ES2865549T3 - Procedimiento para el mecanizado de una pieza de un material metálico - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el mecanizado de una pieza de trabajo hecha de un material metálico, en el que la pieza de trabajo se mecaniza por medio de ECAP, en el que después del mecanizado mediante se realiza un procesamiento posterior mediante martilleo, por lo que se logra una reducción del diámetro, caracterizado porque dos o más herramientas (3) dispuestas circunferencialmente de la pieza de trabajo (1) ejercen golpes de conformación dirigidos radialmente en la dirección de un centro de la pieza (1) mientras la pieza gira con respecto a las herramientas (3) alrededor del centro de la pieza de trabajo.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para el mecanizado de una pieza de un material metálico

La invención se refiere a un procedimiento para el mecanizado de una pieza de trabajo hecha de un material metálico, en el que la pieza de trabajo se mecaniza por medio de ECAP.

Existen procedimientos conocidos para el mecanizado de piezas que se resumen en la abreviatura SPD. La abreviatura SPD significa "deformación plástica severa". Se trata de procesos en los que una pieza metálica es sometida a una deformación plástica muy grande para producir una estructura de grano ultrafino (UFG). La microestructura puede alcanzar un tamaño medio de grano inferior a 1 pm y suele presentar grandes ángulos de alineación en los límites del grano. Los procesos SPD incluyen, entre otros, ECAp ("Equal Channel Angular Pressing"), ARB ("Accumulative Roll-Bonding"), HpT ("High Pressure Torsion"), RCS ("Repetitive Corrugation and Straightening"), CEC ("Cyclic Extrusion Compression"), "torsion extrusion", STS ("Severe Torsion Straining"), CCDF ("Cyclic Closed-Die Forging") y SSMR ("Super Short Multi-pass Rolling").

El ECAP es un procedimiento en el que una pieza es presionada a través de al menos dos canales de fusión, los canales tienen una sección transversal idéntica y la unión entre los canales tiene un ángulo cualquiera, preferiblemente entre 80° y 140°. La deformación plástica del material de la pieza cuando se presiona la transición entre los canales puede conducir a un refinamiento significativo de la estructura del material y, por lo tanto, a la mejora de las propiedades del material. El procesamiento de una pieza mediante ECAP se describe, por ejemplo, en los documentos US 5.513.512 A, US 6.399.215 B1 y EP 2366808 A2, en los que las piezas procesadas consisten, al menos en parte, en titanio (puro) y/o sirven para fabricar implantes médicos.

En muchos casos, los implantes médicos están hechos de titanio puro, que tiene muy buena biocompatibilidad. Sin embargo, una desventaja de estos implantes puede ser la resistencia mecánica relativamente baja de este material. Esto puede aumentarse considerablemente mediante el uso de aleaciones de titanio, pero normalmente a expensas de la biocompatibilidad y, por tanto, del tiempo de permanencia de los implantes de este material en el cuerpo humano o animal.

Los dispositivos utilizados en las publicaciones mencionadas para realizar el ECAP están limitados con respecto a las dimensiones y, en particular, con respecto a la longitud de las piezas a procesar. Esto se debe, en particular, a la carrera limitada de los punzones, mediante la cual se presionan las piezas a través de los canales de las respectivas herramientas. Según el documento US 7.152.448 B2, un dispositivo es adecuado para eliminar esta desventaja, en el que la pieza de trabajo tiene un primer canal parcialmente circular que se une en un ángulo a un segundo canal recto, estando el primer canal delimitado radialmente en el interior por un elemento de propulsión en forma de disco accionable rotatoriamente. Mediante una rotación del elemento de propulsión, la pieza debe ser desplazada por fricción a través del primer canal y presionada en el segundo canal en un proceso continuo. El objetivo es permitir el mecanizado de piezas de básicamente cualquier longitud mediante ECAP en un proceso continuo.

En la publicación de Bruder et al. "Severe Plastic Deformation by Equal Channel Angular Swaging" en Materials Science Forum, Vols. 667-669, páginas 103 a 107 (ISSN: 1662-9752), se describe un proceso conocido como ECAS que pretende combinar los principios del ECAP y del estampado rotativo, pero que no implica la rotación de la pieza con respecto a las herramientas que es característica del estampado convencional. Además, en el procedimiento ECAS, el martilleo modificado se realiza siempre simultáneamente con el ECAP. En el procedimiento ECAS no se consigue una reducción del diámetro de la pieza.

