ES2270403T3 - Pieza fundida en una aleacion de aluminium. - Google Patents
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Abstract
Elemento estructural colado de una aleación de aluminio con buena resistencia al calor, caracterizado porque la aleación contiene del 2 al 4% en peso de magnesio del 0, 9 al 1, 5% en peso de silicio del 0, 1 al 0, 4% en peso de manganeso del 0, 1 al 0, 4% en peso de cromo como máximo el 0, 2% en peso de hierro como máximo el 0, 1% en peso de cobre como máximo el 0, 2% en peso de cinc como máximo el 0, 2% en peso de titanio como máximo el 0, 3% en peso de circonio como máximo el 0, 008% en peso de berilio como máximo el 0, 5% en peso de vanadio así como el resto de aluminio, con impurezas dependientes de la fabricación, como máximo individualmente el 0, 02% en peso, como máximo en total el 0, 2% en peso.
Description
Pieza fundida en una aleación de aluminium.
La invención se refiere a un elemento
estructural colado de una aleación de aluminio con buena resistencia
al calor.
Para los elementos estructurales sometidos a
esfuerzos térmicos se emplean hoy en día normalmente aleaciones de
AlSi, en las que la resistencia al calor se alcanza por la adición
de Cu a la aleación. Sin embargo, el cobre aumenta también la
tendencia a grietas térmicas y tiene un efecto negativo sobre la
capacidad de colado. Fundamentalmente en el área de las culatas en
la construcción de automóviles se encuentran aplicaciones en las
que se requiere especialmente resistencia al calor, véase por
ejemplo, F. J. Feikus, "Optimierung von
Aluminium-Silicium-Gusslegierungen
für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999,
fascículo 2, págs. 50-57.
Del documento
WO-A-0043560 se conoce una aleación
de aluminio con el 2,5 - 7,0% en peso de Mg, el 1,0 - 3,0% en peso
de Si, el 0,3 - 0,49% en peso de Mn, el 0,1 - 0,3% en peso de Cr,
como máximo el 0,15% en peso de Ti, como máximo el 0,15% en peso de
Fe, como máximo el 0,00005% en peso de Ca, como máximo el 0,00005%
en peso de Na, como máximo el 0,0002% en peso de P, otras
impurezas, como máximo individualmente el 0,02% en peso, y el resto
aluminio, para la fabricación de elementos estructurales de
seguridad por los procedimientos de colada a presión, moldeo por
infiltración a presión, tixomoldeo o tixoforja.
La invención se basa en el objetivo de
proporcionar una aleación de aluminio de buena resistencia al calor
adecuada para la fabricación de elementos estructurales sometidos a
esfuerzos térmicos. La aleación deberá ser adecuada sobre todo para
la colada en coquilla por gravedad, la colada en coquilla a baja
presión y la colada en arena.
Los elementos estructurales colados a partir de
la aleación deberán presentar una alta resistencia en combinación
con una alta ductilidad. Las propiedades mecánicas deseadas para el
elemento estructural se definen de la manera siguiente:
| Límite de alargamiento | Rp0,2 | > | 170 MPa |
| Resistencia a la tracción | Rm | > | 230 MPa |
| Alargamiento de rotura | A5 | > | 6% |
Condicionada por las aplicaciones, la tendencia
a la corrosión de la aleación deberá mantenerse lo más baja
posible, y la aleación debe presentar también una
correspondientemente buena resistencia a la fatiga. La capacidad de
colado de la aleación deberá ser mejor que la de las aleaciones de
AlSiCu empleadas actualmente y la aleación no deberá mostrar
ninguna tendencia a grietas térmicas.
El término elemento estructural comprende,
además de los genuinos elementos estructurales fabricados sólo por
colada, también aquéllos que se cuelan como preforma y después se
moldean en frío o en caliente al tamaño final mediante amasado.
Algunos ejemplos de elementos estructurales
genuinos son aquéllos que se fabrican exclusivamente por colada en
arena, colada en coquilla por gravedad, colada en coquilla a baja
presión, colada a presión, tixocolada o moldeo por infiltración a
presión.
