ES2203334A1 - Procedimiento de fabricación y conformado superplástico de las aleaciones Zn-Al-Ag. - Google Patents
Procedimiento de fabricación y conformado superplástico de las aleaciones Zn-Al-Ag.Info
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Abstract
Procedimiento de fabricación y conformado superplástico de las aleaciones Zn - Al - Ag. Método de fabricación, tratamiento y posterior conformado superplástico de las aleaciones de la familia ZINAG (Zn - Al - Ag) que consiste en la fabricación de lingotes de nuevas aleaciones base Zn con contenidos diferentes en aluminio y plata, de aplicación en la industria como material estructural. El método incluye una colada en hornos eléctricos o de combustión sin necesidad de realizar un control atmosférico y su posterior tratamiento termomecánico con el fin de obtener el tamaño de grano adecuado para que el material presente un comportamiento superplástico. Asimismo se describen las condiciones de temperatura y solicitación (velocidad de esfuerzo) para conseguir deformaciones de cada una de las aleaciones superiores al 1000 %. La técnica permite el desarrollo y fabricación de componentes de estructuras complejas con una calidad final elevada tanto desde el punto de vista mecánico como el de su apariencia visual.
Description
Procedimiento de fabricación y conformado superplástico de las
aleaciones Zn - Al - Ag.
La presente invención se incluye en el campo de los materiales
estructurales. De forma más concreta, la invención se refiere a un
método para la fabricación de las aleaciones denominadas ZINAG (Zn
- Al - Ag) y posterior tratamiento termomecánico que permite
conferir a la aleación las propiedades microestructurales
necesarias para presentar un comportamiento superplástico.
Son diversos los sectores industriales, donde la familia de
aleaciones objeto de esta patente resulta de interés como sustituto
de materiales base aluminio, bronces, latones o incluso el hierro
gris; por ejemplo: la industria aeroespacial y del automóvil,
instrumentación, materiales estructurales (coberturas exteriores de
aparatos), electrónica, microelectrónica, biomaterial de aplicación
en odontología, numismática, etc. que requieren figuras de formas
complejas e irregulares que se pueden conseguir por conformado
superplástico.
Las mezclas binarias eutectoides de cinc y aluminio conteniendo
el 22% en peso de aluminio (Zn-22Al) han sido una de las primeras
aleaciones con propiedades superplásticas obtenidas (W.A. Backofen,
Transactions of the ASM, 57 (1964)). El eutectoide
zinc-aluminio tiene, sin embargo, pobres propiedades mecánicas. La
adición de pequeñas cantidades de otros metales como magnesio,
calcio o cobre mejoran las propiedades mecánicas de estas
aleaciones sin dañar sus propiedades superplásticas (EP 0216519, US
4731129, US 4618382, US 3954515).
Con el objetivo de mejorar las propiedades fisico-químicas de la
aleación eutectoide Zn-22Al, se ha desarrollado el procedimiento de
fabricación y conformado superplástico utilizando aleaciones
Zn-Al-Ag.
Concretamente el estudio objeto de esta invención se centró en
mejorar las propiedades superplásticas de la aleación Zn-Al. Para
ello se consideró la adición de plata (Ag) en distintas
proporciones de tal manera que el contenido en Al no superará nunca
el 22% en peso. El contenido de este tercer aleante produce mejoras
sustanciales a la aleación de origen en el caso de las propiedades
mecánicas; en lo referente a la temperatura de fusión, ésta se
mantiene invariante dada la pequeña cantidad del tercer
componente.
En el estado del arte no se ha descrito ningún procedimiento
relacionado directamente con la familia de aleaciones denominadas
ZINAG, objeto de esta invención.
Procedimiento de fabricación y conformado superplástico de las
aleaciones Zn - Al - Ag.
