ES2214725T3 - Aleacion de aluminio con titanio resistente a la corrosion. - Google Patents
Aleacion de aluminio con titanio resistente a la corrosion.Info
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Abstract
Una aleación basada en aluminio consistente en 0, 06-0, 25% en peso de hierro, 0, 05-0, 15% en peso de silicio, 0, 03-0, 08% en peso de manganeso, 0, 10-0, 18% en peso de titanio, 0, 10-0, 18% en peso de cromo, más de 0, 5% en peso de cobre, más de 0, 70% en peso de zinc, más de 0, 02% en peso de impurezas accidentales y el resto aluminio, exhibiendo la mencionada aleación basada en aluminio una elevada resistencia a la corrosión, una elevada resistencia a la tracción y buena extrudabilidad.
Description
Aleación de aluminio con titanio resistente a la
corrosión.
Esta invención se refiere a una aleación de
aluminio mejorada y más particularmente a una aleación de aluminio
que contiene cantidades controladas de compuestos definidos y está
caracterizada por la combinación de elevada extrudabilidad y
elevada resistencia a la corrosión.
En la industria automovilística las aleaciones de
aluminio se usan en muchas aplicaciones, especialmente para
tuberías, a causa de la extrudabilidad de las aleaciones combinada
con una resistencia relativamente elevada y bajo peso.
Las aleaciones de aluminio son especialmente
útiles para el uso en intercambiadores de calor o condensadores de
aire acondicionado. En esta aplicación la aleación debe tener una
buena resistencia, una resistencia a la corrosión suficiente y
buena extrudabilidad.
Una aleación usada típicamente en esta aplicación
es la AA 3102. Esta aleación contiene típicamente aproximadamente
0,43% en peso de Fe, 0,12% en peso de Si y 0,25% en peso de Mn.
En el documento W097/46726 se describe una
aleación de aluminio que contiene más del 0,03% en peso de cobre,
entre 0,05-0,12% en peso de silicio, entre 0,1 y
0,5% en peso de manganeso, entre 0,03 y 0,30% en peso de titanio,
entre 0,06 y 1,0% en peso de zinc, menos de 0,01% en peso de
magnesio, más de 0,50% en peso de hierro, menos de 0,01% en peso de
níquel y más de 0,50% en peso de cromo.
En el documento W097/46726 se reivindica que no
hay un efecto positivo del Cr en la resistencia a la corrosión.
También debe tenerse en cuenta que en la misma patente el nivel más
bajo de manganeso es 0,1% en peso.
Hay una necesidad constante de obtener aleaciones
de aluminio que tengan la combinación de una excelente
extrudabilidad y una resistencia a le corrosión superior. Es
necesaria una excelente extrudabilidad para minimizar los costes de
producción en la planta de extrusión, incluyendo menor presión de
extrusión y mayor velocidad de extrusión.
Por eso, es objeto de la invención proporcionar
una composición de aleación de aluminio que exhiba una resistencia
a la corrosión superior y una extrudabilidad mejorada, manteniendo
la resistencia de las aleaciones de aluminio comerciales actuales.
Por esa razón la aleación de aluminio según la presente invención
incluye cantidades controladas de hierro, silicio, manganeso,
titanio, cromo y cinc.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una aleación basada en aluminio adecuada para su uso
en tuberías extruidas de intercambiadores de calor.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una aleación basada en aluminio adecuada para su uso
como chapa para intercambiadores de calor o en aplicaciones de
envasado en hoja, sujetos a la corrosión, por ejemplo, de agua
salada.
Estos objetos y ventajas se obtienen mediante
aleaciones basadas en aluminio, consistentes en
0,06-0,25% en peso de hierro,
0,05-0,15% en peso de silicio, 0,03 a 0,08% en peso
de manganeso, 0,10 a 0,18% en peso de titanio, 0,10 a 0,18% en peso
de cromo, más de 0,5% en peso de cobre, más de 0,70% en peso de
zinc, más de 0,02% en peso de impurezas accidentales y el resto
aluminio, exhibiendo la mencionada aleación basada en aluminio
elevada resistencia a la corrosión, una elevada resistencia a la
tracción y buena extrudabilidad.
El contenido en hierro de la aleación según la
invención está preferiblemente entre aproximadamente
0,06-0,15% en peso. De esta manera la resistencia a
la corrosión y la extrudabilidad son óptimas, ya que ambas
características decrecen drásticamente con un mayor contenido en
hierro.