Las operaciones de conformación que se realizan
mediante amasado sobre una preforma colada son, por ejemplo, la
forja y la tixoforja.
El objetivo se logra según la invención mediante
una aleación de aluminio con
- del 2 al 4% en peso de magnesio
- del 0,9 al 1,5% en peso de silicio
- del 0,1 al 0,4% en peso de manganeso
- del 0,1 al 0,4% en peso de cromo
- como máximo el 0,2% en peso de hierro
- como máximo el 0,1% en peso de cobre
- como máximo el 0,2% en peso de cinc
- como máximo el 0,2% en peso de titanio
- como máximo el 0,3% en peso de circonio
- como máximo el 0,008% en peso de berilio
- como máximo el 0,5% en peso de vanadio
así como el resto de aluminio, con
impurezas dependientes de la fabricación, como máximo
individualmente el 0,02% en peso, como máximo en total el 0,2% en
peso.
Para los elementos de aleación individuales se
prefieren los siguientes intervalos de contenido:
- Mg
- del 2,5 al 3,5% en peso, en especial del 2,7 al 3,3% en peso
- Si
- del 0,9 al 1,3% en peso
- Mn
- del 0,15 al 0,3% en peso
- Cr
- del 0,15 al 0,3% en peso
- Ti
- del 0,05 al 0,15% en peso
- Fe
- como máximo el 0,15% en peso
- Cu
- como máximo el 0,05% en peso
- Be
- del 0,002 al 0,005% en peso
- V
- del 0,01 al 0,1% en peso
- Zr
- del 0,1 al 0,2% en peso.
El efecto de los elementos de aleación puede
caracterizarse aproximadamente de la manera siguiente:
El silicio en combinación con el magnesio
conduce a un endurecimiento adecuado, en lo que es interesante sobre
todo el endurecimiento por tratamiento térmico. Preferentemente se
realiza un tratamiento térmico hasta el estado T6, por ejemplo un
recocido de disolución a 550ºC durante 12 horas, con un
envejecimiento artificial posterior a 160 - 170ºC durante 8 - 10
horas.
La combinación de manganeso y cromo conduce a
una buena resistencia al calor para una temperatura continua de
hasta 180ºC.
El titanio y el circonio sirven para el
afinamiento del grano. Un buen afinamiento del grano contribuye de
forma importante a la mejora de las propiedades de colada.
El berilio en combinación con el vanadio reduce
la formación de arañazos.
Un área de aplicación preferida de los elementos
estructurales según la invención son elementos estructurales
sometidos a esfuerzos térmicos, en especial recipientes a presión,
carcasas de compresores y componentes de motores tales como culatas
en la fabricación de automóviles. Los elementos estructurales se
fabrican preferentemente por los procedimientos de colada en arena
o en coquilla.
Otras ventajas, características y
particularidades de la invención resultan de la siguiente
descripción de los ejemplos de realización preferidos, así como del
dibujo; éste muestra en las
Figs. 1 - 3 la resistencia a la tracción, el
límite de alargamiento y el alargamiento de rotura dependientes de
la temperatura después de 500 horas de esfuerzo térmico continuo
para una aleación según la invención y una aleación de comparación
según el estado de la técnica.
La aleación según la invención con la
denominación AlMg3Si1MnCr y una aleación de comparación con la
denominación AlSi7MgCu1 de F. J. Feikus, "Optimierung von
Aluminium-Silicium-Gusslegierungen
für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999,
fascículo 2, págs. 50-57, con las composiciones
indicadas en la tabla 1, se compararon entre sí con respecto a su
comportamiento a largo plazo bajo un esfuerzo térmico continuo.
| Aleación | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | Be | V | Zr |
| AlSi7MgCu1 | 6,97 | 0,11 | 0,94 | 0,005 | 0,38 | 0,008 | 0,03 | ||||
| AlMg3Si1MnCr | 1,10 | 0,07 | 0,001 | 0,20 | 3,2 | 0,21 | 0,002 | 0,12 | 0,003 | 0,03 | 0,0005 |
La aleación según la invención se coló en una
coquilla probeta según Diez para obtener barras redondas de 16 mm
de diámetro. En estas barras redondas se determinaron las
propiedades mecánicas, límite de alargamiento (Rp0,2), resistencia
a la tracción (Rm) y alargamiento de rotura (A5) en el estado T6
(165ºC / 6h), después de un esfuerzo térmico continuo de 500 horas
a distintas temperaturas. Los valores correspondientes para la
aleación de comparación se tomaron del artículo anterior de F. J.
