ES2875799T3 - Optimización del trabajo en caliente del aluminio - Google Patents
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Abstract
Un método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio (50), comprendiendo el método: calentar el componente de aleación de aluminio (50) que comprende aleación 7xxx en un horno de calentamiento (103) hasta una temperatura de solución (Y) que se encuentra en un intervalo de 400 °C a 600 °C y se produce en un intervalo de 10 segundos a 15 minutos; enfriar el componente de aleación de aluminio (50) hasta una temperatura de formación (TF) deseada en un intervalo de 380 °C a 470 °C; deformar el componente de aleación de aluminio (50) en una forma deseada en un dispositivo de formación (102), al tiempo que el componente de aleación de aluminio se encuentra a la temperatura de formación (TF) deseada; y templar el componente de aleación de aluminio (50) hasta una temperatura baja por debajo de una temperatura de solubilidad (X), en donde la temperatura baja se encuentra en un intervalo de 0 °C a 280 °C y en donde el templado comprende el templado en troquel con agua que fluye de manera interna a través de un troquel, de tal manera que el componente de aleación de aluminio (50) se enfría a una velocidad entre 50 °C/segundo y 500 °C/segundo, caracterizado por que este comprende, además, transferir el componente de aleación de aluminio (50) del horno de calentamiento (103) al dispositivo de formación (102) a través de un recinto aislado (101).
Description
DESCRIPCIÓN
Optimización del trabajo en caliente del aluminio
Campo
Esta invención se refiere a los procesos para el trabajo en caliente o formación en caliente de aluminio y la optimización de variables de fabricación.
Antecedentes
Las aleaciones de aluminio se pueden agrupar en dos categorías: aleaciones tratables térmicamente y aleaciones no tratables térmicamente. Las aleaciones tratables térmicamente pueden ser reforzadas y/o endurecidas durante un tratamiento térmico apropiado, mientras que no se puede lograr un fortalecimiento significativo al calentar y enfriar las aleaciones no tratables térmicamente. Las aleaciones en las series 2xxx, 6xxx y 7xxx (y algunas aleaciones 8xxx) son tratables térmicamente. Las aleaciones en las series 1xxx, 3xxx, 4xxx y 5xxx (y algunas aleaciones 8xxx) no son tratables térmicamente. El trabajo en caliente es la deformación plástica del metal a tal temperatura y velocidad que no se produce el endurecimiento por esfuerzo (es decir, el trabajo en frío).
Un componente de aleación de aluminio tratable térmicamente ("componente") puede experimentar un tratamiento térmico en solución. El tratamiento térmico en solución puede incluir tres fases: (1) calentamiento en solución, que puede incluir tanto el calentamiento como el remojo (a una temperatura dada) del componente; (2) templado; y (3) envejecimiento. La etapa de calentamiento y remojo disuelve partículas grandes y dispersa las partículas como precipitados más pequeños o átomos disueltos (actuando como elementos solubles de endurecimiento) para fortalecer el componente. El templado o enfriamiento rápido congela o bloquea de manera efectiva los elementos disueltos en su lugar (es decir, aún dispersos) para producir una solución sólida con más elementos de aleación en solución a temperatura ambiente que lo que se produciría de otro modo con un enfriamiento lento.
La etapa de envejecimiento permite que los elementos de aleación disueltos en la solución sólida migren a través del metal frío (incluso a temperatura ambiente), pero no tan rápido ni tan profundo como estos podrían a altas temperaturas. Por consiguiente, los átomos de los elementos de aleación disueltos pueden reunirse lentamente para formar pequeños precipitados con distancias relativamente cortas entre ellos, pero no partículas grandes y ampliamente espaciadas. La cantidad y alta densidad de los precipitados pequeños de fijación de las dislocaciones da a la aleación resistencia y dureza porque los precipitados tienen un módulo elástico diferente en comparación con el del elemento primario (aluminio) y así inhiben el movimiento de las dislocaciones, que a menudo son los portadores más importantes de plasticidad. El envejecimiento puede ser natural o artificial. Algunas aleaciones alcanzan la resistencia virtualmente máxima por "envejecimiento natural" en un tiempo corto (es decir, algunos días o semanas). Sin embargo, a temperatura ambiente, algunas aleaciones se fortalecerán notablemente durante años. A fin de acelerar la precipitación, estas aleaciones experimentan un "envejecimiento artificial", que incluye mantener el componente durante un tiempo limitado a una temperatura con elevación moderada, lo que aumenta la movilidad de los elementos disueltos y les permite precipitar más rápido que a temperatura ambiente.
