ES2236516T3

ES2236516T3 - Bloques metalicos adecuados para su uso en aplicaciones de mecanizado.

Info

Publication number: ES2236516T3
Application number: ES02732723T
Authority: ES
Inventors: Frederic Catteau; David Godard
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: CA2442769A1; US20030003281A1; SK14122003A3; CZ20033157A3; HUP0303318A2; EP1381506A1; KR20030090782A; RU2003133981A; FR2823767B1; PT1381506E; DE60203608D1; US6777106B2; IL157844A0; JP2004532143A; EP1381506B1; PL366915A1; RU2281861C2; BR0208671A; DE60203608T2; FR2823767A1

Abstract

Un método para la fabricación de piezas mecanizadas, caracterizado porque comprende: (a) proveer un bloque de aleación de aluminio que comprende al menos dos planchas de aleación de aluminio superpuestas, cada una de ellas de un espesor de al menos 12, 5 mm, y cada una de ellas con un límite de fluencia inicial en una dirección especificada, medido a un cuarto del espesor, que pueden ser iguales o diferentes una de otra, siendo dichas planchas de aleación de aluminio seleccionadas del grupo compuesto por aleaciones del mismo grupo de aleaciones de aluminio, donde (a1) el límite de fluencia en la dirección especificada, en cualquier punto del bloque, es al menos igual al 75% del de la plancha de aleación de aluminio que tenga el menor límite de fluencia inicial en dicha dirección especificada, o (a3) el límite de fluencia en cualquier punto dado, en una dirección especificada, no varía en más del 15%, en más o en menos, del valor promedio, (a2) el límite de fluencia de dicho bloque de aleación de aluminio, medido en una muestra de éste tomada en cualquier parte del bloque que no incluya una zona de unión entre dichas planchas de aleación de aluminio, es al menos igual al 75% del límite de fluencia de la plancha metálica que tenga el menor límite de fluencia inicial en dicha dirección especificada, o (b) mecanizar dicho bloque para conformar una pieza mecanizada.

Description

Bloques metálicos adecuados para su uso en aplicaciones de mecanizado.

Antecedentes de la invención Ámbito de la invención

La presente invención se refiere a un método para la fabricación de piezas mecanizadas a partir de bloques de metal, por ejemplo para fabricar herramientas o moldes de gran tamaño, o componentes estructurales para aeronaves de gran capacidad.

Descripción de la técnica conexa

Los bloques de metal que se utilizan para mecanizar piezas de gran tamaño son por lo general planchas metálicas laminadas o bloques forjados. Cuando se fabrican tales planchas metálicas gruesas, y especialmente planchas gruesas de aleaciones de aluminio, las propiedades mecánicas estáticas presentes en el centro de estas planchas son habitualmente inferiores a esas mismas propiedades en el centro de las planchas o chapas metálicas más delgadas. Más específicamente, la resistencia a la tracción (R_{m}) el límite de fluencia (R_{p0,2}) y el alargamiento a la rotura (A) tienden a disminuir (a menudo hasta niveles no satisfactorios) cuando el espesor de la chapa o plancha metálica se ve incrementado en virtud de un determinado proceso de fabricación. Como ejemplo, la norma europea EN 485-2 de noviembre de 1994 especifica, para planchas de aleación de aluminio EN AW-6061 laminadas en condiciones metalúrgicas T651, los siguientes valores mínimos: R_{m} mín = 290 MPa para planchas con un espesor entre 12,5 mm y 100 mm, y una R_{m} mín = 265 MPa para planchas con un espesor entre 150 mm y 175 mm. En cuanto al alargamiento a la rotura, la reducción es incluso más significativa: el valor mínimo garantizado es del 8% para planchas con un espesor entre 12,5 mm y 40 mm, y del 4% para planchas con un espesor entre 150 mm y 175 mm. De conformidad con la norma EN 485-1, para planchas con un espesor mayor de 40 mm, el eje longitudinal de la muestra debería estar situado, con respecto a alguna de las superficies de laminación, a una distancia igual a un cuarto del espesor; mientras que para planchas con un espesor inferior a 40 mm, esa distancia debe ser igual a la mitad del espesor.

