................................................. 17
Figura 1.4. Probeta de tracción normalizada con sección transversal circular ................ 20
Figura 1.5. Representación esquemática del aparato utilizado para realizar ensayos de
tracción….. ...................................................................................................................... 21
Figura 1.6. Comportamiento de esfuerzo-deformación típico hasta la fractura .............. 23
Figura 1.7. Grafica de esfuerzo – deformación a la tracción para materiales frágiles y
dúctiles ensayados hasta la fractura ................................................................................. 24
Figura 1.8. Método de ensayo de dureza Brinell ............................................................. 27
Figura 2.1. Barras cilíndrica de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) para la obtención
de probetas ...................................................................................................................... 30
Figura 2.2. Probetas para el ensayo de tracción, según norma ASTM E8-98. ................ 30
Figura 2.3. Probetas para el ensayo de dureza según norma ASTM E – 140.................. 31
Figura 2.4. Diagrama de bloques del procedimiento experimental ................................. 35
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Figura 3.1. Efecto de la temperatura de colada sobre la resistencia a la tracción (MPa)
de la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde
metálico…. ...................................................................................................................... 39
Figura 3.2. Efecto de la temperatura de colada sobre la tensión de fluencia (MPa) de la
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde metálico .. 40
Figura 3.3. Efecto de la temperatura de colada sobre la ductilidad (%) de la aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde metálico ................. 41
Figura 3.4. Efecto de la temperatura de colada sobre la dureza (HB) de la aleación zinc
– 22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde metálico ........................ 42
Figura I.1. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de resistencia a
la tracción (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22)
colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde de arena ............................... 62
Figura I.2. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de tensión de
fluencia (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados
a las diferentes temperaturas de estudio en molde de arena ............................................ 63
Figura I.3. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de ductilidad
(%) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las
diferentes temperaturas de estudio en molde de arena .................................................... 64
Figura I.4. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de dureza (HB)
obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde de arena ..................................................................... 65
Figura I.5. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de resistencia a
la tracción (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22)
colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla) .............. 66
Figura I.6. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de tensión de
fluencia (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados
a las diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla) ........................... 67
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Figura I.7. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de ductilidad
(%) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las
diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla) ................................... 68
Figura I.8. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de dureza (HB)
obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla) .................................................... 69
Figura II.1. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde de arena desde 500°C ........................................................................................... 70
Figura II.2. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde de arena desde 550°C ........................................................................................... 71
Figura II.3. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde de arena desde 600°C ........................................................................................... 71
Figura II.4. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde de arena desde 650°C ........................................................................................... 72
Figura II.5. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde de arena desde 700°C ........................................................................................... 72
Figura II.6. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde metálico (coquilla) desde 500°C .......................................................................... 73
Figura II.7. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde metálico (coquilla) desde 550°C .......................................................................... 74
Figura II.8. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde metálico (coquilla) desde 600°C .......................................................................... 74
Figura II.9. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde metálico (coquilla) desde 650°C .......................................................................... 75
Figura II.10. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en
molde metálico (coquilla) desde 700°C .......................................................................... 75
Figura A.1. Lingote de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) ...................................... 77
Figura A.2. Molde de arena de las barras de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) ..... 77
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Figura A.3. Colada de la aleación zinc – 22% aluminio a las temperaturas de estudio... 77
Figura A.4. Barras de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) con sus respectivos canales
de alimentación ................................................................................................................ 77
Figura A.5. Barras de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde de arena
a las temperaturas de estudio ........................................................................................... 78
Figura A.6. Molde metálico (coquilla) con sus respectivos canales de alimentación ..... 78
Figura A.7. Precalentamiento del molde metálico (coquilla) a 150°C ............................ 78
Figura A.8. Colada de aleación zinc – 22% aluminio en el molde metálico .................. 78
Figura A.9. Probetas para el ensayo de tracción según norma ASTM E-8 ..................... 79
Figura A.10. Probetas de aleación Zn – 22% Al para el análisis microestructural ......... 79
Figura A.11.Máquina de tracción universal JINAN TESTING EQUIPMENT IE
CORPORATION. 10 Ton ............................................................................................... 79
Figura A.12. Probeta de aleación zinc – 22% aluminio fracturado después del ensayo de
tracción…. ...................................................................................................................... 79
Figura A.13. Durómetro universal digital TIME GROUP THVRP 187.5 ...................... 80
Figura A.14. Microscopio metalográfico Leica de 50 a 1000X ...................................... 80
xiii
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CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1. Realidad problemática
En la actualidad, la creación de nuevas aleaciones base zinc en los países desarrollados y
especialmente en los países en desarrollo, están siendo de un especial interés debido a la
diversidad de usos que estas aleaciones se les puede dar, por la variedad de propiedades
necesarias que se puede obtener para satisfacer la demanda de la industria para la fabricación
de piezas estructurales.
Las aleaciones de zinc – aluminio (ZA), además de sus excelentes propiedades
mecánicas, tienen una gran actitud para el moldeo, al poseer una altísima colabilidad y un
bajo punto de fusión, haciéndolos versátiles en la fabricación de elementos metálicos de
diferentes usos. El aporte en gran parte de propiedades tales como su bajo peso y su poder
anticorrosivo se debe en gran parte al aluminio como elemento de aleación. El consumo de
esas aleaciones por parte de la industrial metal – mecánica y automotriz ha aumentado a partir
del descubrimiento de nuevas propiedades en ellas, que los lleva a ser altamente competitivas,
es decir, para aprovechar de forma adecuada esta aleación, en la producción de piezas de muy
buena calidad a un bajo costo, logrando de esta manera un beneficio directo tanto al
consumidor como al productor.
1
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También, las propiedades mecánicas de las aleaciones zinc – aluminio (ZA), dependen
principalmente de varios factores, como: el tipo de molde que puede ser arena (verde o seco),
metálico (coquilla), temperatura de colada, tratamiento del metal o aleación líquida
(refinación de grano), espesor de pieza y el posterior tratamiento térmico de solución y
envejecimiento (T6). Estas aleaciones son una alternativa de reemplazo de los bronces y de
las fundiciones maleables, se utilizan en una diversidad de aplicaciones, especialmente en el
sector automotriz, en componentes de transmisión de vehículos, sistemas de suspensión,
carburadores, seguros de chapas de las puertas de automóviles, etc.
La temperatura de colada puede ser causante de muchos problemas en las piezas
fundidas. Temperaturas de coladas altas permiten obtener piezas con tamaños de grano
grandes (dendritas), con óxidos y con alto porcentaje de porosidad debido a la contracción
dendrítica y rechupes debido al alto grado de contracción de solidificación. Temperaturas de
colada bajos permiten obtener piezas con baja fluidez y un mal llenado de las piezas fundidas
con bordes redondos denominado junta fría.
Existen numerosas contigencias que causan dificultad en una operación de fundición y
originan defectos de calidad en el producto. Los defectos de fundición producidos en un
molde de coquilla (molde permanente) o molde de arena, pueden ser extremas debido a que
estos defectos se muestran en las piezas después de la colada. Los más perjudiciales son los
defectos internos debido a que solo se pueden visualizar por ensayos no destructivos (END)
como: rayos X, ultrasonido o por rotura o maquinado en lugares sospechosos, estos defectos
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pueden tener dos condiciones: factor metalúrgico y de moldeo. Estos factores rara vez
intervienen solos, sus acciones son casi siempre combinadas.
También es muy importante la temperatura de calentamiento del molde, especialmente el
molde metálico (coquilla), temperatura de calentamiento bajos pueden ocasionar un mal
llenado de la pieza fundida y porosidad debido al choque térmico sobre el molde (frío) y el
metal líquido; y a temperaturas coquillas altas (por calentamiento), puede ocasionar grietas en
caliente en las uniones de las aristas de las piezas.
En la localidad, las empresas metalúrgicas o fundiciones dedicadas al rubro de la
fundición, no conocen la forma y facilidad de preparación de esta aleación, y por lo tanto
desconocen las excelentes propiedades mecánicas que estas tienen en estado fundido o con
algún tratamiento posterior como el T6. Debido a esto, sólo se producen o fabrican piezas zinc
– aluminio (Zamack) refundiendo la aleación de piezas recicladas (chatarra) debido al
desconocimiento de los métodos de fabricación y lo fácil que es obtener estas aleaciones y a
las excelentes propiedades mecánicas que estas aleaciones tienen en estado fundido.
1.2. Antecedentes
Avras R. y Schvezov C. (2000) en su investigación: “Microestructura, estabilidad
microestructural y comportamiento al desgaste de aleación zinc – aluminio/SIC (MMC)”,
menciona que: las aleaciones de la familia zinc – aluminio con contenidos del 8 al 50% de
aluminio, son una alternativa para la fabricación de partes resistentes al desgaste, las
aleaciones ZA son versátiles y pueden ser manufacturados por diferentes técnicas de
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fundición. Y que además, microestructuralmente, las aleaciones ZA 27 as – cast, presentan
una estructura dendrítica, consistente en dendritas ricas en aluminio y rodeadas por una
lámina eutectoide (+) de estructura rica en zinc.
Dionicio E., et al (2004) concluyen que: las mezclas de arenas de moldeo para preparar
moldes destinados a piezas fundidas en aleaciones de zinc al aluminio, deben tener baja
humedad y alta permeabilidad. De acuerdo a las pruebas, se debe emplear 7% de bentonita
con una humedad del 4% y que el tiempo de mezclado debe ser no menor de 5 minutos ni
mayor de 10 minutos para obtener los valores óptimos de permeabilidad y la resistencia a la
composición en verde, así como una humedad uniformemente distribuida.
