ES2209879T3 - Tratamiento termico de productos de aleacion de aluminio conformados. - Google Patents

Abstract

Un proceso para producir un artículo conformado pintado, que comprende obtener un artículo de chapa hecho de una aleación de aluminio de las series 2000 ó 6000 en un temple T4 o T4P; dar forma al artículo curvando o estampando el artículo para conformar un artículo conformado no plano; y, si es necesario para aumentar más la dureza del artículo conformado, pintar y/o, para curar la pintura aplicada, hornear el artículo a una temperatura de al menos 177 ºC; caracterizado porque el artículo conformado es sometido a un tratamiento térmico de revenido brusco antes de pintar que comprende calentar el artículo conformado temporalmente a una temperatura pico en el intervalo de 150 a 300 ºC.

Description

Tratamiento térmico de productos de aleación de aluminio conformados.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a un proceso de tratamiento térmico para artículos conformados, particularmente, aquellos adecuados para usarse en la fabricación de paneles de carrocería de automóviles. Más particularmente, la invención se refiere a tales artículos hechos de material de plancha de aleación de aluminio que presenta una mejora de la dureza después de que las operaciones de pintado y horneado han sido llevadas a cabo.

Antecedentes de la técnica

La plancha de aleación de aluminio está siendo usada más extensamente en nuestros días como material de chapa estructural y de cerramiento para carrocerías de vehículos a medida que los fabricantes de automóviles se esfuerzan para mejorar la economía de combustible reduciendo el peso del vehículo. Tradicionalmente, la aleación de aluminio es o bien colada en coquilla para formar lingotes o bien colada en continuo en forma de un material de banda gruesa, y luego laminada en caliente a un espesor preliminar. En una operación diferente, la banda es laminada en frío hasta el espesor final y enrollada en una bobina. La bobina debe entonces someterse a un tratamiento térmico en solución para permitir el endurecimiento del panel formado durante el pintado y el horneado (pasos usualmente llevados a cabo en las partes moldeadas de automóvil por los fabricantes de vehículos o por otros - también denominadas como horneado de pintura o curado de la pintura).

Varias aleaciones de aluminio de las series AA (Aluminum Association) 2000 y 6000 son consideradas usualmente para aplicaciones de paneles de automóvil. Las aleaciones de la serie AA6000 contienen magnesio y silicio, tanto con cobre como sin él pero, dependiendo del contenido en Cu, pueden ser clasificadas como aleaciones de la serie AA2000. Estas aleaciones son conformables en las condiciones de temple T4 o T4P y se hacen más fuertes después del pintado y el horneado. Buenos incrementos en la resistencia después de la pintura y el horneado son altamente deseables de forma que puedan emplearse paneles más delgados y por ello más ligeros.

Es altamente deseable que la plancha de aleación, cuando es entregada al fabricante, pueda ser deformable de forma relativamente fácil para que pueda ser estampada o conformada en productos de las formas requeridas sin dificultad y sin excesiva elasticidad remanente. Sin embargo, es también deseable que los productos, una vez conformados y sometidos al procedimiento normal de pintado y horneado, sean relativamente duros para que se pueda emplear una plancha delgada y aún proporcione buena resistencia a la abolladura.

Para facilitar el entendimiento, una breve explicación de la terminología usada para describir las temples de aleación puede ser pertinente en este momento. El temple denominado T4 es bien conocido (véase, por ejemplo, Aluminium Standards and Data (1984), página 11, publicada por The Aluminum Association) y se refiere a aleaciones producidas de manera convencional, es decir, sin recocido discontinuo intermedio ni premaduración. Éste es el temple en el cual los paneles de chapa de automóvil son entregados normalmente a los fabricantes de partes para conformar en paneles superficiales y similares. El material que ha sufrido un recocido discontinuo intermedio pero no premaduración se dice que tiene una temple T4A. Una aleación que sólo ha sido tratada térmicamente por solución y madurada artificialmente hasta una resistencia pico se dice que está en el temple T6. El material que ha sufrido premaduración pero no recocido discontinuo intermedio se dice que tiene un temple T4P y el material que ha sufrido tanto recocido discontinuo intermedio como premaduración se dice que tiene un temple T4PA. Temple T8 designa una aleación que ha sufrido tratamiento térmico en solución, trabajada en frío y después madurada artificialmente. La maduración artificial comprende mantener la aleación a temperatura(s) elevada(s) durante un período de tiempo. Temple T8X se refiere a un material con temple T8 que ha sido deformado en tensión en un 2% seguido por un tratamiento de 30 minutos a 177ºC para representar el tratamiento de conformado más horneado de la pintura, típicamente experimentado por los paneles conformados de automóvil.

