ES2339356T3 - Aleacion para la colada de aluminio mg-si con escandio. - Google Patents
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Abstract
Aleación para la colada de aluminio, estando caracterizada la aleación porque se compone por lo menos de 3,0-6,0% en peso de magnesio (Mg), > 1,0-4, 0% en peso de silicio (Si), 0,01-< 0,5% en peso de escandio (Sc), 0,005-0, 2% en peso de titanio (Ti), 0-0,5% en peso de un elemento o de un conjunto de elementos, que se selecciona entre el conjunto que se compone de zirconio (Zr), hafnio (Hf), molibdeno (Mo), terbio (Tb), niobio (Nb), gadolinio (Gd), erbio (Er) y vanadio (V), 0-0,8% en peso de manganeso (Mn), 0-0,3% en peso de cromo (Cr), 0-1,0% en peso de cobre (Cu), 0-0,05% en peso de zinc (Zn), 0-0,6% en peso de hierro (Fe), 0-0,004% en peso de berilio (Be), así aluminio como resto y otras impurezas individualmente como máximo en 0,1% en peso y en total como máximo en 0,5% en peso.
Description
Aleación para la colada de aluminio
Mg-Si con escandio.
El presente invento se refiere a una aleación
para la colada de aluminio, que es apropiada en particular para
piezas moldeadas por colada muy cargadas térmicamente. Por medio de
la utilización de la aleación para la colada de aluminio conforme
al invento se mejora considerablemente la capacidad productiva de
las piezas moldeadas por colada producidas a partir de ella,
estando garantizada su estabilidad térmica hasta llegar a unas
temperaturas de 400ºC.
Con los modernos procedimientos de colada, tales
como los procedimientos de colada a presión, colada en arena y
colada en lingotera o el moldeo por tixocolada (colada tixótropa) y
reocolada (colada reológica), que se han desarrollado muy
ampliamente a escala técnica, se pueden producir hoy en día unas
piezas moldeadas por colada muy capaces de aguantar cargas, a base
de aleaciones de aluminio.
Mediante la colada a presión se producen por
ejemplo unas piezas moldeadas por colada con altas exigencias
cualitativas. La calidad de una pieza moldeada por colada depende
sin embargo no solamente del ajuste de la máquina y del
procedimiento escogido, sino en alta medida también de la
composición química y de la microestructura de la aleación para
colada utilizada. Estos dos parámetros últimamente mencionados
influyen, tal como es sabido, sobre la aptitud para la colada, el
comportamiento de alimentación, las propiedades mecánicas y, lo que
es muy especialmente importante en la colada a presión, la duración
de vida útil de las herramientas de colada.
Por consiguiente, en la tecnología de la
construcción de automóviles y aviones está cada vez más ampliamente
en predominancia el desarrollo de las aleaciones propiamente dichas,
con el fin de conseguir las deseadas propiedades de las piezas
componentes mediante unas composiciones especiales de las
aleaciones.
A partir del estado de la técnica se conocen un
gran número de composiciones para aleaciones para la colada de
aluminio.
El documento de solicitud de patente europea EP
0.687.742 A1 divulga por ejemplo una aleación para la colada a
presión sobre la base de aluminio y silicio, que contiene de
9,5-11,5% en peso de silicio,
0,1-0,5% en peso de magnesio,
0,5-0,8% en peso de manganeso, como máximo 0,15% en
peso de hierro, como máximo 0,03% en peso de cobre, como máximo
0,10% en peso de zinc, como máximo 0,15% en peso de titanio así como
el resto aluminio y, como ennoblecimiento permanente, de 30 a 300
ppm (partes por millón) de estroncio.
A partir del documento EP 0.792.380 A1 se conoce
una aleación de aluminio, que se compone de 5,4-5,8%
en peso de magnesio, 1,8-2,5% en peso de silicio,
0,5-0,9% en peso de manganeso, como máximo 0,2% en
peso de titanio, como máximo 0,15% en peso de hierro, así como
aluminio como resto, con otras impurezas individualmente como
máximo en 0,02% en peso, en total como máximo en 0,2% en peso, que
es apropiada en particular para la colada tixótropa o la forja
tixótropa.