Esta reducción de las propiedades mecánicas estáticas es más significativa o marcada cuando se analizan las propiedades mecánicas en diversos niveles por debajo de la superficie laminada. Por ejemplo, en el caso de una plancha metálica de un espesor de 200 mm, si se toma una muestra a 25 mm, a 50 mm y a 100 mm por debajo de la superficie puede verse por lo tanto que las propiedades van reduciéndose. Este fenómeno es bien conocido por los expertos en la técnica y sus causas son múltiples. El endurecimiento por deformación plástica de la plancha metálica durante el proceso de laminación puede incrementar sus valores de R_{m} y R_{p0,2} pero esto está limitado por el diseño del tren de laminación en caliente. A fin de obtener una plancha metálica con un espesor final de 100 mm por medio de un proceso de laminación que debe incluir una reducción del espesor a la mitad, por lo general es necesario comenzar a laminar desde un lingote de un espesor de al menos 200 mm. Para obtener de la misma manera una plancha metálica de un espesor final de 400 mm, será necesario comenzar a laminar desde un lingote de un espesor de al menos 800 mm. Sin embargo, en la actualidad no existe ningún tren de laminación que pueda laminar un lingote o plancha tan gruesos. Las planchas o lingotes gruesos pueden ser sometidos a endurecimiento por deformación plástica mediante forja, pero para ello debe disponerse de prensas de forjar muy potentes que se encuentran raramente, y tales métodos son muy costosos.

En el caso de planchas metálicas gruesas de aleaciones endurecibles por temple, la velocidad de temple influye sobre las propiedades mecánicas estáticas. La velocidad de temple localizada para un volumen dado de la plancha metálica está determinada por la conductividad térmica del material, y depende por consiguiente del espesor de la plancha metálica o, más precisamente, de la distancia que existe entre ese elemento de volumen específico y la superficie que está en contacto con el medio de temple.

En el caso de las planchas metálicas templadas, el proceso de temple induce esfuerzos residuales que pueden conducir a la deformación de la plancha metálica, especialmente cuando la plancha es mecanizada. Por consiguiente, estos esfuerzos no son convenientes y deben minimizarse, por ejemplo mediante el estiramiento de la plancha metálica templada. Las máquinas de estirar con las que cuenta la mayoría de las fábricas no admiten planchas metálicas con espesores mayores de 100-200 milímetros, y su potencia también es a menudo limitada. El alivio de las solicitaciones internas en las planchas metálicas puede obtenerse también comprimiendo esas planchas metálicas en una prensa de forjar. En este caso, el espesor de la plancha metálica podría ser mayor, pero entonces la tensión de compresión máxima que la prensa de forjar puede suministrar se convierte en un factor limitativo.

Por lo general, la reducción de las propiedades mecánicas estáticas localizadas en función del espesor no es conveniente. Es decir, cuando las piezas mecanizadas se fabrican a partir de planchas metálicas gruesas, las propiedades de la pieza mecanizada quedan determinadas por las propiedades mecánicas localizadas cerca de la nueva superficie generada por el proceso de mecanizado. Por ejemplo, cuando un molde de inyección para piezas plásticas se fabrica mecanizando una plancha o bloque grueso de aleación de aluminio, el diseñador del molde debe tener en cuenta el gradiente de las propiedades mecánicas estáticas, sobre la base del espesor del bloque metálico, y no las propiedades mecánicas generales del bloque. En particular, dado que el bloque será conformado y mecanizado, cobran importancia los valores de las propiedades estáticas en las zonas situadas por debajo de la superficie exterior, y toda disminución de las propiedades a ciertas profundidades deberá ser tenida en cuenta.

Otra desventaja de los productos de la técnica anterior está relacionada con la operación de mecanizado propiamente dicha. Como ejemplo, cuando las planchas metálicas gruesas de aleación de aluminio se mecanizan hasta una gran profundidad, se observa que la maquinabilidad del metal se ve reducida cuando se penetra en el interior de la plancha, puesto que el metal es más blando a mayor profundidad, contrariamente al metal que se encuentra cerca de la superficie exterior original de la plancha. Además, el pulido de las superficies mecanizadas y el granulado químico o electrolítico resultan de menor calidad en superficies mecanizadas en profundidad que en las superficies obtenidas a partir de una zona cercana a la superficie exterior original de la plancha gruesa. Esto sucede porque la formación de precipitados en el centro de las planchas de aluminio gruesas y la formación de precipitados cerca de la superficie no son necesariamente iguales.

Para superar estas desventajas, los expertos en la técnica han aplicado hasta ahora un método metalúrgico, trabajando ya sea en la composición de la aleación utilizada, o en la secuencia de fabricación. Esto sucede en particular en el caso de las aleaciones de aluminio. Por ejemplo, en la patente de los Estados Unidos Nº 6.077.363 (que se incorpora a la presente como referencia), los esfuerzos residuales de la chapa metálica de aleación AlCuMg se minimizan seleccionando una composición química optimizada, en particular con respecto al manganeso, hierro y silicio, y seleccionando un proceso de fabricación que comprende varios pasos de procesamiento termomecánico.