Un objetivo ha sido proporcionar una buena "respuesta al horneado de la pintura", es decir, una diferencia significativa de dureza entre el temple T4/T4P y el temple T8X final.

En el pasado, la atención ha estado dirigida a los pasos llevados a cabo en las planchas de aleación antes del paso de dar forma a las planchas de aleación como productos. Por ejemplo, en la patente US 5,728,241 expedida el 17 de marzo de 1.998 a Gupta y otros, cedida a Alcan International Limited, se describe un proceso de producción de plancha de aluminio de la serie 6000 que tiene temples T4 y T8X que son deseables para la producción de partes de automóvil. El material de la plancha de aleación de aluminio es sometido, antes de darle forma, a un tratamiento térmico en solución y enfriado rápido superficial y entonces, antes de que haya tenido lugar un endurecimiento sustancial por maduración, la plancha de material es sometida a uno o más tratamientos térmicos que comprenden calentar el material a una temperatura pico en el intervalo de 100 a 300ºC, manteniendo la temperatura pico durante un periodo de tiempo de menos de un minuto y luego enfriando el material de la plancha.

De forma similar, en la patente US 5,616,189 expedida el 1 de abril de 1.997 a Jin y otros, cedida a Alcan International Limited, se describe un proceso que comprende someter a una plancha producto, después del laminado en frío, a un tratamiento de solución (calentando hasta 500 a 570ºC) seguido de un enfriamiento superficial rápido o un proceso de enfriamiento que implica pasos de enfriamiento cuidadosamente controlados para llegar aproximadamente al grado de "premaduración". Este procedimiento da como resultado la formación de agrupaciones precipitadas estables finas que promueven una estructura de precipitado fina, bien dispersada durante el procedimiento de pintura/horneado al cual son sometidos los paneles de automóvil y, consecuentemente, un temple T8X relativamente alto.

Aunque tales enfoques han tenido éxito, requieren la modificación del proceso tradicional para conformar plancha de aleación de aluminio en forma de banda. Esto es inconveniente y puede requerir modificaciones costosas de los equipos de fabricación existentes. Además, los procesos descritos comprenden un control más bien cuidadoso de la temperatura que puede ser difícil o costoso de conseguir.

Sería más conveniente poder tratar los productos hechos de plancha de aleación de aluminio de alguna manera después de que han sido conformados en las formas deseadas. Esto es conveniente porque tales productos deben, de todas formas, ser manipulados y preparados para pintura y horneado por lo que, en este punto, se disponen fácilmente los pasos adicionales.

Descripción de la invención

Un objeto de la invención es proporcionar un proceso para producir un artículo conformado, con respuesta de dureza aumentada, sin modificación de un procedimiento convencional para material producido de plancha de aluminio en temple T4 o T4P.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un producto de aleación de aluminio con tratamiento térmico en solución que muestra una buena respuesta de dureza durante la conformación y el acabado del artículo conformado.

