ES2576791B1 - Procedimiento de obtención de material metálico mediante procesado por extrusión en canal angular de material metálico en estado semisólido, dispositivo asociado y material metálico obtenible - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de obtención de material metálico mediante procesado por extrusión en canal angular de material metálico en estado semisólido, dispositivo asociado y material metálico obtenible.#La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de material metálico mediante procesado por extrusión en canal angular de material metálico en estado semisólido, al dispositivo asociado a dicho procedimiento, así como al material metálico obtenible con dicho procedimiento, que es un material metálico continuo de superiores propiedades mecánicas a las de la aleación semisólida discontinua de partida y de un tamaño de grano más fino.
Description
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PROCEDIMIENTO DE OBTENCION DE MATERIAL METALICO MEDIANTE PROCESADO POR EXTRUSION EN CANAL ANGULAR DE MATERIAL METALICO EN ESTADO SEMISOLIDO, DISPOSITIVO ASOCIADO Y MATERIAL METALICO OBTENIBLE
D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention se refiere a un procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido, al dispositivo asociado a dicho procedimiento, asl como al material metalico obtenible con dicho procedimiento.
El procedimiento de la presente invencion permite obtener un material metalico continuo de superiores propiedades mecanicas a las de la aleacion semisolida discontinua de partida y de un tamano de grano mas fino.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Se conocen en el estado de la tecnica los procedimientos de extrusion de materiales metalicos en canal angular a partir de aleacion semisolida, denominados ECAP (siglas en ingles de "equal channel angular pressing”, extrusion en canal angular constante) para la obtencion de un material metalico con grano ultrafino.
Los anteriores procedimientos aplican una deformation plastica severa en frlo mediante una matriz que contiene dos canales que se intersecan en el centro de la misma, donde una probeta mecanizada se coloca en el canal superior de la matriz y seguidamente se aplica una elevada presion mediante un punzon, de manera que el material, sometido a una intensa deformacion plastica, fluye a traves de la matriz sin que se produzca ningun cambio en la section transversal de las probetas y de esta manera se consigue afinar el grano hasta conseguir tamanos de grano ultrafinos, menores de 1 micrometro, donde el esfuerzo se produce por el esfuerzo de cizalla en el angulo de intersection.
Entre los anteriores se conoce la solicitud de patente JP2009208099A que divulga un dispositivo y un procedimiento ECAP que se aplica sobre una aleacion ligera en estado
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semisolido (Al-7%Si) (650 °C) en varias pasadas a una temperatura de unos 200 °C, es decir, enfriando ligeramente la aleacion semisolida antes de entrar en la matriz de ECAP con angulo entre canales de 90°, con lo que se consigue afinar el tamano de grano hasta el tamano de 1 pm, debido a la extrema localization de la deformation de cizalla en un plano a elevada tension.
Como resumen, el anterior procedimiento describe las etapas siguientes:
- introduction discontinua del material semisolido en el dispositivo,
- enfriamiento paulatino hasta la temperatura de extrusion angular que puede bajar hasta la temperatura deseada, donde cuanto mas baja sea la temperatura, mas presion se debera ejercer sobre el material semisolido y mayor el afino microestructural.
- extrusion angular a traves de un codo o canal angular deformando severamente en un plano de cizalla muy localizado.
Se conocen procedimientos que aplican la misma tecnica ECAP, donde el material discontinuo en estado semisolido se hace pasar varias veces por el canal angular y se extruye en la matriz. Entre los anteriores se encuentra la publication "Fatigue Behaviour and Mechanical Properties of ECAP’ed and Thixoformed AA7075”, Hasan Kaya and Mehmet Upar, donde el procedimiento de ECAP es seguido por un procedimiento de thixoforming aplicado sobre una aleacion de Al AA7075 y donde el procedimiento de ECAP puede comprender varias pasadas por la matriz antes de llevar a cabo el procedimiento de thixoforming donde se vuelve a calentar a 570 °C durante 15 min.
El procedimiento de la presente invention permite obtener un material metalico continuo de superiores propiedades mecanicas a las de la aleacion semisolida discontinua de partida. Se consigue un tamano de grano mas fino que los conocidos en el estado de la tecnica, reduciendo costes y aumentando la eficiencia.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido que permite obtener un material continuo partiendo de un material discontinuo.
El procedimiento comprende las siguientes etapas:
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- una etapa de introduction de al menos dos tochos de material semisolido en un dispositivo que comprende una matriz de ECAP, donde el dispositivo comprende un canal de entrada,
- una etapa de union mediante presion de los al menos dos tochos de material semisolido introducidos en el canal de entrada,
- una etapa de extrusion angular a traves de un canal angular de la matriz ECAP, definido en la zona de intersection de un canal de entrada y un canal de salida de dicha matriz ECAP, de los al menos dos tochos unidos en la etapa de union, con lo que se consigue deformar severamente y en estado solido, el material continuo formado en la etapa de union.
La etapa de union mediante presion de los al menos dos tochos de material semisolido introducidos en el canal de entrada se lleva a cabo por contacto facilitado por la fraction llquida del material semisolido, lo que aumenta el contacto Intimo y la difusion de elementos entre tochos.
Opcionalmente, el procedimiento comprende una etapa de extrusion reductora de la section inicial de los tochos a la section del canal de entrada a la matriz ECAP, previa a dicha etapa de extrusion angular. Esta etapa genera un afino microestructural inicial que facilita un mayor afino posterior en la etapa de extrusion angular.
Opcionalmente, el procedimiento comprende una etapa de enfriamiento gradual hasta una temperatura de extrusion entre la etapa de union mediante presion de los al menos dos tochos de material semisolido introducidos en el canal de entrada y la etapa de extrusion angular, de manera que cuanto mas baja sea la temperatura, mas presion se debera ejercer sobre el material y se lograra mayor afino microestructural en la etapa de extrusion angular.
La etapa de extrusion angular se lleva a cabo de manera localizada en el plano de cizalla, que es el formado entre el canal de entrada y el canal de salida de la matriz de ECAP, generando fragmentation de estructuras (eutecticas, por ejemplo), precipitados y/o partlculas, y un importante afino de grano que mejora la resistencia mecanica, resistencia a la fractura, ductilidad y tenacidad del material procesado.
El material semisolido de partida puede ser cualquier aleacion que presente, en el diagrama de fases, un campo llquido-solido. Como ejemplo, el material semisolido de partida puede ser una aleacion ligera (Al-7%Si) o una aleacion de aluminio y magnesio, donde el material se encuentra inicialmente entre 590 °C y 640 °C dependiendo de la composition. A la salida,
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el material ya continuo presentara un tamano de grano ultrafino, menor de 1 pm, asl como un tamano de partlculas, precipitados e inclusiones, en general del orden de 1 pm.
El dispositivo para llevar a cabo el procedimiento anterior comprende una matriz de ECAP con un canal de entrada y un canal de salida que forman un angulo entre si, preferentemente de entre 60° y 180°, mas preferentemente entre 90° y 120°.
Opcionalmente, la seccion del canal de entrada del dispositivo es mayor que la seccion del canal de entrada de la matriz ECAP, donde preferentemente, la relacion de secciones anterior se encuentra entre los valores 4:1 y 40:1, de manera que queda definida en el dispositivo una zona de extrusion reductora, dispuesta previamente a la matriz ECAP, para obtener un material de salida con mejores propiedades mecanicas.
El dispositivo comprende ademas un embolo de compresion dispuesto en la parte superior de un canal de entrada del dispositivo, que es preferentemente vertical, donde el embolo de compresion en su recorrido produce la union entre tochos y los empuja a su paso por el angulo de cizalla de la matriz de ECAP, y un embolo de alimentacion desplazable por un canal de alimentacion adyacente a la parte superior del canal de entrada del dispositivo.
Opcionalmente, el embolo de alimentacion es perpendicular al embolo de compresion y tiene alineadas sus cotas superior e inferior entre las posiciones de mlnimo y maximo recorrido del embolo de compresion, respectivamente.
El canal de entrada comprende un orificio lateral que comunica el canal de alimentacion con el canal de entrada, de tal forma que el embolo de compresion se encuentra en su posicion de desplazamiento mlnimo mientras que el de embolo de alimentacion realiza su recorrido empujando el material semisolido de aporte hasta su posicion de desplazamiento maximo, donde en la posicion de desplazamiento maximo, el embolo de alimentacion realiza la funcion de pared del canal cerrando el orificio lateral en las etapas posteriores a la etapa de introduccion de al menos dos tochos de material semisolido en el dispositivo.
Opcionalmente, el dispositivo comprende ademas una zona de refrigeracion adyacente al canal de entrada de la matriz ECAP, lo que permite obtener una determinada temperatura de procesado y/o tratamiento termico, y con ello propiedades mecanicas muy superiores.
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La longitud optima del canal de entrada esta determinada por el gradiente termico y/o la velocidad de enfriamiento requeridos, ahorrando costes de refrigeracion.
El material metalico continuo obtenido presenta una microestructura mas homogenea que los tochos de partida, disminuyendo el tamano de sus defectos y obteniendo menor tamano de grano. Esto redunda en unas propiedades mecanicas muy superiores, tanto en resistencia como en ductilidad.
Los materiales de partida pueden ser aleaciones metalicas, especialmente aquellas que se presten al conformado mediante thixoforming en una sola etapa, sin tener que reprocesar severamente el material posteriormente.
La longitud del material metalico continuo obtenido no esta limitada y unicamente sera funcion del numero de tochos unidos en la etapa de union mediante presion.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra una vista en esquema del dispositivo de la presente invention cuando se va a llevar a cabo la introduction de un tocho enesimo, tn, una vez que se han introducido unos n-1 tochos previos, tn.1, tn.2, ..., t2, t1.
La Figura 2 muestra una vista en esquema del dispositivo de la presente invencion inmediatamente despues de la introduccion del tocho enesimo, tn.
La Figura 3 muestra una vista en esquema del dispositivo de la presente invencion en el instante de desplazamiento maximo del embolo de compresion. En este instante ya se ha producido la union del tocho enesimo, tn, a los n-1 tochos previos tn-1, tn-2, ..., t2, t1, asl como la cizalla del tocho correspondiente en el canal angular.
La Figura 4 muestra un diagrama de fases de una aleacion Al-Si donde se indican las temperaturas Tms y Tmi para una concentration del 7% en Si.
La Figura 5 muestra un diagrama de fases de una aleacion Fe-C donde se indican las temperaturas Tms y Tmi para la concentracion del 2% en C.
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REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
Segun una explication detallada de la invention, el procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido que permite obtener un material continuo partiendo de un material discontinuo comprende las siguientes etapas:
- una etapa de introduction de n tochos de material semisolido, un primer tocho (t1), un segundo tocho (t2), un tercer tocho (t3) y asl hasta un enesimo tocho (tn) en un dispositivo que comprende una matriz de ECAP (6), donde el dispositivo comprende un canal de entrada (4),
- una etapa de union mediante presion por contacto de los tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) de material semisolido introducidos en la matriz de ECAP (6),
- una etapa de extrusion reductora de la section inicial de los tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) de material semisolido introducidos en la matriz de ECAP (6), de manera que se reduce la section de los tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn ) de la section del canal de entrada (4), a la section de un canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6),
- una etapa de enfriamiento gradual hasta una temperatura de extrusion,
- una etapa de extrusion a traves de un canal angular de la matriz ECAP (6), en un plano de cizalla (12), definido en la zona de intersection del final del canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6) y y un canal de salida (5) de la matriz ECAP (6).
El dispositivo para llevar a cabo el procedimiento anterior comprende una matriz de ECAP (6) que comprende un canal de entrada (15) vertical y un canal de salida (5) horizontal que forman un angulo entre si, preferentemente de entre 60° y 180°, mas preferentemente entre 90° y 120° y mas preferentemente es de 90°, como en el ejemplo mostrado en las Figuras.
El dispositivo comprende ademas un embolo de compresion (7) dispuesto en la parte superior del canal de entrada (4) del dispositivo, para la union entre tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) y la extrusion de los mismos a traves del canal angular de la matriz de ECAP (6), y un embolo de alimentation (8) de los tochos (t1, t2, ., tn-2, tn-1, tn), perpendicular al embolo de compresion (7) y desplazable por un canal de alimentation (9) adyacente a la parte superior del canal de entrada (4) del dispositivo y perpendicular a este (4).