La patente de los Estados Unidos Nº 5.277.719 (Aluminum Company of America) (que se incorpora a la presente como referencia) presenta un método para la fabricación de una plancha gruesa de baja porosidad con una aleación de aluminio de la serie 7xxx, empleando un primer paso de preforja con una relación de reducción de al menos el 30%, lo cual precede al laminado en caliente. La solicitud de patente EP 723 033 A1 (Hoogovens Aluminum Walzprodukte) (que se incorpora a la presente como referencia) describe un método de fabricación de una plancha metálica gruesa de aleación de aluminio, realizando uno o más pasos de forja luego de un primer paso de laminado en caliente. El objetivo de estos métodos es fundamentalmente mejorar la resistencia a la fatiga. Sin embargo, el método descrito en la solicitud EP 723 033 también lleva a que la reducción de la resistencia a la tracción de las planchas metálicas con un espesor mayor de 8 pulgadas (unos 205 mm) sea ligeramente menor.

La solicitud de patente EP 989 195 (Alusuisse Technology & Management AG) (que se incorpora a la presente como referencia) ofrece un método para reducir los esfuerzos residuales en las chapas de aleación AlCuMg, con miras a obtener una precipitación homogénea de las fases submicrónicas de Al_{3}Zr en el espesor de la chapa metálica. Estas chapas metálicas pueden obtenerse mediante laminado en caliente de un lingote, o pueden fabricarse directamente a partir de planchas moldeadas, sin ningún tipo de laminación.

Estos diferentes medios que ofrece el estado actual de la técnica inducen restricciones en términos de: (i) la selección de las aleaciones, (ii) las condiciones metalúrgicas, y (iii) el método de fabricación de la plancha metálica y su espesor. Además, no son totalmente satisfactorios. Por ejemplo, no existe ningún método aceptable para la fabricación de una plancha metálica gruesa de aluminio, especialmente con un espesor mayor de 200 mm, hecha con aleaciones que puedan ser sometidas a tratamiento térmico, y cuyos valores de R_{m} y R_{p0,2} no disminuyan significativamente a medida que se avanza desde la superficie hacia la mitad del espesor. La disponibilidad de un producto tal permitiría la fabricación de herramientas más ligeras para muchos ámbitos de la industria. Si pudiera fabricarse un producto tal que tuviera un espesor mayor que las planchas metálicas conforme a la técnica anterior, podrían fabricarse piezas de mayor tamaño, tal como moldes o herramientas, y las propiedades de pulido y granulado mejorarían en todo su espesor.

Resumen de la invención

El objeto de la presente invención es por consiguiente proveer un método para la fabricación de piezas mecanizadas a partir de un producto metálico grueso (es decir, un bloque de un espesor de más de 25 mm, por ejemplo con un espesor de más de 200 mm, más de 400 mm o incluso más de 600 mm), que posea características mecánicas aceptables a través de todo su espesor, y que presente además un nivel relativamente bajo de esfuerzos residuales. Las características del método se presentan en la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas se enumeran en las reivindicaciones subordinadas.

De conformidad con esto, se provee un bloque metálico adecuado para su uso en aplicaciones de mecanizado. El bloque metálico comprende al menos dos planchas metálicas superpuestas, cada una de ellas de un espesor de al menos 12,5 mm, y cada una de ellas con un límite de fluencia inicial en una dirección especificada, medido a un cuarto del espesor. Las planchas pueden ser iguales o diferentes una de otra, y por lo general se las selecciona entre aleaciones del mismo grupo de aleaciones (es decir, aleaciones de aluminio pertenecientes a la serie 5xxx, etc.). El límite de fluencia del bloque metálico, medido en una muestra de éste tomada de una zona del bloque que no incluya una zona de unión entre las planchas metálicas, es de al menos el 75% del límite de fluencia de la plancha metálica que tenga el menor límite de fluencia inicial en la misma dirección especificada.

También de conformidad con la presente invención, el límite de fluencia en una dirección especificada y en cualquier punto del bloque es de al menos el 75% del límite de fluencia de la plancha metálica que tenga el menor límite de fluencia inicial en la dirección especificada.

También de conformidad con la presente invención, la variación del límite de fluencia en cualquier punto dado y en una dirección especificada no es mayor al 15% del valor promedio, en más o en menos.

En una realización preferida de la presente invención, un método para la fabricación de bloques metálicos comprende: superponer al menos dos planchas metálicas de prácticamente la misma longitud y ancho, con un espacio libre constante entre ambas para formar un conjunto; proveer un límite alrededor de las caras laterales del conjunto, cubrir una cara superior de la chapa metálica ubicada más arriba con un explosivo, por encima de la totalidad de la superficie superior, y hacer detonar el explosivo a fin de realizar una unión entre las planchas.

Otros objetos, características y ventajas de la invención serán establecidos en la descripción que se presenta a continuación, y en parte resultarán obvios a partir de la descripción o podrán aprenderse poniendo en práctica la invención. Los objetos, características y ventajas de la invención pueden implementarse y obtenerse por medio mediante la instrumentación y combinación que se indican en las reivindicaciones anexas.

