ES2302527T3

ES2302527T3 - Aleacion de cu y metodo para la fabricacion de un articulo forjado de alta resistencia y alta conduccion termica utilizando dicha aleacion.

Info

Publication number: ES2302527T3
Application number: ES03250897T
Authority: ES
Inventors: Kazuaki Mino
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: AU2003200572A1; US7172665B2; DE60320055D1; CN1252300C; JP3861712B2; US20050207933A1; AU2003200572B2; TW591115B; JP2003247033A; CA2418492A1; MXPA03001213A; DE60320055T2; CN1439734A; US20030155051A1; EP1338662A1; TW200303368A; BR0300377B1; CA2418492C; KR20030069831A; BR0300377A

Abstract

Un método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica, que comprende una primera etapa de fundición de una aleación de Cu forjada de alta dureza y alta conductividad térmica que consiste en al menos de un 2 a un 6% en peso de Ag y un de 0.5 a un 0.9% en peso de Cr y de un 0.05 a un 0.2% en peso de Zr, utilizándose Cu como balance; una segunda etapa de solidificación de la aleación fundida obtenida en el primer paso por moldeado; una tercera etapa en la que se somete el artículo solidificado obtenido en la segunda etapa a un tratamiento térmico de homogeneización a una temperatura dentro del intervalo entre 780 y 950ºC durante un periodo de tiempo predeterminado de forma que se permita la difusión de los elementos de la aleación y se elimine la segregación de los elementos de la aleación; una cuarta etapa en la que se somete el artículo sometido al tratamiento térmico obtenido en la tercera etapa a trabajo en caliente mediante forja o laminado a una temperatura dentro del intervalo entre 750 y 950ºC; una quinta etapa en la que se somete el artículo trabajado en caliente obtenido en la cuarta etapa a un tratamiento de solución a una temperatura dentro del intervalo de 750 y 980ºC para descomponer el precipitado de grano grueso; una sexta etapa en la que se somete el artículo sometido a un tratamiento térmico obtenido en la quinta etapa a por lo menos un 5% de trabajo en frío o trabajo en templado a una temperatura igual o inferior a 500ºC mediante forja o laminado; y una séptima etapa en la que se somete el artículo conformado obtenido en la sexta etapa a un tratamiento de envejecimiento a una temperatura dentro del intervalo entre 370 y 500ºC durante 0.1 horas o más.

Description

Aleación de Cu y método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conducción térmica utilizando dicha aleación.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

La presente invención trata sobre una aleación de Cu y sobre un método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conducción térmica utilizando dicha aleación.

Descripción de la técnica relacionada

Se utilizan materiales metálicos de alta resistencia y alta conductividad térmica en piezas expuestas a fatiga térmica severa, por ejemplo, en cámaras de presión de motores de cohete, estructuras en reactores de fusión (en los cuales una superficie puede estar en contacto con un gas de combustión a 3000ºC mientras que la otra superficie puede estar en contacto con hidrógeno líquido), y en moldes.

Entre los ejemplos de aleaciones de alta resistencia y alta conductividad térmica usadas en el campo de la técnica se incluyen las aleaciones de Cu que contienen un 0.8% (a partir de aquí todos los porcentajes en la presente especificación son en peso) de Cr y un 0.2% de Zr, tal como se describe en la solicitud de Patente Japonesa no examinada, primer número de publicación Hei 4-198460. Generalmente, la aleación de Cu se obtiene con una forma predeterminada mediante el forjado y laminado después del moldeado, y a continuación el artículo se somete a un tratamiento térmico predeterminado para obtener un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica. La resistencia a la tracción de la aleación de Cu se puede mejorar mediante el control las condiciones del tratamiento termomecánico mientras se mantiene la conductividad térmica a un nivel alto, sin importar que tenga la misma composición.

Sin embargo, puesto que las condiciones de servicio de las piezas del aparato llegan a ser muy rigurosas, debido a la generación de esfuerzo térmico y, además, se ha observado que un material convencional tiene un tiempo de vida corto hasta la aparición de grietas, ha aparecido recientemente la necesidad de obtener una mayor resistencia a la fatiga térmica. Para suprimir la generación de tensión térmica en un material metálico, se necesita mejorar la conductividad térmica y aumentar la resistencia a la fatiga térmica. Puesto que la mejora en la conductividad térmica prácticamente ha alcanzado su límite, se desea aumentar la resistencia a la fatiga térmica sin reducir la conductividad térmica, en comparación a los materiales metálicos convencionales.