Feikus. Los resultados se representan en la figura 1 en forma de
diagrama.
Aunque la aleación según la invención
AlMg3Si1MnCr no alcanza los valores máximos de la aleación de
comparación AlSi7MgCu1 con respecto al límite de alargamiento y a
la resistencia a la tracción, es "menos inestable" en su
comportamiento térmico. Esta inestabilidad se manifiesta como
perjudicial en servicio, en el sentido de que pequeños cambios de
temperatura pueden ocasionar importantes modificaciones de las
propiedades mecánicas. En la aleación según la invención, el límite
de alargamiento se mantiene prácticamente al mismo nivel hasta
aproximadamente 180ºC, desciende paulatinamente hasta 200ºC, y sólo
a partir de 200ºC empieza a descender continuadamente. El descenso
continuado tiene lugar con menor pendiente en comparación con la
aleación AlSi7MgCu1.
Respecto al alargamiento de rotura, la aleación
según la invención se caracteriza por un valor prácticamente
constante hasta 180ºC. Altos valores de alargamiento proporcionan un
comportamiento favorable de rotura/fallo. La rotura del elemento
estructural viene precedida por una deformación visible. Por encima
de 180ºC el alargamiento aumenta continuadamente. En el caso de la
aleación de comparación AlSi7MgCu1 se reconoce aquí el claro efecto
del endurecimiento. Bajos valores de alargamiento causan un
comportamiento de fallo desfavorable, es decir, el elemento
estructural sólo se deforma ligeramente o no se deforma en absoluto.
Para esfuerzos máximos el elemento estructural se rompe sin previo
aviso.
Claims (13)
1. Elemento estructural colado de una aleación
de aluminio con buena resistencia al calor, caracterizado
porque la aleación contiene
- del 2 al 4% en peso de magnesio
- del 0,9 al 1,5% en peso de silicio
- del 0,1 al 0,4% en peso de manganeso
- del 0,1 al 0,4% en peso de cromo
- como máximo el 0,2% en peso de hierro
- como máximo el 0,1% en peso de cobre
- como máximo el 0,2% en peso de cinc
- como máximo el 0,2% en peso de titanio
- como máximo el 0,3% en peso de circonio
- como máximo el 0,008% en peso de berilio
- como máximo el 0,5% en peso de vanadio
así como el resto de aluminio, con
impurezas dependientes de la fabricación, como máximo
individualmente el 0,02% en peso, como máximo en total el 0,2% en
peso.
2. Elemento estructural colado según la
reivindicación 1, caracterizado porque la aleación contiene
del 2,5 al 3,5% en peso de Mg, en especial del 2,7 al 3,3% en peso
de Mg.
3. Elemento estructural colado según las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,9 al 1,3% en peso de Si.
4. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,15 al 0,3% en peso de Mn.
5. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,15 al 0,3% en peso de Cr.
6. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,05 al 0,15% en peso de Ti.
7. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la aleación
contiene como máximo el 0,15% en peso de Fe.
8. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la aleación
contiene como máximo el 0,05% en peso de Cu.
9. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,002 al 0,005% en peso de Be.
10. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,01 al 0,1% en peso de V.
11. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la aleación
contiene del 0,1 al 0,2% en peso de Zr.
12. Elemento estructural colado según una de las
reivindicaciones 1 a 11, fabricado por el procedimiento de colada
en arena o en coquilla.
13. Uso de un elemento estructural colado según
una de las reivindicaciones 1 a 12 para recipientes a presión,
carcasas de compresores y componentes de motores tales como culatas
en la construcción de automóviles.
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