Otro objeto más de la invención es producir un producto conformado a partir de una plancha de aleación de aluminio que tiene una límite de elasticidad bajo en temple T4 y un límite de elasticidad alto en temple T8X.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un proceso para producir un artículo conformado pintado, que comprende obtener un artículo de plancha hecho de una aleación de aluminio de las series 2000 ó 6000 en un temple T4 o T4P; dar forma al artículo curvando o estampando el artículo para obtener un artículo conformado no plano; aplicar pintura al artículo conformado, para obtener un artículo conformado, pintado; y, si es necesario para aumentar más la dureza del artículo conformado, pintado y/o, para curar la pintura aplicada, hornear el artículo a una temperatura de, al menos, 177ºC; caracterizado porque el artículo conformado es sometido a un tratamiento térmico de revenido brusco antes de pintar que comprende el calentar el artículo conformado temporalmente a una temperatura pico en el intervalo de 150 a 300ºC.

El término "tratamiento térmico de revenido brusco" significa un paso en el cual la temperatura del artículo es elevada rápidamente desde la ambiente (u otra temperatura a la cual el material de plancha puede ser calentado en la instalación de tratamiento de la pieza) hasta una temperatura máxima predeterminada y, luego, es rápidamente enfriado o se le permite enfriarse con o sin proporcionarle un período de mantenimiento de la temperatura pico.

La expresión "artículo conformado" incluye cualquier artículo obtenido a partir de un material de plancha para su uso en la fabricación de un artículo o componente. El término se refiere a un artículo no plano producido mediante un paso de curvado o estampación, por ejemplo, para la producción de una aleta o puerta de automóvil. La expresión no incluye material de plancha sin conformar ni sin cortar de longitud indefinida, por ejemplo, plancha enrollada, producida directamente de lingotes o banda colada.

La presente invención puede ser llevada a cabo con cualquier aleación de aluminio endurecida por precipitación de las series AA2000 o AA6000, es decir, aleaciones que contienen Al-Mg-Si o Al-Mg-Cu que sean capaces de mostrar una respuesta de endurecimiento por maduración.

La invención también se refiere a un artículo de plancha pintada y conformada producido por el proceso anterior.

Mientras que ha sido usual en el pasado referirse al incremento deseado de la dureza como "respuesta al horneado de la pintura", esta expresión está haciéndose de algún modo menos apropiado según avanzan los procedimientos de fabricación. Lo importante es que este incremento de dureza (la respuesta de dureza) ocurra entre el paso de conformado (corte/conformado/estampación) llevado a cabo inicialmente sobre la forma de plancha del producto conformado, y el acabado del producto conformado para su entrega al fabricante de automóviles o similar. En los procesos modernos, puede no haber un paso tradicional de horneado de pintura ya que pueden ser empleadas pinturas de temperatura de asentamiento más bajas. En la presente solicitud, consecuentemente, se usará la expresión "respuesta de dureza" en vez de la más convencional "respuesta al horneado de la pintura". Esta expresión se refiere al cambio en las propiedades de tracción del material al final de un proceso de acabado que comprende la pintura y, opcionalmente, el horneado, comparadas con las propiedades anteriores a la conformación. En la presente invención, este incremento puede ocurrir parcial o completamente durante la pintura y el horneado, o parcial o completamente antes de tales pintura y horneado, es decir, durante el tratamiento térmico de revenido brusco mismo, como será explicado más completamente después.

Las ventajas de la invención, al menos en las formas preferidas, incluyen las siguientes:

(1). Las partes de material de plancha con revenido brusco térmico (por ejemplo, paneles de automóvil) adquieren una resistencia más alta que aquellos paneles que no han sufrido revenido brusco térmico.

(2). En algunas formas de la invención, la máxima respuesta de dureza en la parte conformada puede ser obtenida a través del revenido brusco térmico sólo sin depender del proceso de curado de la pintura (o sin proporcionar curado de la pintura alguno).

(3). El proceso de revenido brusco térmico, al menos en algunas formas de la invención, puede ser realizado sobre una base continua en hornos usados típicamente para procesos de curado de pintura. El proceso, por ello, puede ser integrado sin rupturas en los procesos convencionales de conformación y acabado de la formación de las piezas, lo que resulta conveniente, eficaz y económico.

