ES2239261T3 - Procedimiento de fabricacion de un elemento constructivo de una aleacion de aluminio por conformacion en caliente y en frio. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de un elemento constructivo de una aleacion de aluminio por conformacion en caliente y en frio.Info
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un elemento constructivo o de un producto semiacabado de una aleación de aluminio según el cual la aleación contiene: ¿ Silicio 0, 9 - 1, 3, ¿ Magnesio 0, 7 - 1, 2, ¿ Cobre menor que 0, 1, ¿ Hierro menor que 0, 5, ¿ Cromo menor que 0, 25, ¿ Circonio y/o hafnio 0, 05 - 0, 2, ¿ Manganeso 0, 5 ¿ 1, 0, siendo el resto aluminio y las habituales impurezas, y la proporción total de cromo y manganeso y circonio y/o hafnio es al menos 0, 6% en peso, según el cual ¿ un material bruto colado se homogeneiza a una temperatura comprendida entre 420ºC y 540ºC, ¿ se le conforma en producto semiacabado a una temperatura comprendida entre 450ºC y 560ºC, ¿ a continuación, el producto semiacabado se calienta a una temperatura de tratamiento de disolución comprendida entre 440ºC y 560ºC, ¿ a esta temperatura se conforma en caliente una o múltiples veces, ¿ la pieza de trabajo, así obtenida, se enfría bruscamente en agua o aire, y ¿ se somete a un tratamiento deenvejecimiento en caliente a una temperatura comprendida entre 160ºC y 240ºC.
Description
Procedimiento de fabricación de un elemento
constructivo de una aleación de aluminio por conformación en
caliente y en frío.
El invento se refiere a un procedimiento para la
fabricación de un elemento constructivo de aluminio según la
reivindicación 1, y a un elemento constructivo fabricado según las
reivindicaciones 1-8.
Aunque los productos semiacabados de Al y las
piezas forjadas de Al de alta resistencia, tratados térmicamente,
que contienen Cu (por ejemplo, Al Mg Si 1 Cu 0,5) o Zn, tienen
altos valores de resistencia estática, sin embargo su alargamiento
de rotura es bajo. En el caso de efectos de entalla (por ejemplo
impacto de piedras), resulta por ello una baja resistencia dinámica.
Estas aleaciones son también atacables por la corrosión, de modo
que para evitar cicatrices de corrosión, que actúan como entallas,
es necesaria una cara protección frente a la corrosión. Puesto que,
por ejemplo, las piezas forjadas de Al para mecanismos de rodadura,
sometidas a grandes esfuerzos, siempre están expuestas a impactos
de piedras (entallas) y a la corrosión, únicamente en casos
excepcionales se utilizan en este sector materiales de Al que
contengan Cu/Zn. Las aleaciones de Al Mg Si 1 tales como, por
ejemplo, la EN-AW 6082, más dúctiles o,
respectivamente, más insensibles a los efectos de entalla, debido a
sus contenidos muy bajos en Cu y Zn son ciertamente resistentes a
la corrosión, sin embargo estas aleaciones no alcanzan valores
suficientes de resistencia mecánica.
Otra desventaja de esta clase de aleaciones
consiste en que, en la conformación y en el tratamiento térmico
posterior, las zonas forjadas y semiacabadas altamente conformadas
recristalizan con grano grueso. Una estructura de grano grueso o,
respectivamente, frágil y de resistencia disminuida conduce a un
fallo prematuro del elemento constructivo de Al.
Esto tiene validez sobre todo, cuando, por
ejemplo para conseguir un alto rendimiento del material, sea
necesaria una conformación múltiple al forjarlo. En general, en la
conformación múltiple el mayor grado de conformación tiene lugar
sólo al final del proceso de conformación y, por lo tanto, a
temperaturas entre 390ºC y 450ºC, de modo que la estructura
recristaliza en el tratamiento térmico posterior. Aún más
problemático es el comportamiento a la recristalización de
productos semiacabados de Al conformados en frío, los cuales
después son tratados térmicamente. Así, por ejemplo, para la
fabricación de tuercas de Al de alta resistencia se utiliza alambre
o barras estirados en frío, que después, por recalcado y prensado,
se conforman en frío hasta obtener una tuerca en bruto. Por
consiguiente, durante el tratamiento térmico posterior la
estructura es muy sensible a una recristalización. Esto mismo es
válido para las ruedas de Al forjadas en frío.