Espejo F. y Valverde G. (2016). En el estudio del tipo de molde y temperatura de colada
en la aleación ZA-27 (zinc – 27% aluminio) concluyeron que: al incrementar la temperatura
de colada desde 500°C hasta 600°C para ambos tipos de moldes, la resistencia a la tracción,
ductilidad (% elongación) y dureza disminuyen, obteniéndose los valores más altos de
resistencia a la tracción y dureza en probetas coladas en molde metálico (coquilla) y el valor
más alto de ductilidad en probetas coladas en molde de arena. Según el análisis
microestructural se observa que la solidificación fue dendrítica formada por eutectoide (α+β)
y gamma (ϒ) para ambos tipos de moldes. Y para probetas coladas en molde metálico
(coquilla) las dendritas son finas mientras que para probetas coladas en molde de arena las
dendritas son bastas.
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Gadeau R. (1984) dice que: por regla general se debe de colar un metal frío en un molde
caliente. Una temperatura suficientemente elevada del molde, permite reducir los riesgos de
las grietas porque reduce la contracción de la pieza en el interior del molde metálico o
coquilla.
Kubel E. (1987) menciona que: las aleaciones de zinc – aluminio tienen una resistencia
al desgaste comparable a los bronces convencionales más comúnmente usados y con
propiedades similares a muchas fundiciones, pero siendo mucho más fáciles de maquinar que
estas. Además pueden aplicarse con éxito y ventajas en el molde en coquillas, por otro lado la
gran dureza y alta resistencia de esta aleación logra un equilibrio de las propiedades, siendo
de esta manera una alternativa competitiva para otro sistema de aleaciones ya desarrollada.
Morando C. y Palacio H. (2004). Investigaron la aleación zinc – aluminio eutéctico
(ZA-5) y concluyen que: aleaciones eutécticas con estructuras regular (del tipo no facetado –
no facetado) presentan un máximo de fluidez en la composición eutéctica, mientras que
aleaciones que tiene porcentajes de eutécticas menores, son estructuras anómalas (del tipo
facetado – no facetado). La máxima fluidez está cercano hacia el lado con la fase facetada la
cual presenta la entalpía de fusión más alta.
Ndaliman M. (2007) manifiesta que: En el control de la obtención de piezas coladas,
también es importante el control de la temperatura de colada para obtener piezas de buena
calidad, debido a que temperaturas altas de colada producirán piezas con microporos, debido a
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que existe mayor solubilidad de gas hidrógeno y oxígeno en la aleación líquida, y piezas de
tamaño de grano grande debido a que el tiempo de solidificación es alto.
Obando J. y Unzueta G. (1997) en su estudio concluyen que: la temperatura de colada
depende de la aleación, este valor es conveniente mantenerlo siempre lo más bajo posible. La
temperatura a la cual el metal es colado en el molde tiene un gran efecto sobre las propiedades
mecánicas de la pieza.
Óxido Metal S.A. (2014) en su revista: “Aleaciones de zinc: ZAMAk”, menciona que: la
aleación ZA27 (zinc – 27% aluminio) presenta mayor resistencia entre las aleaciones de zinc,
tanto colada por gravedad en arena o coquilla como así también por inyección con cámara fría.
Es además la más liviana de las aleaciones de zinc y tiene excelente resistencia al desgaste.
También requiere una estabilización por tratamiento térmico si se requieren tolerancias
dimensionales estrictas.
1.3. Fundamento teórico
1.3.1. Zinc
El zinc es el cuarto metal más usado en el mundo. Es uno de los metales que más se
recicla, representando cerca del 40% de su consumo mundial. El zinc metálico es un material
blanco azulado, cristaliza en el sistema hexagonal. Es extremadamente frágil a temperaturas
bajas, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150°C, y se lamina fácilmente el pasarlo
entre rodillos calientes. Debido a que cristaliza en el sistema hexagonal, se deforma muy poco
por deslizamiento, ya que solo tiene un plano compacto [plano basal (001)]. Según esto tiene
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baja plasticidad a temperatura ambiente. Su estructura hexagonal explica también la
anisotropía de propiedades, por ejemplo: dilatación, laminación, etc.
El peso atómico es 65.39 g/mol, funde a 419.5°C, la temperatura de ebullición es 907°C,
su densidad es 7,142 g/cm3. Su resistencia mecánica es baja, teniendo una resistencia a la
tracción de 14 kg/mm2 y su límite elástico 7 kg/mm2.
El zinc metal principalmente se usa como capa protectora o galvanizado para el hierro y
acero, además como componente de distintas aleaciones, especialmente el latón. También se
usa en las placas de las pilas (baterías) eléctricas secas, y en las fundiciones de troquel. El
óxido de zinc conocido como zinc blanco, se usa como pigmento de pintura. El zinc se utiliza
también, como elemento de aleación en los latones (Cu – Zn), Zamack (Zn – Al), etc. (Pero Sanz, 2006, p. 75 - 81)
1.3.2. Aluminio
Es uno de los materiales más abundantes de la tierra ya que constituye aproximadamente
el 8% de su corteza, ocupando el tercer lugar en abundancia superado sólo por el silicio y el
oxígeno. Tiene una densidad de 2.7 g/cm3, la tercera parte de la densidad del acero y un
módulo de elasticidad de 10 x 106 psi. A pesar de las aleaciones de aluminio tienen
propiedades de tensión inferiores a las del acero, su resistencia especifica (es decir, su
relación resistencia a peso) es excelente. El aluminio se puede conformar con facilidad, tiene
una elevada conductividad eléctrica y térmica, y a bajas temperaturas no presenta una
transición de dúctil a frágil.
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Las propiedades físicas benéficas del aluminio incluyen un comportamiento no
magnético y resistencia a la oxidación y corrosión. Sin embargo el aluminio no exhibe un
límite de resistencia a la fatiga verdadero, por lo que en algún momento, incluso a esfuerzos
reducidos, puede ocurrir la falla por fatiga. Debido a su bajo punto de fusión, no funciona bien
a altas temperaturas. Además las aleaciones de aluminio tienen dureza baja y, en
consecuencia, su resistencia al desgaste es pobre. Muestra una buena respuesta a mecanismos
de endurecimiento. (Askeland D., 2004, p.593)
1.3.3. Aleaciones de zinc - aluminio
La nueva familia de aleaciones base zinc con un alto contenido de aluminio, conocidas
como ZA-8, ZA-12 y ZA-27, tienen una buena combinación de propiedades, las cuales son
intermedias entre las aleaciones de aluminio y el hierro dúctil. Las aleaciones zinc – aluminio
tiene una resistencia al desgaste comparable a los bronces convencionales más comúnmente
usados y con propiedades similares a muchas fundiciones, pero siendo mucho más fáciles de
maquinar que estas, además de esto, mejoran las características de las aleaciones tradicionales
de zinc, las cuales han sido usadas con éxito durante décadas en aplicaciones que involucran
sometimientos a tensiones y donde puedan aplicarse las ventajas del moldeo en coquilla. Por
otro lado, la gran dureza y alta resistencia de esta aleación logra un equilibrio de las
propiedades, siendo de esta manera una alternativa competitiva para otros sistemas de
aleaciones ya desarrolladas.
Las aleaciones base zinc para fundición más conocidas son los Zamacks, las cuales son
ampliamente utilizadas en el moldeo en coquilla por presión. Su economía, baja temperatura
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de fusión y su composición cercana al eutéctico, favorecen la vida útil de los moldes
metálicos, sin embargo, este proceso de moldeo requiere el empleo de máquinas costosas que
necesitan de un estricto control y de un mantenimiento especializado, lo cual ha impedido que
su uso se extienda en nuestro país.
En los últimos 40 años se ha venido trabajando en una familia de aleaciones base zinc
con un contenido de aluminio mayor de 16%, las cuales han encontrado una gran aceptación
entre los fundidores, debido a que pueden ser coladas por gravedad en coquilla, en moldes de
arena en verde. Arena aglomerada con silicato de sodio endurecida con CO2, moldeo en
cáscara y yeso, presentando buenas propiedades mecánicas tales como resistencia a la
tracción, flexión e impacto, además de conservar sus excelentes propiedades de fundición,
tales como la colabilidad y el buen acabado superficial. (Marulanda J. y Zapata A., 2007, p.
508)
Sistema Zinc - Aluminio
En el sistema binario Zn – Al, según la figura 1.1, es la base de las aleaciones
comerciales desarrolladas para la fundición a presión y por gravedad. Al analizar este
diagrama se observa una transformación peritéctica que se expresa con la ecuación:
Líquido + gamma (ϒ) 
alfa (α)
(1)
A una temperatura de 455°C y el líquido con un 14% de aluminio, un alfa con un 28% Al
y una composición de la fase gamma de 30% Al. También se encuentra una transformación
eutéctica dad por la ecuación:
Líquido

alfa (α)
+ beta (β)
(2)
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A una temperatura de 382°C y una composición del líquido de 5% de Al y un alfa con un
17% Al, los productos de la transformación eutéctica consisten en una fase beta (β), rica en
zinc con 1.0% Al en peso, la cual cristaliza en el sistema hexagonal compacto (HCP) y se
caracteriza por ser estable a temperatura ambiente. La otra fase es alfa.