La invención se refiere a un procedimiento de fabricación y
conformado superplástico de las aleaciones Zn-Al-Ag donde el proceso
de fabricación de la aleación se realiza por fusión y posterior
colada. Como material de partida se utiliza Zn, Al y Ag con una
pureza todos ellos del 99.999% en peso. Dado que la presencia de
impurezas disminuye la calidad del material final en lo referente a
sus propiedades mecánicas es esencial evitar la contaminación por
hierro, cadmio o magnesio debido a que estos elementos promueven la
corrosión intergranular y fragilizan la aleación. Los materiales de
partida recomendables son: aluminio de primera fusión, y cinc y
plata de alta pureza .
Inicialmente, se funde el aluminio en un horno a una temperatura
de 800 °C (<> 1073 K). Una vez alcanzada esta temperatura de
fusión se añade plata. Es necesario controlar que este material
esté sumergido en el metal fundido. Posteriormente se lleva a cabo
la agitación del baño hasta conseguir una homogenización total. Por
último, y cuando la mezcla sea correcta, se añade el elemento
mayoritario (Zn). Una vez que se ha conseguido una mezcla homogénea
se produce la colada de dicho material bien en forma de lingotes o
por colada semicontinua.
Durante el proceso de fusión del material es necesario un control
exacto de la temperatura. El margen de error admisible es de 50
grados. Intervalos de temperatura mayores podrían provocar la
evaporación del cinc y su pérdida por oxidación con la atmósfera
del horno, lo cual induciría a un desajuste en la composición final
de la mezcla y la inutilización del crisol. En el caso de realizar
una buena práctica del proceso de fusión y posterior colada, las
pérdidas de masa asociadas con la generación de la escoria no
superaría el 1% en masa.
La temperatura de mezcla de 800° C permite la adición y
homogenización de un elemento como la plata con una temperatura de
fusión mayor que la de operación. Esto supone un ahorro en el gasto
energético y en el tiempo del proceso dado que la utilización de
temperaturas de trabajo del horno inferiores implicarían un mayor
tiempo de tratamiento para conseguir la homogenización de la mezcla
y esto conduciría a mayor oxidación.
Es conveniente eliminar la escoria de la colada antes de proceder
a la colada; lo cual facilitará la eliminación de inclusiones no
metálicas en el lingote. Así conviene remarcar las impurezas
máximas admitidas en esta familia de aleaciones que son las que se
muestran en la Tabla 1:
TABLA
1
\begin{longtable}{l|l} Elemento \+ %\\ \+ peso\\\hline Mg \+ 0,01\\\hline Sn \+ 0,03\\\hline Cd \+ 0,004\\\hline Fe \+ 0,09\\\hline Bi \+ 0,01\\\hline Si \+ 0,01\\\hline Pb \+ 0,02\\\hline Ca \+ 0,02\\\end{longtable}
Los hornos más convenientes a utilizar para la fabricación de
esta familia de aleaciones son los hornos eléctricos o los de
combustión. Entre las ventajas de utilizar hornos eléctricos
destaca la calidad de la aleación resultante, la mayor vida útil del
sistema debido a las bajas temperaturas de operación y la ausencia
de hidrógeno (por el que presenta gran avidez el aluminio) debido a
la combustión. En el caso de los hornos de inducción las ventajas
residen en la mayor homogenización final de la colada (ya que su
agitación permite una adecuada disolución de los componentes) y el
mejor control de la temperatura.
Durante el proceso de fabricación de la aleación hay que tener en
cuenta el enfriamiento del baño producido como consecuencia de la
adición del Cinc. En las pruebas realizadas a escala de laboratorio
se observó que en el caso de utilizar hornos de inducción, donde el
control de la temperatura de la carga es instantáneo (por medio de
un pirómetro óptico), no se observa problema alguno mientras que
cuando se emplean hornos eléctricos de resistencia el problema de
enfriamiento del baño al añadir el cinc, puede producir la
precipitación en el baño de partículas de Al - Ag. Este hecho se
podría solventar mediante la elevación de la temperatura para
producir la redisolución del precipitado.
