Qué hace el silicio cuando se agrega al metal
El silicio es uno de los aditivos de tratamiento y aleación más utilizados en metalurgia, y es inusual que cambie casi todos los grupos de propiedades a la vez. Aumenta la resistencia y la dureza, mejora la fluidez del metal fundido, reduce la contracción por solidificación, actúa como desoxidante en acero y hierro y, en familias de aleaciones específicas, también mejora la resistencia a la corrosión, la estabilidad a altas-temperaturas, la resistencia al desgaste y el comportamiento magnético.
Debido a que el mismo elemento puede ser beneficioso o perjudicial según el metal base y el nivel de adición, la pregunta práctica nunca es simplemente si agregar silicio, sino cuánto agregar, en qué forma y en qué punto del proceso.
Resistencia, Dureza y Respuesta Mecánica
El silicio se disuelve en hierro y aluminio y distorsiona la red cristalina, lo que aumenta la resistencia a la tracción y la dureza. En el acero, esta es la base de las calidades estructurales y de resortes que soportan silicio-y en el aluminio es la base de las aleaciones de fundición de aluminio-silicio. El mecanismo es el fortalecimiento de la solución-sólida en lugar de la precipitación, por lo que el efecto crece de manera constante con el contenido de silicio en lugar de aparecer repentinamente en un umbral.
La ductilidad y la tenacidad cambian en la dirección opuesta una vez que la adición aumenta. En cantidades moderadas, el silicio puede mejorar la ductilidad y la tenacidad en ciertas aleaciones, haciendo que el material sea más resistente a la deformación bajo tensión, pero un exceso produce fragilidad. Controlar ese equilibrio es la tarea principal cuando se utiliza silicio como complemento fortalecedor.
Desoxidación y limpieza en la fabricación de acero y hierro.
El silicio es un fuerte desoxidante. Agregado como ferrosilicio, elimina el oxígeno disuelto de la masa fundida y previene la formación de óxidos dañinos que de otro modo debilitarían el metal y crearían inclusiones en el producto terminado. Los grados estándar de ferrosilicio, como FeSi75, se suministran específicamente para esta tarea bajo especificaciones como GB/T 2272, que define la composición química y los rangos de tamaño de la ferroaleación.
La desoxidación también afecta al procesamiento posterior. Un calor bien-desoxidado proporciona una capacidad de moldeo más consistente, menos orificios y un acero más limpio que responde de manera predecible al laminado o al tratamiento térmico posterior. En la práctica de la fundición, el ferrosilicio también se utiliza para la inoculación y para ajustar el nivel de silicio del hierro fundido para controlar la forma del grafito y la estructura de la matriz.
Comportamiento de la fundición: fluidez y contracción
En los procesos de fundición, el silicio mejora la fluidez del metal fundido, lo que le permite llenar secciones delgadas y cavidades complejas del molde de manera más completa y producir mejores acabados superficiales. Al mismo tiempo, el silicio reduce la contracción que se produce durante el enfriamiento y la solidificación, lo que minimiza la porosidad de la contracción y mejora la precisión dimensional de las piezas fundidas.
Fluidez:mejor llenado del molde, menos errores de ejecución y cierres en frío, y superficie de fundición mejorada.
Contracción:menor contracción volumétrica durante la solidificación, menos necesidad de alimentadores sobredimensionados, mejor control dimensional.
Diseño de alimentación:La reducción de la contracción no elimina la necesidad de una entrada y elevación correctas, pero amplía la ventana del proceso.
Resistencia a la corrosión, desgaste y estabilidad térmica
En las aleaciones de aluminio, las adiciones de silicio mejoran la resistencia a la corrosión y hacen que el material sea adecuado para componentes expuestos a entornos hostiles, razón por la cual las aleaciones de fundición de aluminio-silicio son estándar en piezas fundidas de automoción y de ingeniería general cubiertas por normas como EN 1706. El silicio también reduce la expansión térmica de las aleaciones de aluminio, lo que mejora la estabilidad dimensional en servicio.