Además, a partir del documento EP 1.229.141 A1
se conoce una aleación para la colada de aluminio, que es apropiada
sobre todo para la colada en lingotera y la colada en arena, y que
contiene por lo menos 0,05-0,5% en peso de
manganeso, 0,2-1,0% en peso de magnesio,
4-7% en peso de zinc y 0,15-0,45% en
peso de cromo.
Sin embargo, estas aleaciones para la colada de
aluminio están concebidas principalmente para componentes de
vehículos que son relevantes para la seguridad, tal como por ejemplo
manillares (volantes de dirección), vigas de soporte, partes y
piezas de bastidores y ruedas, en cuyos casos está en predominancia
principalmente un alto alargamiento a la rotura. Para unas cargas
térmicas hasta de 400ºC estas aleaciones no son apropiadas. Los
clásicos materiales para la colada de aluminio son térmicamente
estables sólo hasta 200ºC.
Además, a partir del artículo de Feikus y
colaboradores "Optimierung einer AlSi-Gußlegierung
und anwendungsorientierte Entwicklung der Gießtechnik zu
Herstellung hochbelastbarer Motorblöcke" [optimización de una
aleación para colada de AlSi y desarrollo orientado a la aplicación
de la técnica de colada para la producción de bloques de motor muy
capaces de aguantar cargas], Giesserei 88 (2001), nº 11, páginas
25-32, se conoce una aleación de AlSi7MgCuNiFe que
está concebida especialmente para piezas moldeadas por colada de
motores.
Junto a esto, a partir del documento de
solicitud de patente internacional WO A-96/10099 se
conocen unas aleaciones de aluminio con escandio para la elevación
de la resistencia mecánica. La alta resistencia mecánica se
establece por medio de un envejecimiento en caliente después de un
recocido por disolución y de un enfriamiento brusco (temple) con
agua. Es desventajoso el hecho de que al efectuar el recocido por
disolución se llega por regla general a una deformación, que tiene
que ser corregida mediante medidas técnicas o respectivamente etapas
de trabajo adicionales (medición de comprobación y
enderezamiento).
A partir del documento de solicitud de patente
japonesa JP-A-09279280 se conoce una
aleación maleable de aluminio y a partir de los documentos EP
1138794 A1 y WO 96/15281 se conocen otras aleaciones para la colada
de aluminio.
\newpage
El presente invento se basa en la misión de
desarrollar una aleación para la colada de aluminio, que sea
apropiada para piezas moldeadas por colada muy cargadas
térmicamente. La resistencia mecánica en caliente, es decir la
estabilidad térmica de las propiedades mecánicas, debe de estar
garantizada en este contexto a unas temperaturas hasta de 400ºC.
Además de esto, la aleación para la colada de aluminio conforme al
invento debe de presentar una buena soldabilidad y se debe de poder
producir con un gran número de procedimientos en el caso de una
buena capacidad para la colada.
El problema planteado por esta misión se
resuelve mediante una aleación para la colada de aluminio, que se
compone de por lo menos
3,0-6,0% en peso de magnesio
(Mg),
> 1,0-4,0% en peso de silicio
(Si),
0,01-< 0,5% en peso de escandio (Sc),
0,005-0,2% en peso de titanio
(Ti),
0-0,5% en peso de un elemento o
de un conjunto de elementos seleccionados entre el conjunto que se
compone de zirconio (Zr), hafnio (Hf), molibdeno (Mo), terbio (Tb),
niobio (Nb), gadolinio (Gd), erbio (Er) y vanadio (V),
0-0,8% en peso de manganeso
(Mn),
0-0,3% en peso de cromo
(Cr),
0-1,0% en peso de cobre
(Cu),
0-0,05% en peso de zinc
(Zn),
0-0,6% en peso de hierro
(Fe),
0-0,004% en peso de berilio
(Be),
el resto aluminio y otras impurezas
individualmente como máximo en 0,1% en peso y en total como máximo
en 0,5% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
Es ventajoso un contenido de silicio de
1,1-4,0% en peso. Es especialmente ventajoso un
contenido de silicio de 1,1-3,0% en peso.