El documento US 2007/0256764 A1 divulga un mecanizado de una pieza mediante un proceso denominado ECAE, que es comparable al ECAP y en el que la pieza o la herramienta ECAE se hace vibrar durante el mecanizado. Esta generación de vibraciones no conduce a una conformación de la pieza, en particular tampoco a una reducción del diámetro. Durante la generación de vibraciones, tampoco se producen golpes de conformación de las herramientas de conformación.

En la publicación de Pachla et al. "Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade 2" en Journal of Materials Processing Technology 221 (2015), pp. 255 a 268, se describe un proceso que combina la extrusión hidrostática con el post-procesamiento de una pieza de trabajo mediante "rotary swaging". El estampado rotativo se realiza para mejorar la calidad de la superficie de la pieza. El documento WO 2013/146762 A1, que constituye la base del término genérico de la reivindicación 1, da a conocer un procedimiento para la producción de alambres finos de metal y, en particular, de aluminio, que deben utilizarse para la producción de cables eléctricos y que se caracterizan por una elevada resistencia a la fatiga por flexión. En este proceso, primero se funde una pieza en bruto de aluminio con un diámetro de 10 mm y una longitud de 100 mm. A continuación, esta pieza en bruto se mecaniza mediante ECAP, lo que da lugar a una reducción del diámetro hasta 9,8 mm. A continuación, el producto intermedio se trata térmicamente y se sigue mecanizando mediante martilleo, obteniéndose entonces el producto intermedio con un diámetro de 8,4 mm. A continuación, de este producto intermedio se produce por trefilado un alambre de 80 pm de diámetro.

El documento WO 2012/119196 A1 divulga un procedimiento para producir alambres de metales no ferrosos conformares a altas temperaturas, en particular de titanio, en el que el alambre se produce por extrusión. Posteriormente, se puede realizar una operación de acabado mediante martilleo para obtener una reducción del diámetro. El dispositivo provisto para la extrusión debe poder funcionar según un proceso ECAP/ECAE, como se divulga en el documento US 7.152.448.

El documento WO 2015/199769 A2 divulga un procedimiento para producir una pieza de trabajo de aleación de titanio nanoestructurada que tiene una fuerza relativamente alta y una resistencia a la fatiga relativamente alta. Dicha pieza podría utilizarse ventajosamente como implante. Para la producción, una pieza de partida se mecaniza primero mediante ECAP y luego se somete a un acabado termomecánico, por ejemplo, mediante martilleo. Así, se consigue una reducción de diámetro de, en particular, > 35 %.

Sobre la base de este estado de la técnica, la invención se basó en la tarea de proporcionar un procedimiento mediante el cual, en particular, se pueden mejorar las propiedades mecánicas del material de una pieza procesada mediante ECAP.

Esta tarea se resuelve mediante un procedimiento según la reivindicación 1. Las realizaciones ventajosas del procedimiento de acuerdo con la invención y los usos ventajosos de una pieza producida de acuerdo con la invención son objeto de las demás reivindicaciones y/o resultan de la siguiente descripción de la invención.

Un procedimiento para el mecanizado de una pieza de trabajo que consiste o comprende (al menos) un material metálico, en el que la pieza de trabajo se mecaniza mediante ECAP, está caracterizado de acuerdo con la invención en que la pieza de trabajo se somete a un procesamiento posterior mediante martilleo después del mecanizado mediante ECAP, en el que se consigue una reducción (permanente) del diámetro (debido a la deformación plástica del material de la pieza) y en el que dos o más herramientas dispuestas circunferencialmente de la pieza ejercen golpes de conformación dirigidos radialmente en la dirección de un centro de la pieza mientras la pieza gira con respecto a las herramientas alrededor del centro de la pieza. Sorprendentemente, se descubrió que de este modo las propiedades mecánicas del material de una pieza previamente procesada mediante ECAP, y en particular su resistencia a la tracción y/o su dureza, pueden mejorarse o aumentarse considerablemente. Este hallazgo fue sorprendente en particular porque otros procedimientos de conformación posterior, por ejemplo, el laminado, de una pieza previamente procesada mediante ECAP no siempre aportan estas mejoras, sino que, por el contrario, dependiendo del grado de conformación, incluso reducen las mejoras en las propiedades mecánicas del material previamente realizadas por ECAP. Incluso si se produce una mejora, en la mayoría de los casos sólo aumenta la resistencia, mientras que la ductilidad se reduce seriamente, volviéndose frágil o rompiéndose con muy poca deformación cuando se sobrecarga. Estos materiales no son adecuados para su uso como materiales estructurales.

Como se ha explicado, el mecanizado mediante ECAP se caracteriza básicamente por el presionado de una pieza a través de al menos dos, pero también tres o más canales que se fusionan entre sí, teniendo los canales preferentemente una sección transversal idéntica y estando acodada la transición entre los canales. La deformación plástica del material de la pieza durante el paso de la transición entre los canales puede conducir a un refinamiento significativo de la estructura del material y, por lo tanto, a la mejora de las propiedades del mismo. En particular, esto puede aumentar significativamente la resistencia a la tracción y/o la dureza del material en comparación con el estado inicial (antes del procesamiento por ECAP).

La Fig. 1 muestra una representación esquemática de un mecanizado indicado a modo de ejemplo de una pieza de trabajo 1, que es presionada mediante un punzón 2 a través de dos canales de una herramienta 3 que se fusionan entre sí en ángulo, y el refinamiento de la estructura del material que puede lograrse en el proceso.

Una mejora particularmente pronunciada de las propiedades del material puede lograrse mediante un ECAP múltiple y, en particular, doble. Esto también puede hacerse en una sola pasada de procesamiento si la herramienta utilizada para el ECAP tiene al menos tres canales, dos de los cuales se unen entre sí en los ángulos correspondientes, como se muestra a modo de ejemplo en la Fig. 2.

Preferentemente, se puede haber previsto que el conformado de la pieza mediante martilleo se realice en una pluralidad de pasadas, teniendo cada conformación un grado de conformación de 0,05 a 2, preferentemente de 0,1 a 0,5, y más preferentemente de 0,15 a 0,3.

Se puede haber previsto además que el conformado de la pieza por martilleo tenga lugar a una temperatura (de la pieza) de entre 10°C a 600°C, preferentemente de entre 12°C a 380°C y más preferentemente de entre 14°C a 250°C. Si es necesario, también puede ser ventajoso formar la pieza mediante el martilleo a una temperatura de la pieza de > 100°C y/o de < 350°C.

El martilleo según la invención, que también se conoce como estampado o estampado rotativo (en el caso del mecanizado de piezas de trabajo que son redondas en sección transversal), se caracteriza porque dos o más herramientas (3) que están dispuestas en el lado circunferencial de la pieza de trabajo (1) ejercen golpes de conformación dirigidos radialmente en la dirección de un centro de la pieza de trabajo, mientras que la pieza de trabajo (1) gira en relación con las herramientas (3) alrededor del centro de la pieza de trabajo, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 3. Un movimiento relativo entre la pieza (1) y las herramientas (3) a lo largo de un eje longitudinal de la pieza (1) permite así el mecanizado de conformación continua o discontinua también de piezas (1) cuyas dimensiones a lo largo del eje longitudinal son mayores que las dimensiones correspondientes de las herramientas (3). El movimiento relativo entre la pieza (1) y las herramientas (3) a lo largo del eje longitudinal (4) de la pieza (1) puede realizarse preferentemente desplazando (sólo) la pieza (1) longitudinalmente. Sin embargo, de forma alternativa o complementaria, también se puede prever un movimiento correspondiente de las herramientas (3). En particular, las carreras realizadas por las herramientas (3) pueden ser relativamente cortas (por ejemplo, entre 0,25 mm y 3 mm, en particular entre 0,3 y 1,5 mm) y de frecuencia relativamente alta (por ejemplo, 1000 por minuto y más). Además, es preferible que las herramientas (3) rodeen circunferencialmente la pieza (1) casi por completo, es decir, con distancias mínimas entre las herramientas.

De acuerdo con la invención se puede haber previsto un martilleo en realizaciones en las que la pieza de trabajo (1) se forma en caliente, en semicaliente o en frío. Mediante el martilleo, se puede formar una gran variedad de geometrías externas e internas de la pieza (1). Esto puede realizarse mediante el uso de mandriles y mediante diferentes movimientos relativos de las herramientas (3) con respecto a la pieza (1).

Una ventaja del martilleo es que, con cada carrera de la herramienta, sólo se produce un conformado de corta duración en un punto (enganche de la herramienta). Esto da lugar a una menor tensión global en la pieza que, por ejemplo, la extrusión, en la que toda la sección transversal de la pieza es forzada a pasar por un cuello de botella. Gracias a esta ventaja, el material puede ser sometido a una mayor deformación durante el martilleo sin que se formen grietas o una excesiva fragilidad.

Un uso preferente de un procedimiento de acuerdo con la invención radica en la fabricación de un implante médico absorbible o no absorbible, por ejemplo, un implante dental o un implante dental. Dicho implante médico puede tener alternativamente la forma de un tornillo, una placa, un clavo, un alambre, una lámina o un soporte, en particular un stent. La mejora de las propiedades mecánicas del material que se consigue mediante un procedimiento según la invención puede tener un efecto positivo, en particular, en el caso de los implantes.

Dado que el objetivo principal del acabado de la pieza mediante el martilleo en el contexto de un procedimiento de acuerdo con la invención es mejorar las propiedades mecánicas del material, puede preverse la aplicación de un procedimiento de acuerdo con la invención para producir una pieza en bruto o un producto semiacabado, es decir, una pieza destinada a una transformación posterior.

En particular, el objetivo del acabado de la pieza mediante el martilleo en el contexto de un ejemplo, procedimiento de acuerdo con la invención puede ser conseguir una reducción del diámetro de la pieza. Como resultado de la limitación de la longitud de la pieza durante el ECAP por la carrera del punzón del dispositivo ECPA utilizado, generalmente solo se pueden producir piezas en bruto o piezas de trabajo de longitud limitada, con frecuencia menores de 500 mm, en particular, menores de 300 mm. Esto conlleva que el mecanizado posterior, por ejemplo, para la producción de tornillos, clavos, placas, armazones o stents, en los dispositivos correspondientes, por ejemplo, tornos, tornos de cabezal móvil, dispositivos de corte por láser, etc., en la mayoría de los casos sea antieconómico. En muchos casos, estos dispositivos cuentan con dispositivos de transporte automatizados, por ejemplo, taladros de husillo automatizados, por medio de los cuales se deben alimentar continuamente varillas o tubos largos para el proceso de mecanizado.

Un ejemplo, procedimiento de acuerdo con la invención permite, por lo tanto, mediante el martilleo, la producción de piezas de trabajo, por ejemplo, piezas brutas o productos semiacabados, por ejemplo, varillas, tubos, etc., cuyas longitudes después del martilleo pueden ser > 500 mm, preferiblemente > 1000 mm y particularmente preferiblemente > 2000 mm, y que por lo tanto pueden ser procesadas posteriormente de forma económica.

La pieza de trabajo o el producto semielaborado o la pieza en bruto pueden entonces ser acabados adicionalmente, por ejemplo, mediante mecanizado, para producir un componente con un contorno final definido, por ejemplo, un implante médico absorbible o no absorbible, por ejemplo, un implante odontológico o un implante dental. Dicho implante médico puede tener alternativamente la forma de un tornillo, una placa, un clavo, un alambre, una lámina o un soporte, en particular, un stent.

Por otro lado, el martilleo también permite fundamentalmente dar forma a una pieza mecanizada, que se caracteriza por una gran libertad de forma y una muy buena precisión dimensional (por ejemplo, tolerancias alcanzables de < 0,03 mm). En consecuencia, también puede preverse la aplicación de un procedimiento según la invención para la fabricación de un componente de manera que el martilleo produzca ya contornos finales definidos del componente. De este modo, se puede omitir el procesamiento posterior, lo que permite mantener bajos los costos de producción de dicho componente.

En una posible realización de acuerdo con la invención, el martilleo se lleva a cabo por medio de lo que se denomina un doble rotor (cf. Fig. 4). Esto significa que las herramientas y el componente guiado, por ejemplo, por rodillos, giran uno respecto al otro, ya sea en sincronismo o en contrarrotación. De este modo, se evita en gran medida la rotación inherente de la pieza y se puede realizar un número muy elevado de golpes.

Esta forma de proceder puede ser ventajosa, en particular, para la producción a gran escala (por ejemplo, la producción de al menos 1000 componentes idénticos), mientras que una producción de piezas en bruto puede ser ventajosa para la producción a pequeña escala (producción de menos de 1000 componentes idénticos), porque entonces los costes adicionales incurridos para, por ejemplo, el mecanizado de las piezas en bruto pueden ser más bajos que los costes de varias herramientas rotativas de estampación, por medio de las cuales se pueden realizar formas correspondientemente diferentes para los componentes. Sin embargo, también se puede prever ventajosamente una producción de piezas en bruto en una producción a gran escala.

En una realización preferida de un procedimiento de acuerdo con la invención, se puede prever que el material metálico comprenda titanio (titanio puro (Ti) o una aleación de titanio) y/o magnesio (magnesio puro (Mg) o una aleación de magnesio), en particular, magnesio reabsorbible. La mejora de las propiedades mecánicas del material que puede lograrse mediante el postratamiento según la invención por medio del martilleo puede realizarse al menos en el caso del titanio puro y en el caso de las aleaciones de titanio, en particular, en el caso de una aleación de titanio preferida que, además del titanio (al menos o exclusivamente), comprende también circonio (Zr), preferentemente una fracción de masa de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 20 %, en particular de aproximadamente el 12 % a aproximadamente el 14 % y específicamente de aproximadamente el 13 %.

Además, el titanio y el magnesio, pero en particular el titanio, son particularmente ventajosos como material para implantes médicos debido a su buena biocompatibilidad, que puede producirse preferentemente mediante un procedimiento de acuerdo con la invención.

El procedimiento de la invención puede, en principio, ser ventajosamente adecuado para el mecanizado de piezas de trabajo de materiales metálicos, pudiendo utilizarse de forma especialmente preferente metales ligeros (por ejemplo, magnesio (Mg) o aluminio (Al)) o sus aleaciones. Por ejemplo, el procedimiento de la invención también es adecuado para producir productos semiacabados o piezas en bruto de magnesio reabsorbible o aleaciones de magnesio, a partir de las cuales también se pueden producir implantes, por ejemplo, mediante un proceso posterior de torneado, corte por láser u otro.

Además, es preferible que la temperatura de la pieza durante el procesamiento por ECAP sea de al menos 200°C, al menos 350°C, al menos 450°C, o al menos o aproximadamente 500°C. En particular, para una pieza de trabajo hecha de magnesio o de una aleación de magnesio, una temperatura de entre 200°C y 350°C puede ser ventajosa. En cambio, en el caso de una pieza de titanio puro o de una aleación de titanio, puede ser ventajosa una temperatura de al menos 450°C y en particular de 500°C. Si la temperatura de una pieza de titanio de este tipo es inferior a 450°C, y en particular inferior a 500°C, durante el mecanizado por ECAP, puede producirse un agrietamiento pronunciado en la pieza como resultado del mecanizado por ECAP.

En otra realización preferida de un procedimiento de acuerdo con la invención, se puede prever que el mecanizado mediante ECAP comprenda al menos cuatro, seis u ocho pases de mecanizado. En este contexto, se entiende que una pasada de mecanizado es un prensado de la pieza a través de una transición angular entre dos canales. Para ello, se puede prever que la pieza sea presionada a través de una herramienta que tenga más de dos canales, en la que en cada caso dos canales adyacentes formen una transición angular y al menos dos, preferiblemente todas, de las transiciones estén orientadas de forma diferente (cf. Fig. 2). Además, o alternativamente, también se puede prever que la pieza haya sido girada alrededor del eje longitudinal entre las pasadas de mecanizado en cada caso por un ángulo definido, que puede ser preferentemente de 90° o 60° o 45° (en particular, permaneciendo el mismo sentido de rotación). Aquí, la indicación "se giró" se refiere a la orientación de la pieza en relación con la herramienta ECAP utilizada entre dos pases de mecanizado. Es particularmente preferible que las rotaciones de la pieza entre las pasadas de mecanizado den lugar a orientaciones que cubran un total de al menos o exactamente 360°.

En el marco de un procedimiento según la invención, puede preverse además que la pieza se forme a presión adicionalmente (en particular, extruida) antes y/o después del tratamiento mediante ECAP. De este modo, se puede conseguir una mejora adicional de las propiedades mecánicas del material y/o una reducción de las dimensiones de la pieza. Este conformado a presión adicional puede realizarse, en particular, antes de que la pieza sea sometida a un tratamiento posterior mediante martilleo.

Además, se puede haber previsto preferiblemente que la pieza de trabajo reciba un tratamiento térmico adicional. De este modo, también se puede conseguir una mejora adicional y/o un ajuste específico de las propiedades del material. El tratamiento térmico puede realizarse antes o después del mecanizado mediante ECAP y antes o después del acabado mediante martilleo, y antes o después de cualquier conformación a presión adicional que se pueda realizar. La temperatura elegida para el tratamiento térmico puede depender aquí del material elegido y puede, por ejemplo, en el caso del titanio o de una aleación de titanio, estar entre 480°C y 780°C, mientras que en el caso del magnesio o de una aleación de magnesio la temperatura puede estar entre 120°C y 580°C. Aunque tanto el número de estas etapas de tratamiento térmico como la duración pueden variar, el enfriamiento puede realizarse en el aire o mediante el contacto con otro medio, por ejemplo, agua, aceite o un gas, por ejemplo, argón.

Los artículos indefinidos ("uno" y "una"), en particular, en las reivindicaciones y en la descripción que explica las reivindicaciones en general, deben entenderse como tales y no como palabras numéricas. Por lo tanto, los componentes que se concretan de forma correspondiente deben entenderse como presentes al menos una vez y como capaces de estar presentes más de una vez.

A continuación, se ilustran, mediante ensayos comparativos, las mejoras que se pueden conseguir mediante un procedimiento de la invención con respecto a determinadas características materiales del material de una pieza mecanizada.

El material utilizado para las piezas a mecanizar en el marco de los ensayos comparativos era una aleación que comprendía titanio y circonio en una fracción de masa del 13 % (Ti-13 % Zr). En el estado inicial, las piezas de trabajo de material sólido tenían una sección transversal circular con diámetros de 10 mm o 16 mm. Se proporcionaron dos de cada una de estas piezas preparadas (en adelante, "piezas preparadas") como muestras de comparación.

Para el mecanizado de las piezas mediante ECAP se utilizó una herramienta ECAP cuyos canales rectos y transversalmente circulares, tienen un diámetro transversal (constante en la extensión longitudinal) de 12 mm, y los canales se unen entre sí en un ángulo (de conformación) de 120°. Las piezas se giraron 90° entre las pasadas de procesamiento individuales durante el procesamiento mediante ECAP.

Debido al diámetro transversal de los canales de la herramienta ECAP de 12 mm, las piezas de trabajo que tenían un diámetro de 16 mm en el estado inicial se redujeron a 12 mm antes del mecanizado por ECAP (en lo sucesivo, "piezas de trabajo sólidas"). En cambio, las piezas que tenían un diámetro de 10 mm en su estado inicial se enfundaron con un manguito de titanio puro de 12 mm de diámetro exterior (en adelante, "piezas de manguito").

La mayoría de las piezas con manguito fueron mecanizadas a una temperatura de 500°C utilizando ECAP en dos, cuatro o seis pases de mecanizado. Después de cuatro pases de mecanizado, se formaron grietas en el material de las piezas individuales y, en particular, en el material del manguito. Cuando estas piezas de manguito se sometieron a nuevas pasadas de mecanizado, los extremos de las piezas de manguito se rompieron con regularidad. A modo de ensayo, se mecanizó una pieza con manguito a una temperatura de 450°C en cuatro pases de mecanizado utilizando ECAP. Sin embargo, esto dio lugar a un agrietamiento aún más pronunciado.

Una primera serie de ocho piezas sólidas se mecanizó a una temperatura de 500°C en cuatro pases de mecanizado utilizando ECAP. Estas piezas de material sólido presentaban unas calidades superficiales significativamente mejores tras el mecanizado ECAP que las correspondientes piezas de manguito mecanizadas. Siete de estas piezas macizas mecanizadas con ECAP se programaron para su posprocesamiento, ya sea mediante martilleo o laminado, mientras que una se programó como muestra de comparación.

También se intentó bajar la temperatura de conformación de una de las piezas de material sólido a 450°C. Se realizaron cuatro pases de mecanizado con esta pieza de material sólido. Sin embargo, aquí también se produjeron graves agrietamientos y degradación.

Por lo tanto, las piezas de trabajo de material sólido de una segunda serie también se procesaron mediante ECAP a una temperatura de conformación de 500°C; en este caso, sin embargo, con más pases de procesamiento que en la primera serie. Se hizo evidente que más de seis pases de mecanizado no serían efectivos, ya que incluso después de seis pases de mecanizado, se romperían pequeños trozos en los extremos de las piezas de material sólido y la mejora de las propiedades mecánicas sería sólo ligera. En el caso de una pieza de material sólido de esta segunda serie, el mecanizado mediante ECAP tuvo que detenerse después de cinco pasadas de mecanizado debido a la formación de grietas masivas.

Finalmente, cinco piezas de material sólido de la segunda serie fueron mecanizadas por ECAP y destinadas a su uso posterior. Cuatro de ellas se destinaron a un tratamiento posterior, ya sea mediante martilleo o laminado, mientras que una se utilizó de nuevo como muestra comparativa.

En el caso del mecanizado posterior mediante martilleo, el diámetro se redujo en varios pasos a temperatura ambiente (aproximadamente 21°C):

Durante el post-procesamiento por laminación, se realizó una reducción de diámetro a temperatura ambiente (aproximadamente 21°C) en un primer paso de conformación de 12 mm a 8 mm (9 = 0,81) y en un segundo paso de conformación de 8 mm a 6 mm (9 = 0,58).

Posteriormente, las piezas post-procesadas y las piezas proporcionadas como muestras de comparación fueron sometidas a uno o más ensayos de dureza o a un ensayo de tracción.

