ES2689908T3 - Método de obtención de una pieza de aleación de aluminio con bajo contenido de silicio - Google Patents

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Abstract

Método de obtención de una pieza de aleación de aluminio con bajo contenido de silicio, que comprende: - silicio a una tasa comprendida entre un 0,5 y un 3 %, - magnesio a una tasa comprendida entre un 0,65 y un 1 %, - cobre a una tasa comprendida entre un 0,20 y un 0,40 %, - manganeso a una tasa comprendida entre un 0,15 y un 0,25 %, - titanio a una tasa comprendida entre un 0,10 y un 0,20 %, y - estroncio a una tasa comprendida entre 0 y 120 ppm, el resto de la aleación estando constituido por aluminio y posibles impurezas, de acuerdo con el que: - en un molde se cuela dicha aleación para obtener la pieza, - después de la colada, la pieza se desmoldea constituyendo una preforma todavía caliente, - se enfría dicha preforma que a continuación se somete a una operación adecuada para volverla a calentar a una temperatura comprendida entre 470 ºC y 550 ºC, - dicha pieza se coloca entre dos carcasas de una matriz que define una cavidad de dimensiones prácticamente iguales, pero inferiores a las del molde, - las dos carcasas se presionan fuertemente la una contra la otra para ejercer sobre la pieza colocada entre dichas carcasas un efecto combinado de prensado y de contracción superficial

Description

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DESCRIPCION
Método de obtención de una pieza de aleación de aluminio con bajo contenido de silicio
La invención tiene relación con el sector técnico de la fundición, para la fabricación de piezas de aluminio, en particular en el campo del automóvil, la aeronáutica y más generalmente, todo tipo de industrias.
Existen numerosas aleaciones denominadas de « bajo contenido de silicio ». Estas aleaciones presentan altas características mecánicas después de tratamiento térmico T6 (Rp0,2 300 MPa; A % 8 %). Se recogen en la serie 6000 (Al-Mg-Si) de la clasificación de aleaciones de aluminio. Las más conocidas son 6082, 6061, 6151. También existen numerosas composiciones con contenidos similares a los de las aleaciones normalizadas, entre las que se pueden mencionar, por ejemplo, los documentos EP 0 987 344 y US 2010/0288401 A1.
Las aleaciones mencionadas se han desarrollado para la obtención de productos semiacabados (palanquillas o lingotes para forjado o laminación) destinados a transformarse durante operaciones en caliente o en frío con altas tasas de deformación (> 50 %). Además, las geometrías de estos productos semiacabados son simples (barra, varilla o lingote) lo que permite solidificar estas aleaciones con un mínimo de defectos mediante el uso de métodos con altas tasas de solidificación. Estas geometrías y estos métodos conducen de acuerdo con técnicas conocidas hoy en día, a productos semiacabados libres de defectos entre los que se pueden citar: cavidades huecas, grietas, macro-segregaciones, macro-precipitaciones (evita la formación de precipitados demasiado grandes, > 100 |jm).
A partir de este estado de la técnica, el problema planteado que la invención se propone resolver es poder preparar piezas que cumplan con las normas de calidad y seguridad elevadas, y susceptibles de tener formas complejas.
Para resolver este problema, el objeto de la invención se refiere a un método de fabricación de una pieza de aleación de aluminio con bajo contenido de silicio, de tipo 6000.
Más particularmente, la invención se refiere a un método de obtención de una pieza de aleación de aluminio con bajo contenido de silicio, que comprende silicio a una tasa comprendida entre un 0,5 y un 3 %, magnesio a una tasa comprendida entre un 0,65 y un 1 %, cobre a una tasa comprendida entre un 0,20 y un 0,40 %, manganeso a una tasa comprendida entre un 0,15 y un 0,25 %, titanio a una tasa comprendida entre un 0,10 y un 0,20 %, y estroncio a una tasa comprendida entre 0 y 120 ppm, de acuerdo con el que:
- en un molde se cuela dicha aleación para obtener la pieza,
- después de la colada, la pieza se desmoldea constituyendo una preforma todavía caliente,
- se refrigera dicha preforma que a continuación se somete a una operación adecuada para volverla a calentar a una temperatura comprendida entre 470 °C y 550 °C.
- dicha pieza se coloca entre dos carcasas de una matriz que define una cavidad de dimensiones prácticamente iguales, pero inferiores a las del molde,
- las dos carcasas se presionan fuertemente la una contra la otra para ejercer sobre la pieza colocada entre dichas carcasas un efecto combinado de prensado y de contracción superficial.
La presente invención también tiene como objetos:
- la realización del método que se ha mencionado anteriormente en el campo del automóvil o en el campo aeronáutico;
- el uso de una pieza obtenida con el método que se ha mencionado anteriormente, en el campo del automóvil; y
- el uso de la aleación en el método que se ha mencionado anteriormente, en el campo aeronáutico.
En una forma de realización del método, después de enfriar la preforma, esta última se vuelve a calentar cuando se coloca en un túnel de horno.
De estas características se deduce que la operación de fundición seguida de forja en una etapa de la preforma no presentan los mismos parámetros de temperaturas, velocidad de solidificación, tasa de deformación, temperatura de forja que los métodos del estado anterior de la técnica.
La aleación reivindicada cumple con estas limitaciones y permite obtener piezas con una calidad satisfactoria, muy particularmente si son parte de una obligación de seguridad (pieza de conexión a tierra = piezas de seguridad).
Entre estas limitaciones, se observa, a modo de ejemplos:
- la geometría de la preforma, a diferencia de las varillas o los lingotes, comprende desde su concepción los bocetos de las zonas funcionales de la pieza y, por lo tanto, pueden tener una geometría compleja que comprende nervios o variaciones de sección que conducen a masas aisladas de metal líquido. Estas masas aisladas se pueden « tolerar » aumentando el contenido de silicio (tipo AS7G03, aleación de fundición estándar).
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Una disminución de esta tasa hace que la aleación sea más sensible durante la solidificación y conduce a defectos de contracción (porosidades) más numerosos y de un volumen más elevado.
- el intervalo de solidificación, que se define por la diferencia entre la temperatura del líquido y la temperatura eutéctica de la aleación considerada. Para una aleación, tipo AS7G03 modificada con estroncio, este intervalo es de 50 °C aprox. (611 °C - 562 °C). Para una aleación de bajo contenido de silicio de tipo 6000, es del orden de 90 °C (655 °C - 562 °C) manteniendo la precipitación de los Mg2Si macroscópicos (o del silicio) como pseudo etapa eutéctica. Un intervalo de solidificación grande conduce a una zona pastosa más extendida a través de la pieza, de modo que se hace más difícil dirigir el frente de solidificación para reducir los defectos tal como se hace tradicionalmente y casi de forma natural con una aleación de tipo AS7G03.
- el AS7G03 tiene una sensibilidad casi nula al agrietamiento debido a la gran cantidad de mezcla eutéctica que podrá llenar las grietas que aparecen durante la contracción por solidificación. Este no es el caso de una aleación con bajo contenido de silicio, que tiene muy poco comportamiento eutéctico lo que produce una alta sensibilidad al agrietamiento y requiere adaptar la composición y controlar los gradientes térmicos de solidificación.
También es necesario ajustar la composición química para obtener el mejor compromiso entre los parámetros de fundición, de forjado, de tratamiento térmico y las características mecánicas deseadas en las piezas acabadas. Con este objeto, a continuación se detalla cada uno de los elementos de la aleación, su contenido y los efectos que llevaron a conservar estos valores:
El contenido de silicio está comprendido entre un 0,5 y un 3 %. Un contenido de silicio inferior a un 1 %, conduce a los límites elásticos y elongaciones más elevados. Sin embargo, se trata de la velocidad para la cual la aleación es más sensible al agrietamiento y tiene la fluidez más baja. Por lo tanto es necesario poder adaptar el contenido de silicio en función de la geometría de la pieza. Las geometrías complejas requerirán una mayor velocidad para reducir esta sensibilidad al agrietamiento. La tasa máxima de un 3 % corresponde a una velocidad más allá de la cual la elongación y el límite elástico se hacen demasiado bajos para que siempre sea interesante la producción con una aleación de este tipo.
El contenido de magnesio está comprendido entre un 0,65 y un 1 %. Este contenido permite optimizar la densidad de precipitados de Mg2Si en la matriz de aluminio. Compensa la disminución del contenido de silicio a la vez que tiene un mínimo de precipitados de Mg2Si macroscópicos que son perjudiciales y que se deben disolver o transformar durante el tratamiento térmico. Si los precipitados son demasiado numerosos, o demasiado grandes, el tratamiento térmico no tendrá más que un bajo efecto para su disolución, habiéndose superado el tamaño crítico de disolución.
El contenido de cobre está comprendido entre un 0,20 y un 0,40 %. Este contenido permite la formación de precipitados de AhCu en la matriz y la ausencia total de precipitados de A^Cu macroscópicos. La ausencia de estos precipitados macroscópicos permite conservar temperaturas de forja elevadas y por lo tanto minimizar los esfuerzos de la forja (que se realiza en una sola etapa). En efecto, los principales precipitados formados en presencia de cobre son AhCu y AlMgSiCu que se funden respectivamente a 490 °C y 525 °C, su presencia podría impedir el forjado a temperaturas más elevadas sin riesgo de quemadura de la aleación que haría que las piezas no se pudieran usar. Esta degradación está relacionada con una destrucción de la aleación. Un contenido de cobre más elevado también aumenta la sensibilidad al agrietamiento de la aleación, ya que permanece un resto eutéctico a solidificar a temperaturas bajas (490 °C o 525 °C) para las cuales las limitaciones mecánicas (relacionadas con la eliminación de solidificación) ejercida sobre la pieza son importantes.
El contenido de manganeso está comprendido entre un 0,15 y un 0,25 %. Este contenido evita la formación de precipitados de AlFeSi en forma p (placa muy perjudicial) y permite formar más bien precipitados de AlFeMnSi en forma a (caligrafía china menos perjudicial). Esto permite maximizar la elongación sobre la pieza final resultante del método Cobapress. Este efecto se usa con mayor frecuencia con cantidades más elevadas de manganeso y hierro, estos dos elementos conduciendo a un gran endurecimiento de la aleación pero también a precipitados más grandes durante la solidificación. Estos grandes precipitados son un obstáculo para una buena elongación. Sin embargo, la aleación de acuerdo con la invención está destinada, como se indica, al método Cobapress, de acuerdo con el cual se forja en una sola etapa, que no presenta las grandes deformaciones que se encuentran en la forja, la laminación o la extrusión. Estas grandes deformaciones permiten romper estos grandes precipitados y hacerlos mucho menos perjudiciales mientras mantienen su efecto de endurecimiento. En el caso de la aleación, de acuerdo con la invención, conviene minimizar, desde la colada, el impacto de los precipitados a base de hierro sobre las características mecánicas. De hecho, su morfología no se modificará, la forja en una etapa no deformando suficientemente la pieza como para cambiar su morfología. Por último, este contenido de manganeso es adecuado para las velocidades de enfriamiento obtenidas durante la colada en molde permanente, con respecto a estas velocidades, favorece la formación de precipitados de AlFeMnSi en forma a.
El contenido de titanio está comprendido entre un 0,10 y un 0,20 %. Este contenido es necesario para una germinación eficaz de los granos y un tamaño de grano fino que tiene un efecto importante sobre las características mecánicas de estas aleaciones.
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El contenido de estroncio está comprendido entre 0 y 120 ppm. Este contenido es necesario para tener una solidificación fibrosa de las bajas cantidades de mezcla eutéctica que se forma. Esto se produce principalmente para contenidos de servicios superiores a un 1,5 %.
Los inventores han observado que la composición de esta aleación es adecuada para conducir a una solidificación que permitirá maximizar las características mecánicas a pesar de los bajos niveles de deformación encontrados durante el método Cobapress.
Sin embargo, los defectos de solidificación persisten, defectos de solidificación intergranular de la contracción localizada en las uniones de los granos con una morfología ramificada y difusa que debilita la pieza de fundición.
La operación de forjado con el método Cobapress permite cerrar y fortalecer estos defectos con un control en el diseño de la tasa de deformación. El par de temperatura/deformación permite una rectificación de los defectos. La tabla, que se muestra a continuación, presenta las características mecánicas en la pieza de fundición y empiezas, de acuerdo con el método Cobapress, después del tratamiento térmico T6 de la aleación con bajo contenido de silicio. Se puede observar la mejora del límite de ruptura Rm y de la elongación en la ruptura:
ESTADOS
Rp0,2 [Mpa] Rm [Mpa] A % [ %]
Fundición AlMgSiCu + T6
300 315 1,3
Cobapress™ AlMgSiCu + T6
300 340 8
Rp = Límite elástico Rm = Resistencia mecánica
A % = Elongación
Por último, esta composición permite disminuir la complejidad del tratamiento térmico habitual para aleaciones de tipo Al-Mg-Si-Cu. El contenido de silicio, las velocidades de solidificación y el refinamiento del grano conducen a precipitados macroscópicos de Mg2Si cuyo tamaño y morfología facilitan la disolución durante el tratamiento térmico.
Se remite a las figuras de los dibujos adjuntos que representan la microfotografía de una pieza, con el fin de mostrar la importancia del contenido de manganeso y de cobre. La figura 1 muestra una microestructura de fundición, sin manganeso, precipitados « en agujas », tipo p, mientras que la figura 2 muestra la monoestructura con manganeso, precipitados « en caligrafía china », de tipo a.
Las figuras 3, 4 y 5 muestran la eliminación de los precipitados de cobre Al2Cu.
En las figuras 3 y 4, el contenido de cobre es superior a un 0,40 %, ce lo que produce la presencia de precipitados de A^Cu. La figura 4 muestra un ejemplo en el que se pueden observar las precipitaciones de AlFeMnSi y Mg2Si rodeados por precipitados de AhCu.
La figura 5 muestra un contenido de cobre comprendido entre un 0,20 % y un 0,40 %, de acuerdo con la invención, que muestra una ausencia de precipitados de Al2Cu.

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Método de obtención de una pieza de aleación de aluminio con bajo contenido de silicio, que comprende:
    - silicio a una tasa comprendida entre un 0,5 y un 3 %,
    - magnesio a una tasa comprendida entre un 0,65 y un 1 %,
    - cobre a una tasa comprendida entre un 0,20 y un 0,40 %,
    - manganeso a una tasa comprendida entre un 0,15 y un 0,25 %,
    - titanio a una tasa comprendida entre un 0,10 y un 0,20 %, y
    - estroncio a una tasa comprendida entre 0 y 120 ppm,
    el resto de la aleación estando constituido por aluminio y posibles impurezas, de acuerdo con el que:
    - en un molde se cuela dicha aleación para obtener la pieza,
    - después de la colada, la pieza se desmoldea constituyendo una preforma todavía caliente,
    - se enfría dicha preforma que a continuación se somete a una operación adecuada para volverla a calentar a una temperatura comprendida entre 470 °C y 550 °C,
    - dicha pieza se coloca entre dos carcasas de una matriz que define una cavidad de dimensiones prácticamente iguales, pero inferiores a las del molde,
    - las dos carcasas se presionan fuertemente la una contra la otra para ejercer sobre la pieza colocada entre dichas carcasas un efecto combinado de prensado y de contracción superficial.
  2. 2. Uso de una pieza obtenida con el método de acuerdo con la reivindicación 1, en el campo del automóvil.
  3. 3. Uso de la aleación en el método de acuerdo con la reivindicación 1, en el campo de la aeronáutica.
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