ES2235643B1 - Colaminacion de chapas de aleacion zinag recubiertas de laminas de aluminio. - Google Patents
Colaminacion de chapas de aleacion zinag recubiertas de laminas de aluminio.Info
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Abstract
Colaminación de chapas de aleación ZINAG recubiertas de láminas de Aluminio. Se describe un procedimiento de colaminación de chapas de aleaciones de la familia ZINAG recubiertas de láminas de aluminio. El producto final obtenido posee mejores propiedades mecánicas que los materiales de partida y gran resistencia a la corrosión. Estas propiedades confieren a estos productos transformados una gran aplicabilidad en diferentes aplicaciones mecánicas y estructurales como en la acuñación de monedas o en la industria del automóvil.
Description
Colaminación de chapas de aleación ZINAG
recubiertas de láminas de aluminio.
La presente invención se incluye en el área de
los materiales estructurales y su aplicación o procesamiento
industrial. De forma más concreta se trata de un proceso
termomecánico que permite la mejora de las propiedades mecánicas y
químicas de la aleación base.
Son diversos los sectores industriales, donde la
familia de aleaciones objeto de esta patente resulta de interés
como sustituto de materiales base como 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.
Un material colaminado, es aquel obtenido a
partir de un proceso de laminación de productos planos, conocido
también como laminado conjunto. El producto final obtenido del
laminado de los dos materiales, uno sobre otro formando un
conglomerado, posee unas propiedades mecánicas mayores que las de
los materiales de partida y de gran interés en aplicaciones
industriales específicas. Una de estas aplicaciones es la
realización de cospel tanto para la acuñación de monedas como para
la industria del automóvil. Además de la buena conformabilidad,
estos materiales presentan una gran resistencia a la corrosión.
Estas propiedades confieren a estos productos transformados una gran
aplicabilidad en diferentes aplicaciones mecánicas y
estructurales.
En la solicitud de patente No. 2000202030 se
describe el procedimiento de fabricación las aleaciones de la
familia ZINAG. La presente invención se refiere concretamente al
procedimiento de recubrimiento de chapas de aleaciones de la
familia ZINAG (Zn – Al - Ag) con chapas de espesor menor de un
material de bajo coste (aluminio con diversos grados de pureza) por
el método de colaminación.
El interés por el desarrollo de esta tecnología
reside en que el material resultante presenta propiedades mecánicas
y químicas que, junto con su bajo coste, lo hacen atractivo
respecto a otras aleaciones en diferentes aplicaciones mecánicas y
estructurales.
Como se ha indicado anteriormente, una de las
posibles aplicaciones del material colaminado resultante es la
realización de cospel para la acuñación de moneda. En relación a
esta aplicación, la patente (US 6,383,657) describe planchas para
monedas obtenidas partiendo de una aleación de Zn y recubriéndola
con láminas de Al. Para proporcionar suficiente dureza al material
para su uso como moneda, se añade a la aleación de Zn un agente
endurecedor (cobre o titanio). En la presente invención, no es
necesario añadir ningún agente endurecedor para obtener buenas
propiedades mecánicas.
Finalmente, el proporcionar nuevas aplicaciones
tecnológicas a las chapas de aleación ZINAG recubiertas de láminas
de Al permite, al mismo tiempo, proporcionar nuevos usos a materias
primas como la plata y el zinc, que actualmente están subutilizados
en aplicaciones industriales. Asimismo como resultado de este
procedimiento está el combinar las buenas propiedades mecánicas de
las aleaciones de la familia "ZINAG" (matriz) con la elevada
resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio, lo que
permite obtener un producto final con una calidad mecánica y una
superficie metálica y resistente incluso en medios ambientes
agresivos.
Colaminación de chapas de aleación ZINAG
recubiertas de láminas de aluminio.
La invención se refiere a un procedimiento de
fabricación de materiales complejos a partir de la familia de la
aleación matriz. Este proceso termomecánico de fabricación de la
estructura final incluye desde la fusión y a un proceso posterior
de colada semicontinua de la familia de aleaciones ZINAG (solicitud
de patente nº 2000202030 "Procedimiento de fabricación y
conformado superplástico de las aleaciones
Zn-Al-Ag") y su laminación
posterior.
Como consecuencia del propio proceso de
fabricación del material en forma de lingotes, éste requerirá un
tratamiento posterior a espesores finales de 20 mm con una
tolerancia de 0.2 mm, con la finalidad de proporcionar pasos de
laminación en porcentajes cerrados.
La chapa de la familia de las aleaciones ZINAG
requiere un tratamiento superficial previo al proceso de laminación
con el fin de obtener un grado de limpieza superficial óptimo que
pueda permitir obtener una calidad de unión óptima entre los
materiales de naturaleza diversa. Para ello se desbastará la lámina
con un material abrasivo por las caras del lingote. Los útiles
empleados deben estar en concordancia con el tamaño y las
dimensiones del lingote. Un procedimiento de tratamiento superficial
es desbastar con un material de granulometría similar a un grado
#100 y con posterioridad de #320. En el caso de procesos
industriales donde la estructura final sea de grandes dimensiones,
el tratamiento superficial del lingote de ZINAG de partida se
podría realizar mediante técnicas de abrasión por decapado
desarrolladas ya para aleaciones metálicas.