En la prueba de dureza, se debía determinar la dureza Vickers (HV). Para ello, las piezas destinadas a la prueba de dureza e incrustadas y pulidas para este fin se midieron cada una con una fuerza de 10 kp (= HV10) según la norma EN ISO 6507-1 utilizando un durómetro (DuraScan 80 de EMCO-TEST Prüfmaschinen GmbH). Se formó un valor medio de al menos cinco pruebas individuales (indentaciones) para cada pieza.

Las piezas destinadas a los ensayos de tracción, que sólo se mecanizaron mediante ECAP, así como las piezas iniciales, se redujeron a un diámetro de 6 mm mediante torneado. También se les proporcionó una longitud de medición paralela de 30 mm (forma B6x30 según la norma DIN 50125). Las piezas destinadas a los ensayos de tracción, que se laminaron o martillaron adicionalmente después del mecanizado por ECAP, ya presentaban una reducción del diámetro a un diámetro de sólo 4 mm debido a este mecanizado posterior. Para ello, se proporcionó una longitud de medición paralela de 20 mm (forma B4x20). En todos los ensayos de tracción la velocidad de deformación inicial fue de 3 x 10-4S"1.

En la tabla siguiente se indican resumidos los resultados de los ensayos de dureza:

Estos resultados muestran que la dureza del material aumenta a medida que aumenta el número de pases de mecanizado ECAP, siendo el aumento mayor para los primeros pases de mecanizado. En el caso de las piezas de material sólido, el aumento de la dureza es más pronunciado que en el caso de las piezas de manguito (+33 % después de cuatro pases de mecanizado frente a 38 % después de seis pases de mecanizado).

Se pueden hacer las siguientes afirmaciones resumidas sobre las piezas de trabajo que fueron laminadas o martilladas adicionalmente después del mecanizado por ECAP: El laminado reduce la dureza en el presente caso, mientras que el martilleo conduce a un mayor aumento de la dureza. En ambos casos, sin embargo, la distribución de la dureza no es homogénea. Las piezas laminadas adicionalmente son más blandas en el centro de la sección transversal, mientras que las piezas martilladas adicionalmente son más duras en el centro que en el borde (véase la tabla siguiente). Estas inhomogeneidades no se observaron en las piezas mecanizadas exclusivamente por ECAP.

Para hacer visible la distribución de la dureza, se realizó una medición adicional dependiente de la ubicación con una carga menor (HV1) en piezas seleccionadas. Estas mediciones muestran una ligera inhomogeneidad en una pieza inicial (16 mm) con una dureza ligeramente aumentada en el borde, una distribución de la dureza ampliamente homogénea de una pieza mecanizada exclusivamente por ECAP (4 x ECAP a 500°C), en comparación una reducción de la dureza en el centro de una pieza con tratamiento posterior de laminación y de nuevo en comparación con la pieza mecanizada exclusivamente por ECAP un aumento de la dureza en el centro de una pieza sometida a post-procesamiento por martilleo.

La siguiente tabla resume los resultados de los ensayos de tracción. Se aplica lo siguiente: las características de la deformación son deformaciones plásticas (es decir, sin la deformación elástica) y todas las tensiones son tensiones de ingeniería (tensiones técnicas).

La comparación de estos resultados muestra que las tendencias observadas en los ensayos de dureza también se aplican a los resultados de los ensayos de tracción. El material de las piezas se vuelve significativamente más fuerte mediante el mecanizado con ECAP (por ejemplo, 48 % en la resistencia a la tracción después de cuatro pases de mecanizado). El martilleo aumenta aún más la resistencia (+30 % de resistencia a la tracción en comparación con el mecanizado sólo por ECAP), mientras que el laminado la disminuye de nuevo. Sin embargo, cuanto más resistente sea el material de las piezas, menor será la ductilidad respectiva. Mientras que el alargamiento a la rotura de las piezas mecanizadas exclusivamente por ECAP es superior al 10 %, éste se reduce a aproximadamente el 5 % como resultado del martilleo posterior. La laminación posterior provoca una fragilidad muy severa.