Una alternativa útil para la fundición, que se utiliza como
alternativa para la producción de la aleación ZINAG en horno
eléctrico de resistencia, es colar en el crisol las cantidades
adecuadas de aluminio y cinc (por este orden) y elevar la
temperatura hasta 750°C. Una vez alcanzada ésta, se agrega la plata
en el lingote con la superficie lo más limpia posible y se mantiene
la temperatura hasta que se haya disuelto completamente. Después se
procede a la operación de vaciado. Los inconvenientes de esta
práctica de fundición son el tiempo más largo que requiere la plata
para disolverse en la disolución de Zn-Al y la captación mayor de
hidrógeno por parte del aluminio.
Como revestimiento del crisol del horno es recomendable que éste
sea de alúmina, grafito o carburo de silicio. Estos materiales han
demostrado su pasividad con la aleación fundida en los ensayos
realizados a escala de laboratorio.
La colada, o vaciado, de la aleación ZINAG puede realizarse en
lingoteras de fundición gris o de aceros precalentados a 250°C y una
temperatura del metal líquido de 700°C, lo que evitará la aparición
de fenómenos de rechupe pronunciados. Si el acabado de la lingotera
es de buena calidad evitará la realización de procesos posteriores
como el de extrusión. La aleación también puede ser colada en forma
semicontinua utilizando un crisol, ya sea de grafito o de
aluminio. En cualquier caso es necesario filtrar la aleación con
tela de fibra de vidrio o filtros de cerámica, para evitar escorias
que pudieran ser perjudiciales en un procesado posterior de la
aleación.
Referente a la colada en lingoteras de la aleación ZINAG, en las
pruebas desarrolladas a escala de laboratorio se observa la
presencia de procesos de rechupe en los lingotes solidificados.
Éste se ve favorecido tanto con el incremento de la temperatura del
material fundido como con la utilización de lingoteras sin
precalentar. La temperatura óptima para la lingotera de grafito
como para las de acero es de 300 - 350°C. A esta temperatura se
evitar el choque térmico y la formación de un rechupe muy
pronunciado en el lingote y se consigue un acabado final superficial
aceptable para su posterior tratamiento sin necesidad de operación
de maquinado intermedio. El inconveniente es el precio del molde de
grafito y su fragilidad, hechos que potencian la utilización de
moldes de hierro. Por otro lado, en el caso de coladas por
lingoteras en molde de acero, es necesario precalentar también la
lingotera, tanto para eliminar la posible humedad que pudiera estar
presente y que provocaría proyecciones de metal líquido, como para
evitar la presencia de un rechupe muy pronunciado en el lingote
obtenido. La temperatura a la cual debe precalentarse la lingotera
de acero deberá estimarse en función de la agresividad que pudiera
sufrir este por el metal fundido. El intervalo de temperatura de
utilización es 250 - 300°C. En el caso de utilizar una lingotera de
cobre su comportamiento es similar al del acero. Si bien existe una
mayor tendencia a la aparición de un rechupe debido al enfriamiento
más rápido. Independientemente del material de la lingotera y de la
temperatura a la que ésta se encuentre la temperatura de la colada
no debe ser nunca superior a los 700° C. Es conveniente filtrar la
aleación colada. Después los tochos deberán ser almacenados al
menos durante 24 horas a temperatura ambiente antes de ser
procesados dado que esto favorecerá la homogenización de la
aleación final.
Una vez fabricada la aleación es necesario someterla a un
tratamiento termomecánico con el objeto de conferir al material la
capacidad de comportarse de manera superplástica. El lingote, o
tocho, procedente de la colada, se calienta a hasta unos 350°C y
cuando la aleación ha alcanzado dicha temperatura se procede a la
laminación del material; la reducción del espesor del material por
pasada ha de ser del 10%. Con el fin de obtener al final del
tratamiento termomecánico un material con un tamaño de grano fino y
equiaxial, la dirección de laminación se variará en 90°, es decir se
irá variando la dirección de laminación longitudinal a transversal
con el fin de eliminar cualquier tipo de orientación preferencial.