Se ha descubierto recientemente que la resistencia a la tracción y la prueba de esfuerzo a la tracción puede mejorarse sin reducir la conductividad térmica a la temperatura de servicio, mejorando de este modo la resistencia a la fatiga térmica. Para lograr este objetivo, se han realizado pruebas para aumentar la resistencia mediante un aumento de la proporción de Cr o de Zr en la aleación de Cu mencionada anteriormente que contenía Cr (0.8%) y Zr (0.2%) como base, aumentando de este modo la razón de reducción. Se puede obtener una gran resistencia aumentando la proporción de Cr o de Zr, obteniéndose una estructura fina fibrosa por reducción o trefilado capaz de introducir una gran deformación en una dirección. Sin embargo, en contra de lo que se esperaba, la resistencia a la fatiga térmica no aumenta debido a la baja ductilidad, y no se pueden realizar suficientes etapas de forjado y de laminación debido a los límites en la forma del artículo fabricado, y de esta forma es difícil obtener la resistencia deseada en un artículo fabricado con una forma cualquiera. Por lo tanto, la aplicación de este método esta limitada a las piezas eléctricas con una alta resistencia y una conductividad eléctrica todavía más alta.

Tal como se ha descrito en la solicitud de Patente Japonesa No Examinada, Primer Número de Publicación. Hei 6-279894 y "Sakai et al., Journal of The Japan Institute of Metals, Vol. 55 (1991), páginas 1382 a 1391", se ha desarrollado un nuevo sistema de aleación consistente en una aleación de Cu que contiene una gran cantidad de Ag añadida. De forma similar al Cr o al Zr, la Ag tiene una baja solubilidad sólida en Cu a una temperatura cercana a la temperatura ambiente, y por lo tanto muestra una pequeña disminución en la conductividad térmica como resultado de la aleación. En la aleación de Cu que contiene un 8.5% o más de Ag añadida, se forma un cristal eutéctico durante la solidificación. Cuando un lingote de la aleación de Cu, a la cual se añadió el 15% de Ag para obtener una cantidad suficiente de estructura eutéctica, se somete a procesos de reducción o trefilado durante los cuales se introduce una gran deformación en una dirección, como en la aleación Cu-Cr-Zr anterior, la estructura eutéctica se rompe para formar una estructura de fibra reforzada. Aunque la resistencia obtenida de esta forma es muy alta, es necesario llevar a cabo una etapa de alta reducción que permita convertir una barra redonda moldeada en una barra de alambre con un diámetro que sea un décimo del de la barra redonda moldeada, y, de esta forma, mediante esta técnica no se puede obtener un artículo que tenga una medida determinada o un grosor superior al de la pared.

EP 1143021 revela un método para la fabricación de una aleación de Cu que comprenda la solidificación de una aleación que contiene Ag, Cr y Zr y la realización de un tratamiento de envejecimiento a 450-500ºC. Se revela que, a continuación, la aleación puede forjarse y someterse a un tratamiento de envejecimiento por precipitación y a un tratamiento termomecánico utilizando el forjado o el laminado.

Breve descripción de la invención

La presente invención se llevó a cabo a la vista de los problemas presentados anteriormente y uno de sus objetos consiste en proporcionar un material metálico capaz de dar lugar a artículos metálicos de alta resistencia y alta conductividad térmica a un bajo precio mediante un método sencillo sin importar la geometría, y un método para la fabricación del artículo metálico usando dicho material.

De acuerdo a la invención se proporciona un método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica tal como se expone en la Reivindicación 1. Las características preferidas de la invención se exponen en las Reivindicaciones 2 a 4.

Tal como se utiliza aquí, el término "tratamiento de homogeneización por calor" quiere decir un tratamiento en el cual se elimina la segregación de los elementos de la aleación mediante el calentamiento de un artículo solidificado obtenido mediante el moldeado a alta temperatura en un estado tal que no cause un fundido macroscópico.

Además, el término "tratamiento de solución" quiere decir un tratamiento en el cual un precipitado grueso obtenido durante el trabajo en caliente se descompone calentando el artículo trabajado en caliente a alta temperatura.

Además, el término "tratamiento de envejecimiento" quiere decir un tratamiento en el cual una fase heterogénea se hace precipitar en una estructura manteniendo una solución sólida a una temperatura predeterminada durante un tiempo predeterminado.

Ya que la aleación de Cu para forja de la presente invención contiene Ag y Cr, o Ag, Cr y Zn en cantidades dentro de un rango apropiado, es así posible fabricar fácilmente un artículo forjado de la aleación de Cu de alta resistencia y alta conductividad térmica utilizando el método de fabricación de artículos forjados de la presente invención.