Figura 1.1. Diagrama de fases Zn – Al (0 – 40% Al). Fuente: Marulanda J. y Zapata A.,
2007, p. 509.
El diagrama muestra que la solubilidad del aluminio en la fase beta decrece con la
temperatura, llegando a 0.65%Al en peso, a la temperatura eutectoide (275°C) y a 0.05%Al en
peso a 20°C. La fase alfa, rica en aluminio con 17.2%Al en peso a temperatura eutéctica,
cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y se caracteriza por ser inestable a
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temperaturas por debajo de 275°C y una composición alfa del 22%Al en peso,
experimentando a estas temperaturas una transformación eutectoide dad por la ecuación:
Alfa (α)

gamma (ϒ)
+ beta (β)
(3)
A esta temperatura, la fase gamma (rica en aluminio), tiene un contenido aproximado de
31.6% Zn en peso y la fase beta (rica en zinc), tiene un contenido aproximado de 0.65% Al en
peso. La fase gamma se caracteriza por ser estable a temperatura ambiente y la solubilidad del
zinc en esta fase disminuye con la temperatura. El campo gamma + alfa es muy estrecho y sus
límites no están bien establecidos.
Las microestructuras de las aleaciones base zinc con altos contenidos de aluminio, consta
principalmente de dendritas primarias de fase alfa rodeadas por un eutéctico de alfa + beta. La
cantidad de fase alfa formada depende del % de aluminio, de manera que a medida que este
aumenta, la cantidad de dendritas de la fase alfa rica en aluminio es mayor y disminuye la
cantidad de eutéctico formado a altas temperaturas.
Este sistema permite obtener variadas características mecánicas de las fundiciones
mediante tratamientos térmicos adecuados. La fase gamma rica en aluminio es especialmente
apropiada para endurecimiento por solución, desde que pueda ser sobresaturada hasta en 30%
de zinc, además tanto la fase gamma como la fase beta pueden ser endurecidas por
precipitación debido a la disminución de la solubilidad del soluto al temperatura. (Marulanda
J. y Zapata A., 2007, p. 509)
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1.3.4. Proceso de fundición
Los procesos de fundición se pueden clasificar de acuerdo al material empleado en la
fabricación del molde o en la duración del mismo, el tipo de material que se vaya a fundir,
precisión dimensional requerida, calidad superficial, homogeneidad estructural de la pieza,
etc, determinar el material del molde, que puede ser arena, metal, yeso, cerámica o resina. La
otra clasificación se basa en el tipo de molde que se emplea: desechable (arena) o permanente
(coquilla). La utilización de moldes no permanentes (arena) implica que estos deben ser
destruidos para extraer la pieza moldeada; en este caso los materiales de los moldes utilizan
aglomerantes que permiten mantener la cavidad inalterable hasta el vertido del material
fundido. Por el contrario los moldes permanentes (coquillas) pueden usarse repetidas veces, y
su empleo está normalmente destinado a grandes series de producción de una misma pieza.
Los moldes permanentes están fabricados con materiales metálicos o refractarios cerámicos
que soportan las altas temperaturas de los metales fundidos, y constan de dos o más partes que
se abren o separan para liberar las piezas fundidas. (Puértolas J., et al, 2009, p. 23 – 24)
a) Moldeo en arena
Es el molde desechable más utilizado para la obtención de piezas metálicas con una
amplia variedad de formas y tamaños, y se denomina así porque el elemento fundamental, la
arena, se encuentra aglomerada con arcilla húmeda (bentonita). Las buenas propiedades
refractarias y de resistencia a la abrasión de las arenas las hacen apropiadas para la confección
de moldes que se utilizan para moldear metales de alto punto de fusión.
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Arena de moldeo
Definimos arena de moldeo a la mezcla preparada en base de una arena generalmente
sílice, aglutinante (bentonita) y agua, que se emplean en la fabricación de partes de un molde.
Todas las aleaciones pueden amoldarse exitosamente en moldes de arena. En estas arenas de
moldeo los aglutinantes son arcillas.
Este método es el más económico para fabricar piezas fundidas y tiene mayor flexibilidad
para tamaños y formas. (Barrand P. y Gadeau R., 1981, p. 35 – 40)
La arena de fundición es sílice (SiO2) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena
debe de tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas
temperaturas sin fundirse o degradarse. Otra característica importante son: el tamaño de
grano, la distribución del tamaño del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos
pequeños proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son
más permeables para que los gases escapen durante la colada. Los moldes hechos de granos
irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos, debido al entrelazado
de los granos, pero esto disminuye la permeabilidad.
En la fabricación del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de
agua y arcilla. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de
arcilla (Bentonita). (Groover M., 1997, p. 260 – 265)
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Fabricación del molde
Un molde típico de arena, realizada en caja de moldeo, consta de dos métodos, la
semicaja superior y la semicaja inferior. Estas semicajas contienen el modelo, también
dividido en dos partes, que en conjunto dan lugar a la pieza moldeada final. Las dos mitades
de la caja de moldeo están divididas por el plano de separación definido por la propia división
del modelo.
La cavidad del molde se forma a partir del modelo, recubriendo el medio modelo de
ambas semicajas con arena y aglomerantes, compactados por medios mecánicos. A
continuación se retiran las dos partes del modelo de las dos semicajas, y mediante volteo de la
superior sobre la inferior, se fabrica la caja de moldeo definitiva, quedando en su interior la
cavidad con la forma de la pieza que se desea obtener.
Una descripción de las etapas de fabricación de un molde completo se muestra en la
figura 1.2.
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Figura 1.2. Proceso de fabricación del molde y macho, colada y desmoldeo. Fuente:
Puértolas J., et al, 2009, p. 27.
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Se comienza con el diseño de la pieza y su plasmación en un plano (a), seguido de la
confección de la caja de machos y fabricación del macho (b). El modelo se divide en dos
partes, y cada semimodelo es montado sobre una placa para la fabricación de las partes
superior e inferior del molde. Las etapas (d) y (e) muestran la fabricación con la arena de la
semicaja inferior, de la que se extrae el semimodelo, y donde se traza el canal de
alimentación. Las etapas (f) y (g) son las de fabricación de la caja superior, de la que se extrae
el semimodelo, se trazan el bebedero y la mazarota. Las etapas (h) e (i) corresponden
respectivamente al posicionado del macho y al cierre de la caja de moldeo; tras ello se
procede al vertido del metal líquido. Finalmente, en la etapa (j) se muestra el desmoldeo de la
pieza por rotura del moldeo, cortando los canales, bebederos, mazarotas y rebabas, y el
aspecto de la pieza acabada. (Deslandes F. y Vandenberghe L., 1986, p. 5 – 15)
b) Moldeo en molde permanente o coquilla por gravedad
En la fundición en el molde permanente (coquilla) se fabrican dos mitades de un molde
con materiales de alta resistencia a la erosión y a la fatiga térmica como hierro fundido
(fundición gris) o acero. Aquí el molde se reutiliza muchas veces.
La fundición en molde permanente usa un molde metálico, construido en dos secciones
que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Las cavidades junto con el
sistema de vaciado se forman por maquinado en dos metales del molde a fin de logra una alta
precisión dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden comúnmente
en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y aleaciones de zinc. En
este proceso es posible usar noyos (corazones) que forman la superficie interior del producto
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de fundición. Los noyos pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la
fundición o debe ser mecánicamente desmontable para permitir esta operación. Los pasos en
el proceso de fundición con molde permanente se describe en la figura 1.3.
Figura 1.3. Pasos en la fundición de molde permanente: (1) el molde se precalienta y se
recubre; (2) se insertan los corazones (en su caso) y se cierra el molde; (3) el
metal fundido se llena en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada se
muestra en (5). Fuente: Groover M., 1997, p. 273.
Los moldes se precalientan primero para prepararlos y se recubre la superficie del molde
con un recubrimiento refractario. El precalentamiento facilita el flujo del material o través del
sistema de vaciado y de la cavidad, los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la
superficie del molde para separar fácilmente la fundición. A diferencia de los moldes
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desechables, los moldes permanentes no se contraen, así que deben abrirse antes que ocurre la
contracción térmica o por enfriamiento a fin de evitar grietas en la fundición.
Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la
superficie y control dimensional estrecho, además la solidificación más rápida genera una
estructura de grano fino que pueden producir fundiciones más resistentes. (Groover M.,
1997, p. 273)
Temperatura de precalentamiento de molde y temperatura de colada
Por regla general se debe colar un metal líquido frio en un molde caliente. Una
temperatura suficientemente elevada del molde permite reducir los riesgos de las grietas.
Porque reduce la contracción de pieza en el interior de la coquilla. La temperatura excesiva de
una zona del molde puede dar lugar a la formación de grietas si el llenado es defectuoso. Las
partes típicas que se producen con el proceso del molde permanente incluyen pistones
automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles. (Groover
M., 1997, p. 274)
c) Calentamiento
En función del material que se va a fundir, de su calidad y del volumen por producir se
pueden utilizar diversos tipos de unidades de fusión (hornos), para calentar el metal a la
temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de: 1) el calor para elevar la
temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido
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y 3) el calor necesario elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede
expresar como:
𝐻 = 𝜌𝑉[𝐶𝑠 (𝑇𝑚 − 𝑇0 ) + 𝐻𝑓 + 𝐶𝑙 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑚 )]
Donde
H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión [J]
ρ= Densidad [kg/m]
Cs = Calor específico del metal sólido [J/kg °C]
Tm= Temperatura de fusión del metal [°C]
T0 = Temperatura inicial, generalmente la ambiente [°C]
Hf = Calor de Fusión [J/kg]
Cl = Calor especifico del metal líquido [J/kg °C]
Tp = Temperatura de vaciado [°C]
V = Volumen del metal que se calienta [m]
Después de la fusión de la aleación, el material está listo para ser colado. La introducción
del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema colado y de la cavidad es un paso
crítico en el proceso. Para que este tenga éxito, el metal debe de fluir antes de solidificarse a
través de todas las regiones del molde, incluido la región más importante que es la cavidad
principal. Los factores que afectan la operación de colado son la temperatura de colada,
velocidad de colada y turbulencia.
La temperatura de colada, es la temperatura del metal fundido al momento de su colada
(vaciado) en el molde (llamada también temperatura de proceso). Lo importante aquí es la
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diferencia entre la temperatura de colada y temperatura a la que empieza la solidificación, esto
se llama sobrecalentamiento. (Groover M., 1997, p. 275)
1.3.5. Ensayo de tracción
Es uno de los ensayos de esfuerzo – deformación más común. Se utiliza para determinar
varias propiedades mecánicas de materiales importantes (fluencia y límite elástico, resistencia
a la tracción, ductilidad, resiliencia, tenacidad) para el diseño. Normalmente, una probeta se
deforma hasta la rotura con una carga de tracción que aumenta en forma gradual y que se
aplica uniaxialmente a lo largo del eje mayor de la probeta.
Figura 1.4. Probeta de tracción normalizada con sección transversal circular. Fuente:
Callister W., 2012, p. 134.
En la figura 1.4, se muestra una probeta de tracción estándar. Por lo general, la sección de
la probeta es circular, pero también se utilizan probetas rectangulares. Esta configuración de
“hueso de perro” de la probeta se escogió a fin de que durante el ensayo la deformación este
confinada a la región central más estrecha y también para reducir la posibilidad de fractura en
los extremos de la probeta.
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El diámetro estándar es aproximadamente igual a 12.8 mm (0.5 pulg), mientras que la
longitud de la sección reducida debe ser por lo menos cuatro veces este diámetro; 60 mm (2 ¼
pulg) es lo usual. La longitud de prueba es el dato que se utiliza para calcular la ductilidad, el
valor normalizado es 50 mm (2.0 pulg).
La probeta se sujeta en sus extremos con las mordazas de la máquina de ensayos, figura
1.5. La máquina de ensayos de tracción está diseñada para alargar la probeta a una velocidad
constante, así como la medir continua y simultáneamente la carga instantánea aplicada (con
una celda de carga) y los alargamientos resultantes (utilizando un extensómetro). El ensayo
dura varios minutos y es destructivo; la probeta del ensayo se deforma de manera permanente
y a menuda se fractura.
Figura 1.5. Representación esquemática del aparato utilizado para realizar ensayos de
tracción. Fuente: Callister W., 2012, p. 135.
El resultado del ensayo de tracción se registra (comúnmente por medio de computadora)
como carga o esfuerzo contra alargamiento. Las características de esfuerzo - deformación
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dependen del tamaño de la probeta. Para minimizar estos factores geométricos, la carga y el
alargamiento están sujetos a la normatividad para los parámetros de esfuerzo nominal y
deformación nominal, respectivos. El esfuerzo nominal σ se define mediante la relación.
𝜎=
𝐹
𝐴𝑜
Donde F es la carga instantánea aplicada a perpendicularmente a la sección transversal de
la probeta, en unidades de newtons (N) o libras fuerza (lbf), y A0 es el área de la sección
transversal original antes de aplicar la carga (m2 o pulg2). Las unidades de esfuerzo nominal
(de aquí en adelante denominado simplemente esfuerzo) son megapascales, MPa (SI) (donde
1 MPa = 106 N/m2), y libras fuerza por pulgada cuadrada, PSI (unidades del sistema ingles).
La deformación nominal є se define como
𝜖=
𝑙𝑖 − 𝑙𝑜 ∆𝑙
=
𝑙𝑜
𝑙𝑜
Donde 𝑙𝑜 es la longitud original antes de aplicar la carga y 𝑙𝑖 es la longitud instantánea.
Algunas veces el segmento 𝑙𝑖 − 𝑙𝑜 se denota simplemente mediante ∆𝑙, y es el alargamiento
producido por deformación o el cambio de longitud en un instante determinado con respecto a
la longitud inicial. La deformación nominal (en lo sucesivo llamada simplemente
deformación) no tiene unidades, aunque a menudo se expresa en pulgadas por pulgada o en
metro por metro; obviamente se expresa como un porcentaje, esto es, el valor de la
deformación se multiplica por 100. (Callister W., 2012, p.136)
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a. Resistencia a la tracción
Después de la fluencia, el esfuerzo necesario para continuar la deformación plástica en
los metales aumenta hasta un máximo, punto M de la figura 1.6, y disminuye luego hasta que
finalmente se produce la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS (Mpa o psi) es el
esfuerzo máximo que puede soportar una estructura sometida a la tracción; si este esfuerzo
aplicado se mantiene, se producirá la fractura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación
es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se aplica el esfuerzo
máximo se empieza a formar una estricción o cuello, y toda la deformación subsiguiente está
confinada en la estricción, tal como se muestra en los dibujos por pasos de la figura 1.6. A
este fenómeno se le denomina “formación de cuello” o estricción y finalmente la fractura
ocurre en la estricción. La resistencia a la fractura corresponde con el esfuerzo a la fractura.
Figura 1.6. Comportamiento de esfuerzo-deformación típico hasta la fractura, punto F. La
resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M. Fuente: Callister W.,
2012, p. 145.
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b. Ductilidad
Es una medida del grado de deformación plástica que puede soportar un material antes de
llegar a la fractura. Un material que se fractura con poca o ninguna deformación plástica se
denomina frágil. Los comportamientos de esfuerzo – deformación para materiales dúctiles y
para materiales frágiles se ilustran en la gráfica de la figura 1.7.
Figura 1.7. Grafica de esfuerzo – deformación a la tracción para materiales frágiles y dúctiles
ensayados hasta la fractura. Fuente: Callister W., 2012, p. 147.
La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como el alargamiento relativo
porcentual o como el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual,
%EL, es el porcentaje de deformación plástica hasta la rotura, o bien:
%𝐸𝐿 =
𝑙𝑓 − 𝑙𝑜
𝑥100
𝑙𝑜
Donde, 𝑙𝑓 es la longitud de la fractura y 𝑙𝑜 es la longitud de prueba original. Mientras que
una parte significativa de la deformación plástica a la fractura esta confinada a la región del
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cuello, la magnitud del %EL dependerá de la longitud de prueba a de la probeta. Por tanto se
debe especificar el valor de 𝑙𝑜 cuando se mencionan valores de alargamiento relativo
porcentual; es común tomarlo igual a 50 mm o (pulgadas).
Es importante conocer la ductilidad de los materiales al menos por dos razones. En
primer lugar, indica al diseñador el grado en que una estructura podrá deformarse
plásticamente antes de producirse la fractura En segundo lugar, especifica el grado de
deformación permisible durante las operaciones de manufactura. (Callister W., 2012, p.147)
1.3.6. Ensayo de dureza
La dureza es una propiedad mecánica de gran utilidad tecnológica, que indica la
resistencia que opone un material a la identación con un penetrador de otro material más duro
sometido a una carga determinada. Existe un gran número de procedimientos para medir la
dureza; algunos de ellos muestran la dureza macroscópica ya que se actúa sobre una
superficie amplia de la probeta y generan huellas de dimensión del orden de mm, mientras
que otros, con identadores más pequeños y cargas más bajas, permiten medir durezas en
materiales blandos, en piezas con espesores muy delgados o aspectos particulares de una
microestructura. Finalmente, la nanodureza proporciona la dureza de capas o tratamientos
superficiales a escala nanométrica.
Estrictamente el ensayo de dureza es de carácter destructivo, puesto que deja una huella
en el material, pero en las ocasiones en que se realiza sobre piezas acabadas, al ser la huella
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muy pequeña, se considera, a efectos prácticos, como no destructivo. (Puértolas J., et al.,
2009, p. 383)
La prueba de dureza Brinell, se aplica principalmente para determinar la dureza de
secciones pesadas, como los elementos forjados o colados. De todos los métodos de
identación es el que necesita de menor preparación de la superficie sea relativamente lisa y
esté libre de suciedad y escamas. Esta prueba se realiza imprimiendo una bola de acero de 10
mm de diámetro con una carga de 3000 Kg en la superficie durante un tiempo estándar, que
por lo general es de 30 s, figura 1.8. Para los metales no ferrosos, la carga se reduce a 500 Kg
y en los metales muy duros se usa una esfera de tungsteno. Se mide el diámetro promedio de
la impresión que resulta y de esto se puede determinar el número de dureza Brinell (NDB)
con la fórmula:
𝑁𝐷𝐵 =
𝑃
(𝜋 𝐷⁄2)(𝐷 − √𝐷2 − 𝑑2 )
En la que P = carga aplicada (Kg); D = diámetro de la esfera (mm); d = diámetro de la
impresión (mm). Esta forma representa simplemente la carga (P) dividida entre el área de la
superficie de una impresión de diámetro d. En la práctica real, no es necesario hacer cálculos;
puesto que la carga es constante, los valores NDB que corresponden a varios diámetros de
impresión se leen en una tabla (Groover M., 1997, p. 58).