(4). El proceso proporciona una posibilidad alternativa para adquirir resistencias más altas de las obtenidas del material T4P.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un gráfico que ilustra un tratamiento térmico de revenido brusco típico de acuerdo con la invención;

la Figura 2 es un gráfico como el explicado en los Ejemplos que siguen, que muestra la variación del límite elástico (YS) de un AA6111-T4 convencional con (a) predeformado; y (b) predeformado más ½ hora a 177ºC; y

la Figura 3, es un gráfico como el explicado en los Ejemplos que siguen, que muestra la variación del límite elástico (YS) de un AA6111 convencional, tratado térmicamente de acuerdo con una forma de la presente invención, con (a) predeformado; y (b) predeformado más ½ hora a 177ºC.

Mejores modos de llevar a cabo la invención

De acuerdo con la presente invención, al menos en sus formas preferidas, de cara a mejorar la respuesta de dureza de las planchas de aleación de las series AA2000 o AA6000 para automoción en el temple T4/T4P, un artículo creado a partir de la plancha es sometido a un tratamiento térmico de revenido brusco a una temperatura en el intervalo de 150-300ºC después de conformación (por ejemplo, corte/conformado/ estampación). El tratamiento puede implicar un revenido brusco térmico confinado a la parte inferior del intervalo de temperatura (por ejemplo, 150-225ºC), lo que luego depende del endurecimiento en un paso de horneado de pintura subsecuente, o puede implicar un revenido brusco térmico en la parte superior del intervalo de temperatura (por ejemplo, 225-300ºC), lo que no requiere endurecimiento adicional en un paso de horneado de pintura (el horneado en el intervalo convencional de temperatura puede ser evitado entonces, si se desea, aunque la pintura y horneado convencional no son dañinos). Esta última forma de la invención es de especial interés porque, en el futuro, según son desarrolladas nuevas pinturas, se espera que las temperaturas de horneado de pintura caigan por debajo de 160ºC, temperatura a la cual los efectos de endurecimiento ocurren demasiado despacio para endurecer completamente el producto conformado durante los tiempos normales de curado.

Los materiales 6XXX convencionales en temples T4 o T4P contienen un gran número de agrupaciones y zonas metaestables finas uniformemente distribuidas por toda la matriz del metal. En el proceso convencional, durante el curado de la pintura, algunas agrupaciones/zonas inestables, finas, se redisuelven en la matriz del metal, mientras que otras mejoran la resistencia del material debido al endurecimiento por envejecimiento. El proceso de la presente invención permite al material de aleación mostrar una respuesta a la maduración aumentada (respuesta de dureza), aunque el mecanismo exacto no está claro. Sin desear estar ligado a una teoría particular, se cree que el revenido brusco térmico entre 150 y 225ºC disuelve algunas de las agrupaciones y zonas e incrementa la sobresaturación del soluto de la matriz de la parte conformada. Consecuentemente, la parte conformada se reblandece ligeramente, pero la respuesta de dureza durante la pintura y el horneado subsiguientes es mejorada en comparación con el material convencional. Debe notarse que la parte conformada no se reblandece cuando el tratamiento térmico de revenido brusco es llevado a cabo a temperaturas de revenido brusco más elevadas. Esto es debido en gran parte al hecho de que el proceso de maduración aumentada enmascara el reblandecimiento causado por la disolución de agrupaciones. Sorprendentemente, las dislocaciones producidas durante el conformado de la parte no interfieren con el proceso de precipitación, como es esperado normalmente. Esta observación permite que los paneles con revenido brusco térmico adquieran el aumento de resistencia deseado durante el curado de la pintura.

Para alcanzar la respuesta de dureza deseada, puede llevarse a cabo el revenido brusco térmico a temperaturas en la parte inferior del intervalo (por ejemplo, 150 a 225ºC) a velocidades de calentamiento relativamente lentas (por ejemplo, alrededor de 1 a 70ºC/minuto), especialmente si el artículo no es mantenido a la temperatura pico durante tiempo alguno y simplemente se le permite enfriarse (o es forzado a enfriarse) tan pronto como se alcanza la temperatura pico. Se encuentra a menudo que la velocidad de calentamiento relativamente lenta es necesaria para mejorar la respuesta al horneado de la pintura subsiguiente; es decir, la mejora deseada en la dureza a menudo no se materializará si la velocidad de calentamiento es superior. Como consecuencia, el calentamiento hasta la temperatura pico en esta forma de la invención puede llevar demasiado tiempo para que el paso sea incorporado en una instalación de estampación y pintura en continuo. Por ello, se requiere un tratamiento discontinuo.

