ES2208191T3 - Aleaciones fundidas mejoradas. - Google Patents
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Abstract
Un único lingote o una pluralidad de lingotes fundidos de aluminio y de aleación de aluminio que comprenden 0, 0001 a 0, 0047 por ciento en peso de estroncio opcionalmente combinado con aditivos de hasta alrededor de un total de 0, 25 por ciento en peso seleccionados del grupo que consta de metales alcalino-térreos, , de tierras raras, detransición y refinadores del grano, siendo el resto aluminio, compuestos accidentales e impurezas, y sustancialmente libres de berilio, dicho aluminio se selecciona del grupo que consta de las aleaciones de las series 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx, en los que dicho estroncio y aditivos mejoran el aspecto superficial, inhiben sustancialmente las imperfecciones superficiales, y reducen la oxidación superficial de dichos lingotes.
Description
Aleaciones fundidas mejoradas.
La presente invención está dirigida a la mejora
en la fundición de aluminio y aleaciones de aluminio, y a los
productos obtenidos a partir de ella por adición de pequeñas
cantidades de combinaciones de estroncio y/o metal
alcalino-térreo, metal de tierras raras, y/o metal
de transición.
Desde la introducción del proceso Hall y su
progenie, la comercialización de aluminio y aleaciones de aluminio
("Aleaciones") ha creado un gigante de una industria. Al
comercializar Aleaciones, se ha encontrado que las propiedades del
material, tales como resistencia, tenacidad y velocidades de
crecimiento del agrietamiento por fatiga, son consideraciones
importantes en el producto final, que dependen del uso del
producto.
Igualmente importante, en muchas industrias, para
las propiedades físicas entrelazadas en las Aleaciones es el aspecto
físico del producto acabado. Una industria secundaria ha crecido
alrededor de la industria de las Aleaciones, simplemente para hacer
que las Aleaciones tengan un aspecto agradable. Ejemplos de tales
industrias auxiliares son aquellas creadas para fabricar métodos
para descostrar un lingote obtenido como tal, para librar al
lingote de imperfecciones superficiales y/o bordes cortantes, para
librar al lingote de imperfecciones de los bordes, por nombrar unos
pocos.
Hay algunas imperfecciones en la fundición de
Aleaciones que no se pueden remediar mediante arreglos cosméticos.
Algunas imperfecciones provocan que la pieza fundida se agriete
antes de que sea trabajada. Estas tienen diversos nombres según los
expertos en la técnica, y diferentes compañías han desarrollado sus
propios nombres para estas imperfecciones. Tales imperfecciones
pueden incluir, pero no se limitan, a pliegues verticales,
pliegues, picaduras, parches de óxidos, óxidos o agrupaciones de
óxidos que se embeben en la superficie en un lingote sólido. Un
pliegue vertical es una indentación con forma de V, en la
superficie de un lingote de laminación, que está orientada en la
dirección longitudinal del lingote. Algunos pliegues verticales
inician el agrietamiento del lingote. Un lingote agrietado necesita
ser refundido y recolado, puesto que tal lingote no se puede
procesar posteriormente o vender a un usuario aguas abajo. La
refundición y recolada de los lingotes no sólo es inconveniente
sino también es costoso, reduciendo de ese modo la eficiencia de un
molino de Aleaciones. La mayoría de los lingotes, sino todos, son
trabajados de alguna manera; sin embargo, el trabajo no sanará un
lingote agrietado. Otras imperfecciones superficiales también
pueden servir como iniciadores del agrietamiento. Como es claro a
partir de lo anterior, las imperfecciones superficiales en los
lingotes sigue siendo un problema en la técnica de Aleaciones.
El trabajado, como se ha hecho conocido ese
término en la industria de Aleaciones, puede significar muchos
conceptos diferentes, tales como, pero sin limitarse a, laminado en
caliente, laminado en frío, extrusión, forjadura, revenido,
planchado, termotratamiento, envejecimiento, conformado, y
estiramiento, por nombrar unos pocos. En el trabajado o conformado
de una Aleación, se aplica energía a la pieza de trabajo, pero no
siempre se distribuye homogéneamente.
