ES2294533T3 - Pieza moldeada de aleacion de aluminio al-si-cu de alta resistencia en caliente. - Google Patents

Pieza moldeada de aleacion de aluminio al-si-cu de alta resistencia en caliente. Download PDF

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Abstract

Pieza moldeada de alta resistencia a la fluencia cuya aleación tiene la composición (% en peso): (Ver tabla) eventualmente (Ver tabla) otros elementos < 0,10 cada uno y < 0,30 en total, resto aluminio.

Description

Pieza moldeada de aleación de aluminio Al-Si-Cu de alta resistencia en caliente.
Ámbito de la invención
La invención se refiere a las piezas moldeadas de aleación de aluminio sometidas a elevadas tensiones térmicas y mecánicas, particularmente las culatas de motores de combustión interna, y más particularmente de motores turbocargados de gasolina o diésel.
Estado de la técnica
Para la fabricación de las culatas de motores, se suelen utilizar dos familias de aleaciones de aluminio:
1) las aleaciones que contienen de 5 a 9% de silicio, de 3 a 4% de cobre y magnesio. Las más de las veces, se trata de aleaciones de segunda fusión, con proporciones de hierro incluidas entre 0,5 y 1%, y proporciones de impurezas, en particular de manganeso, zinc, plomo, estaño o níquel, bastante elevadas. Estas aleaciones se suelen utilizar sin tratamiento térmico (estado F) o simplemente estabilizadas (estado T5). Preferentemente, están destinadas a la fabricación de culatas de motores de gasolina bastante poco solicitadas térmicamente. Para las piezas más solicitadas destinadas a los motores diésel o turbodiésel, se utilizan aleaciones de primera fusión, con una proporción de hierro inferior a un 0,3%, térmicamente tratadas en estado T6 (revenido hasta el punto máximo de resistencia mecánica) o T7 (sobrerrevenido).
2) las aleaciones de primera fusión que contienen de 7 a 10% de silicio y magnesio, tratadas en el estado T6 o T7, para las piezas más solicitadas como aquellas destinadas a los motores turbodiésel.
Estas dos grandes familias de aleaciones conducen a compromisos diferentes entre las diversas propiedades de uso: resistencia mecánica, ductilidad, resistencia a la fluencia y a la fatiga. Esta problemática se describió por ejemplo en el artículo de R. Chuimert y M. Garat: "Choix d'alliages d'aluminium de moulage pour culasses Diesel fortement sollicitées", publicado en la revista Revue SIA de marzo de 1990. Este artículo resume así las propiedades de 3 aleaciones estudiadas:
- Al-Si5Cu3MgFe0,15 T7: buena resistencia - buena ductilidad
- Al-Si5Cu3MgFe0,7 F: buena resistencia - baja ductilidad
- Al-Si7Mg0,3Fe0,15 T6: baja resistencia - extrema ductilidad.
La primera y la tercera combinación aleación-estado se pueden utilizar para las culatas altamente solicitadas. Sin embargo, se siguió buscando un mejor compromiso entre resistencia y ductilidad. La patente FR 2690927 en nombre de la solicitante, presentada en 1992, describe aleaciones de aluminio que resisten a la fluencia y contienen de 4 a 23% de silicio, por lo menos uno de los elementos magnesio (0,1 - 1%), cobre (0,3 - 4,5%) y níquel (0,2 - 3%), y de 0,1 a 0,2% de titanio, de 0,1 a 0,2% de circonio y de 0,2 a 0,4% de vanadio. Se observa una mejora de la resistencia a la fluencia a 300ºC sin pérdida notable del alargamiento medido a 250ºC.
El artículo de F. J. Feikus "Optimization of Al-Si cast alloys cylinder head applications" AFS Transactions 98-61, pp. 225-231, estudia la adición de 0,5% y 1% de cobre a una aleación AlSi7Mg0,3, para la fabricación de culatas de motores de combustión interna. Después de un tratamiento T6 clásico que comprende una disolución de 5 h a 525ºC, seguido de un temple en agua fría y de un revenido de 4 h a 165ºC, no se observa ninguna mejora respecto al límite de elasticidad y a la dureza a temperatura ambiente, pero a temperaturas de utilización superiores a los 150ºC, la adición de cobre ofrece una mejora significativa del límite de elasticidad y de la resistencia a la fluencia.
El documento US-A-4077810 describe una pieza moldeada cuya composición es, en porcentaje de peso, de 8 a 15% de Si, de 0,05 a 0,7% de Mg, de 1 a 4, 5% de Cu, resto Al.
La solicitud de patente FR 2841164, presentada por la solicitante, describe una pieza moldeada de alta resistencia a la fluencia, en particular una culata o un cárter de motor, cuya aleación tiene la composición (% en peso):
100
La presente invención tiene por objetivo mejorar aún la resistencia mecánica y la resistencia a la fluencia, en el intervalo de temperaturas 230-380ºC, de piezas localmente sometidas a altas temperaturas, en particular las culatas (puentes entre válvulas).
Objeto de la invención
La invención tiene por objeto una pieza moldeada de alta resistencia mecánica en caliente y de alta resistencia a la fluencia en el intervalo de temperaturas 230-380ºC, cuya aleación de aluminio tiene la composición (% en peso):
102
eventualmente
103
otros elementos < 0,10 cada uno y < 0,30 en total, balance aluminio.