Es esencial la adición de escandio. El escandio,
junto a un intenso endurecimiento de las partículas, da lugar,
mediante las partículas de Al_{3}Sc que son muy estables
térmicamente, a un afinamiento del grano de la textura de colada y
una inhibición de la recristalización. Unas piezas moldeadas por
colada, que se producen a partir de la aleación conforme al invento
tienen por consiguiente la ventaja de que sus propiedades mecánicas
son estables hasta unas temperaturas de 400ºC. La aleación para la
colada conforme al invento está predestinada sobre todo para piezas
moldeadas por colada muy cargadas térmicamente. Además, constituye
una ventaja el hecho de que mediante la alta resistencia mecánica
en caliente no se necesita un reemplazo de materiales de aluminio
por unos materiales con una alta densidad. Mediante la utilización
de la aleación conforme al invento, el peso de las piezas
componentes está garantizado junto con una elevada capacidad
productiva (¿conductividad?) y puede ser reducido incluso por medio
de piezas moldeadas por colada con paredes más delgadas. Una ventaja
adicional consiste en que mediante la proporción de escandio se
mejora también la soldabilidad. De manera preferida, el contenido
de escandio está situado entre 0,01 y 0,45% en peso. Se prefiere
especialmente un contenido de escandio de
0,015-0,4% en peso.
Igual que el escandio, también el estaño produce
un afinamiento del grano y contribuye por consiguiente de una
manera correspondiente al mejoramiento de la resistencia mecánica en
caliente. Junto a esto el titanio disminuye la conductividad
eléctrica. De manera preferida el contenido de titanio es de
0,01-0,2% en peso, en particular de
0,05-0,15% en peso.
Puesto que el zirconio tiene el mismo efecto que
el escandio o respectivamente el titanio, es ventajoso además
añadir a la aleación adicionalmente zirconio. El efecto del
escandio, de establecer un intenso endurecimiento de las partículas
por medio de las partículas de Al_{3}Sc que son muy estables
térmicamente, un afinamiento del grano de la textura, así como una
inhibición de la recristalización, es aumentado todavía más mediante
el efecto combinado del escandio y del zirconio. El zirconio
reemplaza a átomos de Sc y forma unas partículas del compuesto
ternario Al_{3}(Sc_{1-x}Zr_{x}), que
tienen menos tendencia a la coagulación a unas temperaturas más
altas que las partículas de Al_{3}Sc. Por consiguiente mediante
los componentes escandio y zirconio se mejora de nuevo la
resistencia mecánica en caliente de la aleación, en comparación con
una aleación que solamente contiene escandio. Por consiguiente, es
posible una optimización adicional en dirección a menores
contenidos de escandio con el fin de disminuir los costos. El
contenido de zirconio
de formas preferidas de realización está situado entre 0,01-0,3% en peso o respectivamente 0,05-0,1% en peso.
de formas preferidas de realización está situado entre 0,01-0,3% en peso o respectivamente 0,05-0,1% en peso.
Junto a la elevación de la resistencia mecánica
en caliente por medio de la adición de escandio, titanio y
eventualmente zirconio, existe además la ventaja, de que la aleación
para la colada de aluminio conforme al invento ya tiene en el
estado moldeado por colada el efecto acrecentador de la resistencia
mecánica en caliente. Mediante un subsiguiente tratamiento térmico
en un intervalo de temperaturas de típicamente
250-400ºC se consiguen finalmente las propiedades
mecánicas con una correspondiente resistencia mecánica en caliente.
Mediante una apropiada elección de la temperatura y del período de
tiempo de tratamiento, dependiendo el período de tiempo de
tratamiento, tal como es sabido, del tamaño y del espesor de la
pieza componente, se puede hacer variar de un modo correspondiente
la resistencia mecánica en caliente. No se necesita un recocido por
disolución con un subsiguiente envejecimiento en caliente, lo cual
es ventajoso por cuanto que con ello no tiene ninguna importancia
el problema de la deformación, lo cual por regla general trae
consigo una medición de comprobación y un enderezamiento, y que,
tal como es sabido, aparece en las clásicas aleaciones para la
colada de aluminio recocidas por disolución y envejecidas en
caliente,.