Convencionalmente, debido a que algunas aleaciones tienen una formabilidad deficiente (es decir, la capacidad de experimentar deformación plástica sin dañarse) a temperatura ambiente, para conformar componentes de estas aleaciones en las formas geométricas deseadas, estos componentes pueden experimentar un trabajo en caliente (o formación en caliente) después del calentamiento en solución y antes del templado a temperaturas iguales o cercanas a la temperatura de la solución. Por ejemplo, véase la Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos 2012/0152416 (la Publicación '416), que describe que la transferencia entre la estación de calentamiento y la prensa de formación debe ser tan rápida como sea posible para evitar la pérdida de calor del aluminio (véase el párrafo [0035] y Figura 1). Los procesos de trabajo en caliente o de formación en caliente pueden incluir, por ejemplo, estirado, extrusión, forjado, formación de gas metálico en caliente y/o laminación.
Existe un problema conocido con el trabajo en caliente de algunas aleaciones de aluminio (en particular, las aleaciones 7xxx), donde los componentes presentan una deformabilidad insatisfactoria. Por ejemplo, véase N. M. Doroshenko et al., Effect Of Admixtures of Iron And silicon on the Structure and Cracking of Near-Edge volumes in Rolling of Large Flat Ingots from Alloy 7075, Metal Science and Heat Treatment, vol. 47, n.° 1-2, 2005 a 30 ("Doroshenko"). Doroshenko se centra en la laminación en caliente de 7xxx y las grietas resultantes. A fin de abordar este problema, Doroshenko describe el análisis y las pautas propuestas para la composición química particular de las aleaciones 7xxx. En aras de la exhaustividad, se hace referencia al documento US 2012/085470 A1 que enseña métodos de acuerdo con los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 7.
Existe la necesidad de mejorar la deformabilidad de las aleaciones de aluminio (particularmente, de las aleaciones 7xxx) durante los procesos de formación en caliente sin un análisis exhaustivo y la modificación de la composición química de la aleación.
Sumario
Los términos y las expresiones "invención", "la invención", "esta invención" y "la presente invención" usados en esta patente pretenden referirse ampliamente a todas las materias objeto de esta patente y las reivindicaciones de patente a continuación.
Las realizaciones de la invención cubiertas por esta patente se definen mediante las siguientes reivindicaciones, no este sumario. Este sumario es una descripción general de alto nivel de diversos aspectos de la invención e introduce algunos de los conceptos que se describen con más detalle en la sección de Descripción detallada, a continuación. Este sumario no pretende identificar las características clave o esenciales de la materia objeto reivindicada ni pretende usarse de forma aislada para determinar el alcance de la materia objeto reivindicada. La materia objeto debe entenderse por referencia a las porciones apropiadas de la memoria descriptiva completa de esta patente, cualquiera o todas y cada uno de los dibujos y las reivindicaciones.
La solicitud se refiere a un método para la formación en caliente de aleaciones de aluminio, como se define en la reivindicación 1.
El componente de aleación de aluminio comprende una aleación 7xxx. En determinados ejemplos, el componente de aleación de aluminio comprende una aleación 7075.
En algunos casos, el intervalo de temperatura de formación deseado puede ser de aproximadamente 390 °C a aproximadamente 460 °C o en un intervalo de aproximadamente 400 °C a aproximadamente 440 °C. En algunos casos, la temperatura de formación deseada es de aproximadamente 425 °C.
La temperatura de la solución se encuentra en un intervalo de aproximadamente 400 °C a aproximadamente 600 °C. En algunos ejemplos, la temperatura de la solución se encuentra en un intervalo de aproximadamente 420 °C a aproximadamente 590 °C o de aproximadamente 460 °C a aproximadamente 520 °C. En algunos ejemplos, la temperatura de la solución tiene un valor mínimo de 480 °C y, en algunos casos, es igual a aproximadamente 480 °C.
En determinados ejemplos, el método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio incluye envejecer artificialmente el componente de aleación de aluminio.
En algunos ejemplos, el método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio incluye mantener una temperatura constante durante la deformación del componente de aleación de aluminio, en donde la temperatura constante se mantiene ±10 °C.