Cada una de las memorias de publicación alemanas
DE OS 2 103 614 y DE OS 2 213 136 describe una aleación de
aluminio-silicio-magnesio que
reacciona como inhibidora de la recristalización, sin embargo estas
aleaciones muestran una resistencia mecánica demasiado baja, además
la tendencia a la recristalización de estas aleaciones sigue siendo
excesivamente alta para elementos constructivos conformados varias
veces o conformados en frío. Lo mismo es válido para la conocida
aleación según la EN-AW 6082.
La misión del invento consiste en poner a
disposición un elemento constructivo y un procedimiento para la
fabricación de un elemento constructivo, que frente al estado
actual de la técnica, actúen inhibiendo mejor la recristalización y
lleven a una resistencia mecánica y a una resistencia a la corrosión
más elevadas de los elementos constructivos.
La solución de la misión consiste en un
procedimiento según la reivindicación 1 y en un elemento
constructivo según la reivindicación 9.
El elemento constructivo o el producto
semiacabado conforme al invento, fabricado según un procedimiento
conforme a una de las reivindicaciones 1 a 8, consta de una
aleación de aluminio con la siguiente composición:
| \bullet | Silicio | 0,9 - 1,3, |
| \bullet | Magnesio | 0,7 - 1,2, |
| \bullet | Manganeso | 0,5 - 1,0, |
| \bullet | Cobre | menor que 0,1, |
| \bullet | Hierro | menor que 0,5, |
| \bullet | Cromo | menor que 0,25, |
| \bullet | Circonio y/o hafnio | \hskip0,6cm 0,05 - 0,2. |
De manera más ventajosa, determinados componentes
de la aleación se presentan con la siguiente composición:
| \bullet | Cobre | menor que 0,05, |
| \bullet | Hierro | 0,1 - 0,5, |
| \bullet | Cromo | 0,05 - 0,2 |
| \bullet | Cinc | menor que 0,05. |
Además, la aleación puede contener los
elementos
| \bullet | Cinc | menor que 0,2 |
| \bullet | Titanio | menor que 0,1 |
El titanio sirve aquí para afinar el grano, el
cinc puede contribuir a aumentar la resistencia mecánica.
Adicionalmente, la aleación contiene las habituales impurezas, que
son atribuibles al proceso de fabricación.
En una forma de ejecución ventajosa la aleación
presenta una proporción de silicio entre 0,9 y 1,7% en peso.
El invento se caracteriza, además, porque los
elementos de la aleación, manganeso, cromo y circonio y/o hafnio
presentan juntos una proporción de al menos 0,4% en peso. De forma
más preferida la proporción de estos elementos es mayor que 0,6% en
peso. Estos elementos funcionan como inhibidores de la
recristalización.
En el recocido de homogeneización estos elementos
forman con el aluminio dispersoides intermetálicos que fijan los
bordes de grano y durante los tratamientos térmicos posteriores
tampoco se disuelven o lo hacen únicamente en pequeña cantidad. Por
la fijación de los dispersoides en los bordes de grano se impide el
crecimiento de los granos a grano grueso, por lo que con ello la
recristalización se reprime de forma duradera. Los dispersoides que
contienen circonio y hafnio son especialmente estables frente a la
temperatura, lo que se manifiesta inhibiendo la recristalización a
altas temperaturas.
La aleación presenta una proporción de silicio de
0,9 a 1,3% en peso. Se ha comprobado, que una proporción de silicio
menor no conduce a los valores de resistencia exigidos. El silicio,
en combinación con el magnesio, actúa en forma de un endurecimiento
por precipitación (tratamiento térmico), que se presenta en forma
de segregaciones de Mg_{2}Si. Contenidos mayores de manganeso y
cromo conducen igualmente a un endurecimiento por precipitación o,
respectivamente, a un aumento de la resistencia mecánica.
Además de esto, es conveniente que para un
endurecimiento del cristal mixto, es decir, para una formación de
cristales mixtos de AlSi, exista un exceso de silicio, que no esté
fijado en las segregaciones de Mg_{2}Si. La relación de silicio
respecto al magnesio se encuentra, por lo tanto, preferentemente
entre 1,1 hasta 1,3 a 1, de forma especialmente preferente entre
1,16 hasta 1,24 a 1.