Descripción detallada de una realización preferida

Los bloques metálicos según la invención pueden obtenerse a partir de planchas de las diferentes aleaciones de aluminio utilizadas para mecanizar piezas de gran tamaño. Resulta ventajoso utilizar aleaciones endurecibles por temple que lleven a obtener una elevada resistencia mecánica en la condición de temple. De este modo, las aleaciones de aluminio estructuralmente endurecidas del grupo de las series 2xxx, 6xxx y 7xxx se utilizan de preferencia en las condiciones T3 (templadas, envejecidas) o T6 (templadas, revenidas). Los grupos de aleaciones de aluminio y las composiciones de las aleaciones de aluminio forjadas están definidos en las Actas de Registro de la Aluminum Association y en las normas EN 573, las denominaciones del revenido están definidas en la norma EN 515, documentos que son conocidos por los expertos en la técnica y se incorporan a la presente en su totalidad como referencia.

Independientemente del método que se utilice para el ensamblaje, las planchas metálicas deberán ser tan planas o planares como sea posible y presentar también un nivel relativamente bajo de esfuerzos residuales, y estas condiciones iniciales podrán obtenerse mediante cualquier método conocido, por ejemplo estirando las planchas entre las mandíbulas de una máquina de estirar, o comprimiendo las planchas con una prensa de forjar. El estado de la superficie de dichas planchas puede ser adaptado al método utilizado para el ensamblaje, si por alguna razón así se desea, como se explicará más adelante. El espesor de cada una de las planchas metálicas superpuestas deberá ser de al menos 12,5 mm. El espesor de cada plancha puede ser el mismo o diferente. De preferencia, el espesor total de las planchas metálicas superpuestas es de al menos 40 mm.

El ensamblaje de las planchas metálicas puede realizarse por medio de cualquier método conocido con el cual pueda obtenerse para el bloque ensamblado una resistencia mecánica que sea suficiente para el uso previsto del bloque ya ensamblado. De acuerdo con la invención, es posible fabricar bloques superponiendo al menos dos planchas metálicas, cada una de un espesor de al menos 12,5 mm, y cada una de ellas con un límite de fluencia inicial en una dirección especificada, medido a un cuarto del espesor, que puede ser el mismo o diferente de los demás. Las planchas metálicas se seleccionan preferentemente del mismo "grupo" de aleaciones (es decir, en el caso de las aleaciones de aluminio, la serie 2xxx, 7xxx, etc.), y el límite de fluencia en la dirección especificada y en cualquier punto del bloque formado por las planchas superpuestas es al menos igual al 75%, y de preferencia al menos igual al 85%, o de mayor preferencia aún, al menos el 90% del límite de fluencia de la plancha metálica que tenga el menor límite de fluencia inicial en la dirección especificada que está siendo evaluada.

En una realización preferida, el método de ensamblaje del bloque se elige de modo tal que la resistencia mecánica en todo el bloque se acerque a la resistencia mecánica de las planchas metálicas iniciales, incluso dentro de la zona de unión. La zona de unión, tal como se menciona aquí, se refiere a aquellas zonas del bloque ya ensamblado donde cada una de las planchas que forman el bloque se encuentran y se unen entre sí.

Además, la unión entre las planchas deberá presentar una estabilidad mecánica y térmica aceptable como asimismo las otras características, tal como la conductividad térmica de la unión entre las planchas metálicas o el aspecto de la superficie, que se requieren para la aplicación final que se haya previsto dar al bloque ensamblado. Tales propiedades mecánicas y térmicas requeridas para los diversos usos finales previstos para la fabricación de herramientas y moldes son bien conocidas por los expertos en la técnica.

Según la invención, es posible fabricar bloques metálicos gruesos (es decir, de al menos 25 mm) con propiedades mecánicas que no se vean afectadas de manera mensurable por el espesor total del bloque. Más específicamente, el límite de fluencia, la resistencia a la tracción y el alargamiento a la rotura, es decir las llamadas propiedades mecánicas estáticas, presentan una variación significativamente menor en todo el espesor del bloque, en comparación con los bloques fabricados conforme a los procesos de la técnica anterior.

En una realización preferida, es posible obtener un bloque metálico grueso ensamblando al menos dos planchas metálicas superpuestas del mismo grupo de aleaciones, cada una de un espesor de al menos 12,5 mm. El límite de fluencia del bloque metálico ensamblado, medido en una muestra de éste tomada a través de una zona de unión entre las planchas metálicas en una dirección especificada, es de al menos el 75%, preferentemente al menos el 80%, de más alta preferencia al menos el 90% del límite de fluencia de la o las planchas metálicas que tengan el menor límite de fluencia inicial en la misma dirección especificada.