La fundición de Aleaciones se puede promover por
cualquier número de métodos conocidos por los expertos en la
técnica. Ejemplos de técnicas de fundición son el enfriamiento
directo ("DC"), el enfriamiento electromagnético ("EMC"),
el enfriamiento directo horizontal ("HDC"), la fundición FDC,
la fundición superior caliente, la fundición continua, la fundición
semicontinua, la fundición en matriz, la fundición por rodillo, y
la fundición con arena. Cada uno de estos métodos de fundición tiene
un conjunto de sus propios problemas inherentes, pero con cada
técnica las imperfecciones superficiales pueden aún ser un
problema. Los pliegues verticales son un problema con la fundición
DC y EMC.
Las aleaciones pueden comprender cualquiera de
las aleaciones registradas de la Asociación de Aluminio procedentes
del grupo que consta de aleaciones de las series 2xxx, 5xxx, 6xxx y
7xxx. La presente invención también sería muy útil para cualquiera
de las aleaciones de fundición. En particular, se ha encontrado
ventajosa la adición de estroncio y mezclas de estroncio, los otros
metales alcalino-térreos, la serie de elementos de
tierras raras y los elementos de transición, en pequeñas cantidades,
no mayores que 0,5 por ciento en peso, a Aleaciones tales como
2024, 2524, 5042, 5083, 5182, 6013, 6063, 7075, 7x55, y 7x50, por
nombrar unas pocas. Estas adiciones a las Aleaciones son útiles
después de que las Aleaciones son trabajadas, independientemente de
que las Aleaciones sean hoja metálica, lámina, chapa base, es decir
una chapa más gruesa que media pulgada hasta alrededor de 8
pulgadas o más, piel de avión, materia prima para el cuerpo de
latas, materias primas finales, y/o extrusiones. Se ha encontrado
que las pequeñas adiciones realizadas al lingote también tienen
otros efectos que mejoran el aspecto, que subsisten en una pieza
trabajada si la superficie fundida no se retira del metal antes del
trabajo.
Se ha encontrado que, mediante la adición
inventiva de estroncio, se crean unos pocos óxidos sobre la
superficie del lingote. La importancia de inhibir la creación de
algunos de los defectos al lingote hace posible realizar un
descostrado menos profundo, o quizá no tener que descostrar en
absoluto. El descostrado es el proceso de retirar una capa
superficial de las caras y los lados de un lingote después de que
haya solidificado. La presente invención proporciona menos desecho
de aleación procedente del lingote si es suficiente un descostrado
menos profundo.
La Patente de EE.UU. 5.469.911 señaló el problema
de la calidad superficial en la fundición EM con la adición de
pequeñas cantidades de calcio a la aleación que se añadió antes de
la cabeza del lingote. La Patente de EE.UU. 4.377.425 se dirige a
los problemas en la fundición DC mediante el uso de cantidades
similares de calcio. Ambas reivindican la provisión de una
superficie libre de muchas imperfecciones superficiales
habitualmente asociadas con lingotes de fundición, pero ninguna
reivindica que sea efectiva para un amplio intervalo de técnicas de
fundición. Es esta mejora que comprende toda clase de categorías en
las técnicas de fundición lo que embrolla a la técnica anterior.
Los documentos
US-A-4.711.762,
US-A-3.926.690,
GB-A-2.090.289,
US-A-5.582.659,
GB-A-621.617 y
GB-A-625.515 describen la adición de
estroncio en aleaciones de aluminio.
La invención de este documento ha demostrado
sorprendentemente que pequeñas cantidades de estroncio en
Aleaciones no sólo eliminan muchas imperfecciones superficiales,
especialmente pliegues verticales, y picaduras, sino también mejora
la reflectancia de las Aleaciones. También se encuentra que las
adiciones de estroncio, y las combinaciones, reducen la oxidación
de Aleaciones fundidas. La eliminación de imperfecciones
superficiales y la reducción de la oxidación aumentará la
recuperación del producto en diversas etapas del proceso, y reducen
de ese modo los costes de producción y aumentan el rendimiento de
la instalación de producción. La reducción de la oxidación reducirá
pérdidas de material durante la fusión, retención, y fundición. Esto
es conocido como pérdida de masa fundida. Se encuentra que la
invención es útil en el enlatado y otras estructuras de
recipientes, el transporte tales como aeroplanos, trenes, barcos, y
coches, puesto que el aspecto del metal se puede encontrar ventajoso
para el público consumidor.
La presente invención definida en la
reivindicación 1 se dirige a la adición de pequeñas cantidades de
estroncio, y opcionalmente hasta alrededor de 0,25 por ciento de
refinadores de granos, los restantes metales
alcalino-térreos, metales de transición, y/o
metales de tierras raras, en combinación de aluminio y aleaciones de
aluminio como una masa fundida a fin de mejorar el aspecto y/o
eliminar sustancialmente imperfecciones superficiales y/o reducir
la oxidación superficial en el lingote fundido de aluminio y de
aleaciones de aluminio. Se encontró sorprendentemente que la adición
de pequeñas cantidades de estos aditivos elimina sustancialmente los
pliegues verticales, picaduras y el agrietamientos de lingote en
más de una técnica de fundición. Las adiciones también mejoraronn
el aspecto de los lingotes, incluyendo la reflectancia. Como
resultado, los lingotes se pudieron reducir o trabajar esencialmente
justo fuera de la fundición sin acondicionar primero a la
superficie, por ejemplo, mediante descostrado. Las adiciones
redujeron la profundidad de solapamiento en lingotes fundidos por
DC. La cantidad de estroncio añadida puede ser tan pequeña como
0,0001 por ciento en peso, cuando se combina con otros metales y/o
refinadores de grano. El intervalo de adición de estroncio incluye,
pero no se limita, a incrementos de 0,001 por ciento en peso, tales
como 0,0011, 0,0012, 0,0013, etc. Se puede encontrar que son útiles
combinaciones opcionales de estroncio y elementos
alcalino-térreos tales como magnesio, calcio, bario,
o berilio, como lo son las adiciones de metales de tierras raras,
tales como holmio, cerio, erbio, lantano, y los otros lantánidos y
las series de elementos de tierras raras y algunas de sus
combinaciones, así como pequeñas combinaciones de estroncio y los
metales de transición tales como titanio, escandio, y plata. Se
encuentra que, cuando se combina estroncio con los otros metales
anteriormente mencionados, se prefiere que los aditivos combinados
con el estroncio tengan más estroncio que el otro metal componente
mezclado. Por ejemplo, se prefiere que el estroncio esté presente
en al menos más de 50 por ciento de lo que se añade. Aunque esto se
prefiere, cantidades más pequeñas de estroncio añadido proporcionan
una mejora operable.
Se encontró un beneficio sorprendente cuando se
descubrió que se podía omitir el metal
alcalino-térreo berilio de una fundición cuando
había una adición de estroncio o calcio, con o sin refinadores de
grano, o una combinación de refinadores de grano. El berilio es un
aditivo que se ha anatemizado mucho, y a fin de hacer ecológico al
proceso de fundición de la aleación de aluminio se ha determinado
que es necesario eliminar el berilio del proceso.
Una parte sorprendente y significativa del
descubrimiento de esta invención es la reducción en la profundidad
requerida de descostrado. Normalmente, debido a la creación de
entallas en V en la superficie del lingote, se requiere un
descostrado del lingote de una profundidad de 0,76 a 1,8 mm. Cuando
se determina la profundidad para descostrar, se pueden usar
calibres o algún medio de medida, tal como con un láser, para medir
el punto más bajo sobre la superficie del lingote. Típicamente, este
es la entalla en V, que es el punto generalmente en el centro del
lingote, en el que el lingote no se formó bien. En la presente
invención, se inhibe la formación de la entalla en V y/o se elimina
esencialmente de la cara del lingote. En consecuencia, la capa
descostrada es sustancialmente más pequeña. La capa descostrada
ahora es menor que 8, 5, o 2,5 mm, o es transparente por completo.
Además, debido a una capa superficial de óxido sustancialmente
reducida se reduce adicionalmente la necesidad de descostrado para
mejorar la superficie de las caras de los lingotes.
La Figura 1 es un dibujo de una aleación de
aluminio 5083 de lingote de fundición DC sin cambio por
aditivo.
La Figura 2 es un dibujo de la misma aleación de
aluminio 5083 de lingote de fundición DC con la adición de 0,0023
por ciento en peso de estroncio.
La Figura 3 es un dibujo de una aleación de
aluminio 7050 de lingote de fundición DC sin un cambio por
aditivo.
La Figura 4 es un dibujo de la misma aleación de
aluminio 7050 de lingote de fundición DC con la adición de 0,027
por ciento en peso de estroncio (fuera del alcance de la
invención).
Habiéndose descrito las realizaciones presentes,
se entenderá que la invención se puede realizar de otro modo dentro
del alcance de las reivindicaciones anejas. El estroncio se añadió
a una aleación de la serie 5083 durante la fundición DC. En la
primera serie de ejemplos, no se realizó ninguna adición en una
fundición, y se realizó una adición de estroncio en cuatro
fundiciones. Se fundieron verticalmente lingotes de 40,64 cm por
152,4 cm de sección transversal por el método de enfriamiento
directo o fundición DC. Los lingotes se fundieron a una velocidad
de 5,08 cm por minuto, y se fundieron típicamente hasta una
longitud de 457,2 cm. La aleación de aluminio fundida fluyó desde un
horno de retención a través de un canal y en una unidad de
desgasificación en línea de una sola etapa conocida como el proceso
A622. Seguidamente, la aleación se hizo fluir a través de un filtro
de espuma cerámica de 30 poros por 2,54 cm. La etapa final en la
fundición hizo fluir la aleación fundida a través de un tubo de
descarga y en el molde del lingote. En una fundición no se añadió
estroncio al metal, mientras que se alimentó continuamente
estroncio en otras cuatro fundiciones en la unidad de
desgasificación durante la fundición y de ese modo dentro del metal
fundido. El estroncio se mezcla en forma de varilla que comprende
15 por ciento en peso de estroncio y 85 por ciento en peso de
aluminio. A medida que se hace fluir a la masa fundida a través del
canal de alimentación, se añade la varilla de estroncio. La varilla
que contiene 15 por ciento en peso de estroncio se alimentó en la
corriente de la aleación de aluminio fundida a una velocidad de
10,16, 20,32, 58,42 y 116,84 cm por minuto. Los niveles de adición
nominales dieron como resultado estas cuatro fundiciones que
comprenden 0,0035% en peso, 0,0070% en peso, 0,0200% en peso, y
0,0400% en peso de estroncio en la aleación de aluminio.
La Tabla 1 resume los lingotes que se produjeron
durante estas fundiciones, y proporciona una determinación
cualitativa del aspecto superficial del lingote.
| Fundición | Velocidad de | % en peso de | Aspecto superficial del lingote |
| adición de Sr | Sr en el | ||
| (cm/min) | lingote | ||
| 1 | 0 | 0,0000 | Grandes parches con pliegues de 30,48 cm en la mitad superior. El |
| lingote se agrietó del pliegue pequeño | |||
| 2 | 10,16 | 0,0023 | Buena superficie, pliegues difuminados de 2,54 a 3,81 cm similares |
| a lingotes con mayores adiciones de Sr | |||
| 3 | 20,32 | 0,0047 | Buena superficie, algunos pliegues de 2,54 a 3,81 cm |
| 4 | 58,42 | 0,026 | Buena superficie, algunos pliegues pequeños de 2,54 cm |
| 5 | 116,84 | 0,045 | Buena superficie, algunos pliegues de 2,54 cm |
Estas fundiciones de ensayo mostraron que incluso
una adición de sólo 0,0023 por ciento en peso de estroncio inhibió
la formación de grandes pliegues verticales, impidiendo de ese modo
el agrietamiento del lingote. Niveles mayores de estroncio reducen
adicionalmente el número y tamaño de los pliegues pero con efectos
reductores para la cantidad de estroncio añadida.
En la Tabla 1, la aleación fundida fue aleación
5083 como se define por la denominación de la Aluminum Association.
Como se puede observar a partir de los comentarios en la Tabla 1, la
adición de cantidades muy pequeñas de estroncio a la aleación 5083
tiene efectos dramáticos, inhibiendo la formación de pliegues y
disminuyendo de ese modo el riesgo de agrietamiento del lingote. La
superficie de los lingotes con estroncio añadido mejoró
enormemente, como se puede observar en la comparación de la Fig. 1
y Fig. 2. La Fig. 1 no contiene estroncio, y muestra muchos pliegues
profundos a lo largo del eje longitudinal. Cuando la superficie del
lingote de la Fig. 1 se compara con la superficie del lingote de la
Fig. 2, es evidente de inmediato la diferencia dramática. La Fig. 2
es la misma aleación 5083 que la Fig. 1, excepto que el estroncio
está presente en el lingote de la Fig. 2.
Se fundió una segunda serie de fundiciones de
ensayo usando la aleación 5042 y el método de fundición EMC. Las
fundiciones se realizaron con y sin estroncio. La cantidad de
niveles de estroncio en esta serie fue 0,0035% en peso, 0,0150% en
peso, 0,0200% en peso, y 0,0400% en peso de estroncio. La aleación
5042 fundida se trató en una unidad de desgasificación en línea de
una sola etapa, y en un filtro de lecho empaquetado. La Tabla 2
proporciona un resumen de esta serie de fundiciones de ensayo.
| Fundición | Velocidad de adición | % de Sr en | Aspecto superficial del lingote |
| de Sr (cm/min) | el lingote | ||
| 6 | 0 | 0,0000 | Numerosos pliegues de partida y algunos pliegues de estado |
| estacionario profundos largas | |||
| 7 | 20,32 | 0,0018 | Unos pocos pliegues de partida en el área de transición cerca |
| del extremo del lingote; no hay pliegues de estado estacionario | |||
| en el lingote | |||
| 8 | 88,9 | 0,023 | Sin pliegues, buena superficie |
| 9 | 116,84 | 0,020 | Sin pliegues, buena superficie |
| 10 | 233,68 | 0,028 | Sin pliegues, buena superficie |
Estos resultados muestran que 0,0018% en peso de
estroncio inhibió la producción de pliegues de estado estacionario
que pueden aparecer con la fundición EMC, y que adiciones más
grandes de estroncio inhibieron la formación de sustancialmente
todos los pliegues que pueden aparecer con la fundición EMC, tanto
pliegues de estado estacionario como pliegues de partida. Los
pliegues de estado estacionario son pliegues que recorren la
mayoría de la longitud del lingote, y generalmente aparecen cerca
del centro de la anchura. Los pliegues de partida son pliegues que
aparecen en los primeros 76,2 cm de la longitud del lingote; pueden
aparecer casi en cualquier parte a lo largo de la anchura, y
habitualmente no se extienden más de 76,2 cm desde el extremo del
lingote. La tendencia de un lingote a agrietarse a partir de un
pliegue de estado estacionario es mayor que la tendencia a
agrietarse a partir de un pliegue de partida.