El cinc afecta negativamente, incluso en
concentraciones menores, a las propiedades anodizantes de las
aleaciones AA 6000. En vista de este efecto contaminante del cinc,
el nivel de Zn debe mantenerse bajo para hacer la aleación más
reciclable y ahorrar costes en la fundición. Por otra parte, el
cinc tiene un efecto positivo en la resistencia a la corrosión por
encima de al menos el 0,7% en peso, pero por la razón indicada
arriba la cantidad de cinc está preferiblemente entre
0,10-0,18% en peso.
Aunque el cobre puede estar presente por encima
de 0,50% en peso, se prefiere tener el contenido en cobre por
debajo de 0,01 o en peso para tener la mejor extrudabilidad
posible. En algunas circunstancias puede ser necesario añadir cobre
a la aleación para controlar el potencial de corrosión, haciendo el
producto menos electronegativo, para evitar el ataque de la
corrosión galvánica al producto. Se ha encontrado que el cobre
aumenta el potencial de corrosión en unos 100 mV por cada % de
cobre añadido, pero al mismo tiempo disminuye sustancialmente la
extrudabilidad.
Normalmente tras el moldeado la aleación se
homogeneiza mediante un tratamiento térmico a elevadas
temperaturas, por ejemplo, 550-610°C durante
3-10 horas. Se ha encontrado que con este
tratamiento térmico la extrudabilidad mejoró ligeramente pero
influenció negativamente a la resistencia a la corrosión.
El producto de aluminio puede hacerse por un
tratamiento térmico de la aleación de aluminio tras el moldeado, el
precalentamiento se hace inmediatamente antes de la extrusión.
Tal precalentamiento tiene lugar a menor
temperatura que el paso de homogeneización y tarda sólo unos pocos
minutos, de manera que apenas afecta a las características de la
aleación respecto a la extrudabilidad y la resistencia a la
corrosión.
En un esfuerzo para demostrar las mejoras
asociadas con la aleación basada en aluminio de la invención sobre
las aleaciones de la técnica conocida anteriormente, se
investigaron las propiedades relacionadas con las propiedades
mecánicas, la resistencia a la corrosión y la extrudabilidad.
La siguiente descripción detalla las técnicas
usadas para investigar las propiedades y la discusión de los
resultados de la investigación.
Se preparó una aleación según la invención
juntamente con otras que no caen dentro del alcance de la presente
invención, cuyas aleaciones se listan abajo en la tabla 1, las
aleaciones A-I. En la tabla 1 se ha indicado la
composición de estas aleaciones en % en peso, teniendo en cuenta
que cada una de estas aleaciones puede contener más de 0,02% en
peso de impurezas accidentales. En la tabla 1 también se muestra la
composición de la aleación tradicional 3102.
Todas estas aleaciones se han preparado de la
forma tradicional. La extrusión de la barra después de la
preparación de la aleación fue precedida por un
pre-calentamiento a temperaturas entre
460-490°C.
Para evaluar las mejoras obtenidas por las
aleaciones según la invención se realizaron varios ensayos y los
resultados de ellos se muestran en la tabla 2.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Para el estudio de las propiedades de estas
aleaciones se moldearon un conjunto de barras y se determinó su
composición mediante espectroscopia electrónica. Para este análisis
se utilizó un instrumento de BAIRD VACUUM y los estándares usados
fueron proporcionados por Pechiney.
La extrudabilidad está relacionada con la fuerza
de inyección y la fuerza máxima de extrusión indicada como fuerza
máx. Estos parámetros son registrados por transductores de presión
montados en la prensa, dando una lectura directa de estos
valores.
Para determinar la resistencia a la corrosión de
estas aleaciones se usa el denominado ensayo SWAAT. La muestra de
ensayo fue un tubo extruidos con un grosor de pared de 0,4 mm. Este
ensayo se realizó según el estándar ASTM G85-85
anexo A3, alternando 30 min de periodos de pulverización y 90 min de
periodos de absorción a 698% de humedad. El electrolito es agua de
mar artificial acidificada con ácido acético a pH 2,8 a 3,0 y una
composición según el estándar ASTM D1141. La temperatura se
mantiene a 49°C. El ensayo se realizó en una cámara de niebla
salina Liebisch KTS-2000.
Para estudiar la evolución del comportamiento de
corrosión, se sacaron de la cámara muestras de los diferentes
materiales cada tres días. Los materiales se lavaron con agua y
posteriormente se comprobaron los agujeros a una presión aplicada
de 10 bars. Por ejemplo, si se encontró que una muestra estaba
perforada después de 35 días, se introdujeron en la cámara muestras
comparativas y se dejaron durante 35 días antes de la primera
inspección, para confirmar el resultado. En la columna de SWAAT se
indica el número de días antes de la perforación.