La aleación es especialmente resistente a la
recristalización tanto en la conformación en caliente como también
en la conformación en frío. Presenta una elevada resistencia
mecánica y una baja tendencia a la corrosión, de forma en sí
prácticamente independiente de un procedimiento de fabricación. La
baja tendencia a la corrosión hay que atribuirla sobre todo a la
baja proporción de cobre y cinc.
El procedimiento se caracteriza porque el
material bruto de la aleación, colado, se homogeneiza a
temperaturas entre 420ºC y 540ºC, preferentemente entre 460ºC y
500ºC. Durante esta homogeneización los elementos componentes de
aleación magnesio y silicio se distribuyen finamente en la matriz de
aluminio, además se forman los dispersoides, los cuales, como se ha
descrito, están constituidos a base de circonio o hafnio,
manganeso, cromo y/o
hierro.
hierro.
Ha resultado ventajoso homogeneizar el material
bruto al menos durante 4 h, de modo particularmente preferido se
aplica una homogeneización de 12 h.
En el procedimiento posterior el material bruto
se conforma a productos semiacabados (por ejemplo, prensado por
extrusión o laminación en chapas) a una temperatura entre 450ºC y
560ºC y eventualmente se enfría bruscamente. La conformación a
producto semiacabado tiene lugar preferentemente entre 500ºC y
560ºC, debiendo elegirse en cada caso la temperatura más alta
posible para evitar gérmenes de recristalización. En caso
necesario, los producto semiacabados se conforman individualmente
en piezas de trabajo adecuadas para la conformación y se
transforman por conformación en frío, bien sencilla o múltiple, o
eventualmente se transforman por conformación múltiple en caliente,
en piezas constructivas o en otros productos semiacabados.
Igualmente adecuada es una mecanización por arranque de viruta de
los productos semiacabados, por ejemplo por torneado o fresado. La
conformación en frío o en caliente o la mecanización por arranque
de viruta, se pueden llevar a cabo en el marco de los conocimientos
de la técnica y, eventualmente, incluir los habituales tratamientos
térmicos.
La conformación en caliente del producto
semiacabado continúa a temperaturas que caen dentro del intervalo
del recocido de disolución habitual (entre 440ºC y 560ºC). Durante
la conformación, en especial durante múltiples etapas de
conformación, se debe tener cuidado de que la temperatura de la
pieza de trabajo no descienda por debajo de la temperatura
mencionada, lo que tendría como consecuencia segregaciones groseras
en la estructura de la pieza constructiva. Por consiguiente, el
proceso de conformación sustituye a la etapa de recocido de
disolución del proceso, lo que repercute claramente en los costes
del proceso y en la duración del proceso.
Las temperaturas de conformación según el
invento, las cuales comprenden a la vez un recocido de disolución,
se encuentran por encima de las temperaturas de conformación
habituales, lo que provoca un endurecimiento menor y, con ello, una
menor formación de gérmenes de recristalización en la estructura.
Con ello se reprime de manera persistente la recristalización. La
consecuencia son valores más elevados de la resistencia mecánica y,
sobre todo, un alargamiento de rotura claramente mayor en las zonas
altamente conformadas.
Después de la conformación la pieza de trabajo
preferentemente se enfría bruscamente en agua, con lo cual se
congela la estructura. En el endurecimiento por precipitación
subsiguiente entre 160ºC y 240ºC se produce el aumento de
resistencia deseado.
La pieza constructiva de aluminio conforme al
invento, fabricada por un procedimiento según alguna de las
reivindicaciones 1-8, para una composición que
corresponda a una de las especificaciones de aleación, presenta una
resistencia a la tracción de al menos 400 MPa y un alargamiento de
rotura (A5) mínimo del 10%. Piezas constructivas de este tipo se
emplean preferentemente como tirantes u otras piezas de mecanismos
de rodadura, perfiles, pernos, tornillos o ruedas.
A continuación se ilustrará el invento con mayor
detalle con ayuda de dos ejemplos. El esquema de procedimiento que
tienen como base los Ejemplos 1 y 2 está representado en la Figura
1.