El último paso de laminación ha de ser en frío con el fin de evitar
procesos de recristalización y favorecerla formación de un tamaño
de grano en la aleación de 10 \mum.
Es importante destacar que en lo referente al proceso de
conformado, las aleaciones de la familia ZINAG permiten una
deformación superior al 1000% a temperaturas de ensayo en el
intervalo de 200 - 300°C.
Los ensayos de conformado superplástico se pueden realizar en el
molde empleando como fuerza deformante la presión la presión
atmosférica o la inyección de gas a presión. En ambos casos se
utiliza un molde cilíndrico de aluminio que cuenta con una
resistencia de banda acoplada alrededor. La temperatura del molde
se controla mediante un termostato que a su vez estabiliza la
temperatura interior por medio de un termopar situado en la parte
superior del molde. Este cuenta con salidas de tornillos que
ajustan la lámina de aleación ZINAG que se introduce en el
molde.
A partir de los estudios realizados existen una serie de puntos
que es necesario resaltar, como son: el mecanizado de los puntos de
anclaje de la chapa ha de tener una calidad de acabado buena dado
que puede ser una fuente de daños durante el proceso de conformado;
la banda externa al molde tiene poca transferencia de calor, por lo
cual es necesario esperar un cierto tiempo a que se homogenice la
temperatura el sistema de conformado con el objeto de no tener
focos fríos donde la chapa pueda perder sus propiedades
superplásticas; por último indicar que el conformado superplástico
que utiliza como fuerza impulsora el vacío, es más lento y se
consiguen ajustes peores de la chapa a zonas del molde de difícil
acceso o de tensiones elevadas mientras que cuando se usa el
sistema a sobrepresión, que produce una estructura de mejor acabado
superficial y mayor resistencia mecánica.
Siguiendo este procedimiento se han diseñado las aleaciones que
se muestran en la Tabla 2, a partir de la aleación eutectoide
Zn-22Al a las que se añade un porcentaje de plata entre el 0,5% y
el 4%. La composición química de esta familia de aleaciones permite
una variación en la composición de \pm 1.5% para el Zn, \pm 1%
para el contenido en Al y \pm 0,2% en Ag.
TABLA
2
\begin{longtable}{l|c|c|c} Nombre \+ Zn \+ Al \+ Ag\\ \+ (% peso) \+ (% peso) \+ (% peso)\\\hline ZINAG 1 \+ 77,50 \+ 22,0 \+ 0,50\\\hline ZINAG 2 \+ 77,0 \+ 22,0 \+ 1,00\\\hline ZINAG 3 \+ 76,0 \+ 22,0 \+ 2,00\\\hline ZINAG 4 \+ 74,0 \+ 22,0 \+ 4,00\\\end{longtable}
En la Figura 1 se recogen lo datos de alargamiento en función de
la velocidad de solicitación para las aleaciones ZINAG descritas en
la Tabla 2. Como se observa, el contenido en Ag de la aleación
modifica tanto el alargamiento como la velocidad de solicitación a
la que se obtiene el máximo.
En la Figura 2 muestra un estudio comparativo de la resistencia
máxima necesaria durante el proceso de deformación superplástica de
la aleaciones ZINAG (Tabla 2) frente a la aleación Zn - 22 Al. Se
observa que para velocidades de solicitación elevadas la aleación
base requiere el empleo de cargas mayores por lo que el proceso de
conformado superplástico en el caso de las aleaciones ZINAG es más
sencillo.
Para facilitar la comprensión de los procesos de fabricación y
conformado superplástico a continuación la invención se ilustra
mediante los ejemplos que siguen. Estos ejemplos son solamente
ilustrativos y no establecen los límites en cuanto a condiciones,
eficacia o aplicaciones de la invención.