En otra realización de la invención, la zona de unión entre las planchas metálicas superpuestas presenta una buena estabilidad mecánica y térmica. Además, otras características tales como la conductividad térmica de la unión entre las planchas metálicas y/o el aspecto de la superficie de la junta o unión, resultan satisfactorias conforme a las exigencias que plantea la aplicación final que se haya previsto dar al bloque ensamblado. Es decir, muchas aplicaciones del bloque ensamblado exigen que la unión no sea de ninguna manera visible. Además, algunas aplicaciones exigen una cierta resistencia térmica en términos de máximos de temperatura y tiempos de exposición a temperaturas elevadas. De este modo es posible obtener un bloque en el cual el límite de fluencia localizado R_{p0,2} del bloque, medido en la dirección del espesor a través de una zona de unión, es de al menos el 75%, preferentemente de al menos el 80%, y de más alta preferencia de al menos el 90% de la R_{p0,2} de la o las planchas metálicas que tienen el menor límite de fluencia inicial en la misma dirección del espesor.

De este modo, las planchas metálicas gruesas pueden ser ensambladas mediante su unión por medio de cualquier mecanismo conocido tal como películas adhesivas, láminas plásticas o adhesivos líquidos. Puede aplicarse por ejemplo, una película adhesiva delgada polimerizable en caliente y la polimerización puede realizarse (por ejemplo, cuando la aleación es una aleación estructuralmente endurecida) durante el revenido de las planchas metálicas. También puede aplicarse un adhesivo líquido mono o bicomponente sobre la superficie de una o de ambas planchas metálicas a ensamblar, y el endurecimiento del adhesivo podrá lograrse ya sea dejando el bloque ensamblado en reposo a temperatura ambiente durante un tiempo suficiente, o calentando a una temperatura adecuada durante un cierto período de tiempo. También podría utilizarse una lámina plástica polimerizable que se inserta entre dos chapas metálicas gruesas y sería calentada de forma apropiada para efectuar la polimerización y por ende la unión. En todos estos casos, pueden ensamblarse de una sola vez dos o más planchas metálicas entre sí, y se puede dejar que el adhesivo se polimerice o endurezca extendiendo el conjunto ensamblado para que quede plano, ya sea bajo el propio peso de las planchas metálicas o ejerciendo presión sobre las uniones. Una ventaja de la unión por medio de adhesivos es su bajo costo, y una desventaja es que la unión podría ser algo débil. En todo caso, con frecuencia es conveniente o necesario realizar un tratamiento previo de las superficies (por ejemplo, ataque químico con ácido sulfocrómico o limpieza con chorro de arena) antes de la aplicación del adhesivo.

Otro método de ensamblaje que podría utilizarse es la deformación en caliente de dos o más planchas metálicas gruesas superpuestas, por ejemplo mediante laminado o forja. Este es el mismo tipo de unión metalúrgica que se obtiene en el método que se conoce para galvanizar chapas metálicas. Este método puede ser utilizado de manera conveniente para ensamblar chapas metálicas o planchas metálicas gruesas hechas con aleaciones de aluminio sin ningún tratamiento térmico, tal como las aleaciones de la serie 5xxx. Es menos adecuado para las aleaciones estructuralmente endurecidas, las que por lo general requieren un precalentamiento de las planchas metálicas, lo cual podría potencialmente modificar las condiciones metalúrgicas de las planchas de manera inapropiada. El uso de este método podría estar limitado por la capacidad de los trenes de laminación o las prensas de forjar para admitir planchas metálicas muy gruesas, o por la tensión máxima que pudiera suministrar el tren de laminación o la prensa de forjar que se utilice.

Las planchas metálicas también pueden ensamblarse mediante soldadura, en particular soldadura por haz electrónico, un método que no deteriora de manera significativa las características mecánicas de las planchas. No obstante, la soldadura por haz electrónico podría no resultar adecuada para planchas de grandes dimensiones.

Otro método ventajoso de ensamblaje que se utiliza preferentemente en el contexto de la presente invención es la soldadura por explosión. La soldadura por explosión se conoce desde hace muchos años y se utiliza mayormente para recubrir con chapas metálicas delgadas otras chapas metálicas gruesas de un metal diferente, en especial para obtener una capa de metal noble sobre una chapa metálica gruesa hecha de acero común. Las patentes francesas FR 1381594, FR 1397963 y FR 1458506, concedidas a Asahi Kasei, ilustran esta tecnología. La mayor parte de los numerosos ejemplos descritos en estas patente se refiere al recubrimiento de una chapa metálica de acero con una chapa metálica delgada, y algunos de ellos describen el ensamblaje de dos chapas metálicas delgadas con un espesor del orden 1 mm, hechas del mismo metal (acero inoxidable a aluminio). Además, la patente de los Estados Unidos Nº 3.024.526 (Atlantic Richfield Corporation) ["la patente `526"] describe la soldadura por explosión de dos chapas de aluminio de un espesor de 0,062 pulgadas (o sea alrededor de 1,6 mm). El método de la patente `526 no describe la soldadura por explosión utilizada para formar bloques gruesos compuestos por dos o más planchas metálicas gruesas de un mismo metal, en particular de aleaciones de aluminio.