Un caldo de la aleación con la composición en %
en peso:
| \bullet | Silicio | 1,2, |
| \bullet | Magnesio | 1,0, |
| \bullet | Manganeso | 0,5, |
| \bullet | Cobre | 0,05, |
| \bullet | Hierro | 0,2, |
| \bullet | Cromo | 0,2 |
| \bullet | Titanio | 0,05, |
| \bullet | Cinc | 0,1, |
| \bullet | Circonio | 0,2, |
se cuela en lingotes. Los lingotes se
homogeneizan a una temperatura de 480ºC durante 12 h. En la
siguiente etapa del procedimiento los lingotes se prensan en forma
de barras redondas a una temperatura de 500ºC (= producto
semiacabado). Las barras redondas se enfrían bruscamente y se
trocean en partes de aproximadamente 20 cm de longitud.
Las piezas de trabajo se calientan a una
temperatura de 530ºC y en varios procesos de forja (= conformación)
se conforman como tirantes. Durante el forjado la temperatura de
las piezas no baja de 440ºC. Los tirantes se enfrían bruscamente en
agua y se someten a tratamiento de envejecimiento en caliente
durante 4 h a 200ºC. Tanto en la zona de un puntal central, como en
la zona de un gran ojal, que en razón del elevado grado de
conformación muestran habitualmente un alto grado de
recristalización, los tirantes presentan una resistencia a la
tracción superior a 400 MPa y un alargamiento de rotura (A5)
superior al 13%.
De forma análoga al Ejemplo 1, los lingotes de
fundición se homogeneizan y, a continuación, se laminan en chapas (=
producto semiacabado) a una temperatura de 500ºC. A partir de las
chapas se extraen por troquelado piezas de trabajo redondas y
éstas, en varias etapas en frío, se conforman como ruedas.
Claims (11)
1. Procedimiento para la fabricación de un
elemento constructivo o de un producto semiacabado de una aleación
de aluminio según el cual la aleación contiene:
siendo el resto aluminio y las
habituales impurezas, y la proporción total de cromo y manganeso y
circonio y/o hafnio es al menos 0,6% en peso, según el
cual
- \bullet
- un material bruto colado se homogeneiza a una temperatura comprendida entre 420ºC y 540ºC,
- \bullet
- se le conforma en producto semiacabado a una temperatura comprendida entre 450ºC y 560ºC,
- \bullet
- a continuación, el producto semiacabado se calienta a una temperatura de tratamiento de disolución comprendida entre 440ºC y 560ºC,
- \bullet
- a esta temperatura se conforma en caliente una o múltiples veces,
- \bullet
- la pieza de trabajo, así obtenida, se enfría bruscamente en agua o aire, y
- \bullet
- se somete a un tratamiento de envejecimiento en caliente a una temperatura comprendida entre 160ºC y 240ºC.
2. Procedimiento para la producción de un
elemento constructivo o de un producto semiacabado de una aleación
de aluminio, según el cual la aleación contiene:
siendo el resto aluminio y las
habituales impurezas, y la proporción total de cromo y manganeso y
circonio y/o hafnio es al menos 0,6% en peso, según el
cual
- \bullet
- un material bruto colado se homogeneiza a una temperatura comprendida entre 420ºC y 540ºC,
- \bullet
- se le conforma como producto semiacabado a una temperatura comprendida entre 450ºC y 560ºC,
- \bullet
- a continuación el producto semiacabado se calienta a una temperatura de tratamiento de disolución comprendida entre 440ºC y 560ºC,
- \bullet
- a esta temperatura se conforma en caliente una o múltiples veces,
- \bullet
- la pieza de trabajo, así obtenida, se enfría bruscamente en agua o aire, y
- \bullet
- se somete a un tratamiento de envejecimiento en caliente a una temperatura comprendida entre 160ºC y 240ºC.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque la aleación presenta, además, los
siguientes componentes en % en peso:
\newpage
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la relación del
silicio respecto al magnesio se encuentra entre 1,1 a 1 y 1,3 a
1.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque la relación del silicio respecto al
magnesio se encuentra entre 1,16 a 1 y 1,24 a 1.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en los bordes
de grano de la estructura están anclados dispersoides que contienen
circonio y/o hafnio.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el material
bruto colado se homogeneiza al menos durante 4 horas.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el material
bruto colado se homogeneiza durante 12 horas.
9. Elemento constructivo producido por un
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8.
10. Elemento constructivo o producto semiacabado
según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque
el elemento constructivo presenta un alargamiento de rotura A5
superior al 10%.
11. Elemento constructivo o producto semiacabado
según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque
el elemento constructivo o el producto semiacabado es una pieza de
un mecanismo de rodadura, en especial un tirante o un perno, un
perfil, un tornillo o una rueda.
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