Ejemplo
1
Se preparó una aleación que contenía 77,5 \pm 1.5% de Zn 22
\pm 1% Al y 0,5 \pm 0,2% Ag. En la realización de la colada se
emplearon los materiales siguientes: horno de resistencia
controlado mediante un control PID, un crisol de hierro y una
lingotera de hierro. Para obtener una colada de 500 g de aleación
ZINAG - 1 se siguió el procedimiento siguiente: 1) el horno de
resistencia con el crisol en su interior se calienta hasta conseguir
una temperatura estable en el interior del crisol de 800°C; 2) se
añaden 110 g de Al una vez el metal está fundido; 3) se añade Ag
(2,5 g) y se agita la mezcla con el fin de conseguir la
homogenización de la aleación; 4) se añaden 387,5 g de Zn y se
agita la mezcla; como consecuencia de la mezcla se produce un
ligero enfriamiento del baño y la temperatura del baño una vez
añadidos todos los metales se controla a 750°C; 5) se mantiene la
agitación a una temperatura de 750°C durante al menos 1 hora; 6) se
calienta la lingotera hasta que alcance los 350 °C y se cuela la
aleación fundida a la lingotera; 7) finalmente, se templa la
lingotera con la aleación en un baño agua - hielo.
De la misma manera se preparan nuevas aleaciones con contenidos
diferentes en plata de 1, 2 y 4% correspondientes con la aleación
ZINAG - 2, ZINAG - 3 y ZINAG - 4, respectivamente. Lo único que
varia es la proporción de metales empleados, según su composición
(Tabla 2)
Las propiedades mecánicas de la familia de las aleaciones ZINAG
obtenidas se muestran en la Tabla 3.
TABLA
3
\begin{longtable}{l|c|c|c|c|c} \+ Velocidad \+ \+ Punto de \+ Dureza \+ Alargamiento\\ Aleación \+ solicitación \+ Densidad \+ fusión (°C) \+ (HRF) \+ (%)\\ \+ (s ^{-1} )\+\+\+\+\\\hline ZINAG-1 \+ 4,4 \cdot 10 ^{-4} \+ 5,23 \+ 450 - 475 \+ 44,81 \+ 601,9\\\hline ZINAG-2 \+ 1,7 \cdot 10 ^{-3} \+ 5,24 \+ 450 - 475 \+ 46,21 \+ 1059\\\hline ZINAG-3 \+ 9,3 \cdot 10 ^{-4} \+ 5,29 \+ 450 - 475 \+ 54,21 \+ 602,4\\\hline ZINAG-4 \+ 1,7 \cdot 10 ^{-3} \+ 5,33 \+ 450 - 475 \+ 55,09 \+ 1029,8\\\end{longtable}
Para la determinación de las propiedades superplásticas de las
aleaciones obtenidas se realizaron ensayos de tracción en caliente
(temperatura de ensayo 250°C). Una vez que la probeta del material
había alcanzado la temperatura de ensayo se procedió al ensayo de
deformación a velocidad de solicitación constante. Este tipo de
ensayo permite determinar de manera directa tanto la deformación
como la resistencia que es necesario aplicar para mantener dicha
deformación. Los resultados de estos ensayos se muestran en las
Figuras 1 y 2.
Ejemplo
2
Para realizar ensayos de conformado superplástico con la aleación
del Ejemplo 1 a presión atmosférica utilizando como fuerza
impulsora el vacío, el molde empleado cuenta en la parte inferior
con una salida conectada a una bomba de vacío.
Se máquina una placa de acero de 0.8 mm de espesor, la cual tiene
círculos circunscritos de diámetros de 12, 16, 24, 32 y 40 mm. A la
chapa de acero se la ancla una chapa fina de la familia ZINAG,
utilizando como sujeción de anclaje los tornillos del propio molde.
Una vez calentado el conjunto a la temperatura de operación
(intervalo entre 200 - 300°C) se conecta el sistema de vacío, a una
presión comprendida entre -400 - -600 mm de Hg. La diferencia de
presión generada en el sistema molde - chapa produce la deformación
de esta última, adquiriendo la chapa de ZINAG la forma interna del
molde.