Breve descripción del dibujo

La Figura 1 es un gráfico que muestra la relación entre las condiciones y la dureza, de un tratamiento de envejecimiento de un artículo forjado con la aleación de Cu.

Descripción detallada de la invención

A continuación, se describe la presente invención.

La aleación para forja de Cu de la presente invención contiene entre un 2 y un 6% en peso de Ag y entre un 0.5 y un 0.9% en peso de Cr, con el Cu como balance.

Se ha descubierto que se puede obtener un artículo conformado de bajo coste que tenga una conductividad térmica y una resistencia altas y que contenga Cu como base añadiendo adicionalmente Ag a la aleación de Cu de forjado que contiene una pequeña cantidad de Cr o Cr y Zr añadida de la presente invención, usando un método sencillo como el moldeado o la forja y laminación. Por lo tanto, cuando se utiliza esta aleación de forjado de Cu, se puede fabricar un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica sin importar la forma, pudiéndose obtener, por ejemplo, un producto de gran tamaño.

Cuando el contenido de Ag es menor del 2% en la aleación de Cu con la composición expuesta anteriormente, la dureza del artículo forjado resultante disminuye, y no se puede obtener un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica. Por otra parte, cuando el contenido de Ag supera el 6%, es probable que aparezcan grietas al trabajar el artículo en caliente.

Cuando el contenido de Cr es menor del 0.5%, la dureza del artículo forjado resultante disminuye, y no se puede obtener un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica. Por otra parte, incluso cuando se añade Cr en una cantidad superior al 0.9%, se ejerce un efecto menor y llega a ser poco ventajoso debido al coste.

La adición suplementaria de un 0.05 a un 0.2% de Zr hace posible la eliminación de la fragilidad. Cuando el contenido de Zr es menor del 0.05%, no se elimina suficientemente la fragilidad. Sin embargo, en el caso de emplear el método de fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica de la presente invención, no siempre es necesario añadir Zr. Incluso cuando el Zr se añade en una cantidad superior al 0.2%, se ejerce un efecto menor y llega a ser poco ventajoso debido al coste, de forma parecida al caso del Cr.

El método de fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica de la presente invención comprende una primera etapa de moldeado de la aleación de Cu de forjado mencionada anteriormente; una segunda etapa de solidificación de la aleación fundida obtenida en la primera etapa mediante moldeado; una tercera etapa en la que se somete el artículo solidificado obtenido en la segunda etapa a un tratamiento térmico de homogeneización a una temperatura dentro del intervalo entre 780 y 950ºC; una cuarta etapa en la que se somete el artículo sometido al tratamiento térmico obtenido en la tercera etapa a trabajo en caliente mediante forja o laminado a una temperatura dentro del intervalo entre 750 y 950ºC; una quinta etapa en la que se somete el artículo trabajado en caliente obtenido en la cuarta etapa a un tratamiento de solución a una temperatura dentro del intervalo de 750 y 980ºC; una sexta etapa en la que se somete el artículo sometido a tratamiento térmico obtenido en la quinta etapa a por lo menos un 5% de trabajo en frío o trabajo en templado a una temperatura igual o menor de 500ºC mediante forjado o laminado; y una séptima etapa en la que se somete el artículo conformado obtenido en la sexta etapa a un tratamiento de envejecimiento a una temperatura dentro del intervalo entre 370 y 500ºC durante de 0.1 a 20 horas.

Según el método de fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica de la presente invención, se elimina la segregación de los elementos de la aleación sometiendo el artículo solidificado obtenido después del paso a través de la primera y segunda etapas a un tratamiento térmico de homogeneización a una temperatura dentro del intervalo de 780 a 950ºC en la tercera etapa. Es decir, en curso de la fundición de la aleación compuesta de diferentes elementos y de la solidificación del material fundido por moldeado, primero solidifica una fase que tiene un alto punto de fusión y finalmente solidifica una fase que tiene un punto de fusión más bajo (fase que contiene generalmente una gran cantidad de los elementos de la aleación), provocando de tal modo la segregación de los elementos de la aleación añadidos y un gran cambio macroscópico en los elementos de aleación. Entonces, el artículo solidificado se somete a un tratamiento térmico de homogeneización, es decir, calentamiento a alta temperatura en un estado que no provoque una fusión macroscópica, y, de este modo, se lleve a cabo una difusión de los elementos y se elimine la segregación.

Cuando la temperatura de tratamiento es menor de 780ºC, la reacción eutéctica ocurre durante el calentamiento en el forjado debido a una difusión insuficiente. Por otra parte, cuando la temperatura de tratamiento excede los 950ºC, el material base se funde durante el tratamiento de la difusión. Por lo tanto, se prefiere que no se den estas situaciones.

Según el método de la presente invención, el artículo sometido a un tratamiento térmico obtenido en la tercera etapa se trabaja en caliente mediante la forja o el laminado a una temperatura dentro del intervalo de 750 a 950ºC en la cuarta etapa. Cuando la temperatura de tratamiento es menor de 750ºC, es probable que aparezcan grietas durante las posteriores etapas de trabajo en frío o en templado. Por otra parte, cuando exceden los 950ºC, se funden las materiales bases. Por lo tanto, se prefiere que no se den estas situaciones.

Llevando a cabo el trabajo caliente en la cuarta etapa a una relación de forja de 1.2 o superior, se puede obtener una estructura fina (estructura recristalizada) compuesta de granos cristalinos uniformes. En el caso en que la relación de forja sea menor que 1.2, se obtiene una estructura recristalizada parcialmente completa. En el caso de la fabricación de un artículo forjado de gran tamaño, la relación de forja se controla para que sea preferiblemente 1.5 o mayor, para introducir uniformemente la deformación. En el caso en el que el espesor de la placa es de 200 milímetros o superior, la relación de forja se controla para que, preferiblemente, se encuentre dentro del intervalo de 5 a 15.

Según el método de la presente invención, el artículo trabajado en caliente obtenido en la cuarta etapa se somete a un tratamiento de solución a una temperatura dentro del intervalo de 750 a 980ºC en la quinta etapa, para descomponer de esta forma el precipitado grueso formado. En la sexta etapa, el artículo sometido a tratamiento térmico obtenido en la quinta etapa se somete a por lo menos un 5% de trabajo en frío o en templado una temperatura igual o inferior 500ºC mediante forjado o laminación. En la séptima etapa, el artículo obtenido en la sexta etapa se somete a un tratamiento de envejecimiento a una temperatura dentro del intervalo de 370 a 500ºC entre 0.1 a 20 horas, de forma que precipite una fase heterogénea en la estructura.

En el proceso de mantener el estado de alta temperatura, como en el trabajo en caliente, durante un largo periodo de tiempo, puesto que es probable que se forme un precipitado grueso, el artículo trabajado en caliente se descompone mediante un tratamiento de solución y después se somete a un tratamiento de envejecimiento, de modo que precipite una fase heterogénea fina. Cuando el artículo trabajado en caliente se trabaja en caliente (introducción de deformación por trabajo) antes del tratamiento de envejecimiento, también se provoca la precipitación debido a los defectos, que sirven como lugar de nucleación, como por ejemplo una dislocación que haya aparecido durante el trabajo, y de esta forma se forma un precipitado más fino. Por lo tanto, la robustez del artículo forjado se mejora mediante la refinación de la estructura.

Cuando la temperatura del tratamiento de solución en la quinta etapa es inferior a 900ºC, la disolución sólida de un precipitado de cromo se hace insuficiente. Por otra parte, cuando excede los 980ºC, se forman defectos serios (poros) como por ejemplo cavidades en la estructura. Por lo tanto, se prefiere que no se den estas situaciones. A medida que aumenta la temperatura del tratamiento térmico, se activa el crecimiento de los granos cristalinos y se promueve así la formación de granos gruesos como un factor que perjudica la resistencia a la fatiga. Puesto que la disolución sólida del precipitado ocurre a 720ºC o a temperaturas superiores, el refuerzo de la precipitación debido a la plata se alcanza mediante el calentamiento a 750ºC o a temperaturas superiores.

Cuando el trabajo impartido en la sexta etapa es menos del 5%, se ejerce un efecto menor sobre la mejora en la resistencia.

Cuando la temperatura del tratamiento de envejecimiento en la séptima etapa es inferior a 370ºC, aumenta el tiempo de tratamiento requerido. Por otra parte, cuando excede los 500ºC, el nivel de endurecimiento por trabajo es pequeño, y además, ocurre la disolución sólida de una porción del precipitado de Ag o del Cr, haciendo que el precipitado sea de textura más gruesa. Por lo tanto, se prefiere que no se den estas situaciones. El precipitado grueso obtenido de esta forma no refina al disminuir la temperatura, y, así, el refuerzo de la precipitación se ve reducido drásticamente.

Para decidir las condiciones en el tratamiento de envejecimiento en la séptima etapa, la temperatura de tratamiento y el tiempo de tratamiento se escogen preferiblemente de modo que el valor del parámetro representado por la expresión (temperatura de tratamiento expresada en temperatura absoluta) x (20 + logaritmo común del tiempo de tratamiento expresado en horas) esté dentro del intervalo de 13000 a 15000. De esta forma, se puede confiar en obtener un artículo forjado de la alta dureza.

Ejemplo 1-1

Preparación (1) de la aleación de Cu

Se prepararon las materias primas con un peso total de 2 kg cada una añadiendo el 2%, el 4%, el 6%, y el 8% de Ag a una aleación de la aleación principal que contiene un 0.7% de Cr y un 0.13% de Zr, usándose el Cu como balance, se fundieron bajo una atmósfera de argón y las aleaciones fundidas resultantes se vertieron en un molde enfriado y después se solidificaron. Se cortaron barras cuadradas de 30 milímetros de anchura, 35 milímetros de altura y 120 milímetros de longitud de los artículos solidificados resultantes y a continuación se laminaron en caliente para formar artículos laminados con un espesor de 18 milímetros a 900ºC.

Como resultado de ello, no se observó la aparición de grietas (la aparición de grietas o ocurre en los bordes laterales, durante el trabajo en caliente) en los artículos laminados que contenían el 2% y el 4% de Ag, mientras que se observó un grado pequeño de agrietamiento en el artículo laminado que contenía el 6% de Ag. En el artículo laminado que contenía el 8% de Ag, se observó una propagación de las grietas hasta una profundidad de varios milímetro del extremo.

Por lo tanto, la cantidad de Ag añadida se limita preferiblemente al 6% o valores inferiores, para obtener de esta forma un artículo forjado con menos tendencia a agrietarse durante el trabajo en caliente.

El Cr y el Zr son eficaces como elementos para el refuerzo de la precipitación, pero presentan un pequeño valor de disolución sólida en estado sólido después de la solidificación de la aleación fundida, por ejemplo, como máximo del 0.73% y el 0.15% incluso a altas temperaturas. Puesto que no se puede evitar la segregación de estos elementos durante la solidificación, y apenas desaparece, una parte de la cantidad total de estos elementos añadidos se pierde como "precipitado grueso" que no es efectivo para el refuerzo de la precipitación. Se considera apropiado que la cantidad de los elementos perdidos sea de alrededor del 20% de la cantidad total. Por lo tanto, la cantidad máxima de Cr se limita preferiblemente como sigue: 0.73 x 1.2 = 0.9 (%). De forma similar, la cantidad máxima de Zr se limita preferiblemente como sigue: 0.15 x 1.2 = 0.2(%).

Ejemplo 1-2

Preparación (2) de una aleación de Cu

Una materia prima con un peso total de 2 kg preparada añadiendo 0.2% de Zr a una aleación principal que contenía un 4% de Ag y un 0.7% de Cr, con el Cu sirviendo de balance, y una materia prima con un peso total de 2 kg preparada sin añadir Zr a la misma aleación principal se fundieron en una atmósfera de argón, y las aleaciones fundidas resultantes se vertieron en un molde enfriado, y a continuación se solidificaron. Se cortaron barras cuadradas de 30 milímetros de ancho, 35 milímetros de alto y 120 milímetros de largo de los artículos solidificados resultantes y, a continuación se laminaron en caliente para dar artículos laminados con un espesor de 18 milímetros a 500ºC y 750ºC.

Como resultado de ello, no se observó la aparición de grietas (las grietas aparecen en los bordes laterales, debido al trabajo en caliente) en ninguno de los artículos laminados que contenían un 0.2% de Zr añadido. Se observaron grietas profundas de varios mm en los artículos laminados tratados a 500ºC de entre los artículos laminados obtenidos del material preparado sin añadir Zr, mientras que se observaron grietas finas en los artículos laminados tratados a 750ºC.

Utilizando moldes cóncavos en la parte superior e inferior, el material preparado sin añadir Zr se colocó en una de prensa de forja para ser forjado. Como resultado de ello, no se observó la aparición de grietas en los artículos laminados tratados a 750ºC.

Como se hace evidente a partir de estos resultados, la adición de Zr no es siempre innecesaria, lo cual se considera eficaz para en trabajo en caliente, mejorando así el método de trabajo. El método de trabajo es preferiblemente un método que cause el menor esfuerzo de tracción posible.

Se considera eficaz la adición de Zr, que es un elemento de refuerzo de la precipitación. Sin embargo, en el caso de un lingote de un artículo forjado particularmente grande, por ejemplo, desde docenas de kilogramos hasta varias toneladas, la adición de una gran cantidad de Zr provoca una severa segregación. Por lo tanto, la cantidad de Zr añadida se limita preferiblemente a un máximo del 0.2%.