Se fundió una tercera serie de fundiciones de
ensayo usando la aleación 7050. Los lingotes se produjeron usando
la técnica de fundición DC. En estas fundiciones, la aleación en
estado fundido se trató con una unidad de desgasificación de una
sola etapa, y se hizo fluir a través de un filtro de metal en
estado fundido cerámico. Se obtuvieron varias fundiciones sin
adición de estroncio. Los lingotes mostraron pequeños pliegues o
picaduras profundas sobre la superficie, y ambos lingotes se
agrietaron durante la fundición como resultado de las picaduras y
pliegues. Se obtuvo una fundición de la misma aleación 7050 con lo
que se añadió continuamente estroncio en forma de una varilla de 15%
en peso de estroncio, y el resto de aluminio. El tanto por ciento
en peso nominal de estroncio en el lingote fue 0,022. Un análisis
químico de este lingote reveló 0,027% en peso de estroncio en el
lingote, lo que está fuera del alcance de la invención. Estas
fundiciones también mostraban que pequeñas cantidades de adiciones
de estroncio inhiben la formación de sustancialmente todas las
picaduras y pliegues en la superficie, inhibiendo de ese modo la
formación de grietas sobre la superficie de la aleación 7050.
La Fig. 3 muestra las grietas sobre la superficie
del lingote sin ningún estroncio añadido.
La Fig. 4 muestra la ausencia de grietas y
picaduras para el lingote 7050 con adiciones de estroncio. Está
claro que el estroncio tiene un efecto dramático sobre la
superficie de los lingotes según se funden cuando se añade en
pequeñas cantidades.
Claims (13)
1. Un único lingote o una pluralidad de lingotes
fundidos de aluminio y de aleación de aluminio que comprenden
0,0001 a 0,0047 por ciento en peso de estroncio opcionalmente
combinado con aditivos de hasta alrededor de un total de 0,25 por
ciento en peso seleccionados del grupo que consta de metales
alcalino-térreos, de tierras raras, de transición y
refinadores del grano, siendo el resto aluminio, compuestos
accidentales e impurezas, y sustancialmente libres de berilio, dicho
aluminio se selecciona del grupo que consta de las aleaciones de
las series 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx, en los que dicho estroncio y
aditivos mejoran el aspecto superficial, inhiben sustancialmente las
imperfecciones superficiales, y reducen la oxidación superficial de
dichos lingotes.
2. Los lingotes de la reivindicación 1, en los
que dichas imperfecciones son muescas en v, pliegues, pliegues
verticales, picaduras, parches de óxido, y agrietamientos del
lingote.
3. Los lingotes de la reivindicación 1 ó 2, en
los que dichos lingotes se funden mediante el método de fundición
seleccionado del grupo que consta de enfriamiento directo,
electromagnético, enfriamiento directo horizontal, fundición de
lingote redondo, fundición de lingote en láminas, fundición
continua, fundición semicontinua, fundición en matriz, y fundición
con arena.
4. Los lingotes de la reivindicación 1, 2 ó 3, en
los que dichas aleaciones se seleccionan del grupo que consta de
las aleaciones de las series 2024, 2524, 5042, 5083, 5182, 7050,
7075, 7x55, y 7x50.
5. Los lingotes de la reivindicación 1, en los
que dichos lingotes comprenden al menos 0,001 por ciento en peso de
estroncio.
6. Los lingotes de la reivindicación 1, 2, 3, 4 ó
5, en los que dichos lingotes contienen al menos un metal
alcalino-térreo seleccionado del grupo que consta de
magnesio, calcio, y bario.
7. Los lingotes de la reivindicación 1, 2, 3, 4 ó
5, en los que dichos lingotes contienen al menos un metal de
tierras raras seleccionado del grupo que consta de cerio, erbio,
lantano, o algunas combinaciones de los mismos.
8. Los lingotes de la reivindicación 1, 2, 3, 4 ó
5, en los que dichos metales de transición se seleccionan del grupo
que consta de titanio, escandio, y plata.
9. Los lingotes de la reivindicación 1, en los
que dichas aleaciones contienen más de 0,1 por ciento en peso de
magnesio.
10. Los lingotes de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en los que la superficie del lingote
es descostrada hasta menos de 8 mm.
11. Los lingotes de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en los que la superficie del lingote
se descostra hasta menos de 5 mm.
12. Los lingotes de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en los que la superficie del lingote
se descostra hasta menos de 2,5 mm.
13. Los lingotes de cualquiera de las
reivindicaciones 1-9, en los que la superficie no
está descostrada.
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