MX2014005504A

MX2014005504A - Aleacion de aluminio.

Info

Publication number: MX2014005504A
Application number: MX2014005504A
Authority: MX
Inventors: Cyrille Bezenco; Corrado Bassi; Frank Schellinger
Original assignee: Novelis Inc
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2015-01-16
Also published as: CA2854838A1; US20160289802A1; MX354285B; JP2015501877A; KR101572773B1; RU2596509C2; CN104039996B; CN104039996A; RU2014122491A; KR20140092901A; WO2013068533A1; US9926619B2; BR112014011160A2; JP5893749B2; CA2854838C; US20140329108A1; BR112014011160B1

Abstract

En un primer aspecto, la invención proporciona una aleación de aluminio que comprende la siguiente composición, todos los valores están en % en peso: Si 0.25 - 1.5; Cu 0.3 hasta 1.5; Fe hasta 0.5; Mn hasta 0.1, todos los demás elementos, incluyendo Mg son impurezas y si están presentes, lo están en una cantidad menor que o igual a 0.05 de forma individual, y menor o igual a 0.15 en total, siendo el aluminio el balance. En un segundo aspecto, la invención proporciona un producto de hoja de aluminio de material compuesto que comprende una capa de núcleo y al menos una capa de revestimiento en donde la al menos una capa de revestimiento es una aleación de aluminio que comprende la siguiente composición, todos los valores están en % en peso: Si 0.25 - 1.5; Cu 0.3 a 1.5; Fe hasta 0.5; Mn hasta 0.1 el resto de los elementos, incluyendo Mg es impureza y está presente (si lo está), en una cantidad menor o igual a 0.05 de forma individual, y menor o igual a 0.15 en total, siendo aluminio el resto o balance. En un tercer aspecto, la invención proporciona un método para la fabricación de una estructura unida de un componente de acero y de un componente de aluminio a partir de la aleación y/o el producto de hoja de la invención.

Description

ALEACIÓN DE ALUMINIO DESCRIPCIÓN Antecedentes y campo de la invención Esta invención se refiere a una aleación de aluminio y producto de aleación de lámina destinado principalmente para uso en vehículos de transporte. La aleación de aluminio se basa en el sistema de Al-Si-Cu y es particularmente adecuada para su uso como un producto de lámina útil en la fabricación de automóviles. La aleación de aluminio también es adecuada para su uso como una capa revestida en una lámina compuesta. La invención también se refiere a una estructura conjunta que comprende un componente de acero y un componente de aluminio.

El uso de aleaciones de aluminio en la producción de automóviles y otros vehículos de transporte se ha establecido durante muchos años. Una gama de diferentes aleaciones se utilizan dependiendo de los requerimientos particulares de componentes específicos. En ciertas aplicaciones es deseable que el material sea de alta resistencia. Aún otras aplicaciones requieren mayor conformabilidad y, en tales casos, la fuerza puede ser considerada menos importante. También ha habido un deseo para los materiales que se deforman fácilmente bajo impacto, por ejemplo en caso de colisión con los peatones y dichos materiales puedan tener aún fuerzas menores. Productos de aleación de aluminio para dichas aplicaciones son proporcionados en diversas formas, de la lámina para forjas, extrusiones a vaciado.

Usualmente las aleaciones de aluminio son de la serie 6XXX de aleaciones, cuyos principales elementos de aleación son Mg y Si, o de la serie 5XXX de aleaciones, donde el principal elemento de aleación es Mg. Ha habido uso ocasional de las aleaciones de la serie 2XXX donde el principal elemento de aleación es Cu. Para comprender el sistema de designación del número sistema más comúnmente usado en el nombramiento y la identificación de aluminio y sus aleaciones véase "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys", publicado por The Aluminum Association, revisado en febrero de 2009.

Láminas revestidas o láminas compuestas también son conocidas para su uso en aplicaciones automotrices y otras aplicaciones. En dichos productos la lámina compuesta consiste en por lo menos dos capas de aleaciones con diferentes composiciones químicas. Una capa, normalmente llamada el núcleo, proporciona propiedades mecánicas a granel, mientras que la segunda capa, llamada normalmente la capa revestida, proporciona las características específicas de la superficie. La capa revestida es generalmente más delgada que la capa de núcleo. Comúnmente la capa de núcleo de una composición se interpone entre dos capas revestidas de otra composición para formar una lámina de tres capas, ambas capas revestidas que tienen la misma composición. Pero esto no es siempre el caso y una lámina compuesta se puede proveer de varias capas, cada capa que tiene una composición diferente.