El ensayo tal y como se describe es de uso
general en la industria automovilística, donde se califica como
aceptable un resultado por encima de los 20 días.
El ensayo de las propiedades mecánicas se realizó
en un Instrumento de Ensayo Universal Zweck (módulo 167500) y de
acuerdo con el estándar Euronorm. En el ensayo, el módulo E se fijó
en 70000 N/mm^{2} durante todo el ensayo. La velocidad del ensayo
fue constante a 10 N/mm^{2} por segundo hasta alcanzar Rp,
mientras el ensayo de Rp hasta la aparición de fractura fue 40%
Lo/min, siendo Lo la longitud inicial de ensayo.
Los resultados de la tabla 2 muestran que tanto
las propiedades mecánicas como la extrudabilidad en términos de
fuerza de inyección y fuerza máxima, así como la resistencia a la
corrosión, dependen de la aleación. En primer lugar, la resistencia
a la corrosión de las aleaciones A-I es superior
comparada con la aleación 3102. La extrudabilidad es en general
comparable con la de la aleación 3102, pero se observa que para la
aleación A y o la extrudabilidad es significativamente mejor
comparada con la aleación 3102. Las propiedades mecánicas en
términos de resistencia a la tracción final, rendimiento de
resistencia y % de elongación están en el mismo nivel que la
aleación 3102. Algunas aleaciones tienen propiedades mecánicas
ligeramente reducidas.
Las mejores combinaciones de aleación con
respecto a la corrosión se observan cuando el contenido en Zn se
mantiene relativamente alto, por ejemplo, más del 0,5% en peso
(aleación E y F) o cuando se añade Cr además de Ti y Zn (aleaciones
G, H e I). En el caso de las aleaciones G, H e I la concentración de
Zn se reduce a un nivel más apropiado para el uso en naves de
moldeo pero la resistencia a la corrosión para esta aleación puede
coincidir con la resistencia a la corrosión para aleaciones que
tienen un contenido en Zn mucho mayor.
Por lo tanto se debería hacer hincapié en que las
propiedades óptimas y especialmente la resistencia a la corrosión
son resultado de la combinación adecuada de los elementos Cr, Fe,
Ti, Mn y Zn.
El ensayo de corrosión se ha realizado en
muestras tomadas en diferente localización del rollo. Se tomaron
aproximadamente 10 muestras del principio del rollo (de la parte
frontal de la barra), 10 muestras de la parte media del rollo
(parte media de la barra) y 10 muestras del final del rollo (final
de la barra). Cada muestra tenía aproximadamente 50 cm de longitud.
Los resultados fueron muy consistentes, lo que significa que no hay
efectos en la resistencia a la corrosión relacionados con la
velocidad de extrusión y el flujo de material durante la extrusión
de una barra, para los parámetros de extrusión usados.
Se ha hecho un trabajo adicional para evaluar el
efecto de los diferentes elementos aleantes, que se muestra en las
figuras 1-6 anexas, en las que
Fig. 1 muestra la influencia del contenido en Fe
en las características de la aleación según la invención.
Fig. 2 muestra la influencia del contenido en Mn
en las características de la aleación según la invención.
Fig. 3 muestra la influencia del contenido en Ti
en las características de la aleación según la invención.
Fig. 4 muestra la influencia del contenido en Cr
en las características de la aleación según la invención.
Fig. 5 muestra la influencia del contenido en Zn
en las características de la aleación según la invención.
Fig. 6 muestra la influencia del contenido en Cu
en las características de la aleación según la invención.
En las figuras 1-5 el eje x
representa el contenido de agente aleante expresado en % en peso,
mientras el eje y es una representación relativa de las diferentes
propiedades, usándose las señales cuadradas para representar la
resistencia a la tracción final en MPa, usándose las señales
triangulares negras para representar la extrudabilidad expresada en
ktons y usándose la fuerza de inyección como medida representativa
y usándose las seriales triangulares blancas para representar los
resultados del ensayo SWAAT expresados en días.
Como se muestra en la Fig. 1 la resistencia a la
corrosión se reduce de forma significativa con contenidos de Fe
mayores (manteniendo el contenido de Si al mismo nivel de 0,08% en
peso). Este efecto sucede especialmente con contenidos de Fe en el
rango de 0,2-0,3% en peso. Al mismo tiempo la
extrudabilidad se reduce significativamente con mayores contenidos
de Fe. Se debe tener en cuenta que una reducción del
2-3% de la extrudabilidad (expresada como incremento
del 2-3% de la rotura por presión) es un incremento
inaceptable para una planta de extrusión. De lo contrario, un
incremento del contenido de Fe tiene como resultado un incremento
de la resistencia a la tracción.
