ES2245703T3 - Composiciones y procedimiento de aleacion de metales. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para la formación de una composición metálica exenta de película, libre de gases atrapados y que tiene dendritas degeneradas discretas de sólido distribuidas homogéneamente en el seno de una fase líquida de dicha composición metálica, estando dichas dendritas degeneradas discretas de sólido sustancialmente libres de eutécticos, que comprende: (a) calentar una composición de aleación de metales en un recipiente para formar un líquido libre de sólidos y que comprende dicha composición metálica, (b) enfriar dicho líquido al tiempo que se agita dicho líquido bajo condiciones destinadas a formar núcleos sólidos dispersados homogéneamente en el seno de dicho líquido al tiempo que se evita la inclusión de gas en dicho líquido a una velocidad de enfriamiento de entre aproximadamente 2 grados C por segundo y aproximadamente 10 grados C por segundo para formar una composición líquida-sólida que contiene entre aproximadamente 1 y aproximadamente 10 en peso de fracción sólida, (c) cesar la agitación de dicho líquido o retirar la aleación líquida-sólida de la fuente de agitación; y (d) continuar el enfriamiento de dicho líquido al tiempo que dicha composición líquida-sólida está en reposo hasta que dicha composición metálica sea sólida.
Description
Composiciones y procedimiento de aleación de
metales.
Esta invención se refiere a un procedimiento y un
aparato para elaborar composiciones metálicas que contienen
dendritas degeneradas.
Antes de la presente invención, se han realizado
composiciones metálicas que contienen hasta aproximadamente 65 por
ciento en peso de dendritas degeneradas. Tales composiciones y su
procedimiento de preparación se describen en la patente
estadounidense Nº 3.948.650, publicada el 6 de abril de 1976, de
Flemings y col., y la patente estadounidense 3.954.455, publicada el
4 de mayo de 1976, de Flemings y col. Como se describe en estas
patentes, una aleación de metales es calentada para formar una
mezcla líquida-sólida que se agita vigorosamente
para convertir las dendritas derivadas de la aleación en dendritas
degeneradas. La aleación de metales es enfriada mientras se agita
vigorosamente hasta el punto en el que la viscosidad del material de
fracción sólida elevada formado por enfriamiento no puede superarse
aumentando las fuerzas de cizallamiento sobre el material de
fracción sólida elevada. Estas composiciones pueden colarse
directamente o pueden solidificarse más y posteriormente ser
recalentadas para formar una composición tixotrópica que puede
colarse directamente (thixocasting). Se obtienen ventajas
sustanciales al colar la composición, ya que el molde no está
expuesto al calor de fusión del material solidificado antes de la
colada. Asimismo, el material fundido experimenta una contracción a
su solidificación muy inferior que en comparación con la contracción
cuando se compara con un artículo fundido a partir de una
composición metálica totalmente líquida. Sin embargo, el
procedimiento para formar la fracción sólida elevada agitándola
continuamente en una porción significativa del ciclo de enfriamiento
causa problemas. El grado de agitación requerido por este
procedimiento provoca una inclusión indeseable de gas en la fracción
sólida elevada. Además, las dendritas sólidas degeneradas formadas
por la presente práctica comercial del procedimiento contienen una
gran proporción de líquido atrapado formado de composiciones
metálicas eutécticas. Asimismo, durante el ciclo de enfriamiento, se
produce cierta macrosegregación de sólido y líquido. El gas
atrapado, las composiciones metálicas eutécticas atrapadas y la
macrosegregación de sólido y líquido llevan a la composición global
de aleación de metales así formada a ser no uniforme, con
características físicas resultantes no uniformes tales como las
características de resistencia mecánica.
El procedimiento de thixocasting en el que el
material de fracción sólida elevada solidifica totalmente por
enfriamiento y después es recalentado para formar una composición
líquida-sólida se efectúa en parte con el fin de
formar más de una microestructura en la que las dendritas sólidas
degeneradas son esferoidizadas, dando como resultado aleaciones más
uniformes. Sin embargo, el procedimiento es más costoso, ya que el
metal solidificado en las entradas y canales de colada del aparato
de formación debe ser recalentado del estado sólido al estado
líquido, dando como resultado la pérdida de la microestructura
deseada de dendritas degeneradas.
La solicitud de patente europea 96108499.3
(publicación Nº EP0745694A1) desvela un procedimiento para formar
una composición de aleación de metales
líquida-sólida que puede formarse por colada. En
este procedimiento, se forma una fusión de la aleación en uno o más
primeros recipientes. Entonces se transfiere la fusión a un
recipiente aislante bajo condiciones de enfriamiento en las que se
forman núcleos cristalinos en la fusión. Después, la fusión se
enfría más en el recipiente aislante bajo condiciones para efectuar
la formación de sólidos esferoidales que se forman sobre los núcleos
para producir la composición líquida-sólida que es
después colada. Se transfiere la fusión al recipiente aislante, bien
desplazándola sobre un dispositivo inclinado refrigerado que desvía
un flujo de fusión dentro del recipiente aislante, o bien vertiendo
una pluralidad de fusiones de aleación de metales en el recipiente
aislante. Cuando se utiliza el último modo de transferencia, una
primera de las fusiones está a una temperatura inferior a la
temperatura de fluidez de una segunda fusión, de tal modo que los
núcleos cristalinos se forman en la segunda fusión. Un problema
importante es que las fusiones vertidas atrapan gases en su interior
durante la transferencia y son retenidos en el interior de éstas
debido a la presencia de sólidos. Esto da como resultado una
composición final de aleación de metales no uniforme que tiene
defectos provocados por los gases atrapados. Además, la velocidad de
enfriamiento y el grado de agitación están escasamente controlados,
de tal modo que los núcleos cristalinos están limitados en número y
no se dispersan homogéneamente en la fusión líquida. Esto da como
resultado dendritas degeneradas que contienen líquido atrapado, y un
producto formado de aleación de metales que posee características
físicas no uniformes a través de todo su volumen. Asimismo, se forma
una película sobre la superficie inferior del producto solidificado,
que después ha de retirarse con el fin de obtener un producto final
homogéneo deseado de aleación de
metales.
metales.
La solicitud de patente europea Nº 95309498.4
(publicación Nº EP0719606A1) también desvela la formación de una
composición de aleación de metales líquida-sólida
mediante la formación de una fusión de aleación en un primer
recipiente y la transferencia de ésta a un recipiente aislante sobre
una superficie inclinada refrigerada para formar núcleos cristalinos
en la fusión. Después se enfría la fusión para formar una
composición de aleación líquida-sólida que contiene
sólidos esferoidales que puede colarse. Puesto que el procedimiento
se basa en una etapa de colada en presencia de sólidos, éste también
posee la desventaja de atrapar gas al tiempo que se forman sólidos
esferoidales distribuidos de forma no homogénea en el producto final
de aleación de metales.
Las patentes estadounidenses 5.144.998;
5.555.926; 5.901.778 y 5.865.240 también desvelan procedimientos
para formar una composición de aleación de metales
líquida-sólida que efectúa la formación de una
fusión de aleación de metales en un primer recipiente, que se
transfiere después a un segundo recipiente bajo condiciones de
enfriamiento y agitación escasamente controladas, para formar
núcleos sólidos en la fusión. Puesto que la fusión es transferida de
un primer recipiente a otro al tiempo que la fusión se solidifica
parcialmente, se encuentran los problemas asociados de inclusión de
gases y de sólidos esferoidales de dimensiones no homogéneas tal y
como indicado anteriormente. El documento EP0701002 desvela un
procedimiento de fabricación de materiales metálicos con granos
finos en el que se agita material fundido durante el enfriamiento a
una tasa de \geq 1ºC /segundo desde \leq 30ºC sobre el estado
líquido, de tal modo que el contenido de líquido se ajusta a entre
20 - 30%, y los cristales primarios se esferoidizan.
Por consiguiente, sería deseable proporcionar
composiciones de aleación de metales
líquidas-sólidas homogéneas, exentas de película,
que estén libres de gases atrapados y en las que el componente
sólido esté libre de una composición eutéctica. Además, sería
deseable formar composiciones tales en las que los sólidos primarios
tienen una esfericidad máxima que está distribuida homogéneamente
por todo el volumen de la composición de aleación de metales. Una
composición de aleación de metales tal sería moldeada más fácilmente
para proporcionar un producto que posea características físicas
homogéneas por todo su volumen. Asimismo, sería deseable
proporcionar un procedimiento para formar tales composiciones
líquidas-sólidas en las que núcleos cristalinos
están dispersados homogéneamente en el seno de una fusión líquida,
de tal modo que pueden formarse sólidos primarios dimensionados
homogéneamente por todo el volumen de la aleación de metales
líquida-sólida.
La invención proporcionada por las
reivindicaciones está basada en el descubrimiento de que puede
formarse una composición de aleación de metales
líquida-sólida, exenta de película a partir de una
composición de aleación de metales fundida, libre de gases
atrapados, sustancialmente libre de eutéctico atrapado en sólidos
primarios, y teniendo sólidos primarios que son sustancialmente
esféricos mediante condiciones de control de enfriamiento y
agitación vigorosa de un precursor líquido para la aleación de
metales líquida-sólida. Se ha descubierto que el
enfriamiento rápido y la agitación vigorosa pueden efectuarse
durante un tiempo breve sobre un intervalo estrecho de temperaturas
cercano a la temperatura de fluidez de la aleación de metales
fundida a una velocidad de enfriamiento controlada para formar
núcleos de partículas sólidos. Después se detiene la agitación en un
proceso por lotes o se retira la aleación
líquida-sólida de la fuente de agitación en un
proceso continuo, al tiempo que el enfriamiento continúa, de tal
modo que se forman los sólidos primarios sobre los núcleos sólidos
de partículas al tiempo que se impide la formación de una red
dendrítica sólida. La composición sin película resultante comprende
partículas sólidas esferoidales primarias, dimensionadas
homogéneamente, sustancialmente libres de composición de aleación de
metales eutéctica y que están libres de gases atrapados. La
composición de aleación de metales líquida-sólida
resultante puede formarse tal como por colada.
La Fig. 1(a) es un diagrama esquemático
que ilustra el procedimiento de esta invención.
La Fig. 1(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de la Fig.
1(a).
La Fig. 2(a) es una micrografía de una
composición metálica del Ejemplo 1(a) que comprende sólidos
primarios, fase sólida secundaria sin recalentamiento.
La Fig. 2(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 2(a).
La Fig. 3(a) es una micrografía de una
composición metálica del Ejemplo 1(a) que comprende sólidos
primarios, fase sólida secundaria con recalentamiento.
La Fig. 3(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 3(a).
La Fig. 4(a) es una micrografía de una
composición metálica de la técnica anterior que comprende sólidos
primarios, fase sólida secundaria y una composición de aleación de
metales eutéctica atrapada en el seno de los sólidos primarios.
La Fig. 4(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 4(a).
La Fig. 5(a) es una micrografía de una
composición metálica de la técnica anterior que comprende sólidos
primarios, fase sólida secundaria y una composición de aleación de
metales eutéctica atrapada en el seno de los sólidos primarios.
La Fig. 5(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 5(a).
La Fig. 6(a) es una micrografía de una
composición metálica del ejemplo 1(b) que comprende sólidos
primarios, fase sólida secundaria sin recalentamiento.
La Fig. 6(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 6(a).
La Fig. 7(a) es una micrografía de una
composición metálica del Ejemplo 1(b) que comprende sólidos
primarios, fase sólida secundaria con recalentamiento.
La Fig. 7(b) es un gráfico de temperatura
en función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 7(a).
La Fig. 8(a) es una micrografía de una
composición metálica del ejemplo 2 que comprende sólidos primarios,
fase sólida secundaria sin recalentamiento.
La Fig. 8(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 8(a).
La Fig. 9(a) es una micrografía de una
composición metálica del Ejemplo 2 que comprende sólidos primarios,
fase sólida secundaria con recalentamiento.
La Fig 9(b) es un gráfico de temperatura
como función del tiempo para el procedimiento de producción del
producto de la Fig. 9(a).
La Fig. 10 es un diagrama esquemático que ilustra
el proceso continuo de esta invención.
La presente invención proporciona un
procedimiento para formar una aleación de metales exenta de película
que comprende sólidos primarios sustancialmente libres de
composiciones metálicas eutécticas, una fase secundaria que es
líquida o sólida, sólidos primarios que poseen una esfericidad
mejorada distribuida homogéneamente por todo el volumen de la
aleación de metales, cuya aleación de metales está libre de gases
atrapados. Por la frase "sustancialmente libre de composiciones
metálicas eutécticas atrapadas" tal como se utiliza en este
documento, se entiende menos de aproximadamente 2% en volumen,
preferentemente menos de 1% en volumen de composiciones metálicas
eutécticas atrapadas en los sólidos primarios sobre la base del
volumen de sólidos primarios. Los sólidos primarios de las
composiciones de aleación de metales de esta invención se
caracterizan por una esfericidad global mejorada en comparación con
la composición de aleación de metales de la técnica anterior. Esto
proporciona como resultado aleaciones de metales que son formadas
más fácilmente, ya que la esfericidad de los sólidos primarios
reduce la fricción en el seno de la aleación de metales cuando ésta
es desplazada en una etapa de formación, en comparación con
aleaciones de metales que tienen sólidos primarios con formas
irregulares o que tienen prolongaciones dendríticas en sus
superficies.
El procedimiento de esta invención comprende una
primera etapa de formación de una composición líquida de aleación de
metales en el interior de un recipiente. La composición líquida de
aleación de metales colocada en el interior del recipiente puede
entonces ser enfriada al tiempo que se agita vigorosamente la
aleación enfriada tal como por agitación, bajo condiciones
destinadas a formar partículas de núcleos sólidos impidiendo la
inclusión de gases en el seno de las composiciones de aleación
agitadas. En alternativa, puede transferirse la composición líquida
de aleación de metales a un segundo recipiente bajo condiciones
destinadas a impedir la formación de sólidos previa al enfriamiento.
De este modo, la temperatura de las paredes del segundo recipiente
puede estar por encima, a, o por debajo de la temperatura de fluidez
de la composición de aleación de metales. Cuando la temperatura de
las paredes está por debajo de la temperatura de fluidez, se aumenta
la temperatura de las paredes para convertir cualquier sólido
formado en un líquido. Además, se hace reposar la composición
líquida de aleación de metales, de tal modo que el gas atrapado, si
lo hubiera, flota en la superficie líquida sin interferencia por la
presencia de sólidos, y es retirado del líquido. La composición es
agitada vigorosamente al tiempo que se enfría, de tal modo que los
núcleos sólidos se distribuyen por toda la composición líquida de
aleación de metales de forma sensiblemente homogénea. El grado de
agitación es tal que realiza una distribución sensiblemente
homogénea de los núcleos cristalinos formados, al tiempo que se
impide la inclusión de gases. La agitación se realiza utilizando un
intervalo de velocidades de enfriamiento elevadas durante un tiempo
breve, tal como entre aproximadamente 1 segundo y aproximadamente 1
minuto, preferentemente entre aproximadamente 1 y aproximadamente 30
segundos sobre un intervalo de temperaturas correspondiente a un
porcentaje de solidificación de la aleación de entre aproximadamente
1 y aproximadamente 20% en peso de fracción sólida, preferentemente
entre aproximadamente 3 y aproximadamente 7% en peso de fracción
sólida, mientras que la composición líquida se enfría sin agitación
para realizar la formación de los núcleos sólidos. La agitación
puede realizarse utilizando una sonda fría de cualquier manera que
evite la cavitación excesiva en la superficie líquida, para evitar
con ello la inclusión de gases en el líquido. La sonda puede
volverse fría mediante el paso de un fluido de intercambio de calor,
tal como agua, a través de ella. Los medios de agitación apropiada
representativos incluyen una o una pluralidad de barras cilíndricas
provistas de medios de refrigeración internos, un sonda helicoidal o
similares que se extienden preferentemente en la profundidad del
líquido. La sonda se extiende en una porción de la profundidad del
líquido hasta sustancialmente 100% de la profundidad del líquido
para promover la dispersión homogénea de los núcleos cristalinos.
Entonces se detiene la agitación en un proceso por lotes, o la
aleación líquida-sólida es retirada de la fuente de
agitación en un proceso continuo. La composición de aleación de
metales líquida-sólida que resulta se enfría
entonces en el seno del recipiente para efectuar la formación de
partículas sólidas esferoidales en torno de las partículas de
núcleos sólidos hasta una concentración en la que las partículas
sólidas esferoidales incrementan la viscosidad de la composición
líquida-sólida global en la que ésta puede
desplazarse en una etapa de formación tal como una etapa de colada.
Generalmente, el porcentaje de peso superior de sólidos primarios
está entre aproximadamente 40 y aproximadamente 65 por ciento y
preferentemente contiene de 10 a 50 por ciento sobre la base del
peso total de la composición líquida-sólida. De
manera sorprendente, la formación de partículas sólidas esferoidales
sin agitación se efectúa por engrosamiento sin formación de una red
de dendritas interconectadas. Además, puesto que la agitación se
efectúa sólo durante un breve período de tiempo, se evita la
inclusión de gas atrapado en el seno de la composición de aleación.
Además, se ha descubierto que procediendo de esta manera, se hace
mínima o se elimina la macrosegregación de elementos por todo el
volumen del producto de aleación de metales producido. La
composición líquida-sólida resultante se forma
entonces tal como por
colada.
colada.
La composición de aleación de metales que
comprende los sólidos primarios y la fase secundaria de la
composición de esta invención puede estar formada de una amplia
variedad de metales o aleaciones que, al congelarse desde un estado
líquido sin agitación, forman una estructura en red dendrítica.
Cuando la composición de esta invención incluye partículas discretas
sólidas primarias, la composición contiene una fase secundaria que
puede ser o sólida, o líquida. La fase secundaria es sólida cuando
la composición metálica es sólida, y líquida cuando la composición
metálica es parcialmente líquida. El sólido secundario puede estar
formado de una o más composiciones sólida. Las partículas primarias
comprenden dendritas degeneradas o nódulos pequeños que son
generalmente de forma esferoidal y se forman como resultado de
agitar primero la fusión al tiempo que se enfría cuando la fase
secundaria es líquida, seguido de enfriamiento de la fase secundaria
de la aleación parcialmente fundida bajo una condición de reposo sin
agitación. Las partículas sólidas primarias están constituidas de
una fase única que tiene una composición media diferente de la
composición media de la fase secundaria circundante, cuya fase
secundaria puede comprender, por su parte, fases primaria y
secundaria en el momento de una solidificación posterior.
Por el término "sólido primario" tal como se
utiliza en este documento, se entiende la fase o las fases
solidificadas para formar partículas discretas de dendritas
degeneradas a medida que se reduce la temperatura de la fusión por
debajo de la temperatura de fluidez del metal en el intervalo de
temperaturas líquido-sólido después de haberse
formado los núcleos sólidos y antes de la colada de la forma de lodo
líquida-sólida. Los sólidos primarios son dendritas
degeneradas porque están caracterizados por tener superficies
alisadas y estructuras menos ramificadas que se aproximan a una
configuración más esférica que las dendritas normales, y no tienen
una estructura de dendritas cuando se efectúa la interconexión de
las partículas primarias para formar una estructura dendrítica en
red. Además, los sólidos primarios están sensiblemente libres de
eutécticos. Por el término "sólido secundario" tal como se
utiliza en este documento, se entiende la fase o las fases que se
solidifican a partir del líquido existente en el lodo a una
temperatura inferior a aquélla a la que se forman las partículas
sólidas primarias después de cesar la formación de sólidos
primarios. Normalmente, las aleaciones solidificadas tienen
dendritas ramificadas separadas entre sí en los estadios precoces de
solidificación, es decir, hasta 15 a 20 por ciento en peso de
sólido, y se desarrollan en una red interconectada a medida que se
reduce la temperatura y aumenta el peso de la fracción sólida. La
composición que contiene sólidos primarios de esta invención impide,
por otra parte, la formación de la red interconectada, al mantener
separadas entre sí las partículas primarias discretas mediante la
fase líquida, incluso hasta fracciones sólidas de aproximadamente 65
por ciento en peso.
El sólido secundario que se forma durante la
solidificación desde la fase líquida subsiguiente a la formación del
sólido primario contiene una o más fases del tipo que se obtendría
durante la solidificación mediante los procedimientos de colada que
se emplean actualmente. Es decir, la fase secundaria comprende
soluciones de sólidos, o mezclas de dendritas, compuestos y/o
soluciones de sólidos.
El tamaño de las partículas primarias depende de
la composición de aleación o de metales empleada, de la temperatura
de la mezcla sólida-líquida y del tiempo que pasa la
aleación en el intervalo de temperaturas de
sólido-líquido. De este modo, en general, el tamaño
de las partículas primarias depende de la composición, del historial
termomecánico del lodo, del número de núcleos cristalinos formados,
de la velocidad de enfriamiento, y puede extenderse de
aproximadamente 1 a aproximadamente 1.000 micrómetros, y están
dimensionadas homogéneamente por toda la composición de aleación de
metales. Se prefiere que la composición contenga entre 10 y 50 por
ciento en peso de sólidos primarios, ya que estas composiciones
tienen una viscosidad que promueve la facilidad de colada o
formación.
Las composiciones de esta invención pueden estar
formadas de cualquier sistema de aleación de metales o metal puro,
independientemente de su composición química que, al congelarse
desde el estado líquido sin formación de núcleos sólidos, forma una
estructura dendrítica. Pueden emplearse incluso metales puros y
fusión de eutécticos a una temperatura única para formar la
composición de esta invención, ya que estos pueden existir en
equilibrio líquido-sólido en el punto de fusión
controlando el calor neto entrante o saliente de la fusión, de tal
modo que, en el punto de fusión, el metal puro o el eutéctico
contiene suficiente calor para fundir sólo una porción del metal o
líquido eutéctico. Este ocurre debido a que la supresión completa
del calor de fusión en un lodo empleado en el procedimiento de
colada de esta invención no puede obtenerse equiparando la energía
térmica suministrada y suprimida por un entorno circundante
refrigerador. Aleaciones apropiadas representativas incluyen
aleaciones de plomo, aleaciones de magnesio, aleaciones de cinc,
aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de hierro,
aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto. Ejemplos de estas
aleaciones son aleaciones plomo-estaño, aleaciones
cinc-aluminio, aleaciones
cinc-cobre, aleaciones
magnesio-aluminio, aleaciones
magnesio-aluminio-cinc, aleaciones
magnesio-cinc, aleaciones
aluminio-silicio, aleaciones
aluminio-cobre-cinc-magnesio,
bronces de cobre-estaño, latón, bronces de aluminio,
aceros, hierros de fundición, aceros para herramientas, aceros
inoxidables, superaleaciones y aleaciones de
cobalto-cromo, o metales puros tales como hierro,
cobre o aluminio.
Los siguientes ejemplos ilustran la presente
invención y no están destinados a limitar la misma.
Ejemplo
1a
Lo que sigue es una descripción detallada de un
procedimiento para producir aleaciones de aluminio A356 con
estructuras no dendríticas, en referencia a las Figuras 1 - 5.
Se fundieron aproximadamente 405 g de material de
aleación de aluminio A356 en un crisol de grafito de alta densidad
de 7,62 cm (3 pulgadas) de alto, con un diámetro interno de 6,35 cm
(2,5 pulgadas) y un espesor de pared de 0,635 cm (0,25 pulgadas). Se
colocó el crisol en el interior de un horno de resistencia con
circulación de aire, que se programó para enfriar lentamente la
fusión a una temperatura 7ºC por encima de su temperatura de
fluidez. Después de mantener a esta temperatura durante varios
minutos, se introdujo en el horno una barra de cobre macizo con un
diámetro de 1,27 cm (0,5 pulgadas), girando a 1236 rpm, e
inicialmente a temperatura ambiente, a través de una abertura en su
parte superior y se sumergió en la fusión a 4,572 cm (1,8 pulgadas).
La barra sumergida, giratoria proporcionó una combinación de
enfriamiento rápido y agitación vigorosa de la fusión. Esto condujo
a una rápida disminución de la temperatura de la fusión, que ha
caído por debajo de la temperatura de fluidez, causando una
nucleación abundante de partículas primarias de aluminio. La barra
giratoria permaneció en la fusión durante 15 segundos, cayendo la
temperatura de la fusión a 615ºC, aproximadamente 2ºC por debajo de
la temperatura de fluidez, que corresponde a aproximadamente 3% de
fracción sólida. Tras el período de enfriamiento y agitación
combinados, se retiró la barra de la fusión, y la fusión se enfrió y
solidificó completamente. La Figura 1(a) muestra las tres
etapas generales de tratamiento de esta invención. En la etapa 1, se
forma la fusión completamente líquida 10 antes de introducir la
barra en frío giratoria 12 en la fusión 10. En la etapa 2, se forman
núcleos cristalinos 14 en la fusión líquida 10 como resultado del
contacto con la barra en frío giratoria 12. En la etapa 3, se retira
la barra 12 de la composición metálica
líquida-sólida 16 en la que se forman sólidos
primarios esferoidales al tiempo que continúa el enfriamiento a una
velocidad de enfriamiento mostrada en la Fig. 1(b) hasta que
la composición esté
sólida.
sólida.
La Figura 2(a) muestra la estructura
homogénea hallada por todo el volumen de la aleación solidificada
después del tratamiento según el ejemplo anterior y la curva de
enfriamiento mostrada en la Figura 2(b). La Figura
3(a) muestra el mismo material después de recalentarse
rápidamente a 590ºC, mantenerse isotérmicamente durante
aproximadamente 10 minutos y enfriarse según el perfil de
temperaturas de la Figura 3(b). La Figura 4(a) y (b)
muestra la microestructura y el perfil de temperaturas de un lingote
por MHD de 7,62 cm (3 pulgadas) de diámetro (agitado
electromagnéticamente) usado en el mercado para el thixocasting. La
Figura 4(a) y (b) muestra la microestructura y el perfil de
temperaturas para un diámetro de 2,54 cm (1 pulgada) recalentado de
un lingote tratado por activación de fusión inducida por tensión
(SIMA) disponible en el mercado.
Las diferencias impactantes al comparar las
microestructuras del material recalentado tratado mediante el
procedimiento descrito por esta invención con las de los lingotes
por MHD y SIMA recalentados son la cantidad insignificante de
composiciones eutécticas atrapadas y la esfericidad mejorada hallada
en el material recalentado tratado por el procedimiento descrito por
esta invención. Esta diferencia tiene una importancia crítica
durante las operaciones de formación de metales semisólidos para las
que se va a utilizar el material. A temperaturas de formación, las
composiciones eutécticas atrapadas son líquidas, pero no contribuyen
en el comportamiento de flujo del material semisólido, que se
comporta como si contuviera una mayor cantidad de partículas sólidas
primarias. Cuando están presentes cantidades significativas de
líquido atrapado en cantidades impredecibles, como se muestra en el
material por MHD recalentado, el comportamiento de flujo se hace
difícil de predecir y las operaciones de formación pueden producir
grandes cantidades de productos defectuosos.
Ejemplo
1b
Lo que sigue es una descripción detallada de un
procedimiento de producción de aleaciones de aluminio A356 con
estructuras no dendríticas, en referencia a las Figs. 6(a),
6(b), 7(a) y 7(b).
Se fundieron aproximadamente 540 g de material de
aleación de aluminio A356 en un crisol de
arcilla-grafito de 12,7 cm (5 pulgadas) de alto, con
un diámetro interno de 7,62 cm (3 pulgadas) y un espesor de pared de
1,524 cm (0,6 pulgadas). Se colocó el crisol en el interior de un
horno de resistencia con circulación de aire, que se programó para
enfriar lentamente la fusión a una temperatura ligeramente por
encima de su temperatura de fluidez. Cuando la fusión se enfrió a
3ºC por encima de la temperatura de fluidez, se introdujo en el
horno una hélice fabricada con una barra de cobre, girando a 780
rpm, e inicialmente a temperatura ambiente, a través de una abertura
en su parte superior y se sumergió en la fusión a 5,08 cm (2
pulgadas). La hélice tenía un diámetro de 2,54 cm (1 pulgada) y
estaba fabricada de una barra con un diámetro de 0,635 cm (0,25
pulgadas). La hélice sumergida, giratoria proporcionó una
combinación de enfriamiento rápido y agitación vigorosa de la
fusión. Esto condujo a una rápida disminución de la temperatura de
la fusión, que cayó por debajo de la temperatura de fluidez,
causando una nucleación abundante de partículas primarias de
aluminio. La hélice giratoria permaneció en la fusión durante 30
segundos, cayendo la temperatura de la fusión a 616ºC,
aproximadamente 1ºC por debajo de la temperatura de fluidez, que
corresponde a aproximadamente 1% de fracción sólida. Tras el período
de enfriamiento y agitación combinados, se retiró la barra de la
fusión, y la fusión se enfrió y solidificó completamente. La Figura
6(a) muestra la estructura homogénea hallada por todo el
volumen de la aleación solidificada tras el tratamiento según el
ejemplo anterior y la curva de enfriamiento mostrada en la Figura
6(b). La Figura 7(a) muestra el mismo material después
de recalentarse rápidamente a 590ºC, mantenerse isotérmicamente
durante aproximadamente 10 minutos y enfriarse según el perfil de
temperaturas de la Figura 7(b).