Si el revenido brusco térmico se extiende a la región superior de temperatura (por ejemplo, por encima de 225ºC), la velocidad de calentamiento puede ser bastante rápida (por ejemplo 10 a 280ºC/minuto), incluso si no hay esencialmente tiempo de mantenimiento a la temperatura pico. Se encuentra que el incremento deseado de la dureza ocurrirá si la velocidad de calentamiento está en la parte inferior o en la parte superior del intervalo indicado anteriormente, pero para que el proceso sea incorporado a una instalación continua de estampación y pintura/horneado, la temperatura pico del metal (PMT) debe generalmente ser alcanzada en, aproximadamente, un minuto. Si la temperatura ambiente más baja que es probable encontrar es de 15ºC, el intervalo efectivo para una operación en continuo sería, probablemente, de 210 a 285ºC/minuto, la cual es la velocidad de calentamiento preferida para el tratamiento térmico de revenido brusco a alta temperatura.

El período de tiempo durante el cual la temperatura se mantiene a la temperatura pico del revenido brusco térmico puede variar desde cero a cualquier tiempo que sea práctico en las circunstancias. Desde el punto de vista metalúrgico, cuanto más largo sea el tiempo que se mantiene una temperatura mejor se conseguirá una respuesta de dureza deseada. En la práctica, el periodo es, usualmente, desde cero hasta unos 5 minutos.

La Figura 1 es una representación gráfica de un paso de revenido brusco térmico preferido que muestra el intervalo preferido de PMT, el intervalo global de velocidad de calentamiento y el intervalo de tiempo preferido a la PMT.

La invención es ilustrada por los siguientes Ejemplos, los cuales no se pretende que sean limitadores.

Ejemplo 1

La invención fue ensayada usando un material AA6111 producido comercialmente.

Se funde a escala comercial un lingote DC de 600 \times 1.600 mm de doble longitud de la aleación AA6111 que contiene 0,72% de Cu, 0,7% de Mg, 0,6% de Si, 0,25% de Fe, 0,20% de Mn y 0,06% de Cr. Los lingotes fueron descostrados 12,5 mm por la cara de laminación, completamente homogeneizados, laminados en caliente y laminados en frío hasta el calibre final de 0,93 mm, completamente tratados en solución, rápidamente enfriados, madurados naturalmente durante \geq 48 horas y muestreados para evaluación en laboratorio.

La respuesta al horneado de la pintura del material fue evaluada después de someterlo a un tratamiento térmico de acuerdo con la invención. Muestras para ensayos de tracción fueron predeformadas en diferentes cantidades para simular una operación de conformado típica, con revenido brusco térmico en un horno de lecho de arena a 240ºC y madurado durante 30 minutos a 177ºC. Los resultados se resumen en la Tabla 1 siguiente.

TABLA 1 Propiedades de tracción de las muestras, con y sin predeformados uniaxiales, con revenido brusco térmico a 240ºc en un horno de laboratorio

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La variación del límite de elasticidad (YS) del material predeformado y madurado artificialmente (½ hora a 177ºC) para ambos procesos, el convencional y el de la invención, están trazadas en las Figuras 2 y 3, respectivamente, de los dibujos que acompañan.