Ejemplo
3
Una aleación que contiene la composición que se indica en el
Ejemplo 1 se somete a un conformado superplástico a presión. En el
caso de utilizar un sistema a sobrepresión, los útiles necesarios
varían en el diseño. El molde consiste en una tapa de aluminio con
una espita para la entrada de gas en la parte superior. Al igual
que en el caso anterior se ancla la lámina de la aleación de la
familia ZINAG a los tornillos del molde. Cuando la temperatura del
sistema se encuentra dentro del intervalo deseado (200 - 300°C) se
inyecta el gas a sobre presión (intervalo entre 2 - 50 bar) para
producir la deformación del ZINAG y su ajuste al molde.
En los dos ensayos realizados en el intervalo de temperatura y de
presiones comentados (vacío y sobrepresión) se pueden utilizar
espesores de la chapa de las aleaciones de la familia ZINAG
comprendidas entre 0.2 - 1 mm de espesor.
Claims (6)
1. Método de fabricación y conformado superplástico de aleaciones
Zn - 22 Al - Ag (ZINAG), caracterizado porque comprende la
colada semicontinua de la aleación en forma de lingotes,
tratamiento termomecánico por laminación y conformado superplástico
de la aleación resultante.
2. Método de fabricación y conformado superplástico de aleaciones
Zn - 22 Al - Ag, según la reivindicación 1, caracterizado porque
el contenido en plata en la aleación varía entre el 0,5% y el 4% en
peso.
3. Método de fabricación y conformado superplástico de aleaciones
Zn - 22 Al - Ag, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado
porque la fabricación de las aleaciones comprende las siguientes
etapas: (1) fundición del Al en un horno a 800°C, (2) adición de la
plata al Al fundido consiguiendo una mezcla homogénea, (3) adición
de zinc para su fusión en el horno, (4) colada semicontinua en
forma de lingotes.
4. Método de fabricación y conformado superplástico de aleaciones
Zn - 22 Al - Ag, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado
porque el tratamiento termomecánico comprende el calentamiento del
lingote hasta 350°C y la laminación del material hasta reducir un
10% de su espesor.
5. Método de fabricación y conformado superplástico de aleaciones
Zn - 22 Al - Ag, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado
porque el procedimiento de conformado superplástico se realiza a
una temperatura de ensayo comprendida entre 200 - 300°C y utilizando
como fuerza de deformación de la chapa: (1) el vacío (presiones
superiores a los 400 mm de Hg) o (2) sobrepresiones inyectando gas
(argón, nitrógeno, o cualquier otro gas inerte) a presiones
comprendidas entre 2 - 50 bar utilizando un espesor de chapa de la
familia de aleaciones ZINAG comprendidas entre 0.1 - 1 mm. En estas
condiciones de esfuerzo se consiguen deformaciones en el material
superiores al 1000%.
6. Producto superplástico de aleación Zn - Al - Ag obtenido según
el procedimiento reivindicado.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200202030A ES2203334B1 (es) | 2002-09-05 | 2002-09-05 | Procedimiento de fabricacion y conformado superplastico de las aleaciones zn-al-ag. |
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Publication Number | Publication Date |
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ES2203334A1 true ES2203334A1 (es) | 2004-04-01 |
ES2203334B1 ES2203334B1 (es) | 2005-03-16 |
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ID=32050261
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ES200202030A Expired - Fee Related ES2203334B1 (es) | 2002-09-05 | 2002-09-05 | Procedimiento de fabricacion y conformado superplastico de las aleaciones zn-al-ag. |
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ES (1) | ES2203334B1 (es) |
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2002
- 2002-09-05 ES ES200202030A patent/ES2203334B1/es not_active Expired - Fee Related
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ES2203334B1 (es) | 2005-03-16 |
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