En algunos metales, el silicio promueve la formación de carburo de silicio, una fase dura que aumenta la resistencia al desgaste y la dureza de la superficie. El silicio también mejora la estabilidad de las aleaciones a altas temperaturas-, extendiendo su vida útil en aplicaciones que involucran temperaturas extremas, y en las aleaciones de hierro influye en las propiedades magnéticas, que es la base de los aceros eléctricos al silicio utilizados para los núcleos magnéticos de los equipos eléctricos.
| Efecto | Mecanismo | Donde más importa |
|---|---|---|
| Mayor resistencia y dureza | Solución-sólida de fortalecimiento de la matriz | Acero estructural, acero para muelles, piezas fundidas de aluminio. |
| Castabilidad mejorada | Mayor fluidez de la masa fundida, menor contracción al solidificarse. | Producción de piezas fundidas delgadas y complejas. |
| Metal más limpio | Desoxidación y eliminación de oxígeno disuelto. | Tratamiento de acería y fundición de hierro. |
| Mejor resistencia a la corrosión | Película de superficie estable en aleaciones de aluminio. | Componentes en ambientes hostiles. |
| Resistencia al desgaste | Formación de fase dura de carburo de silicio. | Desgaste-piezas y superficies de herramientas expuestas |
| Resistencia al calor | Estabilidad mejorada de la aleación a altas-temperaturas. | Componentes del servicio de alta-temperatura |
| Comportamiento magnético | Influencia en las propiedades magnéticas de las aleaciones de hierro. | Aceros eléctricos para núcleos magnéticos. |
Orientación práctica sobre suma y selección
El silicio normalmente se introduce como ferrosilicio, que es más fácil de pesar, manipular y disolver que el silicio puro y proporciona una recuperación más predecible. El nivel de adición debe establecerse a partir de la especificación final del metal base y no de una regla general, y el punto de adición debe elegirse de modo que la desoxidación sea completa antes de la aleación y la fundición. La sobreadición es el error más común: produce fragilidad, mala maquinabilidad y, en algunas aleaciones, una estructura fundida más tosca.
Los compradores de aleaciones que contienen ferrosilicio y silicio-deben especificar el grado, el rango de silicio, los niveles máximos de impurezas y el rango de tamaño requerido por su práctica de fusión, y deben exigir un certificado de análisis para cada lote para que se pueda rastrear la recuperación calor por calor.
Preguntas frecuentes
P: ¿Para qué se añade principalmente el silicio al metal?
Con tres propósitos superpuestos: fortalecer la aleación, mejorar el comportamiento de la fundición aumentando la fluidez y reduciendo la contracción, y desoxidar el acero y el hierro para eliminar los óxidos nocivos de la masa fundida.
P: ¿El silicio siempre aumenta la resistencia?
Aumenta la resistencia a la tracción y la dureza mediante el fortalecimiento de una solución-sólida, pero una adición excesiva fragiliza el material. El rango útil depende del metal base y está fijado por la especificación del producto correspondiente.
P: ¿Cómo reduce el silicio los defectos de fundición?
Aumenta la fluidez del metal fundido para que el molde se llene más completamente y reduce la contracción durante el enfriamiento y la solidificación, lo que reduce la porosidad de la contracción y mejora la precisión dimensional.
P: ¿Por qué se utiliza ferrosilicio en lugar de silicio puro?
El ferrosilicio es más barato, tiene un punto de fusión más bajo, se disuelve fácilmente y puede pesarse en cantidades reproducibles, por lo que la recuperación es más predecible. Los grados estándar como FeSi75 se definen en GB/T 2272.
P: ¿El silicio mejora la resistencia a la corrosión?
En las aleaciones de aluminio sí es así, por lo que las aleaciones de fundición de aluminio-silicio se utilizan en componentes expuestos a entornos hostiles. El efecto es específico de la aleación-y no se puede asumir para cada metal base.
P: ¿Qué importancia tiene el silicio para el servicio magnético y de alta-temperatura?
El silicio mejora la estabilidad de las aleaciones a altas temperaturas-y, en las aleaciones de hierro, modifica el comportamiento magnético, motivo por el cual los aceros eléctricos al silicio se utilizan para los núcleos magnéticos de los equipos eléctricos.