La Figura 2 muestra que la respuesta al horneado de la pintura de material AA6111-T4 se incrementó alrededor de 30 MPa debido a la maduración durante 30 minutos a 177ºC (curado de la pintura simulado). Una respuesta similar se observa en el material predeformado, aunque el límite de elasticidad (YS) neto de los productos predeformados 5 y 10% es ligeramente inferior debido a la recuperación. El límite de elasticidad (YS) del material con revenido brusco térmico decrece alrededor de 40 MPa para todos los niveles de predeformado, aunque la respuesta al horneado de la pintura es alrededor de 90 MPa, lo que es mayor que sus contrapartidas convencionales (compárense las Figuras 2 y 3). El material predeformado un 10% muestra una respuesta al horneado de la pintura ligeramente menor, lo que se relaciona con la pérdida de resistencia debida a la recuperación. En general, queda claro a partir de las Figuras 2 y 3 que el proceso de la invención mejora la respuesta al horneado de la pintura del material, con y sin predeformado previo, bastante considerablemente. Esto significa que el proceso puede ser usado para tratar térmicamente la parte conformada de acuerdo con la invención y puede alcanzarse una resistencia aumentada por curado de la pintura.

Ejemplo 2

Las propiedades de tracción de las muestras cortadas de diferentes lugares de un capó, formado de un material de temple T4P, se determinaron en las condiciones de según recibido y madurado artificialmente. La Tabla 2 lista los resultados de los ensayos llevados a cabo en varias condiciones.

TABLA 2 Límite de elasticidad (MPa) de un capó exterior en diferentes lugares antes y después de maduración a diferentes temperaturas

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Puede verse que la respuesta de maduración del material del capó es alrededor de 20 MPa inferior que el esperado a partir de los experimentos de simulación de laboratorio en todas las condiciones de maduración. La Tabla 3 compara las propiedades del material del capó con las sometidas a revenido brusco térmico a 240ºC de acuerdo con el proceso de la invención.

TABLA 3 Propiedades mecánicas de un capó exterior y el Efecto del revenido brusco térmico

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Está claro que la resistencia del material con revenido brusco térmico después de maduración durante 30 minutos a 177ºC es alrededor de 14 MPa superior a su contrapartida conformada y madurada convencionalmente.

Claims (13)

1. Un proceso para producir un artículo conformado pintado, que comprende obtener un artículo de chapa hecho de una aleación de aluminio de las series 2000 ó 6000 en un temple T4 o T4P; dar forma al artículo curvando o estampando el artículo para conformar un artículo conformado no plano; y, si es necesario para aumentar más la dureza del artículo conformado, pintar y/o, para curar la pintura aplicada, hornear el artículo a una temperatura de al menos 177ºC; caracterizado porque el artículo conformado es sometido a un tratamiento térmico de revenido brusco antes de pintar que comprende calentar el artículo conformado temporalmente a una temperatura pico en el intervalo de 150 a 300ºC.

2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha temperatura pico está en el intervalo de 150 a 225ºC.

3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dicho calentamiento del artículo conformado es llevado a cabo a una velocidad en el intervalo de 1 a 70ºC/minuto.

4. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado porque dicho artículo conformado pintado es sometido a dicho horneado a una temperatura de al menos 177ºC para aumentar más dicha dureza.

5. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha temperatura pico está en el intervalo de 225 a 300ºC.

6. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dicho calentamiento de dicho artículo conformado es llevado a cabo a una velocidad en el intervalo de 10 a 280ºC/minuto.

7. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dicho calentamiento de dicho artículo conformado es llevado a cabo a una velocidad en el intervalo de 210 a 285ºC/minuto.

8. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho artículo modelado se deja enfriar inmediatamente después de que alcanza dicha temperatura pico durante dicho tratamiento térmico de revenido brusco.

9. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicho artículo conformado es mantenido a dicha temperatura pico un cierto período de tiempo durante dicho tratamiento térmico de revenido brusco antes de dejarlo enfriar.

10. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque dicho período de tiempo es de hasta unos 5 minutos.

11. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho tratamiento térmico de revenido brusco es llevado a cabo en un horno de tratamiento en caliente continuo.

12. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque dicho tratamiento térmico de revenido brusco es llevado a cabo como parte de un proceso continuo de conformación y pintura.

13. Un artículo modelado adecuado para su uso como una pieza de un automóvil, caracterizado porque dicho artículo ha sido producido mediante un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes.