ES2269282T3 - Procedimiento para el tratamiento de materiales metalicos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el tratamiento de materiales metálicos de difícil confor- mación, para la consolidación de la estructura cristalina de los materiales metálicos, comprendiendo las fases del procedimiento, producción de una pieza bruta de material metálico, calentamiento de la pieza bruta a la temperatura de conformación, así como la deformación de la pieza bruta, ejerciéndose la deformación en forma de una torsión y de una compresión simultánea.

Description

Procedimiento para el tratamiento de materiales metálicos.

La invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento de materiales metálicos de difícil conformación, para la consolidación de la estructura cristalina de los materiales metálicos. Un procedimiento semejante está indicado, por ejemplo, en el documento US-A-5 039 356.

Las técnicas convencionales de tratamiento o conformación, hasta ahora utilizadas para materiales metálicos, muestran resultados de consolidación, que por lo regular no satisfacen los resultados deseados en sí mismos. Materiales metálicos especiales, por ejemplo, del grupo de los aluminuros de titanio o materiales de magnesio, después de las técnicas convencionales de tratamiento y conformación, utilizadas hasta ahora, por ejemplo, por forja o extrusión, todavía presentan siempre notables inhomogeneidades químicas y estructurales de su estructura cristalina, que no pueden tolerarse para determinadas aplicaciones técnicas. A las conocidas técnicas de tratamiento o conformación, les falta en primera línea que con ellas sólo pueden lograrse grados de deformación relativamente pequeños. Esto no puede aceptarse, por ejemplo, cuando los materiales metálicos deban de emplearse en zonas de alta solicitación térmica y mecánica, por ejemplo, en álabes de turbinas de motores a reacción para aviones, o bielas para grupos propulsores de automóviles.

Los materiales metálicos como los aluminuros intermetálicos de titanio, son materiales muy quebradizos y, por tanto, de difícil conformación. Hasta ahora, tales materiales metálicos se habían fabricado exclusivamente mediante procedimientos metalúrgicos de fusión, aplicándose sobre todo fusión al arco bajo vacío, fusión de plasma y fusión por inducción. A pesar de que la materia a fundir, se funde por lo general de dos a tres veces, aparecen en los cuerpos de fundición, notables deficiencias de calidad, que se manifiestan sobre todo, por una estructura cristalina de grano grueso, con una orientación prioritaria muy marcada de los cristales, fuertes incrementos (oscilaciones locales en la composición), y la aparición de poros. Semejantes deficiencias aparecen no sólo en la fundición primaria, por ejemplo, de aluminuros de titanio, sino también en muchos otros materiales metálicos, de manera que, como ya se ha dicho, no son, sin embargo, apropiados para una fabricación directa del componente constructivo a partir del material de fundición. El material existente como fundición primaria, tiene que consolidarse por consiguiente estructural y químicamente. Para ello se aplica por lo general la conformación a alta temperatura por forja o extrusión, procurándose ante todo un afino claro de la estructura metálica, y una compensación de las oscilaciones locales en la composición del material, cuando se trate, por ejemplo, de aleaciones metálicas.

Hasta ahora se consolidaba la estructura metálica del material de fundición, mediante procesos de recristalización y transformaciones alotrópicas que se inician durante la conformación a alta temperatura mediante la energía mecánica aportada al material. Por consiguiente, la finura y homogeneidad de la estructura cristalina existente después de la conformación, es función de, además de la temperatura de conformación y de la velocidad de conformación, sobre todo, del grado de deformación, es decir, del tamaño de la deformación plástica alcanzada en la conformación del material. Este grado de deformación está limitado en la forja convencional de una sola etapa, por lo general mediante compresión, a una reducción en altura del 90 al 95%. Para tales grados de deformación se generan en la periferia del cuerpo forjado, grandes tensiones secundarias de tracción, que frecuentemente conducen a la formación de grietas. Esto es especialmente problemático para materiales quebradizos como los aluminuros de titanio, que por tanto, por lo general solamente pueden conformarse en lo esencial, más débilmente. Grados mayores de deformación exigen forja de varias etapas, que es muy costosa y, además, no puede aplicarse para todas las formas pretendidas de componentes constructivos.

Especialmente desventajoso es también que para forjar por encima de 1000ºC, no se dispone de materiales ningunos apropiados para forja en estampa. Las aleaciones de molibdeno empleadas hasta ahora hasta temperaturas de 1000ºC, sólo pueden trabajar bajo atmósfera protectora, lo cual dificulta y encarece la realización práctica de las
forjas.

En la extrusión aplicada hasta ahora asimismo para la conformación, en general pueden alcanzarse claramente mayores grados de deformación que en la forja. También es posible que mediante tensiones hidrostáticas superpuestas, puedan conformarse relativamente bien materiales quebradizos. En las aplicaciones prácticas, el grado de deformación conseguido realmente en la extrusión está limitado, no obstante, en general por la geometría del deseado cuerpo moldeado, a una reducción de la sección transversal de aproximadamente 10: 1. Es desventajoso, además, que para la extrusión se necesitan por lo general temperaturas más altas que para la forja. Materiales que como los aluminuros de titanio, son muy sensibles a la oxidación y a la corrosión, tienen que blindarse pues especialmente para la extrusión, lo cual es relativamente caro y de gran coste.

Por consiguiente es misión de la presente invención crear un procedimiento del tipo citado en el preámbulo, con el que sea posible el tratamiento de materiales metálicos, con respecto a una consolidación de su estructura cristalina, ampliamente mejorada frente al procedimiento actual, debiendo de poder aplicarse el procedimiento también para materiales muy quebradizos y, por tanto, hasta ahora conformables solamente con mucha dificultad, como las aleaciones intermetálicas.

Según la invención se resuelve la misión mediante un procedimiento según la reivindicación 1.

Pieza bruta en el sentido descrito anteriormente, quiere decir un elemento de material metálico del tipo arriba descrito, que ha sido tratado ampliamente, en su caso por fusión múltiple, tal como hasta ahora ha sido tratado previamente también para la extrusión o forja.

El elemento metálico en este sentido, puede ser una probeta correspondiente para fines científicos, pero también puede ser un semiproducto que debe de servir para la producción de productos terminados, por ejemplo, álabes de turbinas para motores a reacción, o bielas para grupos propulsores de automóviles.

Mediante la solución según la invención, pueden producirse piezas brutas a partir de materiales metálicos, con las que, como se pretende, puede conseguirse una consolidación claramente mejorada de la estructura cristalina del material metálico, habiendo mostrado la aplicación del procedimiento a materiales metálicos quebradizos y, por tanto, de difícil conformación, resultados con respecto a la estructura cristalina que puede lograrse según el procedimiento, que han superado notablemente incluso las esperanzas puestas en el procedimiento, es decir, la consolidación estructural y química de la estructura cristalina, se ha mejorado notablemente respecto a las consolidaciones de la estructura metálica que pueden lograrse mediante el conocido procedimiento de forja y extrusión. Otra ventaja esencial del procedimiento según la invención, reside en que la temperatura de conformación, a la que se calienta la pieza bruta, puede estar situada notablemente por debajo de las temperaturas que tenían que conseguirse para el hasta ahora conocido procedimiento de forja y extrusión.

Para conseguir la consolidación de la estructura cristalina del material metálico, se ejerce la deformación en forma de una torsión, como también de una compresión simultánea, es decir, se lleva a cabo una superposición de los dos tipos de deformación, volviéndose a cerrar en un estadio muy temprano, durante la deformación del material metálico, las grietas de cizallamiento que aparecen en ciertos casos a causa de la torsión, de manera que estas no puedan crecer para formar macrogrietas. Mediante la superposición de torsión y compresión, se consigue, además, una deformación más homogénea del material, puesto que los procesos de cizallamiento correspondientes a los dos procesos de deformación, discurren fuertemente inclinados uno respecto al otro, para una estructura geométrica apropiada de la pieza bruta.

Con ventaja se lleva cabo la compresión mediante la aplicación de la pieza bruta con fuerza constante, pero también es posible de preferencia dejar que se lleve a cabo la compresión mediante la aplicación de la pieza bruta con velocidad constante de deformación.

Básicamente puede llevarse a cabo el calentamiento de la pieza bruta durante el tratamiento según el procedimiento, de cualquier manera, siendo ventajoso controlar el calentamiento de la pieza bruta de tal manera que la pieza bruta se caliente en conjunto, o se mantenga a la temperatura de conformación, cuando tenga lugar la de formación. En este caso se deforma la pieza bruta en conjunto, es decir, se tuerce y comprime.

Pero también puede ser ventajoso provocar el calentamiento de manera que se caliente con precisión la zona seleccionada de la pieza bruta, cuya deformación deba de provocarse, es decir, en el sentido más amplio, una deformación paso a paso de la pieza bruta en función del dispositivo de calentamiento, posicionado con relación a la pieza bruta, o de la aportación del calor.

El calentamiento de la pieza bruta, se lleva a cabo de preferencia mediante una bobina eléctrica que se posiciona apropiadamente alrededor de la pieza bruta, y en su caso, puede desplazarse a lo largo de la pieza bruta, para calentar zonas escogidas de la pieza bruta, determinadas en el sentido de lo dicho precedentemente.

Especialmente es muy ventajoso dejar que la deformación de la pieza bruta se lleve a cabo a una temperatura en la gama de los 1000ºC, pero siendo posible también según la invención, cuando lo exija el material metálico especial, elegir temperaturas superiores o inferiores para la temperatura de conformación de la pieza bruta.

Si hubieran de ser necesarias temperaturas extremadamente altas de conformación, que exceden en su caso los 1000ºC, es ventajoso dejar que el procedimiento tenga lugar al menos parcialmente, en una atmósfera protectora.

Ahora se describe exhaustivamente la invención haciendo referencia a los dibujos esquemáticos siguientes, de la mano de un ejemplo de realización. En ellos se muestran:

Figura 1 Un esquema de principio para ilustración de una posible solución técnica del procedimiento, exponiéndose la pieza bruta allí representada a una combinación de torsión y de compresión.

Figura 2 Una macrofotografía de una probeta de TiAl de composición Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B, tratada a 1000ºC, mediante la combinación de torsión y compresión, por el procedimiento según la invención, estando indicada la composición en porcentaje atómico, y

Figura 3 Una fotografía de microscopio óptico, de la estructura cristalina, para la representación de la finura de la estructura cristalina, conseguida por la combinación de torsión y compresión, en donde a) muestra la estructura cristalina en la zona de la cabeza no deformada de la probeta, b) la estructura cristalina en la zona central conformada de la probeta, y c) una fotografía de microscopio electrónico de barrido, en la zona central de la probeta, para la representación de la gran finura conseguida de la estructura cristalina,

El procedimiento aquí descrito se ensayó a escala de laboratorio en una aleación TiAl de composición (en porcentaje atómico)

Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B.

Los experimentos se realizaron en el aire. Probetas provistas con cabezas roscadas se instalaron en un aparato de prueba a compresión en el que los soportes de la probeta pudieran retorcerse en sentidos opuestos para la torsión de la probeta (figura 1). Las probetas se calentaron mediante una bobina de inducción a diferentes temperaturas de deformación entre 1000 y 1100ºC. La temperatura de las probetas se determinó con un termopar. A causa de la estructura geométrica de la bobina, la zona caliente de la probeta tenía una longitud de unos 6 mm, lo que se consideró para la evaluación, como longitud efectiva de la probeta. Después de alcanzar la temperatura deseada se cargaron primeramente las probetas en la dirección de compresión con esfuerzos constantes, que estaban entre 10 y 50 Mpa. Aquí a consecuencia de la estructura cristalina muy basta de la fundición, no se llevó a cabo todavía ninguna deformación. A continuación se retorcieron las probetas dentro de un minuto, un ángulo \varphi = 720º (dos vueltas). Esto corresponde con la estructura existente de la probeta r = 4 mm, l = 6 mm, en la superficie lateral de las probetas, a un grado muy alto de deformación de aproximadamente \gamma_{t} = 600% y una tasa de dilatación de d\gamma_{t}/dt = 5 x 10^{-2} s^{-1}. Durante la torsión tiene lugar pues una recristalización intensiva. Debido a la finura de la estructura cristalina que la acompaña, desciende fuertemente la tensión de fluencia del material, de manera que se deforma también a compresión, bajo el esfuerzo aplicado. De este modo se consigue la deseada combinación de torsión y compresión. La deformación producida a compresión de este modo, ascendió típicamente al 20%.

La figura 2 muestra una macrofotografía de la probeta conformada. La finura de la estructura cristalina, conseguida mediante el procedimiento de conformación está demostrada en la figura 3 de la mano de fotografías de microscopio óptico.

La figura 3a muestra la estructura cristalina relativamente basta de fundición, en la zona de cabeza de la probeta, en la que no ha tenido lugar ninguna deformación y, por tanto, tampoco ninguna recristalización dinámica. Por el contrario en la zona central de la probeta, deformada por la compresión y la torsión, aparece una gran finura de la estructura cristalina (figura 3b). El tamaño medio de grano de colonias laminares, asciende en la zona de cabeza de la probeta, aproximadamente a d = 800 \mum, mientras que el tamaño equivalente en la zona central de la probeta, se redujo a aproximadamente d = 50 \mum. En la zona de la probeta deformada por torsión y compresión, a pesar del alto grado de deformación, no aparecieron grietas en ningún punto, por consiguiente todavía puede aumentarse claramente con seguridad, el grado de deformación para el ulterior afinamiento del grano.

El procedimiento aquí descrito puede ampliarse sin dificultades a escalas técnicas, puesto que los componentes necesarios para ello, como calefacciones por inducción o máquinas de conformar, pertenecen al equipamiento normal de la industria metalúrgica.

Una ventaja especial del procedimiento es que los soportes de la probeta no necesitan calentarse, por tanto no existen tampoco exigencias ningunas especiales en la resistencia a altas temperaturas de estos materiales. En la realización del experimento puede calentarse la probeta a conformar homogéneamente en toda su longitud, a la deseada temperatura de deformación. Alternativamente a esto, la probeta puede calentarse, no obstante, localmente mediante calefacción por inducción. Este último procedimiento tiene la ventaja de que en condiciones por lo demás iguales, pueden realizarse localmente grados de deformación y velocidades de deformación muy altas, lo cual es ventajoso en muchos materiales para conseguir una recristalización homogénea. Para la conformación total de la probeta, además, como indica la figura 1, tiene que desplazarse la bobina de inducción a lo largo del eje longitudinal de la probeta. Como se demostró mediante los resultados presentes, la conformación puede llevarse a cabo a temperaturas de conformación relativamente bajas de unos 1000º, en comparación con los procedimientos convencionales de forja y extrusión, lo cual configura claramente más sencilla la conformación de materiales sensibles a la corrosión como los aluminuros de titanio. No obstante, una ventaja especial del procedimiento, reside en que pueden realizarse en forma relativamente sencilla, procesos de conformación a temperaturas extremadamente altas bajo atmósfera protectora. Por ejemplo, en el caso de los aluminuros de titanio, se necesitan frecuentemente temperaturas de conformación por encima de 1350º, ya que así pueden ajustarse morfologías especialmente laminares de la estructura cristalina. Gracias a esta posibilidad de variación en la conducción del ensayo, pueden ajustarse las condiciones de conformación en gran medida, al comportamiento de la deformación y de la recristalización, de manera que también puedan conformarse bien, materiales relativamente quebradizos, como los aluminuros de titanio. No obstante, los pares de rotación y fuerzas necesarias para la deformación, pueden prepararse en todos los casos, mediante soportes relativamente fríos para las probetas, de manera que estos soportes no necesitan fabricarse de materiales muy caros, resistentes a altas temperaturas.

Lista de símbolos de referencia

10

Pieza bruta

11

Cuerpo roscado

12

Cuerpo roscado

13

Dispositivo de deformación

14

Torsión

15

Compresión

16

Dispositivo de calentamiento (bobina de inducción)

17

Desplazamiento del dispositivo de calentamiento (flecha)

18

Zona de calentamiento

Claims (8)

1. Procedimiento para el tratamiento de materiales metálicos de difícil conformación, para la consolidación de la estructura cristalina de los materiales metálicos, comprendiendo las fases del procedimiento, producción de una pieza bruta de material metálico, calentamiento de la pieza bruta a la temperatura de conformación, así como la deformación de la pieza bruta, ejerciéndose la deformación en forma de una torsión y de una compresión simultánea.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la compresión se lleva a cabo aplicando a la pieza bruta, una fuerza constante.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la compresión se lleva a cabo, aplicando a la pieza bruta, una velocidad constante de deformación.

4. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el calentamiento se provoca de tal manera que se caliente la probeta en conjunto.

5. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el calentamiento se provoca de tal manera que se caliente con precisión la zona de la probeta cuya deformación debe de provocarse.

6. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el calentamiento de la pieza bruta se provoca mediante inducción eléctrica.

7. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la deformación de la pieza bruta se lleva a cabo a una temperatura en la gama de los 1000ºC.

8. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el tratamiento se realiza bajo una atmósfera protectora.