Aleaciones de aluminio no son los únicos materiales usados en la construcción de vehículos de transporte; el acero sigue siendo un material estructural importante. Mientras se refiere principalmente a estructuras automotrices, la invención descrita aquí es igualmente aplicable a otros vehículos de transporte incluyendo pero no se limitan a aviones y vehículos de tierra tales como los trenes, autobuses y camiones, así como otras aplicaciones industriales donde hay una necesidad de unir los componentes de aluminio con componentes de acero. El caso de estructuras automotrices se utiliza para ilustrar los antecedentes de la invención y para demostrar sus beneficios.

En varios lugares dentro de la estructura del automóvil, la aleación de aluminio debe entrar en contacto y se une a un producto de aleación de acero. Esto crea problemas porque el aluminio y el acero no pueden unirse satisfactoriamente mediante técnicas convencionales de soldadura, tales como TIG, MIG, soldadura con láser, soldadura de plasma, etc., debido a una gran diferencia entre las temperaturas de liquidus y baja solubilidad inter-elemento . De hecho, soldadura clásicamente definida, en el sentido de la fusión de dos metales fundidos, no se produce porque las temperaturas utilizadas generalmente no son suficientemente altas como para causar que el acero se funda. Se utilizan varios términos, por lo tanto, para describir el proceso de unión térmica que toma lugar y tales términos pueden incluir pero no están limitados a la soldadura con láser, soldadura con latón y asi sucesivamente. En esencia, y para los propósitos de esta invención, una estructura que se compone de una parte de aluminio unida a una parte de acero significa que surge de un proceso térmico que provoca al menos una parte del componente de aluminio para fundirse.

El diagrama de fase de equilibrio Al-Fe binario indica que existen varios compuestos intermetálicos de equilibrio tal como Fe2AI5, FeAI3, FeAI2 y FeAI . Estos compuestos intermetálicos son conocidos por ser duros y frágiles. Además, la entrada de alto calor de técnicas de soldadura convencionales y la reacción resultante y difusión entre las partes de acero y aluminio pueden dar lugar a una capa delgada de intermetálicos frágiles. La presencia de tales intermetálicos en interfaces de acero/aluminio pueden llevar a pobres propiedades mecánicas y el comportamiento de fractura frágil de la unión. La unión entre las aleaciones de aluminio y acero puede convertirse asi en un sitio de debilidad estructural fundamental. Una unión que tiene fuerza de fractura razonable, que posee suficiente ductilidad, es preferible.

Se han hecho intentos para mejorar la fuerza interfacial y ductilidad de tales uniones. Un método ha sido reducir la entrada de calor para el proceso de unión, por ejemplo, al aumentar la velocidad de soldadura, al añadir un bloque de apoyo para extraer calor o interrumpir el proceso de soldadura. Este enfoque se incorpora dentro de la técnica conocida de soldadura con latón de transferencia de metal frío, (CMT) . Las desventajas de este enfoque son que, con este, la fabricación es más complicada y más costosa, existe una ventana de funcionamiento reducida que no se presta a la producción en masa a escala industrial y, aunque hay una mejora en la fuerza de interfaz, el modo de fractura sigue siendo frágil.

Un segundo enfoque para mejorar la soldabilidad ha sido añadir Zn a la soldadura para promover la formación de Al-Zn, punto de fusión bajo, estructura eutéctica. En este enfoque se utiliza un material de relleno de Zn sin fundente durante la operación de soldadura en una atmósfera de aire o un revestimiento de Zn es utilizado en el componente de acero. Una entrada baja de calor también puede utilizarse en combinación. Un problema con el uso de Zn es que tiende a evaporarse durante la soldadura con láser. Además, Zn reduce la resistencia a la corrosión de la región de unión porque tiene un potencial de corrosión altamente negativa.

JP04768487B2 describe un método para la obtención de una estructura compuesta de aluminio y acero para vehículos de motor que consiste de fundición de una capa de aluminio de aleación AA5182 sobre una placa de acero usando un haz de láser sin fundente.

US-A-4, 814, 022 describe una aleación de aluminio soldable que comprende Si y Mg definida por un trapecio con coordenadas en: Si 0.5, Mg 0.1; Si 0.5; Mg 0.2; Si 1.3, Mg 0.5; Si 1.3, Mg 0.1. La aleación además contiene Cu entre 0.1 y 0.5. La composición es controlada para limitar la precipitación de Mg2Si durante la solidificación después de la fundición y los precipitados de Mg2Si desarrollados en la aleación, y necesarios para el fortalecimiento, surgen de posteriores tratamientos térmicos. Aunque se describe como una aleación soldable, los ejemplos describen la aleación de soldadura a sí mismo, no a un componente de acero.

US-A-4 , 808 , 247 describe un proceso de fabricación de las aleaciones Al-Si-Cu-Mg que consiste en la aplicación de un paso de recocido final en donde se calientan las aleaciones descritas a entre 60-360°C, mantenido a esa temperatura durante un periodo, y enfriado en forma controlada. Se describen tres aleaciones, todas de las cuales contienen Mg para promover la formación de precipitados de fortalecimiento de Mg2Si.