Adicionalmente al zirconio, o también en vez del
zirconio, se pueden añadir a la aleación hafnio, molibdeno, terbio,
niobio, gadolinio, erbio y/o vanadio. De acuerdo con una forma
alternativa de realización, la aleación contiene uno o varios
elementos seleccionados entre el conjunto que se compone de
zirconio, hafnio, molibdeno, terbio, niobio, gadolinio, erbio y
vanadio. En este contexto, la suma de los elementos seleccionados es
como máximo de 0,5% en peso, pero de manera preferida de
0,01-0,3% en peso.
Sin embargo, es especialmente ventajoso que la
aleación contenga por lo menos 0,001% en peso, de manera preferida
por lo menos 0,008% en peso de vanadio. El vanadio actúa como
afinador del grano, similarmente a como lo hace el titanio. Además,
él mejora la soldabilidad y disminuye la tendencia a la
descomposición por rascadura de la masa fundida.
De acuerdo con una forma alternativa de
realización adicional, la aleación contiene por lo menos 0,001% en
peso de gadolinio.
Para los demás componentes opcionales de la
aleación, cromo, cobre y zinc, se prefieren los siguientes
intervalos de contenidos.
Cromo: 0,001-0,3 en peso, en
particular 0,0015-0,2% en peso
Cobre: 0,001-1,0 en peso, en
particular 0,5-1,0% en peso
Zinc: 0,001-0,05 en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
Mediante la adición de hierro y/o manganeso se
disminuye, tal como es sabido, el efecto adhesivo. De manera
preferida se utilizan un contenido de manganeso de como máximo 0,01%
en peso y un contenido de hierro de 0,05-0,6% en
peso, en particular de 0,05-0,2% en peso. El
contenido técnico de hierro está situado típicamente en por lo
menos 0,12% en peso. No obstante, no se necesita indispensablemente
la adición de hierro y/o manganeso en el caso de la colada en
lingotera y en arena.
Esto es distinto en el caso del procedimiento de
colada a presión. Aquí se necesita una adición de hierro y/o
manganeso, con el fin de disminuir el efecto adhesivo de la pieza
colada a presión en el molde. En el caso de una aleación para la
colada de aluminio destinada a la colada a presión, el contenido de
manganeso está situado preferiblemente entre 0,4 y 0,8% en peso.
Además, la suma de los contenidos de manganeso y hierro debería de
ser de por lo menos 0,8% en peso. Es especialmente ventajoso, sin
embargo, que la aleación para la colada a presión contenga o bien
solamente hierro o solamente manganeso.
Otras ventajas, características y detalles de la
aleación para la colada de aluminio conforme al invento, así como
sus propiedades, se establecen a partir de los Ejemplos de
realización preferidos procedentes de la siguiente descripción.
\vskip1.000000\baselineskip
A partir de tres diferentes aleaciones, mediante
la lingotera de barras Diez se moldearon por colada unas barras de
muestra con el fin de determinar las propiedades mecánicas. La
primera aleación, juntamente con escandio y titanio, contiene
también zirconio. La segunda aleación tiene un más alto contenido de
escandio que la primera aleación, pero no contiene nada de
zirconio. La tercera aleación es una variante con unos contenidos
más altos de magnesio y silicio.
Además, se produjo una cuarta aleación mediante
colada a presión, la cual contiene también cobre. Esta aleación fue
fundida en un horno de crisol calentado eléctricamente con una
capacidad para 200 kg. La temperatura de colada fue de 700ºC. Se
moldeó por colada en una máquina para la colada a presión de 400 t
(fuerza de retención a tracción). Como molde para las muestras
sirvió una plancha con las dimensiones de 220 x 60 x 3 mm. A partir
de las planchas se sacaron unas barras de muestra para ensayos de
tracción. Las barras de muestra fueron elaboradas solamente en los
lados estrechos.