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Figura 1.8. Método de ensayo de dureza Brinell. Fuente: Groover M., 1997, p. 58.
1.4. Problema
¿Cómo afecta la temperatura de colada en el rango de 500 a 700°C a la resistencia a la
tracción, tensión de fluencia, ductilidad y dureza en la aleación eutectoide zinc – 22%
aluminio (ZA-22) colada en molde de arena y molde metálico?
1.5. Hipótesis
A medida que se incrementa la temperatura de colada en el rango de 500 a 750°C en
probetas de aleación eutectectoide Zinc- 22% aluminio, colada en molde de arena y en molde
metálico, disminuye la resistencia a la tracción, tensión de fluencia, ductilidad y dureza y los
valores más altos serán para las probetas colado en molde metalico.
1.6. Objetivos
1.6.1. Objetivo general
Determinar el efecto de la temperatura de colada en el rango de 500 a 700°C a la
resistencia a la tracción, tensión de fluencia, ductilidad y dureza en la aleación eutectoide zinc
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– 22% aluminio (ZA-22) fundido y colados en molde de arena y molde metálico utilizando
técnicas de identacion, tensión y metalograficas con el fin de mejorar las propiedades
mecánicas.
1.6.2. Objetivos específicos
 Determinar el efecto de la temperatura de colada a la resistencia a la tracción, tensión de
fluencia, ductilidad y dureza en la aleación eutectoide zinc – 22% aluminio colada en molde
de arena y molde metálico.
 Determinar el tipo de molde (arena o coquilla) en la cual se obtendrán las mejores
propiedades mecánicas en estudio.
 Relacionar el efecto de la temperatura de colada en la aleación eutectoide zinc – 22%
aluminio (ZA-22) con la microestructura obtenida en las propiedades en estudio.
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CAPITULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Material de estudio
Para esta investigación se utilizó la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) en forma de
lingotes, obtenidos fundiendo a las proporciones en peso adecuados de zinc con 99.9% de
pureza y aluminio con 99.99% de pureza.
Características del material de estudio
a. Composición química de los elementos de aleación
Tabla 2.1. Composición química del zinc y aluminio comercialmente puro.
Elemento
%
Zinc
Aluminio
%
Otros
%
Otros
99.9
0.1
99.99
0.01
Fuente: Hoja técnica Refinería Cajamarquilla. Lima. Perú.
b. Propiedades mecánicas de los elementos de aleación
Tabla 2.2. Propiedades mecánicas y físicas del zinc y aluminio.
Temperatura
Alargamiento
Elemento
de fusión
(%)
(°C)
Zn
419.5
10.0
Al
660.2
43.0
Densidad
(g/cm3)
Dureza
(HB)
7.142
60.5
Resistencia
a la tracción
(Kg/mm2)
85.0
2.699
10.9
69.0
Fuente: Catálogo Aleaciones Bera S.A. Lima. Perú.
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2.1.1. Muestra
Fueron barras fundidas de 16 mm de diámetro x 180 mm de longitud. Que se obtuvieron
fundiendo los lingotes de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22), a las temperaturas de colada
de estudio y colados en molde de arena y molde metálico (coquilla). La geometría y medidas
se muestran en la figura 2.1.
16
15
U.M. mm.
180
Figura 2.1. Barras cilíndrica de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) para la obtención de
probetas.
 Probetas para el ensayo de tracción
Se maquinaron de las barras cilíndricas de diámetro 16 mm x 180 mm de longitud
fundidas y coladas tanto en molde de arena como enmolde metálico, según norma ASTM E898, cuya geometría y medidas se muestran en la figura 2.1.
140.00
R10.00
Ø8.00 ±0.10
Ø12.00
70.00
U.M.: mm
Figura 2.2. Probetas para el ensayo de tracción, según norma ASTM E8-98.
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 Probetas para el ensayo de dureza
Estas probetas también se obtuvieron maquinando las barras de 16 mm de diámetro x 180
mm de longitud, según la norma ASTM E-140, cuya geometría y medidas se muestran en la
figura 2.3. Las mismas se utilizaron para los respectivos análisis metalográficos.
15
20
UM: mm
15
Figura 2.3. Probetas para el ensayo de dureza según Norma ASTM E – 140.
2.1.2. Equipos, instrumentos, reactivos y materiales consumibles
a. Equipos
 Horno eléctrico tipo mufla 5.5 Kw con control automático de temperatura: 0 – 1200°C.
 Torno Mhasa de 1.5 m de bancada: 5 HP – 60 Hz – 220V.
 Cortadora de probetas BAINCUT – M.
 Máquina de tracción universal: 10 Ton (100 Ksi).
 Durómetro universal TIME GROUP THBRVP 187.5.
 Microscopio metalográfico Leica: 50 – 1000X.
 Cámara fotográfica digital Canon S85 de 8 MPx.
b. Instrumentos
 Pirómetro digital Shimaden: 0 – 1200°C.
 Termocupla tipo K.
 Cronómetro Citizen.
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 Micrómetro: 2 pulg.
 Vernier digital Mitutoyo: 8 pulg.
c. Materiales consumibles y reactivos
 Lingotes de aluminio puro (99.99%).
 Lingotes de zinc puro (99.9%).
 Molde metálico (coquilla).
 Arena de moldeo (sílice, 7% bentonita, 6% agua).
 Crisol de acero inoxidable: 12 puntos.
 Coveral 11.
 Desgaser 190.
 Reactivo de ataque químico: Palmerton (óxido crómico: 200 g, sulfato de sodio: 15 g y
agua destilada: 1000 ml).
 Resina epóxica y peróxido de cobalto (encapsulado de probetas).
 Alúmina (Al2O3): 1, 0.5 y 0.3 µm.
 Papel abrasivo #: 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600, 800 y 1000.
 Discos de corte.
 Guantes y mandil de cromo, careta (protección facial).
 Alcohol y agua destilada.
 Algodón, franela y paño de billar.
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2.2. Métodos y técnicas
2.2.1. Modelo experimental
Se utilizó el diseño experimental de un solo factor (unifactorial) para la contrastación de
la hipótesis, con una variable independiente con cinco (05) niveles y tres (03) réplicas. Se
consideró las siguientes variables:
 Variable independiente:
Temperatura de colada (°C): 500 – 550 – 600 – 650 – 700.
 Variable dependiente o variable respuesta:
o Resistencia a la tracción: MPa.
o Tensión de fluencia: MPa.
o Ductilidad: % elongación.
o Dureza: escala Brinell (HB)
 Variables parametrizadas:
o Temperatura del molde metálico (coquilla): 150°C.
o Temperatura de molde de arena: 25°C.
Para el cálculo del número de probetas (P) se utilizó la siguiente expresión:
P = Nm x R
Donde:
P = Número de probetas.
N = Niveles de la variable independiente.
m = Variables independientes.
R = Número de repeticiones.
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Entonces el número de probetas fue:
Número de probetas (P) = 51 x 3 = 15 probetas.
Se fundieron 15 barras cilíndricas de 16 mm de diámetro x 180 mm de longitud de
aleación zinc – 22% aluminio coladas en molde de arena y 15 barras coladas en molde
metálico (coquilla), de las cuales se maquinaron las probetas para los respectivos ensayos.
2.2.2. Matriz de datos
Tabla 2.3. Modelo matricial de un solo factor para análisis de los resultados.
Réplicas
Temperatura de
colada (°C)
1
2
3
T1
t11
t12
t13
T2
t21
t22
t23
T3
t31
t32
t33
T4
t41
t42
t43
T5
t51
t52
t53
Ti: Temperatura de colada (°C): 500 – 550 – 600 – 650 – 700.
tij : Resistencia a la tracción (MPa), Tensión de fluencia (MPa), Ductilidad (%) y Dureza (HB)
Tabla 2.4. Matriz de orden de datos del experimento de un solo factor, para determinar los
valores de las propiedades en estudio.
Réplicas
Temperatura de
colada (°C)
1
2
3
T1
3
9
1
T2
10
13
6
T3
15
12
11
T4
2
5
4
T5
14
8
7
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2.3. Procedimiento experimental
Esta investigación se realizó según el diagrama de bloques de la figura 2.4.
Zinc
Alumini
o
Fusión y preparación
de lingotes de
aleación Zn – 22%Al
Fusión de aleación
Zn – 22% Al
500 – 550 – 600 –
650 – 700°C
Arena de moldeo
(SiO2+Bentonita)
Colada de barras en molde
de arena, molde metálico y
desmoldeo
Modelo
Moldeo de barras
en molde de arena
Maquinado de probetas
Norma ASTM E-8
Norma ASTM E-140
Ensayo de dureza y
análisis metalográfico
Ensayo de
Tracción
Resultado y discusión
Redacción del informe
Figura 2.4. Diagrama de bloques del procedimiento experimental.
a) Fabricación del material de estudio
 Se fabricó los modelos de lingotes (03) en madera de 50 mm x 50 mm x 200 mm.
 Se preparó la arena de moldeo: arena sílice + 7% bentonita + 6% agua.