Ejemplo 2 Tratamiento térmico de homogeneización

Una aleación principal que contenía un 4% de Ag, un 0.7% de Cr y un 0.13% de Zr, con el Cu sirviendo de balance, se fundió y la aleación fundida resultante se vertió en un molde enfriado y después se solidificó para obtener 350 kg de un lingote grande colado.

Se tomó una muestra de 0.2 g de un bloque de la porción central del lingote colado y se llevó a cabo un análisis térmico del bloque. Los resultados muestran que la reacción eutéctica entre el Cu y la Ag ocurre a 780ºC para esta aleación.

Antes del análisis térmico, esta aleación se calentó con el fin de homogeneizar la estructura, es decir, eliminar la segregación de los elementos de aleación. Cuando esta aleación se calentó a 700ºC durante 20 horas, o ocurrió la reacción eutéctica. En el caso en el cual la aleación se calentó de 780 a 800ºC durante 2.5 horas, la Ag difundió de forma vigorosa y desapareció el pico eutéctico de la reacción. Se ha encontrado que cuando la temperatura de calentamiento excede los 950ºC, empieza la fusión parcial del metal base incluso cuando ha desaparecido la reacción eutéctica.

Por lo tanto, se ha descubierto que la temperatura dentro del intervalo de 780 a 950ºC es la adecuada para el tratamiento térmico de homogeneización de esta aleación.

Se tomaron muestras para llevar a cabo pruebas de resistencia de los artículos sometidos a tratamiento térmico obtenidos sometiendo el lingote colado a un tratamiento térmico (tratamiento térmico de homogeneización) a 900ºC durante 2.5 horas y 20 horas, y del lingote colado que no fue sometido al tratamiento térmico de homogeneización y, después de calentar a 800ºC, se realizaron ensayos de tensión, midiéndose la elongación después de la fractura. Los resultados mostraron que la elongación después de la fractura de la muestra sometida al tratamiento térmico de homogeneización a 900ºC durante 2.5 horas fue del 6%, la elongación después de la fractura de la muestra sometida al tratamiento térmico de homogeneización a 900ºC durante 20 horas fue del 5%, y la elongación después de la fractura de la muestra que no había sido sometida al tratamiento térmico de homogeneización fue del 0%. Como resultado de ello, se ha encontrado que el tratamiento térmico de homogeneización es eficaz en la supresión de las grietas que aparecen en el trabajo en caliente.

Además, se ha encontrado que el tratamiento térmico de homogeneización es eficaz en la supresión de la aparición de grietas en los procesos reales de trabajo en caliente (laminación en caliente).

Además, se sometieron algunas aleaciones de muestra, cada una de ellas con una composición diferente de la de las aleaciones mencionadas anteriormente, que contenían del 2 al 6% de Ag, del 0.5 al 0.9% de Cr y del 0 al 0.2% de Zr al mismo tipo de pruebas. Se obtuvieron los mismos resultados respecto al efecto del tratamiento térmico de homogeneización.

Se ha descubierto que, en el caso en el que el contenido de Ag es del 6%, el efecto del tratamiento térmico de homogeneización disminuye, y aparecen grietas (agrietamiento debido al trabajo en caliente). Además, se ha encontrado que el agrietamiento es menor al usar un lingote colado pequeño con un peso de alrededor de 2 kg. Al usar un lingote colado grande con un peso de varios cientos de kg, la cantidad de Ag añadida se controla preferiblemente para que sea menor del 6%, a la vista de las propiedades del material.

Ejemplo 3 Trabajo en caliente

El lingote colado usado en el Ejemplo 2 fue sometido a un tratamiento térmico de homogeneización a 900ºC y, a continuación, sometido a un proceso de laminación del 20% a 700ºC. Como resultado de ello, no ocurrió ningún agrietamiento (agrietamiento debido al trabajo en caliente). Cuando el artículo laminado fue sometido a un tratamiento de solución a 950ºC y después se sometió a un proceso laminación en frío del 20%, aparecieron grietas severas.

Se analizó este agrietamiento severo, y se encontró que la segregación, que no se pudo eliminar totalmente mediante el tratamiento térmico de homogeneización, provocó una fusión parcial como resultado del calentamiento a 950ºC, formando pequeñas cavidades (poros) que se extendieron durante la laminación en frío.

El lingote colado usado en el Ejemplo 2 fue sometido a un tratamiento térmico de homogeneización a 900ºC, a un proceso de laminación del 20% entre 750 y 950ºC, a un tratamiento de solución a 950ºC y, a continuación, a un proceso de laminación en frío del 20%. Como resultado de este proceso, no aparecieron grietas.