Lo que sigue es una descripción detallada de un
procedimiento para producir aleaciones de aluminio A356 con
estructuras no dendríticas, en referencia a las Figs. 8(a),
8(b), 9(a) y 9(b).
Se fundieron aproximadamente 590 g de material de
aleación de aluminio A356 en un crisol de grafito de alta densidad
de 10,16 cm (4 pulgadas) de alto, con un diámetro interno de 7,62 cm
(3 pulgadas) y un espesor de pared de 1,27 cm (0,5 pulgadas). Se
colocó el crisol en el interior de un horno de inducción, que se
programó para sobrecalentar la fusión aproximadamente 50ºC por
encima de su temperatura de fluidez. Después se cortó la
alimentación eléctrica del horno y la fusión se dejó enfriar
lentamente en el crisol. Cuando la fusión se enfrió al interior de
6ºC por encima de la temperatura de fluidez, se introdujo en el
horno una hélice fabricada con una barra de cobre, girando a 1000
rpm, e inicialmente a temperatura ambiente, a través de una abertura
en su parte superior, y se sumergió en la fusión a 5,08 cm (2
pulgadas). La hélice tiene un diámetro de 2,54 cm (1 pulgada) y
estaba fabricada de una barra con un diámetro de 0,635 cm (0,25
pulgadas). La hélice sumergida, giratoria proporcionó una
combinación de enfriamiento rápido y agitación vigorosa de la
fusión. Esto condujo a una rápida disminución de la temperatura de
la fusión, que cayó por debajo de la temperatura de fluidez,
causando una nucleación abundante de partículas primarias de
aluminio. La hélice giratoria permaneció en la fusión durante 32
segundos, cayendo la temperatura de la fusión a 608ºC,
aproximadamente 9ºC por debajo de la temperatura de fluidez, que
corresponde a aproximadamente 18% de fracción sólida. Tras el
período de enfriamiento y agitación combinados, se retiró la barra
de la fusión, y la fusión se enfrió y solidificó completamente. La
Figura 8(a) muestra la estructura homogénea hallada por todo
el volumen de la aleación solidificada tras el tratamiento según el
ejemplo anterior y la curva de enfriamiento mostrada en la Figura
8(b). La Figura 9(a) muestra el mismo material después
de recalentarse rápidamente a 590ºC, mantenerse isotérmicamente
durante aproximadamente 20 minutos y enfriarse según el perfil de
temperaturas en la Figura 9(b).
Como se muestra en la Fig. 10, se ilustra un
proceso continuo de formación de las composiciones de aleación de
metales de esta invención. Un recipiente 20 comprende un primer
sub-recipiente 22 destinado a contener una
composición metálica completamente líquida 24 que se introduce desde
un recipiente 26. Un sub-recipiente 28 está adaptado
para recibir una barra giratoria refrigerada por agua 30 y para
recibir lacomposición metálica líquida a través de una vía de paso
32, que puede abrirse o cerrarse con medios de válvula
convencionales (no mostrados). En el sub-recipiente
28 se forman núcleos cristalinos 34 de la manera descrita
anteriormente. La composiciónlíquida-sólida 36 se
retira de la barra agitadora 30 al sub-recipiente
28, bien por gravedad, bajo presión, bien mediante una fuerza de
tracción apropiada sobre la composición 36, de tal modo que ésta
puede enfriarse en ausencia de agitación para formar una
composición que pueda ser conformada bien directamente, bien al ser
solidificada y después recalentada para formar una composición
líquida-sólida.