En algunos ejemplos, el componente de aleación de aluminio comprende un lingote, el dispositivo de formación comprende un laminador y la forma deseada comprende una placa o una lámina. En algunos casos, el dispositivo de formación es una prensa de formación.
El método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio, en algunos ejemplos, incluye mantener el componente de aleación de aluminio a la temperatura de la solución durante un tiempo predeterminado.
El método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio incluye transferir el componente de aleación de aluminio del horno de calentamiento al dispositivo de formación a través de un recinto aislado.
En el método de acuerdo con la presente invención, el templado comprende el templado en troquel con agua que fluye de forma interna a través de un troquel, de tal manera que el componente de aleación de aluminio se enfríe a una velocidad mínima de aproximadamente 50 °C/segundo. La velocidad de enfriamiento es entre aproximadamente 50 °C/segundo y aproximadamente 500 °C/segundo y, en algunos ejemplos, puede estar entre 300 °C/segundo y aproximadamente 350 °C/segundo.
De acuerdo con determinados ejemplos, el método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio puede comprender: calentar el componente de aleación de aluminio en un horno de calentamiento hasta una temperatura de la solución de aproximadamente 480 °C; enfriar el componente de aleación de aluminio hasta una temperatura de formación deseada en un intervalo de aproximadamente 400 °C a aproximadamente 440 °C; deformar el componente de aleación de aluminio en una forma deseada en un dispositivo de formación, mientras que el componente de aleación de aluminio se encuentra a la temperatura de formación deseada; mantener una temperatura constante durante la deformación del componente de aleación de aluminio, en donde la temperatura constante se mantiene ±10 °C: y templar el componente de aleación de aluminio hasta una temperatura baja por debajo de la temperatura de solubilidad, en donde la baja temperatura es de aproximadamente 23 °C.
El componente de aleación de aluminio comprende una aleación 7xxx. En determinadas realizaciones, el componente de aleación de aluminio comprende una aleación 7075.
En determinados ejemplos, el método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio incluye envejecer artificialmente el componente de aleación de aluminio.
En algunos ejemplos, el componente de aleación de aluminio comprende un lingote, el dispositivo de formación comprende un laminador y la forma deseada comprende una placa o una lámina.
El dispositivo de formación, en determinados ejemplos, comprende una prensa de formación.
El método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio, en algunos ejemplos, incluye mantener el componente de aleación de aluminio a la temperatura de la solución durante un tiempo predeterminado.
El método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio en caliente incluye transferir el componente de aleación de aluminio del horno de calentamiento al dispositivo de formación a través de un recinto aislado.
Los métodos descritos en el presente documento pueden evitar el agrietamiento del borde en los lingotes durante los procesos de laminación en caliente para las aleaciones 7xxx, tales como, pero sin limitación, la aleación 7075. Además, los procesos divulgados pueden usarse para optimizar los procesos de unión y otros procesos de formación, tales como la formación de gas caliente, el estirado, la extrusión y el forjado. Estas optimizaciones pueden aumentar la eficiencia de la producción, mejorar los rendimientos, reducir los gastos de energía, reducir el desperdicio y mejorar la productividad en general. Estas mejoras en la formación en caliente de aleaciones 7xxx pueden tener implicaciones significativas para numerosas industrias donde se desean materiales de alta relación de resistencia respecto a peso, tales como, por ejemplo, las industrias aeroespacial y de transporte, particularmente la fabricación de vehículos de motor, tales como automóviles y camiones.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones ilustrativas, pero no limitativas, de la presente invención se describen con detalle a continuación con referencia a las siguientes figuras.
La Figura 1 es una vista esquemática de un método de ejemplo de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio.
La Figura 2 es un gráfico de temperatura del método de la Figura 1.
La Figura 3 es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en compresión a diversas temperaturas.
La Figura 4 expone muestras de ensayo de tracción para aleación de aluminio a diversas temperaturas.
La Figura 5 es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en tensión a diversas temperaturas.
La Figura 6A es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en tensión a diversas temperaturas.
La Figura 6B es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en tensión a diversas temperaturas.
La Figura 6C es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en tensión a diversas temperaturas.
La Figura 7A es una vista ampliada que muestra estructuras de grano de un componente de aleación de aluminio. La Figura 7B es una vista ampliada que muestra estructuras de grano de un componente de aleación de aluminio. La Figura 7C es una vista ampliada que muestra estructuras de grano de un componente de aleación de aluminio. La Figura 8A es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en tensión después de calentarse a diversas velocidades.
La Figura 8B es un gráfico de tensión-esfuerzo para componentes de aleación de aluminio ensayados en tensión después de calentarse a diversas velocidades.
La Figura 9A es una vista ampliada que muestra estructuras de grano de un componente de aleación de aluminio que se calentó hasta la temperatura de la solución en aproximadamente 10 segundos.
La Figura 9B es una vista ampliada que muestra estructuras de grano de un componente de aleación de aluminio que se calentó hasta la temperatura de la solución en aproximadamente 5 minutos.
Descripción detallada
Esta sección describe ejemplos no limitativos de procesos para la formación en caliente de aleaciones de aluminio y no limita el alcance de la materia objeto reivindicada, que se define mediante las reivindicaciones. La materia objeto reivindicada puede incorporarse de otras maneras, puede incluir diferentes elementos u otros atributos y puede usarse junto con otras tecnologías existentes o futuras. Esta descripción no debe interpretarse como que requiere un orden o una disposición particular entre diversos elementos.
En esta descripción, se hace referencia a las aleaciones identificadas mediante números de AA y otras denominaciones relacionadas, tales como "series". Para conocer el sistema de denominación de números más comúnmente usado para nombrar e identificar al aluminio y sus aleaciones, véase "Denominaciones de aleaciones internacionales y límites de la composición química para el aluminio forjado y las aleaciones de aluminio forjado" o
"Registro de denominaciones de aleación de asociación de aluminio y límites de las composiciones químicas para aleaciones de aluminio en forma de fundiciones y lingotes", ambos publicados por The Aluminum Association.
Las Figuras 1-9B ilustran ejemplos de trabajo en caliente de componentes de aleación de aluminio. Como se muestra en las Figuras 1 y 2, un método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio (por ejemplo, el componente 50) puede incluir retirar el componente 50 de un suministro de piezas en bruto de aleación 104, calentar el componente 50 en un horno de calentamiento 103 hasta una temperatura de solución Y, enfriar el componente 50 hasta una temperatura de formación Tf deseada, deformar el componente 50 en una forma deseada en un dispositivo 102, mientras que el componente 50 se encuentra en la temperatura de formación Tf deseada, templar el componente 50 hasta una temperatura baja por debajo de una temperatura de solubilidad X y envejecer artificialmente el componente 50.
A fin de formar en caliente de manera efectiva un componente de aleación de aluminio 7xxx, el componente debe calentarse para aumentar la ductilidad (es decir, una medida del grado al que un material puede deformarse sin romperse) y para eliminar el endurecimiento por esfuerzo. En general, la ductilidad del aluminio aumenta con el aumento de la temperatura. Sin embargo, se han realizado experimentos para ensayos tanto de tracción como de compresión para aleaciones 7xxx, que contradicen esta característica. Por ejemplo, la Figura 4 muestra cuatro especímenes de ensayo de tracción de "hueso de perro" para la aleación 7075. El primer espécimen 401 proviene de un ensayo de tracción completado a 425 °C. Los tres especímenes de ensayo restantes son ensayos de temperatura más alta (incrementos de 25 °C) donde 402 es de un ensayo de tracción a 450 °C, 403 es de un ensayo de tracción a 475 °C y 404 es de un ensayo de tracción a 500 °C. Como se muestra en la Figura 4, las muestras de los experimentos realizados a 475 °C y 500 °C, 403 y 404, respectivamente, presentan significativamente menos ductilidad en comparación con la muestra 401 a 425 °C. En otras palabras, el espécimen 404 a 500 °C se deforma significativamente menos (es decir, se deforma plásticamente por medio de estirado en la dirección longitudinal) que la muestra 401 a 425 °C. La muestra 401 a 425 °C y la muestra 402 a 450 °C muestran significativamente más estrechamientos antes del fallo. Los resultados de estos ensayos de tracción apoyan la conclusión de que el aluminio 7xxx (particularmente, el aluminio 7075) no muestra una ductilidad que aumenta continuamente al aumentar la temperatura. En particular, como se muestra en la Figura 4, el aluminio 7075 presenta una disminución en la ductilidad al aumentar la temperatura después de exceder una temperatura umbral. La temperatura umbral parece estar entre 400 °C y 450 °C. Además, la disminución de la ductilidad a estas temperaturas elevadas se ha verificado en pruebas de laboratorio de lingotes de 7075 de laminación en caliente que presentan agrietamiento en los bordes.
El examen detallado de las superficies con fractura (de muestras, tales como las mostradas en la Figura 4) reveló distintas fracturas de hoyuelos de copa y cono consistentes con la fractura dúctil de la muestra 401 a 425 °C, mientras que las superficies de la muestra 403 a 475 °C revelaron fracturas intergranulares consistentes con las fracturas frágiles. En algunos ejemplos, se realizó un examen detallado al ver imágenes ampliadas de las muestras, tal como a través de una micrografía de SEM.
Se realizaron ensayos de compresión usando un simulador termomecánico Gleeble 3800 (fabricado por Dynamic Systems Inc. en Poestenkill, N.Y.) a diversas temperaturas con muestras 7xxx. Los ensayos de compresión se realizaron para las muestras 7075 con una velocidad de esfuerzo constante de 10 s-1 hasta un esfuerzo de 0,5. La Figura 3 ilustra las curvas de tensión-esfuerzo para los ensayos de compresión a temperaturas de 400 °C a 480 °C con incrementos de 20 °C. Las curvas en la Figura 3 muestran una región de deformación elástica inicial (aproximadamente lineal) 301 y una región de deformación plástica 302. Las muestras a 460 °C y 480 °C fallaron con la carga de compresión y presentaron grietas. La muestra a 480 °C falló por completo (se agrietó) durante el ensayo. Como se muestra en la Figura 3, la tensión de flujo (es decir, el valor instantáneo de la tensión requerida para continuar con la deformación plástica del material) disminuye al aumentar la temperatura.
Además de los ensayos de compresión, los resultados de los ensayos de tracción se muestran en la Figura 5. La Figura 5 muestra curvas de tensión-esfuerzo para ensayos de tracción a temperaturas de 390 °C, 400 °C, 410 °C, 420 °C, 425 °C, 430 °C, 440 °C, 450 °C y 475 °C. Los resultados muestran una disminución en la tensión de flujo cuando la temperatura aumenta (similar a los resultados de compresión en la Figura 3). Además, los resultados muestran una disminución en el esfuerzo verdadero antes del fallo al aumentar la temperatura de formación. Las muestras formadas a temperaturas menores de o aproximadamente 425 °C (por ejemplo, aproximadamente 390 °C, aproximadamente 400 °C, aproximadamente 410 °C, aproximadamente 420 °C y aproximadamente 425 °C) muestran un porcentaje de esfuerzo verdadero mayor de aproximadamente el 0,44 % antes del fallo. Las muestras formadas a temperaturas mayores de aproximadamente 425 °C (por ejemplo, aproximadamente 430 °C, aproximadamente 440 °C, aproximadamente 450 °C y aproximadamente 475 °C) muestran un esfuerzo verdadero significativamente reducido antes del fallo. Como se muestra en la Figura 5, la resistencia de la aleación se disminuye al aumentar la temperatura de formación.
Basándose en los experimentos antes mencionados y las conclusiones posteriores, se describe en el presente documento un nuevo método para el trabajo en caliente de componentes de aleación de aluminio 7xxx.
Como se muestra en la Figura 1, el componente 50 se retira del suministro de piezas en bruto de aleación 104 y se inserta en el horno de calentamiento 103. La Figura 2 ilustra los cambios en la temperatura del componente 50.
Después de entrar en el horno de calentamiento 103, la temperatura aumenta (véase 201 en la Figura 2) por encima de la temperatura de solubilidad X (es decir, el límite de solubilidad del sólido). Una vez que el componente 50 alcanza la temperatura de solución Y diana, el componente 50 se mantiene a la temperatura de solución Y durante un tiempo predeterminado 202. La temperatura de solución Y se encuentra entre aproximadamente 400 °C y aproximadamente 600 °C. En algunos casos, la temperatura de solución está en un intervalo de aproximadamente 420 °C a aproximadamente 590 °C o en un intervalo de aproximadamente 460 °C a aproximadamente 520 °C. En algunos ejemplos, la temperatura de solución Y tiene un valor mínimo de 480 °C y, en algunos casos, es igual a aproximadamente 480 °C. El tiempo predeterminado para mantener el componente 50 a la temperatura de solución Y depende del componente particular 50 para el calentamiento en solución y puede ser de hasta 30 minutos.
Después de que se complete el calentamiento en solución, el componente 50 se enfría intencionadamente (véase 203 en la Figura 2) hasta una temperatura de formación T f deseada (véase 204 en la Figura 2). Esta etapa de enfriamiento 203 antes de la formación contradice la Publicación '416, que divulga explícitamente la formación inmediata y requiere una pérdida de calor mínima antes de la formación, en un intento de formar a temperaturas cercanas o iguales a la temperatura de tratamiento térmico.
En algunos ejemplos, la etapa de enfriamiento 203 se produce durante la transferencia del horno de calentamiento 103 al dispositivo de formación 102. Como se muestra en la Figura 1, el componente 50 puede transferirse a través de un recinto aislado 101. La transferencia entre el horno de calentamiento 103 y el dispositivo de formación 102 se produce en un tiempo predeterminado. Este tiempo predeterminado puede ser de varios minutos, tal como, por ejemplo, 1, 2 o 3 minutos. En algunos ejemplos no limitantes, este tiempo predeterminado puede ser inferior a 60 segundos y, en particular, puede ser de aproximadamente 20 segundos.
Una vez que el componente 50 alcanza la temperatura de formación Tf deseada, el proceso de formación 204 (Figura 2) tiene lugar en el dispositivo de formación 102 (Figura 1). Como se muestra en la Figura 2, la temperatura del componente 50 puede mantenerse constante aproximadamente a la temperatura de formación Tf deseada durante el proceso de formación. La temperatura de formación Tf puede ser cualquier temperatura en el intervalo de aproximadamente 380 °C a aproximadamente 470 °C, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 390 °C a aproximadamente 460 °C o en el intervalo de aproximadamente 400 °C a aproximadamente 440 °C. La temperatura del componente 50, por ejemplo, puede mantenerse constante a la temperatura de formación Tf deseada ±10 °C, puede mantenerse constante a la temperatura de formación Tf deseada ±5 °C o puede mantenerse constante a la temperatura de formación Tf deseada ±1 °C. En algunos ejemplos, puede aplicarse calor al componente 50 durante el proceso de formación en el dispositivo de formación 102 para asegurar que el componente 50 se mantenga a la temperatura de formación Tf deseada.
También se evaluó el efecto de la velocidad de calentamiento a la temperatura de solución Y para el componente 50, y se caracterizaron tanto la ductilidad como la microestructura. Las muestras del componente 50 se calentaron hasta la temperatura de solución Y (aproximadamente 480 °C) durante los siguientes periodos de tiempo aproximados: 10 segundos, 5 minutos y 15 minutos. La Figura 8A muestra las características de tracción del componente 50 cuando se enfría y se mantiene a 425 °C después del tratamiento término en solución. Cuando se calentaba rápidamente (aproximadamente 10 segundos), el componente 50 presentaba un ductilidad significativamente reducida, así como un tamaño de grano más pequeño (véase la Figura 9A). En particular, como se muestra en la Figura 8A, el fallo de la muestra calentada de 10 segundos se produjo a menos del 0,35 % de esfuerzo, en comparación con el fallo a más del 0,5 % a otras velocidades ilustradas. El calentamiento del componente 50 hasta la temperatura de solución Y a velocidades más bajas (es decir, tiempos más largos) permitió una mayor ductilidad y un tamaño de grano mayor correspondiente (véase la Figura 9B, que muestra una vista ampliada de la muestra calentada de 5 minutos que tiene tamaños de grano mayores que la muestra calentada de 10 segundos mostrada en la Figura 9A). La Figura 8B muestra las características de tracción a alta temperatura del componente 50 cuando se enfría y se mantiene a 450 °C después del tratamiento térmico en solución. La ductilidad del componente 50 se reduce significativamente a partir de las muestras ensayadas a 425 °C. Además, como se muestra en la Figura 8B, el fallo de la muestra calentada de 10 segundos se produjo a aproximadamente el 0,2 % de esfuerzo, en comparación con el fallo a aproximadamente el 0,3 % a otras velocidades ilustradas.