El canal de entrada (4) del dispositivo comprende un orificio lateral (10) que comunica el
canal de alimentacion (9) con el canal de entrada (4), donde las cotas superior e inferior del canal de alimentacion (9), definidas por el orificio lateral (10), se encuentran dispuestas entre las posiciones de mlnimo y maximo recorrido del embolo de compresion (7), respectivamente.
5
El dispositivo comprende una zona de extrusion reductora (14) de los tochos (L, t2, ..., tn.2, tn.i, tn) de material semisolido introducidos en la matriz de ECAP (6) donde la seccion del canal de salida (5) es del orden de la seccion del canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6).
10 El dispositivo comprende ademas una zona de refrigeracion (11) dispuesta preferiblemente previamente al plano de cizalla (12) de la matriz ECAP (6), adyacente al canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6).
El dispositivo y el procedimiento de la presente invention no esta limitado por tanto a un 15 numero determinado de tochos, tal y como se muestra en las Figuras 1 a 3 donde se muestran n tochos, tn, tn.1, tn.2, ..., t2, t1, y en el que se produce un material continuo y de mejores propiedades.
A continuation se muestran ejemplos de materiales a los que se les ha aplicado el 20 procedimiento de la presente invencion.
Para determinar los tiempos de consolidation de los tochos semisolidos (t1, t2, ..., tn.2, tn.1, tn) a diferentes temperaturas y tensiones, es necesario conocer, para un determinado compuesto, las temperaturas llmite del rango semisolido, segun la siguiente formula:
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donde t es el tiempo de consolidacion en segundos, A es una constante que toma el valor 41011, o es la tension de consolidacion del material continuo obtenido, E es el modulo de Young, y la constante 18.3 es un valor medio que sirve para diferentes sistemas de aleacion 30 basados en Al, Mg, Fe, Li, Pb, Zn, Ag, Cu, Pd, V, etc. , Tm es la temperatura de fusion absoluta, T es la temperatura de operation, y fv es una funcion de aceleracion de consolidacion por la presencia de llquido:
V
donde Tms es la temperatura de fusion superior, Tmi es la temperatura de fusion inferior (ambos llmites del rango semisolido) y v es el exponente de velocidad de consolidacion, que toma valores, en general, > 2.
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EJEMPLO 1
En este primer ejemplo se utilizo la aleacion Al-7%Si, cuyo diagrama de fases Al-Si se muestra en la figura 4, indicando las temperaturas Tms y Tmi para una concentration del 7% 10 en Si. Tambien funciona para las aleaciones comerciales de aluminio A356, A357 y similares. Con estos valores, los tiempos de consolidacion a distintas temperaturas, con distintas cargas, obtenidos a partir de las ecuaciones propuestas se muestran en la Tabla 1.
- Tabla 1
- T, °C
- T, K ct, MPa t, s
- 580
- 853 10 4,7
- 590
- 863 10 2,1
- 600
- 873 10 0,7
- 610
- 883 10 0,1
- 619
- 892 10 0,0
- 580
- 853 5 9,4
- 590
- 863 5 4,2
- 600
- 873 5 1,5
- 610
- 883 5 0,3
- 619
- 892 5 0,0
- 580
- 853 2 23,5
- 590
- 863 2 10,5
- 600
- 873 2 3,7
- 610
- 883 2 0,7
- 619
- 892 2 0,0
- 15
10
EJEMPLO 2
En este segundo ejemplo se utilizo una aleacion de acero al 2% en C, cuyo diagrama de fases Fe-C se muestra en la Figura 5, indicando las temperaturas Tms y Tmi para la concentration del 2% en C. El comportamiento es similar para aceros con otras composiciones de carbono y otros aleantes introduciendo los valores Tms y Tmi pertinentes. Con estos valores, los tiempos de consolidation a distintas temperaturas, con distintas cargas, obtenidos a partir de las ecuaciones propuestas se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2
- T, °C
- T, K ct, MPa t, s
- 1200
- 1473 30 17,7
- 1250
- 1523 30 4,8
- 1300
- 1573 30 1,1
- 1350
- 1623 30 0,1
- 1390
- 1663 30 0,0
- 1200
- 1473 20 26,5
- 1250
- 1523 20 7,1
- 1300
- 1573 20 1,6
- 1350
- 1623 20 0,2
- 1390
- 1663 20 0,0
- 1200
- 1473 10 53,0
- 1250
- 1523 10 14,3
- 1300
- 1573 10 3,2
- 1350
- 1623 10 0,4
- 1390
- 1663 10 0,0
Claims (10)
- 5101520253035R E I V I N D I C A C I O N E S1. - Procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido caracterizado por que comprende:- una etapa de introduction de al menos dos tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) de material semisolido en un dispositivo que comprende una matriz de ECAP (6), donde el dispositivo comprende un canal de entrada (4),- una etapa de union mediante presion de los al menos dos tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) de material semisolido introducidos en el canal de entrada (4),- una etapa de extrusion angular a traves de un canal angular de la matriz ECAP (6), definido en la zona de intersection de un canal de entrada (15) y un canal de salida (5) de dicha matriz ECAP (6), de los al menos dos tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) unidos en la etapa de union, para deformar severamente y en estado solido, el material continuo formado en la etapa de union.