US-A-5 , 582 , 660 describe una aleación para uso en una lámina automotriz que comprende la siguiente composición; Si > 1.0 a aproximadamente 1.3, Mg > 0.25 a aproximadamente 0.60, Cu aproximadamente 0.5 a aproximadamente 1.8, Mn aproximadamente 0.01 a aproximadamente 0.1, Fe aproximadamente 0.01 a aproximadamente 0.2, el equilibrio siendo substancialmente aluminio y elementos incidentales e impurezas. La presencia de Mg en combinación con Si es esencial para la formación de precipitados de fortalecimiento de Mg2Si.

WO 98/14626 describe una aleación de aluminio para productos laminados con la siguiente composición en % en peso de: Si 0.8 - 1.5; Mg 0.2 - 0.7; Fe 0.2 - 0.7; Mn 0.01 - 0.1; Cu hasta 0.25; Cr hasta 0.1; Zn hasta 0.4; V hasta 0.2 m el equilibrio siendo Al. Silicio y magnesio se agregan para la formación de precipitados de fortalecimiento de Mg2Si. Fe se emplea para formar una fracción de volumen suficiente de fases Al-Fe que pueden actuar como sitios de nucleación de recristalización después de ser roto y disperso durante el laminado.

Los investigadores también han considerado el uso de aleaciones de soldadura Al-Si, como lo demuestra el articulo "The Characterisation of the Intermetallic Fe-Al Layer of Steel-Aluminium eldings" por Potesser et ai, publicado en el congreso EPD, 2006.

US-B2-7 , 943, 883 describe un método para unir un miembro de hierro y un miembro de aluminio, donde el miembro de hierro incluye una capa plateada por lo menos en el lado de unión y la capa de aluminio está formada por un núcleo de aluminio y un revestimiento de aluminio con un punto de fusión más bajo que el del material del núcleo de aluminio, proporcionado en el lado de unión con el miembro del hierro. La aleación de la capa de revestimiento de aluminio es una aleación Al - Si con 4.0-11.6% en peso de Si, balance Al o una aleación Al-Cu con 5.7-33.2% en peso de Cu, balance Al.

Recomendaciones adicionales han sido para reducir el grosor de la zona de interfaz creada al unir aluminio al acero, pero esto requiere control de ventana de proceso hermético durante la soldadura y es extremadamente difícil de lograr en una escala de producción.

Estas propuestas aún dejan mucho que desear, en la calidad de una unión entre un producto de aleación de aluminio y un producto de aleación de acero.

Es un objetivo de la invención proporcionar una aleación de aluminio que puede ser soldado a una aleación de acero sin el uso de una aleación de relleno y que proporciona una interfaz que posee una fuerza razonable y un mecanismo de fractura dúctil, una forma útil para enriquecer el intervalo de compromisos disponibles entre fuerza y ductilidad.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención se proporciona una aleación de aluminio que comprende la siguiente composición, todos los valores en % en peso: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 Mn hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo g que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 individualmente, y menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

En modalidades, la cantidad de Mn es incidental, es decir, no más de 0.05% en peso. En la práctica se contempla una cantidad de 0.08% en peso para Mn, pero esto para la conveniencia y viabilidad comercial, en lugar de aumentar el rendimiento en el cumplimiento de objetivos técnicos .

En contraste con las soluciones de la técnica previa al problema técnico, los inventores han adaptado la composición de aleación de aluminio para mejorar la humectación de la aleación de aluminio, para reducir la susceptibilidad de la aleación a falta de craqueo caliente, modificar la difusión de Fe del acero en el producto de aleación de aluminio y desviar el tipo de intermetálico formado cerca el acero para favorecer el tipo de FeAI sobre el tipo de FeAl3. Con aleaciones de acuerdo con la invención, la interfaz se caracteriza por una densa capa intermetálica que comprende dos tipos intermetálicos, FeAI y Fe2 l5, con FeAI en la zona adyacente de la aleación de acero. Además, la región de interfaz creada con la aleación de la invención es relativamente grande, que comprende 3 zonas distintas. Esta zona más gruesa de interfaz permite el uso de parámetros de procesamiento más amplios, dando una mayor flexibilidad del proceso y en consecuencia rindiendo la nueva aleación adecuada para la producción industrial a gran escala.

