MXPA98002487A - Aleaciones a base de zinc mejoradas conteniendo titanio - Google Patents

Abstract

La invención incluye el descubrimiento de que la adición de titanio a una aleación a base de zinc conteniendoépsilon como una fase primaria resulta en un aumento en la resistencia a la tensión y compresiva de la aleación. La aleación puede usarse en procesos de fundido troquel, de molde permanente y de gravedad para moldear componentes o herrajes. En una modalidad preferida, se agrega 0.01-0.1 por ciento por peso de titanio a la aleación a base de zinc conteniendo 3-12 por ciento por peso de cobre, 2-5 por ciento por peso de aluminio, constituyentes menores y el resto de zinc. El comportamiento descubierto fue inesperado y no se había reportado previamente. La causa de tal comportamiento se desconoce.

Description

ALEACIONES A BASE DE ZINC MEJORADAS CONTENIENDO TITANIO CAMPO TÉCNICO Esta invención refiere a aleaciones a base de zinc, ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las aleaciones de zinc se han usado en una variedad de aplicaciones por décadas. Las aleaciones tal como Zamak 3 y Zamak inicial 5 fueron desarrolladas en los años de 1920 para satisfacer las demandas de fundidos de matriz de forma neta. Subsecuentemente se desarrollaron y se usaron extensivamente para este propósito dos otras aleaciones, la Zamak 2 la cual también se usó en el proceso de fundido de matriz y Kirksite usada para hacer herramientas prototipo y proceso de fundido por gravedad. Estas aleaciones contuvieron alrededor de 4 por ciento por peso de aluminio con un indicio de cobre en Zamak 3 , alrededor de 1 por ciento por peso de cobre en Zamak 5 y alrededor de 3 por ciento por peso de cobre en Zamak 2 y Kirksite. La solidificación de estas aleaciones comienza con la formación de dentritas de fase ? primarias las cuales están rodeadas por la (77 + ) eutéctico. La fase ? tiene una estructura de cristal hexagonal empacada-cerrada (HCP) mientras que alfa es cúbico cara-centrada (FCC) .

El siguiente desarrollo significativo en las aleaciones de zinc ocurrió alrededor hace 25 años cuando una familia de aleaciones Zn-Al, llamada ZA-5, ZA-8, ZA-12 y ZA-27 fueron desarrolladas; el 5, 8, 12 y 27 indican el por ciento de peso nominal de aluminio. La solidificación de estas aleaciones comienza con la formación de dentritas de fase a primaria las cuales son entonces rodeadas por el eutéctico (? + oí) . En estas aleaciones, el aluminio se piensa que es el agente de reforzamiento primario. Tales aleaciones pueden ser fundidas o fabricadas en una variedad de métodos de fundido con tolerancias dimensionales estrechas y un costo relativamente bajo. Los métodos de fundido típicos son los procesos de fundido a troquel por gravedad y presión. Las aleaciones de zinc derretidas son vertidas en una cavidad de volumen fijo sin presión (fundido por gravedad) o bajo presión como en un proceso fundido a troquel.

Las aleaciones de fundido a troquel de zinc comerciales, Zamak y aleaciones Zn-Al (ZA) , son usadas para aplicaciones decorativas o no estructurales, debido a sus propiedades de resistencia más baja y/o de desvío. Los materiales más fuertes como el acero son usados para llenar requerimientos superiores . Las partes de acero son usualmente maquinadas mientras que, las aleaciones de zinc pueden ser fundidas a troquel a la forma. Otras aleaciones de zinc como Kirksite (4 por ciento por peso de Al, 3 por ciento por peso de Cu, el resto de zinc) son usadas rutinariamente para herramientas prototipo para estampados de metal de hoja. Sin embargo, el herraje Kirksite es relativamente suave, y generalmente inadecuado para una producción a alto volumen.

Las aleaciones a base de zinc recientemente desarrolladas conocidas como ACuZinc® (2-4 por ciento por peso de Al, 4-11 por ciento por peso Cu, el resto de zinc) pueden usarse como una aleación de zinc resistente al desvío, como se describe por Rashid y Hanna, patente de los Estados Unidos de Norteamérica número 4,990,310. Estas aleaciones contienen e dendritas las cuales están rodeadas por el eutéctico ternario ( ? + a + e ) y alguna fase ? . La fracción de volumen y el tamaño de las dendritas de fase e aumentan con el contenido de cobre . Estas aleaciones fueron encontradas como siendo más fuertes y más durables que las aleaciones comerciales existentes. Recientemente estas aleaciones también se encontraron que aumentan su resistencia cuando la tasa de tensión aumenta y aquella aumenta más a una temperatura superior. La presente invención es una mejora adicional en la aleación de ACuZinc®.

SÍNTESIS DE LA INVENCIÓN La invención incluye el descubrimiento de que la adición de titanio a una aleación a base de zinc conteniendo epsilon como una fase primaria resulta en un aumento en la resistencia compresiva y a la tensión de la aleación. La aleación puede usarse en los procesos de molde permanente o fundido por gravedad para moldear componentes o herrajes. En una incorporación preferida, se agregan alrededor de 0.01-0.1 por ciento por peso de titanio a una aleación a base de zinc conteniendo alrededor de 3-12 por ciento por peso de cobre, alrededor de 2-5 por ciento por peso de aluminio, constituyentes menores y el resto de zinc. El comportamiento descubierto fue inesperado y no se había reportado previamente. La causa de este comportamiento se desconoce.

La adición de titanio mejoró la dureza de la aleación a base de zinc. Un nuevo Al-Zn-Ti fase (Al5Ti10Zn3) se formó la cual actuó como un núcleo para la formación de un número mayor de fases e más finas (Zn4Cu) con mayor área de superficie en comparación a una aleación Zn-Cu-Al sin titanio. El número mayor y el área de superficie incrementada de la fase e más dura mejoró la dureza de la aleación.

Como un resultado del aumento en la resistencia y dureza compresiva con la adición de titanio, estas aleaciones de zinc pueden usarse con confianza para los componentes automotrices y no automotrices o herrajes en donde tal comportamiento es benéfico. La aleación de esta invención puede usarse en matrices para fraguar al tamaño para formar hojas de metal, una variedad de herrajes de impacto, de componentes los cuales se someten a resistencia compresiva y cualesquier otras partes las cuales deben de soportar fuerzas altas . Todos los componentes de esta invención pueden fabricarse a la forma o casi a la forma neta mediante el fundido por gravedad o el fundido a troquel .

Estos y otros objetos, características y ventajas de la presente invención se harán evidentes de la siguiente breve descripción de los dibujos, de la descripción detallada y de las reivindicaciones y dibujos anexos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una representación gráfica del efecto de la adición del titanio a la Resistencia a la Tensión Ultima (UTS) a la temperatura ambiente y 0.2 por ciento de Resistencia al Rendimiento (0.2 por ciento YS) para la aleación de zinc conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento de aluminio y 0.05 por ciento de magnesio.

La Figura 2 es una representación gráfica del efecto de la adición del titanio sobre el alargamiento de tensión de temperatura ambiente de la aleación de zinc conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento de aluminio y 0.05 por ciento de magnesio.

Las Figuras 3A-C son representaciones gráficas del efecto de la concentración de titanio sobre el límite proporcional sobre la aleación de zinc conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento por peso de aluminio y 0.05 por ciento de magnesio para (a) como se fundió; (b) añejado a 100 grados centígrados por 10 días; (c) añejado a 200 grados centígrados por 10 días respectivamente.

Las Figuras 4A son microfotografías comparativas mostrando el efecto de la concentración de titanio sobre la microestructura de la aleación de zinc conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento de aluminio y 0.05 por ciento de magnesio para: (a) una microestructura como se fundió sin la adición de titanio mostrando una fase (Zn4Cu) e primaria grande (dentritas blancas) una cantidad pequeña de fase ? como un producto de la reacción peritéctica binaria y la eutéctica ternaria (T? + a + e) ; en contra de (b) la microestructura como se fundió con la adición de 0.015 por ciento por peso de titanio, mostrando un refinamiento de grano marcado de la fase (Zn4Cu) e primaria el cual es la fase dura en la aleación.