Según la presente invención, el bloque metálico se compone de al menos dos planchas metálicas superpuestas, cada una de un espesor de al menos 12,5 mm, preferentemente de al menos 25 mm, y de más alta preferencia de al menos 40 mm. No obstante, si las planchas son de por sí muy gruesas, pueden presentar un gradiente de propiedades mecánicas estáticas en función de la distancia que las separa de una superficie de laminación.

En una realización preferida, las planchas a ensamblar pertenecen al mismo grupo de aleaciones. Las expresiones "grupo de aleaciones" y "aleación" se definen con respecto a las aleaciones de aluminio de conformidad con la norma EN 573 antes mencionada y las Actas de Registro de la Aluminum Association, cuyos contenidos se incorporan a la presente como referencia. De acuerdo con estos documentos, las aleaciones de aluminio se subdividen en grupos, según el elemento principal de la aleación: 1xxx (mínimo 99,00% de aluminio), 2xxx (Al-Cu), 3xxx (Al-Mn), 4xxx (Al-Si), 5xxx (Al-Mg), 6xxx (Al-Mg-Si), 7xxx (Al-Zn) (otros elementos aleables). La presente invención es de especial interés para aquellos metales de base, grupos de aleaciones y aleaciones que no pueden ser fabricadas en espesores muy grandes debido a limitaciones técnicas o por razones económicas, o que presentan, cuando se los fabrica en forma de una plancha gruesa, una fuerte variación de las propiedades mecánicas estáticas en todo el espesor. Esto sucede particularmente en las aleaciones de aluminio termotratadas que pertenecen a los grupos 2xxx, 6xxx y 7xxx.

En una realización específica de la invención, las planchas metálicas gruesas (de al menos 12,5 mm) a ensamblar están compuestas por la misma aleación y están en las mismas condiciones metalúrgicas, es decir que han sido producidas siguiendo una ruta de fabricación similar, a fin de obtener propiedades homogéneas.

Las planchas metálicas pueden tener el mismo espesor o un espesor diferente, y dos o varias planchas metálicas pueden ensamblarse en una o más operaciones. El método de ensamblaje mediante soldadura por explosión puede ejecutarse de cualquier manera conveniente, tal como se describe en las patentes francesas antes mencionadas y en la patente `526. Un método de soldadura por explosión ventajoso y aceptable de la presente invención comprende: (i) preparar la superficie de las planchas metálicas mediante cepillado o esmerilado y limpiar con cuidado en la medida necesaria, (ii) superponer las chapas metálicas que tienen esencialmente el mismo formato (es decir el largo y el ancho), dejando entre ellas un espacio libre por medio de un elemento insertado entre ambas (pieza de inserción), (iii) cerrar el o los intersticios entre las planchas metálicas, utilizando por ejemplo cinta adhesiva, (iv) colocar un explosivo, por ejemplo una pólvora, sobre toda la superficie de la chapa metálica de más arriba, y (v) proceder finalmente a la detonación de este explosivo a fin de obtener una soldadura de las chapas metálicas en todas sus superficies.

En una realización preferida, basada en el uso de la soldadura por explosión, se utilizan planchas con un alargamiento a la rotura A en la dirección longitudinal de más del 13%, y de preferencia de más del 15%, y con una energía de impacto Charpy de al menos 30 joules.

El método conforme a la invención permite la fabricación de bloques cuyo espesor no está limitado por la capacidad de las herramientas utilizadas para la fabricación de las chapas metálicas (trenes de laminación o presas de forjar). El espesor de los bloques es preferentemente inferior a 200 mm, de mayor preferencia de al menos 400 mm, y de más alta preferencia de al menos 600 mm. Con estos bloques, es posible producir con facilidad piezas mecanizadas de muy grandes dimensiones, tal como las que pueden utilizarse como componentes estructurales de aeronaves de alta capacidad, aleaciones de aluminio estructuralmente endurecidas, herramientas o moldes de inyección de acero para plásticos, y/o para aleaciones de cobre y aluminio.

La fabricación de estas piezas mecanizadas puede incluir uno o más procesos tales como torneado, fresado, taladrado, perforación, aterrajado, mecanizado por chispa, rectificación, pulido y otros similares, según se emplean comúnmente en la técnica. En ciertos casos, es posible también depositar una capa de metal duro al menos sobre una parte de la superficie así generada, mediante cualquier método conocido tal como el descrito en la solicitud de patente EP 997 253 A1 (Werkzeugbau Leiss Gmb), o colocando un revestimiento cerámico por medio de un proceso conocido, tal como la Deposición Física en Fase Vapor. El solicitante ha descubierto que un revestimiento metálico tal es de particular utilidad en el caso de bloques ensamblados mediante unión adhesiva, cuando el mecanizado profundo ha atravesado las uniones. De este modo, podrá depositarse una capa de aluminio o de otro metal, si así se deseara por alguna razón.

Para fabricar bloques de aleación de aluminio estructuralmente endurecida, el solicitante ha encontrado un método de fabricación que da resultados particularmente buenos. En particular, las planchas metálicas gruesas se proveen en un estado de esfuerzos reducidos, por ejemplo en las condiciones T351 (denominación conforme a la norma EN 515), y ensambladas por explosión. Luego el bloque grueso se somete a un tratamiento de revenido.

Utilizando planchas metálicas gruesas (es decir, de al menos 12,5 mm) donde los esfuerzos se han aligerado, pueden obtenerse bloques con un muy bajo nivel de esfuerzos residuales, los cuales son particularmente apropiados para el mecanizado. Además, se observa que las chapas metálicas en condiciones T351 presentan una mejor ductilidad que otras chapas o planchas comparables, y este incremento de la ductilidad minimiza o incluso evita fallas accidentales durante su ensamblaje o manipuleo.

Los bloques gruesos hechos de aleaciones de aluminio estructuralmente endurecidas conforme a la presente invención pueden utilizarse para la fabricación (por mecanizado) de moldes de inyección para plásticos o piezas de goma. También pueden utilizarse para la fabricación (especialmente por mecanizado) de elementos estructurales de aeronaves, especialmente de aeronaves de gran capacidad. Las aleaciones tales como AA7040 o AA7075 son particularmente apropiadas para esta última aplicación.

Ejemplos Ejemplo 1 Técnica anterior

Las chapas metálicas gruesas de aleación de aluminio 7449 fueron fabricadas en condiciones T651 de conformidad con técnicas conocidas por los expertos en la técnica. El espesor de estas chapas metálicas fue de entre 50 mm y 150 mm. El punto de fluencia R_{p0,2} fue medido en la dirección TL a un cuarto del espesor. Los resultados se resumen en la Tabla 1. Se observa una muy fuerte disminución de R_{p0,2} cuando aumenta el espesor de la chapa metálica.

TABLA 1

1

Ejemplo 2 Invención

Se prepararon dos planchas metálicas de aleación de aluminio 7075 con el mismo formato (es decir, largo y ancho) y con espesores de 25 y 70 mm, respectivamente. La composición de la aleación fue la siguiente (% en peso): Si = 0,08, Fe = 0,15, Cu = 1,56, Mn = 0,03, Mg = 2,30, Cr = 0,19, Zn = 5,92, Ti = 0,03.

Estas planchas metálicas fueron tratadas por recocido de solubilización a una temperatura de 465ºC, luego templadas en agua fría, envejecidas naturalmente y estiradas hasta alcanzar un valor permanente del 1,5%, que corresponde a las condiciones T351. Luego, las planchas metálicas fueron ensambladas mediante soldadura por explosión en las instalaciones de NobelClad Europa en Rivesaltes, Francia. El bloque soldado por explosión fue luego sometido a revenido durante 48 horas a 120ºC, a fin de llevarlo a las condiciones T651. El examen de las zonas de unión no reveló ninguna zona de contacto visible en el estado pulido en bruto. Luego del ataque químico crómico, la zona de contacto entre las planchas metálicas iniciales se hace visible, con una superficie de 0,3 mm a ambos lados de la soldadura, incluyendo franjas de deslizamiento inclinadas orientadas en la dirección de la propagación de la onda de choque, lo que muestra un importante endurecimiento por deformación plástica.

Se tomaron muestras cilíndricas para el ensayo de tracción a un cuarto del espesor, tanto en la plancha metálica de 70 mm como en la zona de contacto entre las dos planchas metálicas, y se midieron las características mecánicas estáticas: resistencia a la rotura R_{m} (MPa), límite de fluencia R_{p0,2} (MPa) y alargamiento a la rotura A (%) en las direcciones L, TL y TC. Los resultados se muestran en la Tabla 2:

TABLA 2

2

Se ve que, independientemente de la dirección de la medición, la resistencia a la rotura y el límite de fluencia se han incrementado en la zona de unión, en comparación con los valores de las chapas metálicas iniciales, con un alargamiento ligeramente reducido.

También se midió la vida de la fatiga cíclica bajo una tensión de 200 MPa, a una frecuencia de 50 Hz, con R = 0,1, en muestras redondas lisas en la dirección TC, con un coeficiente de concentración de tensiones K_{t} = 1, conforme a la norma ASTM E466, una tomada en la plancha metálica de 70 mm y la otra en la zona de unión entre las dos planchas metálicas. El número de ciclos hasta producirse la falla fue 206375 y 321271, respectivamente, lo cual muestra una mejora de la resistencia a la fatiga en la zona de unión.

