ES2203334B1 - Procedimiento de fabricacion y conformado superplastico de las aleaciones zn-al-ag. - Google Patents

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.

Objeto de la invención

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.

Estado de la técnica

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.

Explicación de la 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 Nivel de impurezas máximo admitido en la familia de aleaciones ZINAG

Elemento	%
	peso
Mg	0,01
Sn	0,03
Cd	0,004
Fe	0,09
Bi	0,01
Si	0,01
Pb	0,02
Ca	0,02

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 Composición química de las aleaciones de la familia ZINAG

Nombre	Zn	Al	Ag
	(% peso)	(% peso)	(% peso)
ZINAG 1	77,50	22,0	0,50
ZINAG 2	77,0	22,0	1,00
ZINAG 3	76,0	22,0	2,00
ZINAG 4	74,0	22,0	4,00

Descripción de los dibujos

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.

Modo de realización de la invención

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 Propiedades mecánicas de la familia de aleaciones ZINAG

	Velocidad		Punto de	Dureza	Alargamiento
Aleación	solicitación	Densidad	fusión (°C)	(HRF)	(%)
	(s^{-1})
ZINAG-1	4,4\cdot10^{-4}	5,23	450 - 475	44,81	601,9
ZINAG-2	1,7\cdot10^{-3}	5,24	450 - 475	46,21	1059
ZINAG-3	9,3\cdot10^{-4}	5,29	450 - 475	54,21	602,4
ZINAG-4	1,7\cdot10^{-3}	5,33	450 - 475	55,09	1029,8

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.