\newpage
Con finalidades de comparación se utilizó además
una aleación de referencia (Aleación 5) que no contiene ni escandio
ni zirconio. Esta aleación fue moldeada por colada igualmente
mediante una lingotera de barras Diez. Las respectivas
composiciones de las aleaciones se recopilan en la Tabla 1.
La propiedades mecánicas de las diferentes
aleaciones conformes al invento moldeadas por colada mediante de
una lingotera de barras Diez se midieron en el estado moldeado por
colada, después de un tratamiento térmico durante 3 horas a 300ºC y
a continuación bajo diferentes cargas térmicas (200ºC/500 h,
250ºC/500 h, 350ºC/500 h y 400ºC/500 h), con el fin de determinar la
estabilidad térmica. Las propiedades mecánicas de la Aleación 4
(aleación para la colada a presión) se midieron solamente en estado
moldeado por colada y después de un tratamiento térmico a 300ºC
durante 1 hora. La aleación de referencia fue sometida a un habitual
recocido a alta temperatura. La aleación de referencia fue recocida
por disolución durante 12 h a 540ºC, a continuación fue enfriada
bruscamente con agua y luego almacenada en caliente durante 6 h a
165ºC. Los resultados de las mediciones están recopilados en la
Tabla 2, siendo Rp 0,2 el límite de alargamiento en MPa, Rm la
resistencia a la tracción en MPa y A5 el alargamiento a la rotura
en%.
Los ensayos muestran que la aleación conforme al
invento ya tiene en el estado moldeado por colada unas buenas
propiedades mecánicas. Mediante un tratamiento térmico (aquí a 300ºC
durante 3 h o respectivamente a 300ºC durante 1 h) se aumentan aun
más las propiedades mecánicas, lo cual ha de ser atribuido a un
endurecimiento de las partículas por desmezcladura a partir del
cristal mixto sobresaturado al realizar el "envejecimiento en
caliente" -, por lo tanto la formación de segregaciones
secundarias Al_{3}(Sc_{1-x,}
Zr_{x}).
Además, la estabilidad térmica de las Aleaciones
1-3 se puede reconocer bien hasta unas temperaturas
de 400ºC. En particular, los valores para el límite de alargamiento
y la resistencia mecánica a la tracción son bastante altos hasta
unas temperaturas de 400ºC. Si se comparan los valores medidos de la
aleación de referencia a 250ºC con los correspondientes valores de
la aleación conforme al invento, se reconocen manifiestamente el
mantenimiento de las muy buenas propiedades mecánicas en el caso de
la aleación conforme al invento. Al contrario de esto, la aleación
de referencia muestra a 250ºC ya una manifiesta reducción del límite
de alargamiento así como de la resistencia a la tracción.
Junto a la resistencia mecánica en caliente
hasta unas temperaturas de 400ºC, la aleación conforme al invento
presenta una muy buena soldabilidad. Ella tiene un excelente
comportamiento en la colada y se puede producir con los usuales
procedimientos de colada (colada a presión, colada en arena, colada
en lingotera, colada tixótropa, colada reológica o derivados de
estos procedimientos).
De manera preferida la aleación conforme al
invento se utiliza para piezas moldeadas por colada muy cargadas
térmicamente. Éstas son, por ejemplo, culatas de cilindros, cajas de
cigüeñales, componentes de instalaciones de acondicionamiento de
aire, piezas componentes de estructuras de aviones, en particular
para aviones ultrasónicos, segmentos de mecanismos de
accionamiento, pilones, que son piezas componentes de unión muy
cargadas, entre el mecanismo de accionamiento y las alas.