Las Figuras 4B es una gráfica de un análisis de rayos X dispersivo de energía de las partículas basado sobre Al5Ti10Zn3 en la aleación de zinc conteniendo 0.015 por ciento por peso de titanio de acuerdo a la presente invención y un agrandamiento de la micrografía de la Figura 4A para la aleación de titanio de 0.015 por ciento por peso con una fase-e e identificado como Al5Ti10Zn3 como se indicó en la gráfica de rayos X.

La Figura 5 es una vista en sección transversal de una máquina de fundido a troquel de cámara fría para fundir una aleación de zinc-aluminio-cobre-titanio de acuerdo a la presente invención.

La Figura 6 es una vista en sección transversal de una máquina de fundido a troquel de cámara caliente para el fundido de una aleación de zinc-aluminio-cobre-titanio de acuerdo a la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INCORPORACIÓN PREFERIDA Las aleaciones de zinc adecuadas para la práctica de esta invención contienen titanio en cantidades de entre 0.01 y 0.1 por ciento por peso, cobre en cantidades de entre alrededor de 3 y 12 por ciento por peso, aluminio en una cantidad de entre alrededor de 2 y 5 por ciento por peso, magnesio en una cantidad de entre 0 y 0.05 por ciento por peso y el resto siendo esencialmente zinc, más hierro y otras impurezas típicas.

Para el fundido a troquel de cámara caliente, el contenido de cobre preferido está entre alrededor de 5 y 7 por ciento por peso. Las aleaciones conteniendo menos de 4 por ciento de cobre fallan en formar la fase epsilon significante, mientras que más de alrededor de 8 por ciento de cobre resulta en un punto de derretido elevado impráctico para el aparato de fundido a troquel de cámara caliente típico. En contraste, un rango de cobre preferido para la aleación de cámara fría es de entre alrededor de 9 y 11 por ciento por peso. Arriba de alrededor de 12 por ciento por peso de cobre, la formación de fases adicionales interfieren con la microestructura epsilon-eta-eutéctica deseada.

Un rango de aluminio preferido para las aleaciones en la práctica de la presente invención es de entre alrededor de 2 y 5 por ciento por peso. Por lo menos alrededor de 2 por ciento de aluminio se desea para proporcionar una fluidez suficiente para un manejo conveniente a una temperatura de fundido a troquel común. Las aleaciones teniendo esencialmente más de alrededor de 4 por ciento de aluminio desarrollan una fase alfa indeseada.

Una presencia menor de magnesio se desea para mejorar la exactitud dimensional y reducir el agrietamiento de corrosión de tensión. Un rango de magnesio preferido es de entre alrededor de 0.025 y 0.05 por ciento por peso.

Lo siguiente es una descripción de un ejemplo de trabajo y el resultado para una aleación de acuerdo a la presente invención. El metal de base seleccionado para este ejemplo fue una aleación de zinc de pureza comercial conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento por peso de aluminio y 0.05 por ciento por peso de magnesio. La aleación se derritió en un horno de inducción sin núcleo y se fundió en moldes de tensión de arena para aplicaciones de tensión. La cantidad apropiada de Al-5 por ciento por peso de titanio- 1 por ciento por peso de boro se agregó al metal derretido como una aleación maestra y se mantuvo por treinta minutos a 650 grados centígrados, por ejemplo, alrededor de 100 grados centígrados arriba de la temperatura de los líquidos y se fraguó en moldes para tensión y compresión de espécimen.

Los especímenes de tensión (50.8 milímetros longitud de medición y 12.9 milímetros diámetro) y especímenes de compresión (50 mm longitud de medición y 18 mm de diámetro) se probaron en una máquina de prueba universal Instron equipada con un horno de caja. Las pruebas de tensión se llevaron a cabo sobre especímenes como se fundieron a temperatura ambiente . Las muestras de compresión fueron llevadas a cabo sobre ambos especímenes como están fundidos y especímenes añejados en un baño de aceite de temperatura constante a 100 grados centígrados o 200 grados centígrados por 10 días. Las pruebas se llevaron a cabo a la temperatura ambiente, 93 grados centígrados (200 grados F) , 150 grados centígrados (300 grados F) , y 177 grados centígrados (350 grados F) . La temperatura de espécimen se vigiló continuamente con un termocople unido a la superficie de espécimen. Los especímenes fueron comprimidos a una velocidad de cabeza cruzada de 2.5 milímetros/min. Los datos de alargamiento de carga se registraron automáticamente durante la prueba. El limite proporcional, o la tensión para que ocurra el flujo de plástico medible, y los valores de 0.5 por ciento y de 1 por ciento de rendimiento fueron determinados de estos datos.

Con la adición de titanio a la aleación de zinc conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento por peso de aluminio y 0.05 por ciento por peso de magnesio se observó un aumento en las propiedades de tensión. La resistencia a la tensión ultima (UTS) sin una adición de titanio fue de 301 MPa. Con la adición de 0.01 a 0.1 por ciento por peso, el UTS varió entre 342 MPa y 353 MPa, un aumento de 13-17 por ciento (Figura 1) . La resistencia al rendimiento se cambió muy ligeramente. La mayoría de estos aumentos ocurrió con 0.01 por ciento de titanio. Contrario a las costumbres convencionales, la ductilidad aumentó con un aumento en el UTS. La tensión de plástico aumentó de desde 0.22 por ciento sin adiciones de titanio a alrededor de 0.5 por ciento para adiciones de titanio de 0.01 a 0.1 por ciento (Figura 2) .

El limite proporcional es una medida de la iniciación de la deformación y da una medida de la resistencia del material. El límite proporcional durante la compresión, como una función de la concentración de titanio está dibujada en la Figura 3. A la temperatura ambiente, para ambos tipos de especímenes (como se fundió y condición añejada) , el límite proporcional aumento proporcionalmente 20 MPa para adiciones de titanio de hasta 0.015 por ciento. El aumento de titanio además se invirtió la corriente y tendió a disminuir el límite proporcional. Esta disminución fue más pronunciada en el material como se fundió que aquellos añejados a temperaturas superiores. La Figura 3B muestra la corriente para especímenes añejados a 100 grados centígrados por 10 días y la Figura 3C muestra la corriente para especímenes añejados a 200 grados centígrados por 10 días.

En la compresión caliente a 93 grados centígrados, 150 grados centígrados y 177 grados centígrados, el efecto del titanio fue diferente que a la temperatura ambiente. Con la adición de 0.015 por ciento por peso de titanio el límite proporcional de la aleación de zinc disminuyó por 20-25 MPa dependiendo de la historia del espécimen (temperatura de añejamiento y tiempo) . El aumento de la concentración de titanio para ambos tipos de especímenes se invirtió la corriente de disminuir la resistencia con adición de 0.015 por ciento por peso de titanio a alrededor del mismo nivel de la resistencia sin adición de titanio.

La microestructura como se fundió (Figura 4A) de la aleación de zinc conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento por peso de aluminio y 0.05 por ciento por peso de magnesio consistió de fase (ZnCu) e primaria grande (dendritas blancas) , cantidades pequeñas de fase ? como un producto de la reacción periférica binaria y el eutéctico ternario (? + a + e ) , el cual se precipita en la fase final de solidificación a 378 grados centígrados. Se observó un refinamiento de grano marcado en la microestructura mediante la * adición del titanio. Con la adición del titanio y como se muestra en la Figura 4A, los cristales primarios de la fase e (blanco) la cual es una fase dura en la aleación aparecieron como siendo más finos y "no dendríticos" . La Figura 4B muestra que la fase e apareció al centro sobre un compuesto intermetálico, el cual fue identificado mediante análisis de rayos X dispersivos de energía para estar basados sobre partículas Al5Ti10Zn3, y se formó probablemente de Al3Ti que actuó por muchos núcleos para la cristalización heterogénea.

Los resultados mencionados arriba se cree que sean los primeros reportados sobre la nueva fase . La presencia de un tamaño de grano pequeño por si mismo puede no ser la única causa de la mejora de las propiedades. La evidencia apunta también a la reacción peritéctica como la causa adicional de mejorar y aumentar la resistencia. La fase e que nuclea primero, reacciona con el líquido y se envaina con una fase ? sólida (gris) . La fracción de volumen superior de la fase ? observada en la aleación refinada se debe a la fracción de volumen mayor del área de superficie de la fase de epsilon disponible para que tenga lugar la transformación peritéctica. Aún cuando hay evidencia de un refinamiento de grano de la fase epsilon, un entendimiento detallado del mecanismo actual para el reforzamiento permanece incierto.

El efecto de la adición de titanio sobre las propiedades mecánicas a la temperatura ambiente de la aleación como se fundió conteniendo 10.4 por ciento por peso de cobre, 4.1 por ciento de aluminio y 0.05 por ciento de magnesio pareció alcanzar su máximo a 0.015 por ciento por peso de titanio, un UTS de 350 MPa, límite proporcional sobre compresión de 255 MPa. Las aleaciones conteniendo titanio añejadas parece que se comportan en forma similar. Este comportamiento esperó tener efectos similar sobre las aleaciones de zinc las cuales contienen epsilon como una fase primaria referida como ACuZinc® 5 y ACuZinc® 10 y fabricado por gravedad, molde permanente o procesos de fundido a troquel. Esta información combinada con el conocimiento de que el material conteniendo titanio en el rango de hasta 0.1 por ciento por peso es más dimensionalmente estable durante el añejamiento a temperaturas diferentes que la aleación sin la adición de titanio sugiere que la aleación conteniendo titanio se prefiere para las matrices de fundido al tamaño que trabajan a temperatura ambiente .

El fundido troquel de acuerdo a la presente invención formado de una aleación de cobre-aluminio-titanio a base de zinc usando una máquina de fundido troquel de cámara fría convencional se muestra esquemáticamente en la Figura 5. La máquina 10 puede incluir una placa móvil 11 y una placa estacionaria 13. Las mitades de matriz 12 y 14 están montadas sobre las placas 11 y 13, respectivamente, y se enfrían por agua circulada a través de conductos ahí (no mostrados) . En la posición cerrada mostrada en la Figura, las mitades de matriz 12 y 14 cooperan para definir una cavidad de matriz de volumen fijo 16 dimensionada y conformada adecuadamente para producir un fundido de una configuración deseada. A tiempos apropiados durante el ciclo de fundido, la placa 11 se mueve en relación a la placa 13 para dividir las mitades de matriz 12 y 14 a lo largo de un plano indicado por la línea 18 para la expulsión de un producto fundido. La máquina 10 también incluye un aparato de tiro 20 comprendiendo un manguito de tiro cilindrico generalmente 22 que comunica con la cavidad 16. El manguito 22 incluye una entrada 24 para admitir una carga de metal derretido 26 vertida, por ejemplo, desde un cucharón adecuado 28. Un ' émbolo de tiro impulsado hidráulicamente 30 es recibido deslizablemente en el manguito 22 y avanza hacia las secciones de matriz para forzar al metal desde el manguito 22 hasta la cavidad 16.