Como se ve claramente en la Fig. 2, incrementar
el contenido de Mn por encima de 0,10% en peso no tiene
prácticamente ningún efecto sobre la resistencia frente a la
corrosión (manteniendo Fe y Si constantes). Un incremento en el
contenido de Mn tiene como resultado una reducción de la
extrudabilidad y fácilmente tiene como resultado un nivel
inaceptable. De lo contrario, las propiedades mecánicas mejoran con
un incremento del contenido de Mn. Por esa es necesario mantener la
cantidad de Mn por debajo de 0,08% en peso para tener el equilibrio
óptimo entre resistencia frente a la corrosión, extrudabilidad y
propiedades mecánicas.
Si Fe, Si y Mn se mantienen a un nivel constante
de 0,15, 0,08 y 0,08% en peso, un incremento del contenido en Ti de
0,07 a 0,15% en peso tiene como resultado una resistencia frente a
la corrosión mejorada, como se muestra en la Fig. 3. Al mismo
tiempo la extrudabilidad sólo decrece ligeramente, mientras que la
resistencia a la tracción se incrementa con 2-3
MPa.
El efecto de los cambios en el contenido en Cr de
0,08 a 0,12% en peso, manteniendo Fe, Si y Mn al mismo nivel que la
Fig. 4, es que aumenta la resistencia a la corrosión, se reduce
ligeramente la extrudabilidad y aumentan un tanto las propiedades
mecánicas.
La influencia del Zn, manteniendo Fe, Si, Ti y Mn
al mismo nivel 0,15, 0,08 y 0,08% en peso respectivamente, es
prácticamente cero respecto a la extrudabilidad y las propiedades
mecánicas, pero la resistencia a la corrosión aumenta con un mayor
contenido de Zn.
El uso de Cu es opcional y depende del uso real
de la aleación. En la Fig. 6 se muestra un diagrama que muestra la
influencia del contenido de Cu en la extrudabilidad y en el
potencial de corrosión. En el eje X se muestra la cantidad de Cu en
% en peso mientras el eje Y izquierdo es la fuerza de extrusión
expresada en kN y el eje Y derecho es el potencial de corrosión
expresado en mV de acuerdo con ASTM G69. La línea superior en el
gráfico es la evolución del potencial de corrosión, mientras la
línea inferior es la evolución de la fuerza de extrusión.
A partir de este gráfico queda claro que un
contenido decreciente de Cu tiene como resultado un incremento
significativo en la extrudabilidad, mientras que un incremento de
Cu con 1% en peso hace el potencial de corrosión 100 mV menos
negativo.
Normalmente se preferirá usar una aleación con la
menor cantidad posible de cobre, ya que el cobre tiene una
influencia negativa en la resistencia inherente frente a la
corrosión del tubo vacío, e influencia fuertemente la extrudabilidad
en un sentido negativo.
Sin embargo, en situaciones donde el producto
extruido, como un tubo de íntercambiador de calor, debe estar
conectado a otro producto, como un cabezal con un revestimiento que
no contiene Zn, es posible mediante adiciones de Cu modificar el
potencial de corrosión del producto extruido de tal forma que el
tubo se vuelve más noble (menos negativo) que el material del
cabezal. Esto frenará cualquier ataque del tubo debido a corrosión
galvánica.
Claims (4)
1. Una aleación basada en aluminio consistente
en
0,06-0,25% en peso de hierro,
0,05-0,15% en peso de
silicio,
0,03-0,08% en peso de
manganeso,
0,10-0,18% en peso de
titanio,
0,10-0,18% en peso de cromo,
más de 0,5% en peso de cobre,
más de 0,70% en peso de zinc,
más de 0,02% en peso de impurezas
accidentales
y el resto aluminio, exhibiendo la mencionada
aleación basada en aluminio una elevada resistencia a la corrosión,
una elevada resistencia a la tracción y buena extrudabilidad.
2. La aleación de la reivindicación 1, en la que
el mencionado contenido de hierro está en el intervalo entre
aproximadamente 0,06-0,15% en peso.
3. La aleación de las reivindicaciones 1 ó 2, en
la que el mencionado contenido de cinc está en el intervalo entre
aproximadamente 0,10-0,18% en peso.
4. La aleación de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el mencionado contenido de
cobre está aproximadamente por debajo de 0,01% en peso.
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