El tratamiento superficial previo tiene por
objeto el favorecer los procesos siguientes durante el proceso de
laminación:
- a)
- Reducir la capa de óxidos de las aleaciones (Al_{2}O_{3} con una tenacidad elevada) para evitar que por fricción entre capas durante el proceso de laminación se produzca la ruptura de esta fase oxidada y para que exista un íntimo contacto entre los materiales.
- b)
- La superficie rugosa final obtenida al término del proceso ayuda a frenar el deslizamiento entre los materiales, aumentando la superficie de contacto y favoreciendo la adherencia y difusión de las dos fases a procesar por colaminación.
Al término del tratamiento superficial se sugiere
una limpieza de los materiales con aire a presión. De esta manera
se evita la generación de partículas contaminantes que perjudiquen
la unión metalúrgica entre las aleaciones.
La calidad superficial final de la chapa será un
parámetro crítico, puesto que la existencia de partículas en la
superficie de las láminas previo al proceso de laminación,
impedirán la obtención de una intercara de calidad como
consecuencia de existencia de fases oxidadas en la intercara que
reducen la homogeneidad de la intercara de unión.
En el proceso de colaminación se emplean laminas
de aluminio de 0.39 mm de espesor con un grado de pureza del 99.9%.
En función de las aplicaciones industriales del producto final el
espesor podrá variar. También en función de las aplicaciones
industriales y los requerimientos de dureza superficial necesaria
se pueden utilizar diferentes aleaciones de aluminio que
proporcionen los valores solicitados por el diseño de la pieza
final. Es una decisión del diseñador definir las aleaciones de
aluminio a emplear en función de los requerimientos tecnológicos de
las piezas en operación.
Durante el proceso de selección de láminas de
Aluminio utilizadas como recubrimiento de la matriz, solamente se
exigirá una elevada calidad superficial que permita asegurar la
exención de contaminantes.
Los requerimientos del lingote previo a su
proceso de colaminación son similares al caso de las láminas de
aluminio. Después de la limpieza del lingote, se procede a empalmar
a las laminas de aluminio y la matriz, por lo que se exigirá una
holgura de material de la lamina que permita tener un chaflán de
0.5 mm. favoreciendo la alineación de las dos laminas por ambos
extremos y permitiendo la realización de una soldadura por puntos
que cierre el emparedado de las láminas de aluminio y la matriz. La
unión entre cada punto de soldadura nunca será superior a los 10 mm
de separación, en caso de lingotes pequeños éste puede ser
menor.
Una vez, con el emparedado "sandwich" unido
por soldadura, se someterá a un tratamiento térmico de recocido en
un horno a una temperatura de 350ºC (<> 623.16 K), durante un
tiempo mínimo de homogeneización de 1 h. Dado los requerimientos
técnicos necesarios, los hornos más convenientes a utilizar para
este tratamiento de recocido son los del tipo eléctrico. Para este
caso en particular, no es necesario emplear atmósferas controladas
ya que a la temperatura de trabajo ambos materiales no sufren
oxidación superficial.
Una vez los materiales han alcanzado la
temperatura de laminado en caliente se procede de manera sucesiva a
la reducción del espesor mediante pasos de laminación. Teniendo en
cuenta que el espesor de cada paso estará determinado por el
espesor final de diseño y se realizará el proceso de la forma
siguiente:
- \bullet
- En el primer paso se debe conseguir una reducción del 50%
- \bullet
- En el segundo paso de laminación, la deformación del material será del 25%.
- \bullet
- En el tercer paso de laminación se inducirá una deformación total del material del 20%.
- \bullet
- A partir de este paso y hasta conseguir el espesor de la chapa deseado, se realizarán pasos sucesivos con deformaciones máximas del material del 5%.
El tiempo de laminación en caliente estará
directamente asociado con el tiempo de recocido del material,
siendo los pasos de laminación necesarios función de las
condiciones a las que este sometido el material y el proceso de
laminación podrá variar de laminación continua o semicontinua. En
el caso de disponer de un tren de laminación continua, el tiempo de
permanencia en el horno mínimo es de 1 hora 30 minutos. Con este
tratamiento de recocido se garantiza un correcto comportamiento del
material y la obtención de una intercara de unión entre materiales
óptima por soldadura mecánica.
Sin embargo, para el caso de un proceso de
laminación semicontinuo, se tiene que realizar el tratamiento
térmico de recocido por etapas, es decir: el primer tratamiento de
recocido durará mínimo una hora y después de realizado el segundo
paso de laminación (donde la deformación total es del 25%) el
tratamiento de recocido del material ya colaminado será de mínimo
30 minutos. Después del tercer paso de colaminación solamente se
realizará un recocido de 15 minutos. En los sucesivos pasos de
laminación hasta el espesor final del material se puede trabajar
con la temperatura remanente del material y la inducida por el
proceso de laminación.