Claims (15)
1. Aleación para la colada de aluminio, estando
caracterizada la aleación porque se compone por lo menos
de
3,0-6,0% en peso de magnesio
(Mg),
> 1,0-4, 0% en peso de
silicio (Si),
0,01-< 0,5% en peso de escandio (Sc),
0,005-0, 2% en peso de titanio
(Ti),
0-0,5% en peso de un elemento o
de un conjunto de elementos, que se selecciona entre el conjunto que
se compone de zirconio (Zr), hafnio (Hf), molibdeno (Mo), terbio
(Tb), niobio (Nb), gadolinio (Gd), erbio (Er) y vanadio (V),
0-0,8% en peso de manganeso
(Mn),
0-0,3% en peso de cromo
(Cr),
0-1,0% en peso de cobre
(Cu),
0-0,05% en peso de zinc
(Zn),
0-0,6% en peso de hierro
(Fe),
0-0,004% en peso de berilio
(Be),
así aluminio como resto y otras impurezas
individualmente como máximo en 0,1% en peso y en total como máximo
en 0,5% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Aleación para la colada de aluminio de
acuerdo con la reivindicación 1, estando caracterizada la
aleación porque contiene 1,1-4,0% en peso, en
particular 1,1-3,0% en peso de silicio (Si).
3. Aleación para la colada de aluminio según
las reivindicaciones 1 ó 2, estando caracterizada la aleación
porque contiene 0,01-0,45% en peso, en particular
0,015-0,4% en peso de escandio (Sc).
4. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 3, estando caracterizada la
aleación porque contiene 0,01-0,2% en peso, en
particular 0,05-0,15% en peso de titanio (Ti).
5. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 4, estando caracterizada la
aleación porque contiene 0,01-0,3% en peso, en
particular 0,05-0,1% en peso de zirconio (Zr).
6. Aleación para la colada de aluminio de
acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, estando
caracterizada la aleación porque contiene por lo menos
0,001% en peso, en particular por lo menos 0,008% en peso de
vanadio
(V).
(V).
7. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 6, estando caracterizada la
aleación porque contiene por lo menos 0,001% en peso de gadolinio
(Gd).
8. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 7, estando caracterizada la
aleación porque contiene 0,001-0,3% en peso, en
particular 0,0015-0,2% en peso de cromo (Cr).
9. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 8, estando caracterizada la
aleación porque contiene 0,001-1,0% en peso, en
particular 0,5-1,0% en peso de cobre (Cu).
10. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 9, estando caracterizada la
aleación porque contiene 0,001-0,05% en peso de zinc
(Zn).
11. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 10, estando caracterizada la
aleación porque contiene 0,05-0,6% en peso, de
manera preferida 0,05-0,2% en peso de hierro
(Fe).
12. Aleación para la colada de aluminio según
una de las reivindicaciones 1 a 11, estando caracterizada la
aleación porque contiene como máximo 0,15% en peso o
0,4-0,8% en peso de manganeso (Mn).
13. Utilización de la aleación para la colada
de aluminio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12, para
la producción de piezas componentes moldeadas por colada muy capaces
de aguantar térmicamente, realizándose que las piezas componentes
moldeadas por colada son tratadas térmicamente después de la colada
a una temperatura de 250-400ºC.
14. Utilización de la aleación para la colada de
aluminio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12, para la
producción de piezas componentes moldeadas por colada muy capaces de
aguantar térmicamente mediante colada a presión, colada en arena,
colada en lingotera, colada tixótropa, colada reológica o derivados
de estos procedimientos.
15. Utilización de aleación moldeada por colada
de aluminio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12, para
culatas de cilindros, cajas de cigüeñales, piezas componentes de
seguridad resistentes en caliente, componentes de instalaciones de
acondicionamiento de aire, piezas componentes de estructuras de
aviones, en particular en el caso de aviones ultrasónicos,
segmentos de mecanismos de accionamiento o pilones de aviones.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10352932 | 2003-11-11 | ||
| DE10352932A DE10352932B4 (de) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Aluminium-Gusslegierung |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2339356T3 true ES2339356T3 (es) | 2010-05-19 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES04802664T Active ES2339356T3 (es) | 2003-11-11 | 2004-11-03 | Aleacion para la colada de aluminio mg-si con escandio. |
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| EP (1) | EP1682688B1 (es) |
| AT (1) | ATE454480T1 (es) |
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