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 En un crisol de acero inoxidable de 12 puntos se fundió tanto el zinc y el aluiminio a
720°C, luego se coló en los respectivos moldes para la obtención de los lingotes de zinc –
22% aluminio.
b) Obtención de las barras de aleación zinc – 22% aluminio
 Se fabricó los modelos de barras (03): 16 mm de diámetro x 180 mm de longitud.
 Se fabricó el molde metálico (coquilla), material utilizado: fundición gris.
 Para el moldeo de las barras se utilizaron cajas de 30 cm de largo x 20 cm de ancho y 10
cm de altura, donde se prepararon los respectivos moldes.
 Se fundió la aleación (lingotes) zinc – 22% aluminio (ZA-22) a las temperaturas de colada
de estudio: 500 – 550 – 600 – 650 – 700°C.
 Seguidamente se procedió a colar la aleación líquida de zinc – 22% aluminio a los
respectivos moldes de arena y molde metálico (coquilla).
 Una vez frío se desmoldó as barras de aleación ZA-22 y luego se cortaron los canales y se
eliminaron las rebabas
c) Maquinado de barras para obtención de probetas
De las barras de aleación zinc – 22% aluminio obtenidas, tanto en molde de arena como
molde metálico (coquilla), colados a las temperaturas de estudio, se maquinaron las probetas
para el ensayo de tracción según norma ASTM E-8 y para el ensayo de dureza según norma
ASTM E-140. Las mismas sirvieron para los respectivos análisis metalográficos.
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d) Ensayo de tracción
Se realizó utilizando la máquina de tracción universal digital de capacidad de 10 Ton,
según la norma ASTME-8. Este ensayo permitió evaluar la resistencia a la tracción, tensión
de fluencia y ductilidad.
e) Ensayo de dureza
Se utilizó el durómetro digital universal TIME GROUP THBRVP 187.5 y se midió en la
escala Brinell (HB), se realizó según la norma ASTM E-140.
f) Análisis metalográfico
Se utilizaron las mismas probetas del ensayo de dureza, se realizó según la siguiente
secuencia: encapsulado de probetas, desbaste grueso, desbaste fino, pulido de probetas, ataque
químico (reactivo Palmerton), seguidamente se observó la microestructura utilizando el
microscopio metalográfico Leica de 50 – 1000X, y por último se tomó las fotomicrografías.
2.4. Procesamiento de datos
Los resultados se evaluaron estadísticamente usando el análisis de varianza, para
determinar si la variable en estudio afectó significativamente en el rango experimental
seleccionado, para la cual se consideró un error α = 0.05 que corresponde a un nivel de
confianza de 95%.
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CAPITULO III
RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados correspondientes a las pruebas experimentales,
realizados a las probetas de aleación zinc – 22 % aluminio (ZA-22) fundidas a las
temperaturas de 500, 550, 600, 650 y 700°C, y colados en moldes de arena en seco y molde
metálico ó coquilla (precalentadas a 150°C). Estos se detallan en tablas y figuras que a
continuación se presentan:
3.1. Resultados del ensayo de tracción
a. Resistencia a la tracción
Estos resultados se muestran en la tabla 3.1 y figura 3.1.
Tabla 3.1. Resultados de la resistencia a la tracción (MPa) obtenidos de probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio.
Temperatura de
colada
Tipo de molde
Resistencia a la tracción (MPa)
R1
R2
R3
Promedio
Arena
420
398
428
415.30
Coquilla
455
448
460
453.30
Arena
396
382
398
392.00
Coquilla
438
447
426
437.00
Arena
377
380
371
376.00
Coquilla
408
416
412
412.00
Arena
370
368
365
367.70
Coquilla
400
386
392
392.70
Arena
360
366
359
361.70
Coquilla
390
378
381
382.00
500
550
600
650
700
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480
Resistencia a la tracción (MPa)
460
440
420
400
380
360
340
320
300
450
500
550
600
650
700
750
Temperatura de colada (°C)
Molde arena
Molde metálico - coquilla
Figura 3.1. Efecto de la temperatura de colada sobre la resistencia a la tracción (MPa) de la
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde
metálico.
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b. Tensión de fluencia
La tabla 3.2 y figura 3.2 muestran estos resultados:
Tabla 3.2. Resultados de la tensión de fluencia (MPa) obtenidos de probetas de aleación zinc
– 22% aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio.
Temperatura de
colada
Tipo de molde
500
550
600
650
Tensión de fluencia (MPa)
700
Tensión de fluencia (MPa)
F1
F2
F3
Promedio
Arena
394
386
380
386.70
Coquilla
450
438
445
444.30
Arena
388
377
371
378.70
Coquilla
426
430
421
425.70
Arena
356
367
359
360.70
Coquilla
400
405
398
401.00
Arena
360
350
356
355.30
Coquilla
395
378
384
385.70
Arena
355
350
352
352.30
Coquilla
388
370
372
376.7
500
450
400
350
300
250
450
500
550
600
650
700
750
Temperatura de colada (°C)
Molde arena
Molde metálico - coquilla
Figura 3.2. Efecto de la temperatura de colada sobre la tensión de fluencia (MPa) de la
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde
metálico.
40
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c. Ductilidad
Estos resultados se evaluaron en porcentaje (%) de elongación y se muestran en la tabla
3.3 y figura 3.3.
Tabla 3.3. Resultados de la ductilidad obtenidos en probetas de aleación zinc – 22% aluminio
(ZA-22) en las condiciones de estudio.
Temperatura de
colada
Tipo de molde
Arena
500
550
600
650
700
Ductilidad (% elongación)
ε1
ε2
ε3
Promedio
9.80
9.60
8.10
9.20
Coquilla
7.80
7.30
7.60
7.60
Arena
9.10
8.60
8.40
8.70
Coquilla
7.20
6.80
6.50
6.80
Arena
6.20
6.00
6.10
6.10
Coquilla
5.80
5.10
5.30
5.40
Arena
4.90
5.30
5.20
5.10
Coquilla
4.20
4.00
3.80
4.00
Arena
4.60
4.80
4.30
4.60
Coquilla
3.60
3.90
4.00
3.80
600
650
10
9
Ductilidad (%)
8
7
6
5
4
3
2
450
500
550
700
750
Temperatura de colada (°C)
Molde de arena
Molde metálico - coquilla
Figura 3.3. Efecto de la temperatura de colada sobre la ductilidad (%) de la aleación zinc –
22% aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde metálico.
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3.2. Resultados del ensayo de dureza
Se evaluaron en la escala Brinell (HB). Los valores obtenidos experimentalmente se
muestran en la tabla 3.4 y figura 3.4.
Tabla 3.4. Resultados del ensayo de dureza (HB) obtenidos en probetas de aleación zinc –
22% aluminio (ZA-22) en las condiciones de estudio.
Temperatura de
colada
500
550
600
650
700
Arena
D1
128.30
Dureza (HB)
D2
D3
132.40 124.10
Coquilla
151.80
149.20
156.30
152.40
Arena
122.10
128.00
118.30
122.80
Coquilla
146.20
150.20
141.80
145.90
Arena
118.10
114.30
109.10
113.80
Coquilla
134.20
142.10
130.10
135.50
Arena
108.50
100.10
103.40
104.00
Coquilla
130.10
126.40
129.30
128.60
Arena
102.10
98.50
96.50
99.00
Coquilla
124.10
128.10
120.30
124.20
600
650
700
Tipo de molde
Promedio
128.30
160
150
Dureza (HB)
140
130
120
110
100
90
80
450
500
550
750
Temperatura de colada (°C)
Molde arena
Molde metálico - coquilla
Figura 3.4. Efecto de la temperatura de colada sobre la dureza (HB) de la aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22), coladas en molde de arena y molde metálico.
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CAPITULO IV
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. Del ensayo de tracción
a. De la resistencia a la tracción
La tabla 3.1 y figura 3.1 muestran los resultados obtenidos de la resistencia a la tracción
(MPa) realizados a probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) fundidos a las
temperaturas de 500, 550, 600, 650 y 700°C y colados en moldes de arena y molde metálico
(coquilla).
Se observa que la resistencia a la tracción disminuye según se incrementa la temperatura
de colada para cambos tipos de molde, obteniéndose 415.30 MPa para 500°C y 361.70 MPa
para probetas coladas en arena; y 453.30 MPa para 500°C y 382.00 MPa para 700°C en
probetas coladas en molde metálico (coquilla). Esto se debe que a temperaturas de coladas
bajas, el tiempo de solidificación (ts) también es bajo produciendo granos (dendritas) finas, de
brazos dendríticos secundarios (EBDS) pequeños, mientras que a temperaturas de coladas
altas, el tiempo de solidificación es mayor produciendo granos (dendritas) más gruesos con
brazos dendríticos secundarios (EBDS) grandes. También a temperaturas de coladas altas
ocurre un fenómeno conocido como contracción interdendrítica que produce microporos y la
absorción de oxígeno e hidrógeno produciendo microporosidad disminuyendo la resistencia a
la tracción.