Si se agrega a la aleación para reducir la temperatura de sólidus y para mejorar la humectación. Por estas razones el limite inferior de Si se establece en 0.25. Además, las adiciones de Si ayudan a reducir la susceptibilidad de grietas calientes que se forman después de la soldadura y un limite inferior preferido para Si es 0.5. El limite superior de Si se establece en 1.5 porque un nivel más alto de Si favorece la formación de intermetálicos de tipo AI(Fe3,St) y tiene un efecto negativo en la ductilidad y el limite superior preferido de Si es 1.25.

Cu también se agrega a la aleación para reducir la temperatura de sólidus y para mejorar la humectación, pero también se agrega para modificar el tipo intermetálico de Al-Fe. Por estas razones el limite inferior del contenido de Cu se establece en 0.3. La cantidad de Cu no debe ser demasiado alta, sin embargo, porque un contenido de Cu mayor aumenta el riesgo de agrietamiento en caliente. Además, contenidos de Cu mayores también reduce la ductilidad de unión. Por estas razones el limite superior de Cu se establece en 1.5 aunque en algunas situaciones establecer un limite superior para Cu de 1.25 puede ser deseable .

Mientras Mg en combinación con Si podría conducir a la formación de precipitados de Mg2Si de fortalecimiento, no es útil aquí porque Mg no contribuye a la mejora de la calidad de unión. Conforme el contenido de Mg se incrementa existe disminución en la ductilidad de la unión, en la conformabilidad de la aleación y de la calidad de la soldadura, porosidad y agrietamiento. Una pequeña cantidad de Mg puede ser tolerada, (para dar cabida a reciclaje de chatarra) , pero el contenido de Mg no debe exceder el de un elemento de la impureza individual.

Mn tampoco hace ningún impacto significativo sobre la susceptibilidad de agrietamiento caliente o conformabilidad pero puede estar presente en metal reciclado proveniente de otras fuentes. Aquí puede tolerarse en cantidades mayores que podrían ser el caso de otros elementos sin efectos adversos graves. Por lo tanto, por razones comerciales (mayor reciclaje) una cantidad más alta que la permitida para los demás elementos de impureza incidentales está permitida en el caso de Mn.

Otros elementos tales como, pero no limitados a, Zn, Ni, Ti, Br, Cr y V se pueden presentar en forma de elementos de traza o impurezas inevitables o, en el caso de Ti y B, mediante la adición de refinadores de grano. Cada elemento de traza o impureza inevitable o elemento de refinado de grano está presente en una cantidad de menos de 0.05 cada uno y menos de 0.15 en total. El balance de la aleación de aluminio.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención se proporciona una lámina de aluminio compuesta, dicha lámina de aleación de aluminio compuesta que comprende un núcleo y al menos una capa revestida en donde la capa revestida comprende la siguiente composición, todos los valores en % en peso: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 Mn hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo Mg que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 cada uno o menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

En modalidades, la cantidad de Mn es incidental, es decir, no más de 0.05% en peso. En la práctica se contempla una cantidad de 0.08% en peso para Mn, pero esto para la conveniencia y viabilidad comercial, en lugar de mejorar el rendimiento en el cumplimiento de objetivos técnicos .

En el contexto de láminas compuestas, el término capa "núcleo" se utiliza para indicar la aleación contribuye más a las propiedades a granel de la lámina compuesta y el término "revestido" se utiliza para indicar la aleación en la superficie que proporciona propiedades de superficie para la lámina compuesta. Las láminas compuestas pueden comprender una sola capa revestida de una capa de núcleo único aunque más a menudo comprenden dos capas revestidas en ambos lados de la capa de núcleo única. Usualmente las capas revestidas son más delgadas que la capa de núcleo, por su propia cuenta y como un total combinado .

Donde la aleación se utiliza como capa revestida sobre una lámina compuesta, la capa de núcleo puede ser una aleación de serie 6XXX o una aleación de serie 5XXX como se entiende en referencia a las láminas verde azuladas de la asociación de aluminio. Si la capa de núcleo es una aleación de serie 6XXX que se puede seleccionar el grupo que consiste de AA6016, AA6016A, AA6014, AA6011, AA6111, AA6009, AA6010, AA6022 y AA6451. Si la aleación de núcleo es una aleación de serie 5XXX que se puede seleccionar el grupo que consiste de AA5005, AA5152, AA5052, AA5018, AA5454, AA5754, AA5056, AA 5456, AA5182, AA5186, AA5059, AA5083 y AA5383. Una ventaja del uso de la nueva aleación en una lámina compuesta, en donde el núcleo es una aleación de alta resistencia, es que la lámina entera es mucho menos susceptible a la distorsión durante el procesamiento adicional de la carrocería del vehículo tales como, por ejemplo, durante el tratamiento térmico de horneado de pintura .