En el resultado global, se puede afirmar lo siguiente: La resistencia y la dureza del material de partida (Ti- 13 % Zr) pudieron aumentarse significativamente mediante el mecanizado con ECAP, manteniendo una ductilidad superior al 10 %. El mecanizado posterior de las piezas previamente mecanizadas por ECAP demostró que el laminado no daba buenos resultados, ya que tanto la resistencia como la ductilidad se reducían considerablemente. En este caso, la reducción de la ductilidad era la esperada, ya que se trata de un efecto conocido del trabajo en frío, especialmente del laminado, y se denomina endurecimiento por trabajo o fragilidad por deformación. La reducción de la resistencia debida a la laminación estaba fuera de lo esperado y es probable que se deba a un sobreesfuerzo debido a las tensiones localmente muy aumentadas durante la deformación del material, que causan, por ejemplo, disrupción interna y microfisuras. El martilleo, por el contrario, aumentó aún más la resistencia (límite elástico y resistencia a la tracción superior a 1300 MPa) y sólo dio lugar a una reducción tolerable de la ductilidad.

Un ejemplo de aplicación de un procedimiento de acuerdo con la invención reside en la fabricación de un producto semiacabado, que posteriormente se destina a la fabricación de implantes dentales en un torno de cabezal móvil. Para ello, se mecanizó una pieza de Ti13Zr en cuatro pases de mecanizado a 500°C mediante ECAP y posterior martilleo, resultando el martilleo en una reducción del diámetro de la pieza cilíndrica de 20 mm a 5 mm. De este modo, la longitud de la pieza aumentó de 150 mm a 2.400 mm. El mecanizado según la invención dio lugar a una mejora de la resistencia a la tracción, que pasó de los 750 MPa originales a los 1300 MPa, y a un cambio en el alargamiento a la rotura, que pasó del 25 % (tal como estaba fundido y laminado) al 5 %.

Otro ejemplo de uso de un procedimiento según la invención es la fabricación de un producto semielaborado que se destina posteriormente a la fabricación de pasadores reabsorbibles de magnesio en un torno de cabezal móvil. Para ello, se mecanizó una pieza de ZX00 (magnesio <1 % de zinc <1 % de calcio) en cuatro pasadas de mecanizado a 250°C mediante ECAP y posterior martilleo, con lo que se consiguió reducir el diámetro de la pieza cilíndrica de 20 mm a 4 mm mediante el martilleo. La longitud de la pieza aumentó de 150 mm a 3750 mm. El mecanizado según la invención da lugar a una mejora de la resistencia a la tracción, que pasa de los 220 MPa originales a los 400 MPa, y a un cambio del alargamiento de rotura, que pasa del 17 % (tal como está fundido y laminado) al 8 %.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   i. Procedimiento para el mecanizado de una pieza de trabajo hecha de un material metálico, en el que la pieza de trabajo se mecaniza por medio de ECAP, en el que después del mecanizado mediante se realiza un procesamiento posterior mediante martilleo, por lo que se logra una reducción del diámetro, caracterizado porque dos o más herramientas (3) dispuestas circunferencialmente de la pieza de trabajo (1) ejercen golpes de conformación dirigidos radialmente en la dirección de un centro de la pieza (1) mientras la pieza gira con respecto a las herramientas (3) alrededor del centro de la pieza de trabajo.
2. 2. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conformado de la pieza mediante martilleo se realiza en una pluralidad de pasos, teniendo cada uno de ellos un grado de conformación de 0,05 a 2, preferentemente de 0,1 a 0,5 y más preferentemente de 0,15 a 0,3.
3. 3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conformado de la pieza por martilleo tiene lugar a una temperatura de 10°C a 600°C, preferentemente de 12°C a 380°C, más preferentemente de 14°C a 250°C.
4. 4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material comprende titanio y/o magnesio.
5. 5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material comprende circonio, preferentemente en una fracción de masa de aproximadamente 10 % a aproximadamente 20 %, más preferentemente de aproximadamente 12 % a aproximadamente 14 %.
6. 6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la temperatura de la pieza durante el mecanizado por ECAP es de al menos 200°C, al menos de 350°C, al menos de 450°C o al menos de 500°C.
7. 7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el mecanizado mediante ECAP comprende al menos cuatro, seis u ocho pases de mecanizado.
8. 8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza antes de y/o después del mecanizado mediante ECAP se conforma adicionalmente a presión.
9. 9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza es tratada adicionalmente con calor.
10. 10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por producir una pieza de trabajo con una longitud > 500 mm o > 1000 mm o > 2000 mm.
11. 11. Uso de un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores para producir una pieza en bruto.
12. 12. Uso de un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10 para fabricar un implante médico.
13. 13. Uso de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por la fabricación de un implante odontológico, en particular, un implante dental.
14. 14. Uso de acuerdo con la reivindicación 12 o 13, caracterizado por la fabricación de un implante en forma de un tornillo, una placa, un clavo, un alambre, un pasador, una lámina, un soporte o un stent.