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También se muestra que para los tipos de moldes utilizados en esta investigación los
valores más altos de resistencia a la tracción (MPa) en probetas de aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) es para las coladas en molde metálico (coquilla), debido a que los tiempos
de solidificación en este molde son más cortos porque la coquilla actúa como un enfriador
produciendo granos (dendritas) más finas que con el molde de arena. Y un material de grano
fino tiene mayor área total de límite de grano que impiden los movimientos de las
dislocaciones haciendo a la aleación más resistente.
b. De la tensión de fluencia
Estos resultados se muestran en la tabla 3.2 y figura 3.2. Se aprecia que la tensión de
fluencia (MPa) disminuye con el incremento de la temperatura de colada para ambos tipos de
molde, obteniéndose los valores más altos de tensión de fluencia para probetas coladas en
molde metálico (coquilla), desde 444.30 MPa para 500°C hasta 376.70 MPa para 700°C, y los
valores más bajos para probetas coladas en arena desde 386.70 MPa para 500°C hasta 352.30
MPa para 700°C.
c. Ductilidad
Estos resultados se evaluaron en porcentaje de elongación y se dan a conocer en la tabla
3.3 y figura 3.3. Donde se observa que a medida que se incrementa la temperatura de colada,
la ductilidad disminuye para ambos tipos de molde, obteniéndose los valores más altos de
ductilidad para probetas coladas en molde de arena desde 9.20% para 500°C hasta 4.60% para
700°, esto se debe a que el enfriamiento en molde de arena es moderado produciendo granos
(dendritas) medios y que al aumentar la temperatura de colada desde 500 a 600°C el tiempo
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de solidificación también se incrementa, produciendo al enfriar dendritas, con distancias de
brazos secundarios (EBDS) más grandes según se incrementa la temperatura de colada y estos
brazos actúan como concentradores de tensión, que impiden el deslizamiento en los planos
cristalográficos de las dislocaciones disminuyendo la ductilidad.
También se observa que los valores más bajos de ductilidad es para probetas coladas en
molde metálico (coquilla), valores desde 7.60% para 500°C hasta 3.80% para 700°C. Debido
a que este molde actúa como un enfriador disminuyendo el tiempo de solidificación osea
aumentando la velocidad de enfriamiento, produciendo dendritas pequeñas por ende
disminuyendo la ductilidad.
4.2. Del ensayo de dureza
Los resultados del ensayo de dureza (HB) obtenidos en probetas de aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) coladas en molde de arena y molde metálico (coquilla) a las temperaturas
de 500, 550, 600, 650 y 700°C se muestran en la tabla 3.4 y figura 3.4.
Se observa que para ambos tipos de molde, la dureza disminuye a medida que se
incrementa la temperatura de colada desde 500°C hasta 700°C, también muestra que los
valores más altos de dureza (HB) obtenidos fue para probetas coladas en molde metálico
(coquilla) debido a que el molde metálico actúa como un enfriador haciendo que la velocidad
de solidificación sea alta, enfriando más rápidamente la aleación, produciendo granos
(dendritas) finas, los cuales tienen distancias de brazos dendríticos secundarios (EBDS)
pequeños que crecen ligeramente con el incremento de la temperatura de colada, obteniéndose
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mayor área superficial en los bordes de grano produciendo mayor endurecimiento y permite
obtener una estructura compacta, como consecuencia la estructura es más dura. Mientras que
en probetas coladas en molde de arena, la velocidad de solidificación es más lenta o moderada
produciendo dendritas más grandes con tamaño de granos bastos, y también con el incremento
de la temperatura de colada aumenta la absorción de hidrógeno y oxígeno produciendo
microporosidad, haciendo menos compacto la aleación y por ende blanda.
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CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones
 La temperatura de colada en el rango de 500 a 700°C afecta significativamente la resistencia a
la tracción, tensión de fluencia, ductilidad (% elongación) y dureza en la aleación zinc – 22%
aluminio colados en molde de arena y molde metálico (coquilla).
 A medida que se incrementa la temperatura de colada en el rango de 500 a 700°C, la
resistencia a la tracción y tensión de fluencia disminuye en la aleación zinc – 22% aluminio
(ZA-22) para ambos tipos de molde.
 El incremento de la temperatura de colada en el rango de 500 a 700°C disminuye la ductilidad
de la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) tanto para molde de arena como molde metálico.
 Al incrementar la temperatura de colada en el rango de 500 a 700°C, la dureza disminuye para
ambos tipos de molde en la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22).
 Los valores más altos obtenidos de resistencia a la tracción, tensión de fluencia y dureza en la
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) fueron para las probetas coladas en molde metálico,
mientras que los valores más altos de ductilidad fue para probetas colados en molde de arena.
5.2. Recomendaciones
 Realizar un estudio comparativo de la temperatura de colada en la aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) y zinc – 27% aluminio (ZA-27) sobre la resistencia a la tracción, tensión de
fluencia, ductilidad y dureza.
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 Estudiar cómo afecta la temperatura de envejecimiento en el tratamiento T6 de la aleació zinc
– 22% aluminio (ZA-22) sobre las propiedades mecánicas.
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APÉNDICE I
ANALISIS ESTADISTICO
I.1. Modelo estadístico
Yij = µ + i + ij
Dónde:
µ
: promedio poblacional para todas las observaciones
i
: efecto de tratamiento para esta observación
ij
: error para esa observación
i
: niveles
j
: replicas.
I.2. Análisis de varianza para el diseño de un solo factor
I.2.1. Prueba de hipótesis:
a. Contrastación de la hipótesis (prueba de hipótesis)
H0: µ1 = µ2 = µ3 = µ4
H1: µ1 ≠ µ2 ≠ µ3 ≠ µ4
b. Nivel de significancia
α = 0.05
c. Criterio de rechazo
Se rechaza H0 para el tratamiento A si:
F0 > f1-α; (a-1), a(n-1)
a=5 y n=3
F0 > f0.05; (5-1), 5(3-1)
F0 > f0.05; 4; 10 (tablas)
F0 > 3.48 (Montgomery D., 2006, p. 644)
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Tabla I.1. Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza de un solo factor.
Fuente de
variación
Suma de
Cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
Cuadrados
Entre los
tratamientos
SSTratamientos
a-1
MSTratamientos
Error ( dentro de
los tratamientos)
SSerror
a(n-1)
MS E
Total
SST
an-1
F0
Fo 
MS Trat
MS E
Ftabla
F1 ;a 1,a ( n 1) 
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
a
b
SS T   y 
i 1 j 1
2
ij
y2
N
Cálculo de suma de cuadrados entre tratamientos (SSTratamientos)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
Se utilizó el análisis de varianza para probar la hipótesis nula, H0: μ1= μ2= μ3= μ4;
contra la hipótesis alternativa H1: algunas medidas son diferentes; a fin de aceptar o rechazar
la hipótesis nula. Las sumas de los cuadrados requeridos se calculan de la siguiente manera:
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I.2.2. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) obtenidos en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde de arena.
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 6311.70
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 5593.70
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 718.0
Tabla I.2. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde de arena.
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
5593.7
4
1398.4
19.48
3.48
Error
718.0
10
71.8
Total
6311.7
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la resistencia a la tracción en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde de arena.
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I.2.3. Análisis de varianza de los resultados de tensión de fluencia (MPa) obtenidos en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde de arena.
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 3133.3
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 2754.0
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 379.3
Tabla I.3. Análisis de varianza de los resultados de tensión de fluencia (MPa) en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de
estudio en molde de arena.
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
2754.0
4
688.5
18.15
3.48
Error
379.3
10
37.9
Total
3133.3
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la tensión de fluencia en probetas
de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde de arena.
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I.2.4. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (% elongación) obtenidos en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde de arena.
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 54.553
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 52.333
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 2.220
Tabla I.4. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (%) en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en
molde de arena.
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
52.333
4
13.083
58.93
3.48
Error
2.220
10
0.222
Total
54.553
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la ductilidad en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde de arena.
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I.2.5. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) obtenidos en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde de arena.
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 1987.4
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 1812.5
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 175.0
Tabla I.5. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) en probetas de aleación zinc
– 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en
molde de arena.
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
1812.5
4
453.1
25.90
3.48
Error
175.0
10
17.5
Total
1987.4
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la dureza en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde de arena.
57
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I.2.6. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) obtenidos en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 11182.4
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 10679.1
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 503.3
Tabla I.6. Análisis de varianza de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
10679.1
4
2669.8
53.04
3.48
Error
503.3
10
50.3
Total
11182.4
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la resistencia a la tracción en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde metálico (coquilla).
58
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I.2.7. Análisis de varianza de los resultados de tensión de fluencia (MPa) obtenidos en
probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes
temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 9941.3
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 9458.7
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 482.7
Tabla I.7. Análisis de varianza de los resultados de tensión de fluencia (MPa) en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de
estudio en molde metálico (coquilla).
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
9458.7
4
2364.7
48.99
3.48
Error
482.7
10
48.3
Total
9941.3
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la tensión de fluencia en probetas
de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde metálico (coquilla).
59
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I.2.8. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (%) obtenidos en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde metálico (coquilla).
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 34.0493
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 33.2493
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 0.8000
Tabla I.8. Análisis de varianza de los resultados de ductilidad (%) en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en
molde metálico (coquilla).
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
33.2493
4
8.3123
103.90
3.48
Error
0.8000
10
0.0800
Total
34.0493
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la ductilidad en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde metálico (coquilla).
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I.2.9. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) obtenidos en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde metálico (coquilla).
Cálculo de suma total de cuadrados (SST)
y2
SS T   y 
ij
N
i 1 j 1
a
b
2
SST = 1845.7
Cálculo de suma de cuadrados de factor A (SSA)
a
SSTrattamientos  1 / n yi2 
i 1
y2
N
SSTratamientos = 1672.2
Cálculo de suma de cuadrados de error (SSerror)
SS error  SST  SSTratamientos
SSerror = 173.5
Tabla I.9. Análisis de varianza de los resultados de dureza (HB) en probetas de aleación zinc
– 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en
molde metálico (coquilla).