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención una estructura unida es proporcionada en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aleación de aluminio unido a esta y en donde el componente de aleación de aluminio está hecho de una aleación de aluminio que comprende la siguiente composición, todos los valores en % en peso: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 Mn hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo Mg que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 cada uno o menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

De acuerdo con un cuarto aspecto de la invención una estructura unida se proporciona y en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aleación de aluminio unido a esta y en donde el componente de aleación de aluminio está hecho de una lámina de aleación de aluminio que comprende un núcleo y al menos una capa revestida en donde la capa revestida comprende la siguiente composición, todos los valores en % en peso: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 n hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo Mg que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 cada uno o menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

Para el propósito de esta invención la palabra "unido" pretende significar una unión resultante de un proceso térmico que opera a una temperatura que causa la fusión de al menos una parte del componente de aleación inventiva. El proceso térmico utilizado no conduce a la fusión del componente de acero. Por lo tanto, "soldadura", en el sentido clásico de la coalescencia de dos o más metales fundidos, no ocurre. Puesto que no es necesario el uso de un fundente (aunque podría ser utilizado) , el procedimiento no es soldadura clásica aunque uno puede describir el proceso como soldadura sin fundente. Otros han usado el término "soldar-soldadura". Bajo la aplicación de calor suficiente, más convenientemente de un láser, pero posiblemente de otras fuentes, la aleación del componente de aluminio se funde y reacciona con las capas superficiales del componente de acero, incluyendo el recubrimiento de zinc, si dicha capa está presente. La temperatura es suficientemente alta que ocurre la difusión de Fe del componente de acero en el aluminio fundido y, cuando el aluminio fundido se enfría y congela, una serie de capas ricas en compuestos intermetálicos está formada con la relación Al/Fe que incrementa a medida que la distancia desde el componente de acero incrementa. Un recubrimiento de Zn en el componente de acero mejora la humectabilidad de la aleación de aluminio de la invención y es preferido que el componente de acero sea provisto con dicha capa de Zn.

De acuerdo con un quinto aspecto de la invención aquí se proporciona un método de fabricación de una estructura unida en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aleación de aluminio y en donde el acero y los componentes de aleación de aluminio están unidos por un proceso térmico que provoca al menos una parte del componente de aluminio para fundir y en donde el componente de aleación de aluminio está hecho de una aleación que tiene la siguiente composición: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 Mn hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo Mg que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 cada uno o menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

En comparación con la técnica previa, la unión térmica de un componente de acero con dicha aleación de aluminio, produce resistencia al agrietamiento en caliente, ductilidad y fuerza de la unión.

En la región de interfaz entre la lámina de acero y la lámina de aluminio, la desviación hacia las partículas del FeAI sobre otras especies de intermetálicos de Fe/Al ayuda a representar la interfaz menos frágil y más dúctil sin ninguna pérdida de fuerza inaceptable.

La aleación de aluminio de acuerdo con la invención está destinada a uso primario en forma de lámina, pero el alcance de la invención no se limita a esta forma. La persona con experiencia en la técnica comprenderá que la aleación de la invención puede ser proporcionada en otras formas de producto, tales como extrusiones, y todavía pueden soldarse a los componentes de acero. Aunque el foco principal está en las estructuras automotrices, el lector experto se dará cuenta que la aleación de la invención, y su uso en estructuras unidas que incorporan acero, puede ser aplicable a muchas aplicaciones diferentes en el sector del transporte, (marino, carril, aeroespacial) , así como muchas otras aplicaciones industriales, (construcción, maquinaria de planta, etc. ) .

En lo siguiente, la invención se describirá con más detalle al referirse a los ejemplos y las figuras que muestran los resultados de las pruebas realizadas en modalidades de la invención reivindicada. Ni la descripción detallada ni las figuras está destinada a limitar el alcance de la protección que es definida por las reivindicaciones anexadas.

Figura 1 es una gráfica de una curva de tensión- desplazamiento para una aleación de acuerdo con la invención .

Figura 2 es una gráfica del efecto de Cu en la temperatura de sólidus y liquidus de equilibrio.

Figura 3 es una gráfica del efecto de Cu en la susceptibilidad de agrietamiento térmico calculado.

Figura 4 es una gráfica del efecto de Cu en ductilidad de unión.

Figura 5 es una gráfica del efecto de Cu en la fuerza de unión.

Figura 6 es una gráfica del efecto de Si sobre la temperatura de sólidus y liquidus de equilibrio.

Figura 7 es una gráfica del efecto del Si en la ductilidad de unión.

Figura 8 es una gráfica del efecto del Si en la fuerza de unión.

Figura 9 es una gráfica del efecto de Mg en flexión y elongación.

Figura 10 es una gráfica del efecto de Mg en calidad de soldadura.

Figura 11 es una gráfica del efecto de Mg en ductilidad de unión.

Figura 12 muestra dos imágenes de la interfaz que se producen cuando una aleación AISilO se suelda a la lámina de acero incluyendo el análisis de fase.

Figura 13 muestra dos imágenes de la interfaz que se produce cuando una aleación de acuerdo con la invención está soldada a la lámina de acero incluyendo análisis de fase .

Figura 14 es una gráfica de las curvas de tensión-desplazamiento para dos láminas compuestas después de unirse al acero, una de acuerdo con la invención y la otra de acuerdo con la técnica previa.

EJEMPLO 1 La cuadro 1 enumera las composiciones de aleaciones vaciadas en la forma de lingotes pequeños, cada lingote que mide 20xl50x200mm.

CUADRO 1 Todas las aleaciones contienen menos de 0.05 de otros elementos individualmente y menos de 0.15 en total, el balance siendo aluminio. Muestras 8, 9 y 10 son comparativas, y no dentro el alcance de las reivindicaciones posteriores.

Los lingotes se homogeneizaron en un horno de aire a 550°C por 6 horas, laminado en caliente a lOmm y laminado en frió a 1 mm. Las muestras de lámina son recocidas a 430 °C durante 1 hora para causar la recristalización. Una operación de nivelación final se aplicó a la lámina de lmm.

Las muestras de lámina luego de unieron por un proceso de soldadura con láser sin fundente a una lámina de lmm de acero de baja aleación recubierta con una capa de zinc de 7µp? (galvanizada en inmersión caliente) utilizando un láser Nd-YAG con una potencia constante de 3kW. La geometría de unión es soldada con brida (Kehlnaht) con un ángulo de láser de 60° y no hay diferencia entre las dos láminas. La velocidad de láser es de 4m/min para todas las combinaciones de aleación.

El efecto de composición de los diferentes elementos en las temperatura de sólidus y liquidus de balance se calcula utilizando software comercial termodinámico de JMatPro acoplado a la base de datos interna. La susceptibilidad de agrietamiento térmico también se calcula sobre la base de cálculo de termodinámica de la evolución de la fracción sólida a través del intervalo de solidificación. En ambos casos, se utilizaron las composiciones de aleación nominal.

Todas las muestras de láminas unidas se sometieron a inspección penetrante de tinta (DPI) para evaluar la integridad visual de las uniones. La calidad de la unión bajo DPI se basa en un sistema de clasificación simple de 1 a 4, siendo 1 buena, 4 siendo mala (que contienen una gran número de grietas térmicas y/o porosidad gruesa) .

La naturaleza y distribución de intermetálicos producidos en la zona de interfaz se evaluó mediante análisis SEM y EDX convencionales.

Las muestras unidas también se sometieron a ensayos de tracción de corte de secado para evaluar la resistencia de la fractura de unión y ductibilidad. No es apropiado utilizar curvas tensión-deformación convencional en dichas figuras porque la configuración de prueba significa que la tensión de corte, y asi la deformación plástica, no es constante a lo largo de la muestra. Los resultados de ensayos de tracción en las uniones de corte de secado se presentan como tensión equivalente en la sección de aluminio contra la distancia agarre a agarre durante la prueba, (descrita aqui como viaje estándar) . La tensión equivalente dentro de la parte de aluminio de la muestra unida es la fuerza nominal dividida por el área en sección transversal de la sección de aluminio. El viaje estándar es una indicación de la ductilidad de la unión.

Algunas muestras se someten a pruebas de flexión de 3 puntos para evaluar la conformabilidad. La conformabilidad de las muestras se mide usando una prueba de flexión basada en DIN 50111, pero con ligeras modificaciones en el procedimiento. En esta prueba un pedazo de 60 x 60 mm de la lámina, con un pre-esfuerzo anterior del 10% (estiramientos uniaxiales) , se coloca sobre dos rodillos cilindricos, los rodillos están separados por una distancia equivalente a dos veces el grosor de la lámina. Cada diámetro de rodillo es 30mm. Bajo carga, una barra de perforación cónica de anchura de lOOmm empuja la lámina en la separación entre los rodillos. La fuerza de perforación se mide asi como el desplazamiento. En el punto de deformación plástica, (es decir, el inicio del agrietamiento) , la carga necesaria para deformar las láminas cae, la fuerza de perforación se reduce y la prueba se detiene automáticamente. La lámina asi probada se deforma en forma de V y se mide el ángulo interno de V. En esta prueba un ángulo inferior se traduce en mejor conformabilidad de la lámina. Esta prueba, (más adelante referida como "la prueba DIN 50111 modificada"), es preferible a otras pruebas de conformabilidad porque los resultados no dependen tanto, si en todos, en el juicio del operador.

Las muestras 1-3 ilustran el efecto de Cu sobre el desempeño de las aleaciones. Muestras 2 con 5-7 ilustran el efecto de Si en el rendimiento. Muestras 2 con 8-10 ilustran el efecto de Mg en el rendimiento.