En este caso, cuando la laminación se realizó a 900ºC, la recristalización está causada por, por lo menos, una laminación del 20%, mientras que se obtiene una estructura imperfecta recristalizada parcialmente con alrededor de un 10% de laminación.

Como se hace evidente a partir los resultados anteriores, cuando se introduce un trabajo uniforme como la laminación, se realiza un trabajo de alrededor del 20%, es decir, la relación de la forja se controla para que sea preferiblemente 1.2 o superior. Puesto que está difícil introducir el trabajo de forma uniforme en un artículo forjado de gran tamaño, la relación de la forja se controla para que sea preferiblemente 1.5 o superior.

En el caso en el que el espesor de la placa sea de 200 milímetros o superior, la relación de forjado se controla preferiblemente para que se encuentre dentro del intervalo de 5 a 15. Se ha encontrado que se puede obtener una estructura fina compuesta de granos cristalinos uniformes con un tamaño de grano de alrededor de 100 \mum sometiendo el artículo forjado obtenido mediante el proceso de forjado a un tratamiento de solución.

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Ejemplo 4 Tratamiento de solución, trabajo en frío y en templado

Después de que el lingote colado usado en el Ejemplo 2 fuera sometido a un tratamiento térmico de homogeneización a 900ºC, se prensó un bloque de 100 milímetros de espesor y de 150 milímetros de anchura para formar un artículo trabajado en caliente que tenía un espesor de 25 milímetros. A continuación, el artículo trabajado en caliente se sometió a un tratamiento de solución a una temperatura dentro del intervalo de 750 a 980ºC, y se enfrió con agua. Después de someterlo a un 20% de laminado (trabajo en frío/ trabajo en templado) a 400ºC, se llevó a cabo un tratamiento de envejecimiento a 420ºC durante 1.5 horas y se midió la dureza (dureza de Vickers) a temperatura ambiente. Los resultados se muestran a continuación.

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Tal como muestran los resultados anteriores, se puede obtener una alta dureza por envejecimiento llevando a cabo el tratamiento de solución a una temperatura dentro del intervalo de 750 a 980ºC.

Aunque el endurecimiento por envejecimiento ocurre notable a una temperatura dentro del intervalo de 920 a 980ºC, se detectaron una gran cantidad de granos gruesos en los granos cristalinos. Puesto que los granos gruesos reducen la resistencia a la fatiga, tal como se ha descrito anteriormente, el tratamiento se lleva a cabo preferiblemente en un rango de temperaturas relativamente alto durante un tiempo corto, mientras que el tratamiento se lleva a cabo preferiblemente en un rango de temperaturas relativamente bajas durante un tiempo largo, por ejemplo, entre 0.1 y 1 hora.

El tratamiento de la solución se llevó a cabo a una temperatura de 1000ºC. Como resultado de ello, se formaron un número sustancial de cavidades (poros) en el artículo trabajado en caliente. Preferiblemente se selecciona una relación de reducción por trabajo en frío o en templado antes del tratamiento de envejecimiento del artículo forjado. Incluso si la relación de reducción de laminación se redujera hasta el 15% a 400ºC, la dureza apenas cambiaría después del tratamiento de envejecimiento. Se ha encontrado que, incluso si la relación de reducción de la laminación se redujera a entre el 5 y el 10%, la dureza cambiaría ligeramente después del tratamiento de envejecimiento, pero se podría obtener un suficiente efecto de mejora de la fuerza.

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Ejemplo 5 Tratamiento de envejecimiento

El lingote colado usado en el Ejemplo 2 fue sometido a un tratamiento térmico de homogeneización a 900ºC y se sometió a laminación en caliente al 45% a 900ºC, y a continuación el artículo trabajado en caliente fue sometido a un tratamiento de solución a 950ºC y se sometió a una laminación del 20% (trabajo en frío/trabajo en templado) a 400ºC. Se llevó a cabo un tratamiento de envejecimiento bajo diferentes condiciones a una temperatura de tratamiento dentro del intervalo de 400 a 500ºC y con un tiempo de tratamiento dentro de un intervalo entre 0.5 y 30 horas, y a continuación se midió la dureza (dureza de Vickers) del artículo tratado. Los resultados se muestran en la Figura. 1.

En la Figura 1, las condiciones de tratamiento se dispusieron usando un parámetro representado por la fórmula: T x (20 + log t), donde T representa una temperatura de tratamiento (K) medida como temperatura absoluta y un t indica un tiempo de tratamiento (h).