Fuente de Variación
Suma de
cuadrados
Grados de
Libertad
Media de
cuadrados
F0
Ftabla
Entre los tratamientos
1672.2
4
418.0
24.09
3.48
Error
173.5
10
17.4
Total
1845.7
14
Puesto que el valor de F0 es mayor que el F (tabla); se rechaza la hipótesis nula H0, por
lo tanto la temperatura de colada afecta significativamente la dureza en probetas de aleación
zinc – 22% aluminio (ZA-22) coladas en molde metálico (coquilla).
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I.3. Análisis de residuos
a. Residuos de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) obtenidas en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de
estudio en molde de arena.
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-17.333
-10.000
-5.000
-2.667
-2.667
-1.667
0.333
1.000
2.333
4.000
4.000
4.333
4.667
6.000
12.667
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-20
-10
0
Residuo
10
20
Figura I.1. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de resistencia a la
tracción (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22)
colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde de arena.
62
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b. Residuos de los resultados de tensión de fluencia (MPa) obtenidas en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de
estudio en molde de arena.
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-7.667
-6.667
-5.333
-4.333
-2.333
-2.333
-1.667
-0.667
-0.333
0.667
2.667
4.667
6.667
7.333
9.333
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-10
-5
0
Residuo
5
10
15
Figura I.2. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de tensión de
fluencia (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22)
colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde de arena.
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c. Residuos de los resultados de ductilidad (%) obtenidas en probetas de aleación zinc –
22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde de
arena.
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-1.067
-0.300
-0.267
-0.233
-0.100
-0.100
0.000
0.033
0.067
0.100
0.167
0.233
0.400
0.433
0.633
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-1.0
-0.5
0.0
Residuo
0.5
1.0
Figura I.3. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de ductilidad (%)
obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las
diferentes temperaturas de estudio en molde de arena.
64
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d. Residuos de los resultados de dureza obtenidas en probetas de aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde de arena.
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-4.733
-4.500
-4.167
-3.900
-2.533
-0.700
-0.600
-0.533
0.033
0.467
3.067
4.133
4.267
4.500
5.200
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-10
-5
0
Residuo
5
10
Figura I.4. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de dureza (HB)
obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las
diferentes temperaturas de estudio en molde de arena.
65
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e. Residuos de los resultados de resistencia a la tracción (MPa) obtenidas en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde metálico (coquilla).
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-11.000
-6.667
-6.333
-5.000
-4.000
-2.000
-0.667
0.000
0.667
1.000
4.000
5.667
7.000
7.333
10.000
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-15
-10
-5
0
Residuo
5
10
15
Figura I.5. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de resistencia a la
tracción (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22)
colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
66
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f. Residuos de los resultados de tensión de fluencia (MPa) obtenidas en probetas de
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio
en molde metálico (coquilla).
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-7.667
-6.667
-6.333
-4.667
-4.667
-3.000
-1.667
-1.000
0.333
0.667
4.000
4.333
5.667
9.333
11.333
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-15
-10
-5
0
Residuo
5
10
15
Figura I.6. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de tensión de
fluencia (MPa) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22)
colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
67
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g. Residuos de los resultados de ductilidad (%) obtenidas en probetas de aleación zinc –
22% aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde
metálico (coquilla).
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-0.333
-0.300
-0.267
-0.233
-0.200
-0.100
-0.033
0.000
0.033
0.067
0.167
0.200
0.233
0.367
0.400
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-0.50
-0.25
0.00
Residuo
0.25
0.50
Figura I.7. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de ductilidad (%)
obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las
diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
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h. Residuos de los resultados de dureza (HB) obtenidas en probetas de aleación zinc – 22%
aluminio (ZA-22) colados a las diferentes temperaturas de estudio en molde metálico
(coquilla).
Orden
k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Residuos
Pk=(k-1/2)/15
-5.367
-4.267
-3.867
-3.233
-2.200
-1.267
-0.633
-0.067
0.133
0.700
1.500
3.867
3.933
4.133
6.633
0.033
0.100
0.167
0.233
0.300
0.367
0.433
0.500
0.567
0.633
0.700
0.767
0.833
0.900
0.967
Prueba
(1-Pk)*100
96.667
90.000
83.333
76.667
70.000
63.333
56.667
50.000
43.333
36.667
30.000
23.333
16.667
10.000
3.333
Porcentaje de probabilidad normal
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-10
-5
0
Residuo
5
10
Figura I.8. Gráfica de probabilidad normal de residuos de los resultados de dureza (HB)
obtenidas en probetas de aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados a las
diferentes temperaturas de estudio en molde metálico (coquilla).
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APENDICE II
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL
Las microestructuras de la aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22) colados desde las
temperaturas de 500, 550, 600, 650 y 700°C en molde de arena y molde metálico (coquilla) se
muestran en las figuras II.1 al II.10.
 Fotomicrografía de la aleación zinc - 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de arena
desde las temperatura de estudio
Estas se muestran desde la figura II.1 hasta figura II.5.
Figura II.1. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de
arena desde 500°C. Dureza: 128.30 HB. Ataque químico: Reactivo Palmerton.
500X.
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Figura II.2. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de
arena desde 550°C. Dureza: 122.80 HB. Ataque químico: Reactivo Palmerton.
500X.
Figura II.3. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de
arena desde 600°C. Dureza: 113.80 HB. Ataque químico: Reactivo Palmerton.
500X.
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Figura II.4. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de
arena desde 650°C. Dureza: 104.08 HB. Ataque químico: Reactivo Palmerton.
500X.
Figura II.5. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde de
arena desde 700°C. Dureza: 99.00 HB. Ataque químico: Reactivo Palmerton.
500X.
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Las figuras II.1, II.2, II.3, II.4 y II.5 muestran la microestructura de la aleación zinc –
22% aluminio colados desde la temperatura de 500, 550, 600, 650 y 700°C respectivamente y
colados en molde de arena. Se observa que la microestructura está formada por dendritas
medias y que constan de fase gamma (ϒ) zona clara y eutectoide (β+ϒ) zona oscura, y que el
tamaño de las dendritas (grano) crece ligeramente con el aumento de la temperatura de colada.
 Fotomicrografía de la aleación zinc - 22% aluminio (ZA-22) colados en molde metálico
(coquilla) desde las temperatura de estudio.
Estas se muestran desde la figura II.6 hasta figura II.10.
Figura II.6. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde
metálico (coquilla) desde 500°C. Dureza: 152.40 HB. Ataque químico: Reactivo
Palmerton. 500X.
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Figura II.7. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde
metálico (coquilla) desde 550°C. Dureza: 145.90 HB. Ataque químico: Reactivo
Palmerton. 500X.
Figura II.8. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde
metálico (coquilla) desde 600°C. Dureza: 135.50 HB. Ataque químico: Reactivo
Palmerton. 500X.
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Figura II.9. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde
metálico (coquilla) desde 650°C. Dureza: 128.60 HB. Ataque químico: Reactivo
Palmerton. 500X.
Figura II.10. Fotomicrografía de la aleación zinc 22% aluminio (ZA-22) colados en molde
metálico (coquilla) desde 700°C. Dureza: 124.20 HB. Ataque químico: Reactivo
Palmerton. 500X.
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Las figuras II.6, II.7, II.8, II.9 y II.10 representan las microestructuras de la aleación zinc
– 22% aluminio colados desde la temperatura de 500, 550, 600, 650 y 700°C respectivamente
y colados en molde metálico (coquilla). Estas muestran que las microestructuras están
formada por dendritas finas (granos) que constan de fase gamma (ϒ) zona clara y eutectoide
(β+ϒ) zona oscrura, y que el tamaño de grano crece ligeramente con el aumento de la
temperatura de colada.
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ANEXOS
FOTOGRAFIAS
Figura A.1. Lingote de aleación zinc – Figura A.2. Molde de arena de las barras de
22% aluminio (ZA-22).
aleación zinc – 22% aluminio (ZA-22).
Figura A.3. Colada de la aleación zinc – Figura A.4. Barras de aleación zinc – 22%
22% aluminio a las temperaturas de aluminio
estudio.
(ZA-22)
con
sus
respectivos
canales de alimentación.
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Figura A.5. Barras de aleación zinc – 22% Figura A.6. Molde metálico (coquilla) con
aluminio (ZA-22) coladas en molde de sus respectivos canales de alimentación.
arena a las temperaturas de estudio.
Figura A.7. Precalentamiento del molde
metálico (coquilla) a 150°C.
Figura A.8. Colada de aleación zinc – 22%
aluminio en el molde metálico.
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Figura A.9. Probetas para el enssayo de Figura A.10. Probetas de aleación zinc –
tracción según norma ASTM E-8.
22%
aluminio
para
el
análisis
microestructural.
Figura
A.11.
Maquina
de
tracción Figura A.12. Probeta de aleación zinc – 22%
universal JINAN TESTING EQUIPMENT aluminio fracturado después del ensayo de
IE CORPORATION. 10 Ton.
tracción.
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Figura A.14. Microscopio metalográfico
Figura A.13. Durómetro universal digital Leica de 50 a 1000X.
TIME GROUP THVRP 187.5.
80
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