La figura 1 muestra la curva tensión-desplazamiento para la muestra 2 después de la unión. El viaje estándar de la pieza de prueba, proporcional al alargamiento es muy alto, lo que indica un modo de fractura dúctil que también es evidente en la superficie de fractura.

Efecto de Cu. Figura 2 muestra el efecto de aumento contenido de Cu a una composición base de AI0.5SÍ en el solidus de las aleaciones. Añadir Cu reduce la temperatura de sólidus y mejora la humectabilidad. La figura 3 muestra el efecto de Cu sobre susceptibilidad a agrietamiento térmico con craqueo térmico más probable a medida que el contenido de Cu aumenta hasta un 1.5%. La figura 4 muestra el efecto de Cu en ductilidad de unión. La figura 5 muestra el efecto de Cu en la fuerza de la fractura de unión. Incremento de Cu de 0.5 a 1.0% aumenta la fuerza de fractura pero nuevamente cae ligeramente si se aumenta el contenido de Cu hacia 1.5%. Desde las figuras 3, 4 y 5 podemos ver que el contenido de Cu no debe ser > 1.5% y preferiblemente hasta 1.25%.

Efecto del Si. La figura 6 muestra el efecto del incremento del contenido de Si para una composición base de All.OCu en el solidus de las aleaciones. Añadir Si reduce la temperatura de sólidus y mejora la humectabilidad. La figura 7 muestra el efecto de Si en ductilidad de unión. Aumentando el contenido de Si hasta el 1.0% mejora la ductilidad de unión pero hay un rápido descenso de ductilidad de unión a medida que aumenta el contenido de Si a 1.5% y más allá. La figura 8 muestra que el contenido de Si conduce a un aumento en la fuerza de fractura de unión hasta un 1% de adición pero la fuerza de fractura disminuye más si se añade Si. De las figuras 7 y 8, podemos ver que Si debe limitarse a no más del 1.5% y preferiblemente no más de 1.25% para mantener las buenas cualidades de unión en términos de fuerza ductilidad y fractura.

Efecto de Mg. Figura 9 muestra el efecto de contenido de Mg en plegabilidad como se mide usando la prueba DIN 50111 modificada. El efecto sobre la elongación es mínimo. A medida que aumenta el contenido de Mg, la plegabilidad de muestras pre-forzadas por 10% disminuye hacia un contenido de Mg de 0.5 pero luego mejora otra vez conforme el contenido de Mg se eleva a 2%. Figura 10 muestra el efecto del contenido de Mg en calidad de soldadura visual después de DPI. Adiciones de Mg de esencialmente no Mg a 0.5 Mg conducen a calidad de soldadura peor (porosidad gruesa y la presencia de grietas de soldadura), pero la calidad de soldadura mejora nuevamente cuando 2% de Mg se agrega. El efecto de Mg en la ductilidad de la soldadura se muestra en la figura 11 y el contenido de Mg incrementado disminuye la ductilidad de la soldadura. Por estas razones el contenido de Mg es limitado a la cantidad de un elemento incidental o impureza.

Las figuras 12, a) y b) , muestran imágenes de SEM de la interfaz considerada las aleaciones AISilO (muestra 0) unidas al acero. En la interfaz producida con aleaciones de AISilO el ancho de la interfaz es aproximadamente 10 µ?p. y la región inmediatamente después de la aleación de acero comprende una zona intermetálica dominada por FeAl3 (alta relación de Al/Fe, en % atómico) . La estructura frágil es evidenciada por la gran cantidad de micro-grietas en la capa. Figuras 13, a) y b) , muestran imágenes de SEM y espectros EDX de la interfaz producida cuando la muestra 2 se unió al acero. La anchura de la interfaz es aproximadamente 20µp? y la imagen revela una intermetalica libre de grietas y densa. Análisis EDX muestran claramente que la capa intermetálica continua en la interfaz se compone de dos fases con varias relaciones de Al/Fe. Una tercera región en la parte superior de la capa, con intermetálicos en forma de agujas y una relación de Al/Fe más alta está presente. Los dos primeros tipos intermetálicos son cercanos a la estequiometría de FeAI y Fe2Al5, mientras que el tercer tipo es cerca de FeAl3 más frágil. Hay diferencias fundamentales entre las interfaces, incluyendo la presencia de una capa de tipo FeAI adyacente al componente de acero cuando el componente de acero se une a la aleación inventiva.

EJEMPLO 2 Dos productos de lámina compuesta se producen donde la capa de "núcleo" es una aleación de AA6016 y una sola capa "revestida" se aplicó de una aleación de Al-Si típica de la técnica previa (muestra 11) o de una aleación Al-Cu-Si de la presente invención (muestra 12) .