Cuando el tratamiento de envejecimiento se lleva a cabo bajo unas condiciones de tratamiento tales que el parámetro esté dentro del intervalo de 13400 a 14700, se obtienen una dureza Hv de 185 o superior. Por ejemplo, cuando aumenta la temperatura de tratamiento, el tiempo de tratamiento puede ser de alrededor de 0.1 horas. Cuando la temperatura de tratamiento se controla para que sea de 370ºC, se necesita un tiempo de tratamiento de alrededor de un día.

Para obtener una dureza de Hv de 180 o superior, se pueden seleccionar las condiciones de tratamiento de modo que el parámetro esté dentro del intervalo de 13000 a 15000.

Para llevar a cabo la disolución del precipitado obtenido durante la solidificación o en la etapa anterior al tratamiento de solución, el tiempo de calentamiento puede ser aproximadamente de 5 minutos. En el caso de una placa delgada que tenga un peso de varios kg o un espesor de alrededor de 10 milímetros, se necesitan alrededor de 10 minutos de calentamiento uniforme de la superficie al interior ya que esta aleación de cobre tiene conductividad térmica excelente. Por lo tanto, el tratamiento de solución puede realizarse durante 15 minutos después de que la temperatura superficial del artículo a tratar haya alcanzado una temperatura predeterminada. En un tratamiento de este tipo, la temperatura de tratamiento óptima es de alrededor de 470ºC, como resultado del cálculo del parámetro. Por otra parte, un artículo grande requiere un tiempo más largo hasta que la temperatura del artículo grande llegue a ser completamente uniforme. Aunque la temperatura se eleve gradualmente desde unos 300ºC, hay una diferencia entre la temperatura de un horno y la temperatura del artículo que se tratará, y, por ello, el tiempo de tratamiento es inexacto e inevitablemente debe ser controlado durante alrededor de una hora. En este caso, la temperatura de tratamiento óptima es de alrededor de 430ºC.

Tal como se ha descrito anteriormente, se prefiere controlar el endurecimiento por envejecimiento utilizando el parámetro para obtener de esta forma una dureza óptima.

Claims

1. Un método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica, que comprende una primera etapa de fundición de una aleación de Cu forjada de alta dureza y alta conductividad térmica que consiste en al menos de un 2 a un 6% en peso de Ag y un de 0.5 a un 0.9% en peso de Cr y de un 0.05 a un 0.2% en peso de Zr, utilizándose Cu como balance; una segunda etapa de solidificación de la aleación fundida obtenida en el primer paso por moldeado; una tercera etapa en la que se somete el artículo solidificado obtenido en la segunda etapa a un tratamiento térmico de homogeneización a una temperatura dentro del intervalo entre 780 y 950ºC durante un periodo de tiempo predeterminado de forma que se permita la difusión de los elementos de la aleación y se elimine la segregación de los elementos de la aleación; una cuarta etapa en la que se somete el artículo sometido al tratamiento térmico obtenido en la tercera etapa a trabajo en caliente mediante forja o laminado a una temperatura dentro del intervalo entre 750 y 950ºC; una quinta etapa en la que se somete el artículo trabajado en caliente obtenido en la cuarta etapa a un tratamiento de solución a una temperatura dentro del intervalo de 750 y 980ºC para descomponer el precipitado de grano grueso; una sexta etapa en la que se somete el artículo sometido a un tratamiento térmico obtenido en la quinta etapa a por lo menos un 5% de trabajo en frío o trabajo en templado a una temperatura igual o inferior a 500ºC mediante forja o laminado; y una séptima etapa en la que se somete el artículo conformado obtenido en la sexta etapa a un tratamiento de envejecimiento a una temperatura dentro del intervalo entre 370 y 500ºC durante 0.1 horas o más.

2. Un método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica de acuerdo con la Reivindicación 1, en el cual el trabajo en caliente de la cuarta etapa se lleva a cabo en una relación de forja de 1.5 o superior.

3. Un método para la fabricación de un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica de acuerdo con la Reivindicación 1, en el cual el tratamiento de solución de la quinta etapa se lleva a cabo durante de 0.1 a 10 horas.

4. Un método para la fabricación un artículo forjado de alta resistencia y alta conductividad térmica de acuerdo con la Reivindicación 1, en el cual las condiciones de tratamiento, la temperatura de tratamiento y el tiempo de tratamiento, del tratamiento de envejecimiento de la séptima etapa, se escogen de tal modo que el valor del parámetro representado por la expresión (temperatura de tratamiento expresada como temperatura absoluta) x (20 + logaritmo común del tiempo de tratamiento) esté dentro del intervalo de 13000 a 15000.