Ejemplo 3

Los bloques han sido fabricados uniendo dos planchas de aleación de aluminio AA7449, cuyas superficies de unión fueron previamente tratadas ya sea mediante limpieza con chorro de arena o ataque químico con ácido sulfocrómico. Se utilizó un adhesivo epoxi líquido (referencia AV 119) o una película epoxi (referencia AF 163-2L.03). Se realizó el ensayo de tracción a través de la zona de unión, en muestras de las siguientes dimensiones: 200 mm x 29 mm x 17 mm. (superficie unida 493 mm^{2}). Los resultados se muestran en la Tabla 3. puede verse que el ataque químico con ácido sulfocrómico da una mayor fuerza de unión.

TABLA 3

3

Otras ventajas, características y modificaciones surgirán fácilmente para los expertos en la técnica. Por consiguiente, la invención en sus aspectos más generales no está limitada a los detalles específicos y los dispositivos representativos que se muestran y describen en la presente. En consecuencia, podrán realizarse diversas modificaciones sin apartarse el espíritu o alcance del concepto inventivo general según los definen las reivindicaciones anexas y sus equivalentes.

Tal como se emplean en la presente y en las siguientes reivindicaciones, los artículos tales como "el/la/los/las" y "un/una" pueden significar el singular o el plural.

Claims

1. Un método para la fabricación de piezas mecanizadas, caracterizado porque comprende:

(a): proveer un bloque de aleación de aluminio que comprende al menos dos planchas de aleación de aluminio superpuestas, cada una de ellas de un espesor de al menos 12,5 mm, y cada una de ellas con un límite de fluencia inicial en una dirección especificada, medido a un cuarto del espesor, que pueden ser iguales o diferentes una de otra, siendo dichas planchas de aleación de aluminio seleccionadas del grupo compuesto por aleaciones del mismo grupo de aleaciones de aluminio, donde

(a1): el límite de fluencia en la dirección especificada, en cualquier punto del bloque, es al menos igual al 75% del de la plancha de aleación de aluminio que tenga el menor límite de fluencia inicial en dicha dirección especificada, o

(a2): el límite de fluencia de dicho bloque de aleación de aluminio, medido en una muestra de éste tomada en cualquier parte del bloque que no incluya una zona de unión entre dichas planchas de aleación de aluminio, es al menos igual al 75% del límite de fluencia de la plancha metálica que tenga el menor límite de fluencia inicial en dicha dirección especificada, o

(a3): el límite de fluencia en cualquier punto dado, en una dirección especificada, no varía en más del 15%, en más o en menos, del valor promedio,

(b): mecanizar dicho bloque para conformar una pieza mecanizada.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha pieza mecanizada es un componente estructural de una aeronave.

3. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha pieza mecanizada es un molde de inyección para plásticos o goma.

4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espesor total de dicho bloque es de al menos 200 mm.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espesor total de dicho bloque es de al menos 400 mm.

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espesor total de dicho bloque es de al menos 600 mm.

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el espesor de cada una de las planchas de aleación de aluminio superpuestas es de al menos 25 mm y preferentemente de al menos 40 mm.

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dichas planchas de aleación de aluminio se componen de la misma aleación de aluminio o de una aleación de aluminio diferente.

9. Un método según la reivindicación 8, caracterizado porque dichas aleaciones de aluminio son aleaciones de aluminio estructuralmente endurecidas.

10. Un método según la reivindicación 9, caracterizado porque dichas planchas de aleación de aluminio están en estado templado.

11. Un método según la reivindicación 10, caracterizado porque dichas planchas de aleación de aluminio están en estado templado y envejecido.

12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque los esfuerzos en dichas planchas de aleación de aluminio han sido aligerados mediante tracción o compresión controlada.

13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque dicho límite de fluencia en la dirección especificada, en cualquier punto del bloque, es al menos igual al 85%, y de preferencia al menos igual al 90% del límite de fluencia de la plancha metálica que tenga el menor límite de fluencia inicial en dicha dirección especificada.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el límite de fluencia de dichos bloques de aleación de aluminio se conforma al criterio (a2) y porque dichas planchas de aleación de aluminio se unen entre sí mediante una unión adhesiva.

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15. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dichas planchas de aleación de aluminio se unen mediante laminado o forja.

16. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dichas planchas de aleación de aluminio se sueldan entre sí mediante soldadura por haz electrónico.

17. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dichas planchas de aleación de aluminio se sueldan entre sí mediante soldadura por explosión.

18. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque dicho bloque es fabricado por un método que comprende:

(1): superponer dichas planchas de aleación de aluminio de prácticamente la misma longitud y ancho, con un espacio libre constante entre ambas para formar un conjunto;

(2): proveer un límite alrededor de todas las caras laterales de dicho conjunto;

(3): cubrir la cara superior de la chapa de aleación de aluminio superior con un explosivo, por encima de la totalidad de dicha superficie superior; y

(4): detonar dicho explosivo.