Los fundidos a troquel de zinc de esta invención también se fabricaron usando una máquina de fundido troquel de cámara caliente 50 mostrada esquemáticamente en la Figura 4. La máquina 50 comprende las mitades de matriz enfriadas con agua 52 y 54 montadas sobre una placa estacionaria 53 y una placa móvil 55, respectivamente, adaptadas para mover las mitades de matriz entre una posición cerrada mostrada en la Figura 4 en donde las mitades de matriz cooperan para formar una cavidad de fundido 56 y una posición abierta en donde las mitades de matriz son partidas a lo largo de un plano indicado por la línea 58 para la eyección de un producto fundido. De acuerdo con el proceso de fundido a troquel de cámara caliente con, la máquina de fundido troquel 50 comprende un aparato de tiro 60 formado de un manguito de cuello de ganzo 62 parcialmente sumergido en un baño de metal derretido 64 contenido en el recipiente de derretido 63. El aparato de tiro 60 además comprende el émbolo impulsado hidráulicamente 68 recibido deslizablemente en el cuello de ganzo 62. Cuando el émbolo 68 está en una posición retraída mostrada en la Figura, una carga de metal derretido del baño 64 llena el cuello de ganzo 62 a través de una lumbrera de entrada 66. Para el fundido, el émbolo 68 es impulsado hacia abajo para forzar el metal derretido a través del manguito 62 hasta la cavidad de matriz 56.

Claims (13)

R E I V I ND I C A C I O N E S

1. Una aleación que comprende alrededor de 0.01 a alrededor de 0.1 por ciento por peso de titanio, alrededor de 3 a alrededor de 12 por ciento por peso de cobre, alrededor de 2 a alrededor de 5 por ciento por peso de aluminio, alrededor de 81 a alrededor de 95 por ciento por peso de zinc.

2. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizada porque incluye una fase e primaria, una fase T7 y un eutéctico ternario ? + . + e .

3. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizada porque tiene entre 4 y 7 por ciento por peso de cobre, y en donde dicha aleación se ha fundido por troquel en un proceso de fundido por troquel de cámara caliente.

4. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizada porque tiene entre 7 y 11 por ciento de cobre, y en donde dicha aleación se ha fundido por troquel en un proceso de fundido por troquel de cámara fría.

5. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizada porque tiene titanio en alrededor de 0.01 a alrededor de 0.015 por ciento por peso.

6 . Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizada porque comprende constituyentes menores .

7. Una aleación que comprende partículas de Al5Ti10Zn3.

8. Un fundido a troquel que comprende alrededor de 0.01 a alrededor de 0.1 por ciento por peso de titanio, alrededor de 3 a alrededor de 12 por ciento por peso de cobre, y alrededor de 2 a alrededor de 5 por ciento por peso de aluminio, alrededor de 81 a alrededor de 95 por ciento por peso de zinc.

9. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 8 caracterizada porque incluye una fase e primaria, una fase ? y un eutéctico ternario ? + a + e .

10. En una aleación a base de aluminio-cobre-zinc, una cantidad suficiente de titanio para mejorar la resistencia a la tensión de la aleación.

11. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 10 caracterizada porque comprende alrededor de 3 a 12 por ciento por peso de cobre, alrededor de 2 a alrededor de 5 por ciento por peso de aluminio, y alrededor de 81 a 95 por ciento por peso de zinc.

12. En una aleación a base de zinc-cobre-aluminio, una cantidad suficiente de titanio para aumentar el área de superficie de la fase e en comparación a una aleación sin el titanio.

13. Una aleación tal y como se reivindica en la cláusula 12 caracterizada porque comprende alrededor de 3 a 12 por ciento por peso de cobre, alrededor de 2 a alrededor de 5 por ciento por peso de aluminio, y alrededor de 81 a 95 por ciento * por peso de zinc. R E S U M E N La invención incluye el descubrimiento de que la adición de titanio a una aleación a base de zinc conteniendo epsilon como una fase primaria resulta en un aumento en la resistencia a la tensión y compresiva de la aleación. La aleación puede usarse en procesos de fundido troquel, de molde permanente y de gravedad para moldear componentes o herrajes. En una modalidad preferida, se agrega 0.01-0.1 por ciento por peso de titanio á. la aleación a base de zinc conteniendo 3-12 por ciento por peso de cobre, 2-5 por ciento por peso de aluminio, constituyentes menores y el resto de zinc. El comportamiento descubierto fue inesperado y no se había reportado previamente. La causa de tal comportamiento se desconoce .