La reducción de la ductilidad a temperaturas superiores a aproximadamente 420 °C se evaluó de acuerdo con la microestructura del componente 50. La Figura 6A demuestra una disminución aproximada del 60 % en la ductilidad para una muestra ensayada a aproximadamente 450 °C (condiciones de tracción) en comparación con una muestra a aproximadamente 425 °C. La microestructura de esta aleación se muestra en la Figura 7A, donde el tamaño de grano aproximado (o diámetro aproximado) es de aproximadamente 10 micrómetros. La Figura 6B demuestra una disminución aproximada del 50 % en la ductilidad para una muestra ensayada a aproximadamente 450 °C (condiciones de tracción) en comparación con una muestra a aproximadamente 425 °C. La microestructura para esta aleación se muestra en la Figura 7B, donde el tamaño de grano aproximado (o diámetro aproximado) es de aproximadamente 25 micrómetros. En algunas realizaciones, el tamaño de grano es aproximadamente de 15-35 micrómetros. La Figura 6C demuestra una disminución aproximada del 7 % en la ductilidad para una muestra ensayada a aproximadamente 450 °C (condiciones de tracción) en comparación con una muestra a aproximadamente 425 °C. La microestructura para esta aleación se muestra en la Figura 7C, donde el tamaño de grano aproximado (o diámetro aproximado) es de aproximadamente 75 micrómetros. En algunas realizaciones, el tamaño de grano es de
aproximadamente 65-85 micrómetros. La formabilidad a alta temperatura de las aleaciones de aluminio 7xxx parece depender del tamaño del grano basándose en estos experimentos. Por ejemplo, como se muestra en las Figuras 6A y 6C, cuando se compara un tamaño de grano aproximado de 75 micrómetros y 10 micrómetros, el tamaño de grano más grande produce una mayor ductilidad a 425 °C (fallo a aproximadamente el 0,55 % de esfuerzo, en comparación con aproximadamente el 0,5 % de esfuerzo). Además, como se muestra en las Figuras 6A y 6C, cuando se compara un tamaño de grano aproximado de 75 micrómetros y 10 micrómetros, el tamaño de grano más grande produce una ductilidad significativamente mayor a 450 °C (fallo a aproximadamente el 0,5 % de esfuerzo, en comparación con aproximadamente el 0,2 % de esfuerzo).
Basándose en los experimentos descritos anteriormente, se ha determinado que la temperatura de formación Tf deseada se encuentra en un intervalo de aproximadamente 380 °C a aproximadamente 470 °C, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 390 °C a aproximadamente 460 °C o en el intervalo de aproximadamente 400 °C a aproximadamente 440 °C. En algunos casos, la temperatura de formación Tf deseada es de aproximadamente 425 °C. El componente 50 debe estar lo suficientemente caliente para asegurar una formabilidad suficiente; sin embargo, como se muestra en la Figura 4, a temperaturas elevadas, los componentes de aleación de aluminio 7075 se vuelven menos dúctiles y cada vez más quebradizos al aumentar la temperatura (particularmente, a temperaturas de 450 °C-475 °C y superiores).
El proceso de formación 204 se produce en el dispositivo de formación 102, que puede ser una prensa de formación (es decir, que incluye un troquel), un laminador o cualquier otro dispositivo de formación adecuado. En algunos ejemplos, el proceso de formación 204 dura unos pocos segundos (por ejemplo, menos de 10 segundos).
Después de completarse el proceso de formación, el componente 50 se templa hasta una temperatura baja en 205 en la Figura 2. La temperatura baja está en el intervalo de aproximadamente 0 °C a aproximadamente 280 °C o puede ser de aproximadamente 5 °C a aproximadamente 40 °C o puede ser de aproximadamente 23 °C en determinadas realizaciones. En algunos casos, el templado se produce en un troquel cerrado con enfriamiento con agua interno de tal manera que el agua para enfriamiento fluya a través de los conductos internos en el troquel. El componente 50 se enfría a una velocidad mínima de aproximadamente 50 °C/segundo. La velocidad de templado o enfriamiento puede estar entre aproximadamente 50 °C/segundo y aproximadamente 500 °C/segundo o puede estar entre 300 °C/segundo y aproximadamente 350 °C/segundo. En algunos casos, se observan propiedades del material con más ventajas para las velocidades de templado más altas, tales como mayores de 300 °C/segundo.
Como se muestra en la Figura 2, después de completarse el proceso de templado 205, el componente 50 puede experimentar un tratamiento de envejecimiento artificial 206. En particular, el tratamiento de envejecimiento artificial 206 puede incluir un tratamiento térmico a una temperatura de aproximadamente 100 °C a 150 °C (en algunos casos, aproximadamente 125 °C) durante aproximadamente 24 horas. En algunos casos, el componente 50 puede experimentar un doble tratamiento de envejecimiento que incluye un tratamiento térmico a una temperatura de aproximadamente 100 °C a 150 °C (en algunos casos, aproximadamente 125 °C) durante 1-24, horas seguido del tratamiento térmico a aproximadamente 180 °C durante aproximadamente 20-30 minutos.
Son posibles diferentes disposiciones de los objetos representados en los dibujos o que se han descrito anteriormente, así como las características y las etapas que no se muestran ni se describen. De manera similar, algunas características y subcombinaciones son útiles y pueden emplearse sin referencia a otras características y subcombinaciones. Las realizaciones de la invención se han descrito con fines ilustrativos y no restrictivos y las realizaciones alternativas resultarán evidentes para los lectores de la presente patente. En consecuencia, la presente invención no se limita a las realizaciones descritas anteriormente o representadas en los dibujos y se pueden realizar diversas realizaciones y modificaciones sin apartarse del alcance de las siguientes reivindicaciones.
Claims (11)
1. Un método de formación en caliente de un componente de aleación de aluminio (50), comprendiendo el método:
calentar el componente de aleación de aluminio (50) que comprende aleación 7xxx en un horno de calentamiento (103) hasta una temperatura de solución (Y) que se encuentra en un intervalo de 400 °C a 600 °C y se produce en un intervalo de 10 segundos a 15 minutos;
enfriar el componente de aleación de aluminio (50) hasta una temperatura de formación (Tf) deseada en un intervalo de 380 °C a 470 °C;
deformar el componente de aleación de aluminio (50) en una forma deseada en un dispositivo de formación (102), al tiempo que el componente de aleación de aluminio se encuentra a la temperatura de formación (Tf) deseada; y templar el componente de aleación de aluminio (50) hasta una temperatura baja por debajo de una temperatura de solubilidad (X), en donde la temperatura baja se encuentra en un intervalo de 0 °C a 280 °C y en donde el templado comprende el templado en troquel con agua que fluye de manera interna a través de un troquel, de tal manera que el componente de aleación de aluminio (50) se enfría a una velocidad entre 50 °C/segundo y 500 °C/segundo,
caracterizado por que este comprende, además, transferir el componente de aleación de aluminio (50) del horno de calentamiento (103) al dispositivo de formación (102) a través de un recinto aislado (101).
2. El método de la reivindicación 1, en donde la temperatura de formación (Tf) deseada se encuentra en un intervalo de 400 °C a 440 °C.
3. El método de la reivindicación 1, en donde la temperatura de solución (Y) es de 480 °C.
4. El método de la reivindicación 1, en donde el calentamiento del componente de aleación de aluminio (50) hasta la temperatura de solución (Y) se produce en 5 minutos.
5. El método de la reivindicación 1, que comprende, además, mantener una temperatura constante durante la deformación del componente de aleación de aluminio (50), en donde la temperatura constante se mantiene dentro de ±10 °C.
6. El método de la reivindicación 1,
en donde la temperatura de solución (Y) es de 480 °C;
en donde la temperatura de formación (TF) deseada se encuentra en un intervalo de 400 °C a 440 °C; comprendiendo el método, además, mantener una temperatura constante durante la deformación del componente de aleación de aluminio (50), en donde la temperatura constante se mantiene dentro de ±10 °C; y
en donde la temperatura baja es de 23 °C.
7. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 6, en donde el componente de aleación de aluminio (50) comprende una aleación 7075.
8. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 6, que comprende, además, envejecer artificialmente el componente de aleación de aluminio (50).
9. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 6, en donde:
el componente de aleación de aluminio (50) es un lingote;
el dispositivo de formación (102) es un laminador; y
la forma deseada es una placa o una lámina.
10. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 6, en donde el dispositivo de formación (102) es una prensa de formación.
11. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 6, que comprende, además, mantener el componente de aleación de aluminio (50) a la temperatura de solución (Y) durante un tiempo predeterminado.
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