- 2. - Procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido segun revindication 1 caracterizado por que comprende ademas una etapa de enfriamiento gradual hasta una temperatura de extrusion entre la etapa de union mediante presion de los al menos dos tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) de material semisolido introducidos en el canal de entrada (4) y la etapa de extrusion angular.
- 3. - Procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende una etapa de extrusion reductora de la section inicial de los tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) a la section del canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6), previa a la etapa de extrusion angular.
- 4. - Procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de union mediante presion de los al menos dos tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) de material semisolido introducidos en el canal de entrada (4) se lleva a cabo por contacto.
- 5. - Procedimiento de obtencion de material metalico mediante procesado por extrusion en canal angular de material metalico en estado semisolido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de extrusion angular (6) se lleva a5 cabo de manera localizada en un plano de cizalla (12), definido por la intersection del canal de entrada (15) y el canal de salida (5) de la matriz ECAP (6).
- 6. - Dispositivo para llevar a cabo el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende una matriz de ECAP (6) que comprende un canal de entrada (15)10 y un canal de salida (5) que forman un angulo entre si, y un embolo de compresion (7) dispuesto en la parte superior de un canal de entrada (4) del dispositivo, para la union entre tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) y la extrusion de los mismos a traves de un angulo de cizalla (12) de la matriz de ECAP (6) caracterizado por que comprende ademas un embolo de alimentation (8) de los tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) desplazable por un canal de alimentation 15 (9) adyacente a la parte superior del canal de entrada (4) del dispositivo.
- 7. - Dispositivo segun revindication 6 caracterizado por que el canal de entrada (4) del dispositivo comprende un orificio lateral (10) que comunica el canal de alimentacion (9) con el canal de entrada (4), donde las cotas superior e inferior del canal de alimentacion (9),20 definidas por el orificio lateral (10), se encuentran dispuestas entre las posiciones de mlnimo y maximo recorrido del embolo de compresion (7), respectivamente.
- 8. - Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7 caracterizado por que comprende ademas una zona de refrigeration (11) dispuesta adyacente al canal de entrada25 (15) de la matriz de ECAP (6), preferentemente dispuesta previamente al plano de cizalla(12) de la matriz ECAP (6).
- 9. - Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8 caracterizado por que comprende ademas una zona de extrusion reductora (14) de los dos tochos (t1, t2, ..., tn-2, tn-1,30 tn) de material semisolido dispuesta previamente a la matriz ECAP (6), donde la section delcanal de entrada (4) del dispositivo es mayor que la seccion del canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6), estando preferentemente la relation de secciones en el intervalo 4:1 a 40:1.
- 10.- Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9 caracterizado por que el canal de entrada (15) y el canal de salida (5) de la matriz ECAP (6) forman un angulo entre si de entre 60° y 180°, preferentemente entre 90° y 120° y mas preferentemente de 90°.5 11.- Material metalico obtenible con el procedimiento de cualquiera de lasreivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que el material de los tochos de partida (t1, t2, ..., tn-2, tn-1, tn) es una aleacion que presenta, en el diagrama de fases, un campo llquido-solido.
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