Claims (11)
1. Un procedimiento para la formación de una
composición metálica exenta de película, libre de gases atrapados y
que tiene dendritas degeneradas discretas de sólido distribuidas
homogéneamente en el seno de una fase líquida de dicha composición
metálica, estando dichas dendritas degeneradas discretas de sólido
sustancialmente libres de eutécticos, que comprende:
(a) calentar una composición de aleación de
metales en un recipiente para formar un líquido libre de sólidos y
que comprende dicha composición metálica,
(b) enfriar dicho líquido al tiempo que se agita
dicho líquido bajo condiciones destinadas a formar núcleos sólidos
dispersados homogéneamente en el seno de dicho líquido al tiempo que
se evita la inclusión de gas en dicho líquido a una velocidad de
enfriamiento de entre aproximadamente 2 grados C por segundo y
aproximadamente 10 grados C por segundo para formar una composición
líquida-sólida que contiene entre aproximadamente 1
y aproximadamente 10 en peso de fracción sólida,
(c) cesar la agitación de dicho líquido o retirar
la aleación líquida-sólida de la fuente de
agitación; y
(d) continuar el enfriamiento de dicho líquido al
tiempo que dicha composición líquida-sólida está en
reposo hasta que dicha composición metálica sea sólida.
2. Un procedimiento para la formación de una
composición metálica exenta de película, libre de gases atrapados y
que tiene dendritas degeneradas discretas de sólido distribuidas
homogéneamente en el seno de una fase líquida de dicha composición
metálica, estando dichas dendritas degeneradas discretas de sólido
sustancialmente libres de eutécticos, que comprende:
(a) calentar una composición de aleación de
metales en un recipiente para formar un líquido libre de sólidos y
que comprende dicha composición metálica,
(b) enfriar dicho líquido al tiempo que se agita
dicho líquido bajo condiciones destinadas a formar núcleos sólidos
dispersados homogéneamente en el seno de dicho líquido al tiempo que
se evita la inclusión de gas en dicho líquido a una velocidad de
enfriamiento de entre aproximadamente 2 grados C por segundo y
aproximadamente 10 grados C por segundo para formar una composición
líquida-sólida que contiene entre aproximadamente 1
y aproximadamente 10 en peso de fracción sólida,
(c) cesar la agitación de dicho líquido o retirar
la aleación líquida-sólida de la fuente de
agitación; y
(d) continuar el enfriamiento de dicho líquido al
tiempo que dicha composición líquida-sólida está en
reposo hasta que dicha composición metálica contenga hasta
aproximadamente 65 por ciento en peso de sólidos primarios
dispersados homogéneamente en una fase secundaria líquida, y
(e) conformar dicha mezcla
líquida-sólida formada en la etapa (d).
3. El procedimiento según la reivindicación 1 o
reivindicación 2, en el que dicho líquido es enfriado en dicho
recipiente.
4. El procedimiento según la reivindicación 1, en
el que dicho líquido se transfiere a un segundo recipiente antes de
la etapa (b).
5. El procedimiento según la reivindicación 4, en
el que las paredes de dicho segundo recipiente están inicialmente a
una temperatura por encima de la temperatura de fluidez de dicha
composición de aleación de metales.
6. El procedimiento según la reivindicación 5, en
el que las paredes de dicho segundo recipiente están inicialmente a
una temperatura en la temperatura de fluidez de dicha composición de
aleación de metales.
7. El procedimiento según la reivindicación 4, en
el que las paredes de dicho segundo recipiente están inicialmente a
una temperatura por debajo de la temperatura de fluidez de dicha
composición de aleación de metales.
8. El procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que la agitación se efectúa con una
sonda que se extiende dentro del líquido.
9. El procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que la agitación se efectúa con una
pluralidad de sondas que se extienden dentro del líquido.
10. El procedimiento según la reivindicación 1,
en el que dichas etapas (b), (c) y (d) se ejecutan en continuo.
11. El procedimiento según la reivindicación 2,
en el que dichas etapas (b), (c), (d) y (e) se ejecutan en
continuo.
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|---|---|---|---|---|
| US3902544A (en) * | 1974-07-10 | 1975-09-02 | Massachusetts Inst Technology | Continuous process for forming an alloy containing non-dendritic primary solids |
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| US4397687A (en) * | 1982-05-21 | 1983-08-09 | Massachusetts Institute Of Technology | Mixing device and method for mixing molten metals |
| US4565241A (en) * | 1982-06-01 | 1986-01-21 | International Telephone And Telegraph Corporation | Process for preparing a slurry structured metal composition |
| US4585494A (en) * | 1984-04-11 | 1986-04-29 | Olin Corporation | Beta copper base alloy adapted to be formed as a semi-solid metal slurry and a process for making same |
| JPH0780617A (ja) * | 1993-09-10 | 1995-03-28 | Leotec:Kk | 固液共存域ダイカスト用冷塊素材 |
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| JPH07155919A (ja) * | 1993-12-09 | 1995-06-20 | Leotec:Kk | ダイカスト機へのレオメタルの装入方法 |
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| JP3920378B2 (ja) * | 1996-07-24 | 2007-05-30 | 株式会社アーレスティ | レオキャスト鋳造法及びレオキャスト鋳造装置 |
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