Las capas revestidas en cada muestra representaron el 10%, (+/-1%) , del grosor de lámina total. Las composiciones de aleación de cada capa se muestran en el cuadro 2.

CUADRO 2 Los lingotes se homogeneizaron en un horno de aire a 550 °C durante 6 horas, laminados en caliente a lOmm y laminados en frío a 1 mm. Las muestras de lámina son tratadas con calor de solución a 540°C durante 40 s, rápidamente se enfrian por ventiladores de aire y luego pre-envej ecido manteniendo las muestras a 100 °C durante 1 hora .

Algunas muestras se dejan envejecer naturalmente a la condición de T4PX después de ser sometidas a una pre-esfuerzo de 10%, una simulación de una operación típica de formación. Otras muestras se dejan envejecer adicionalmente a la condición T8X (pintura-horneada) al someterlos una pre-esfuerzo de 2% seguida de envejecimiento a 185°C durante 20 minutos y aún más muestras se prepararon en el templado T62 sometiéndolos a un tratamiento térmico a 205 °C durante 30 minutos. Las propiedades mecánicas para la muestra 12 en tres diferentes condiciones templadoras se resumen en el cuadro 3.

CUADRO 3 Luego se unen a la lámina de acero bajo las mismas condiciones de soldadura láser como se describe en el ejemplo 1. Las partes unidas son mecánicamente probadas para evaluar la fuerza y la ductilidad de la unión.

La curva de tensión-esfuerzo de la figura 14 muestra los resultados para ambas muestras 11 y 12. En el caso de la muestra 12, la curva es para el producto en la condición T8X. Hay una mejora dramática en la fuerza lograda y la ductilidad del producto de acuerdo con la invención en comparación con estas cualidades para una muestra no de acuerdo con las reivindicaciones posteriores.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Una aleación de aluminio que comprende la siguiente composición, todos los valores en % en peso: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 Mn hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo g que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 individualmente, y menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

2. - La aleación de aluminio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el contenido de Si es 0.5-1.25.

3. - La aleación de aluminio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el contenido de Cu es 0.3-1.25.

4. - La aleación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque contiene no más de 0.08% en peso.

5. - Una estructura unida en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aleación de aluminio unido a esto y en donde el componente de aleación a aluminio se hace de una aleación de aluminio de conformidad con la reivindicación 1.

6. - La estructura unida de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque la zona de interfaz entre el componente de acero y el componente de aleación de aluminio se caracteriza por la capa de FeAl adyacente al componente de acero.

7. - Un producto de lámina de aluminio compuesta que comprende una capa de núcleo y al menos una capa revestida en donde al menos una capa revestida es una aleación de aluminio que comprende la siguiente composición, todos los valores en % en peso: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe hasta 0.5 Mn hasta 0.1 todos los demás elementos incluyendo Mg que son incidentales y presentes (si en todos) entonces en una cantidad menor o igual a 0.05 individualmente, y menor o igual a 0.15 en suma, el balance que es aluminio.

8. - El producto de lámina de aluminio compuesta de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la capa de núcleo se hace de una aleación seleccionada del grupo de aleaciones de series 5XXX y 6XXX.

9.- El producto de lámina de aluminio compuesta de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la capa de núcleo se hace de una aleación seleccionada del grupo que consiste de AA6016, AA6016A, AA6014, AA6011, AA6111, AA6009, AA6010, AA6022 y AA6451.

10. - El producto de lámina de aluminio compuesta de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la capa de núcleo se hace de una aleación seleccionada del grupo que consiste de AA5152, AA5052, AA5018, AA5454, AA5754, AA5056, AA 5456, AA5182, AA5186, AA5059, AA5083 y AA5383.

11. - Una estructura unida en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aleación de aluminio unido a esto y en donde el componente de aleación a aluminio se hace de un producto de lámina de aluminio compuesto de conformidad con la reivindicación 7.

12. - Un método de fabricación de una estructura unida en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aluminio y en donde los componentes de acero y de aluminio están unidos por un proceso térmico que provoca que al menos una parte del componente de aluminio se funda y en donde el componente de aluminio está hecho de una aleación de conformidad con la reivindicación 1.

13.- Un método de fabricación de una estructura unida en donde la estructura unida comprende un componente de acero y un componente de aluminio y en donde los componentes de acero y de aluminio están unidos por un proceso térmico que provoca que al menos una parte del componente de aluminio se funda y en donde el componente de aluminio está hecho de un producto de lámina de aluminio compuesta de conformidad con la reivindicación 7.

14. - El método de conformidad con la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque el proceso térmico es soldadura con láser.

15. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque incluye el paso de tratar Fe y n como impurezas, reduciendo su presencia al grado que es practicable.