El proceso de colaminación está favorecido por la
gran ductilidad de los materiales seleccionados, lo cual permite
alcanzar niveles de reducción de espesor hasta un 90%, sin que en
los materiales a colaminar presenten agrietamientos o defectos en
las piezas finales. Esta condición ayuda, también, a que la
velocidad de los rodillos de laminación sea elevada, la velocidad
de proceso que se puede alcanzar es de 35 \pm 0.5 m/min. Sin
embargo, es aconsejable utilizar velocidades más bajas en los
últimos pasos de laminación.
Al final del proceso se obtiene una unión de
elevada calidad dado que la intercara de unión entre ambos
materiales ha desaparecido, como consecuencia de la interdifusión
de los elementos que constituyen ambas aleaciones. Esta calidad del
producto final se pudo constatar mediante técnicas de
caracterización metalográfica.
La presente invención se acompaña de unas figuras
que con carácter ilustrativo representan lo siguiente:
En la figura 1 se muestra un esquema donde se
describe un plano acotado con los espesores propuestos en la
invención.
La figura 2 muestra una micrografía de una pieza
obtenida mediante el proceso de colaminación.
Para facilitar la compresión de del proceso de
fabricación de chapas por colaminación a continuación se ilustra la
invención mediante los ejemplos. Estos ejemplos son ilustrativos y
no establecen los límites en cuanto a condiciones, eficacia o
aplicaciones de la invención.
Se parte de una aleación de la familia ZINAG, con
un espesor de 5 mm, la cual se empalma por ambos lados con lamina
de aluminio de la serie 1XXX, con espesor de 0.5 mm cada una. El
emparedado se lamina en caliente hasta lograr un espesor final de 2
mm en conjunto. El material colaminado final obtenido presenta una
dureza de 47 Vickers y una excelente adherencia del aluminio con la
matriz de ZINAG. La calidad de la intercara se produce por
soldadura por difusión, como consecuencia de la difusión del
aluminio hacia la matriz de ZINAG.
Como métodos mecánicos de comprobación de la
calidad de la intercara de unión, normalmente, se utilizan pruebas
de desgarre y de embutido en los que se observa que el material
obtenido se deforma de manera conjunta.
Al final del proceso de colaminación mediante una
inspección organoléptica es difícil observar diferencia alguna
respecto del material utilizado como revestimiento (Al), incluso en
las orillas del material debido a su brillo metálico y la semejanza
del color, si bien se ha mejorado su comportamiento mecánico.
El proceso es el mismo que en el caso anterior
(ejemplo 1), pero utilizando aluminio de la serie 3XXX obteniéndose
resultados de calidades similares.
Claims (9)
1. Procedimiento de colaminación de chapas de
aleación de Zn recubiertas de láminas de Al, caracterizado
porque la aleación de Zn es una aleación de la familia ZINAG (Zn -
Al -Ag).
2. Procedimiento de colaminación de chapas de
aleación de Zn recubiertas de láminas de Al, según reivindicación
1, caracterizado porque consta de cuatro etapas: (1)
tratamiento superficial de la chapa de aleación ZINAG, (2) empalme
de las láminas de aluminio, (3) tratamiento térmico y (4) laminado
en caliente.
3. Procedimiento de colaminación de chapas de
aleación de Zn recubiertas de láminas de Al, según reivindicación
2, caracterizado porque la etapa de tratamiento superficial
consiste en desbastar la chapa y limpiarla con aire a presión.
4. Procedimiento de colaminación de chapas de
aleación de Zn recubiertas de láminas de Al, según reivindicación
2, caracterizado porque la etapa de empalme de las láminas de
aluminio se lleva a cabo mediante soldadura por puntos.
5. Procedimiento de colaminación de chapas de
aleación de Zn recubiertas de láminas de Al, según reivindicación
2, caracterizado porque el tratamiento térmico consiste en un
recocido del emparedado en un horno a una temperatura de 350ºC
durante un tiempo mínimo de 1 hora.
6. Procedimiento de colaminación de chapas de
aleación de Zn recubiertas de láminas de Al, según reivindicación
2, caracterizado porque la laminación se realiza de manera
sucesiva y de forma continua o semicontinua.
7. Chapas de aleación de Zn recubiertas por
láminas de Zn, caracterizadas porque la aleación de Zn es
una aleación de la familia ZINAG.
8. Uso de las chapas, según reivindicación 7, en
la acuñación de monedas, fabricando cospeles.
9. Uso de las chapas, según reivindicación 7, en
la fabricación de materiales estructurales.
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| CASOLCO, S.R. et al. "Influence of silver on the mechanical properties of Zn-Al eutectoid superplastic alloy". Materials Characterization, agosto 2003, Volumen 51, páginas 63-67. * |
| MARTÍNEZ-FLORES, E. et al. "Structure and properties of Zn-Al-Cu alloy reinforced with alumina particles". Materials & Design, junio 2003, Volumen 24, páginas 281-286. * |
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20050701 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2235643B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20231227 |