Descripción de la invención
La invención radica en la observación de la solicitante de que es posible obtener propiedades de resistencia en caliente, en particular entre 230ºC y 380ºC, muy mejoradas con respecto a las aleaciones existentes, sin pérdida de ductilidad, asociando a una aleación de moldeo de tipo Al-Si, un endurecimiento estructural que consiste en una adición de 2 a 5% de cobre sin magnesio y en una adición de 0,05 a 0,25% de circonio.
Los inventores emiten la hipótesis de que las buenas propiedades mecánicas en caliente de las piezas tratadas térmicamente resultan de una microestructura que comprende simultáneamente fases de dispersoides con circonio formadas durante la disolución y fases metaestables con cobre \theta' - \theta'' derivadas del sistema de precipitación Al_{2}Cu. Estas fases son más estables en caliente que las fases binarias \beta' \beta'' a base de Mg_{2}Si y que las fases cuaternarias \lambda'\lambda'' AlCuMgSi, que se forman durante el revenido en presencia de magnesio.
Con la elección de la proporción de cobre, es posible lograr compromisos diferentes entre las propiedades mecánicas en caliente y la ductilidad. Así, con las aleaciones según la invención, es posible obtener una ductilidad tan buena como la de aleaciones muy dúctiles como la A-S7G, limitando la proporción de cobre abajo del intervalo 2 - 5%.
Tal como la mayor parte de las aleaciones destinadas a la fabricación de las culatas de motores, el hierro se mantiene por debajo de 0,9%, lo que quiere decir que se puede tratar de aleaciones de primera o de segunda fusión; cuando se busca un alargamiento a la ruptura elevado, este límite se puede bajar por debajo de 0,3% (primera fusión), y preferentemente por debajo de 0,2%.
La aleación tiene que contener circonio con una proporción incluida entre 0,05 y 0,25%, y preferentemente con una proporción incluida entre 0,12 y 0,20%, para obtener una proporción óptima de dispersoides después de un tratamiento térmico.
La proporción de titanio se mantiene entre 0,05 y 0,25%, lo que es bastante habitual para este tipo de aleación. El titanio contribuye al afino del grano primario durante la solidificación, pero, en el caso de las aleaciones según la invención, también contribuye, en relación con el circonio, a la formación, durante la disolución de la pieza moldeada, de dispersoides muy finos (< 1 \mum) AlSiZrTi situados en el corazón de la solución sólida \alpha-Al y que son estables más allá de los 300ºC, contrariamente a las fases del endurecimiento estructural con cobre, cuya coalescencia, a pesar de ser menos importante que la de las fases con magnesio, se vuelve considerable a este nivel de temperatura.
La aleación también puede comprender vanadio con una proporción incluida entre 0,02 y 0,30%, y preferentemente entre 0,04 y 0,20%, así como otros elementos peritécticos, tales como el hafnio, el niobio, el tantalio, el cromo, el molibdeno o el tungsteno, con una proporción incluida entre 0,03 y 0,30%. Debido a su curva de solubilidad y a su bajo coeficiente de difusión en el aluminio, estos elementos también forman, durante la disolución, dispersoides estables a alta temperatura.
Con una proporción de más de 0,1 el manganeso tiene un efecto positivo sobre la resistencia mecánica entre 250ºC y 380ºC, pero este efecto está a su máximo cuando sobrepasa una proporción de 0,5%.
Contrariamente a las aleaciones para culatas en las que se suele desear o admitir la presencia de magnesio, las aleaciones de las piezas según la invención tienen una temperatura de solidus y una temperatura de quemado superiores a los 507ºC De hecho, se pueden tratar térmicamente en el estado T6 o T7, con una temperatura de disolución incluida entre 515 y 525ºC según la proporción de cobre, y eso sin precaución específica, es decir sin necesidad de subida de temperatura lenta o de etapa intermedia, mientras que las aleaciones del mismo tipo, con más de 0,2% de magnesio, forman un eutéctico cuaternario invariante, con un riesgo de quemado a 507ºC.
La posibilidad de efectuar un tratamiento térmico a más de 515ºC presenta diversas ventajas: se puede obtener una mayor homogeneización de las fases con cobre, una mayor globulización de las fases con silicio y una precipitación más completa de las fases con circonio y otros elementos peritécticos.
Por último, otro interés de este tipo de composición es su menor sensibilidad a la velocidad de temple después de una disolución que las aleaciones de tipo Al-Si-Mg y Al-Si-Cu-Mg. En efecto, a pesar de que se puedan templar en agua según las técnicas usuales, estas aleaciones ofrecen posibilidades incrementadas de temple suave (agua pulverizada, temple en lecho fluidizado, temple con aire expulsado) con pérdidas relativas de propiedades mecánicas muy inferiores a las de las aleaciones tradicionales con magnesio.
Las piezas se fabrican mediante los procedimientos habituales de moldeo, en particular el moldeado en coquilla por gravedad y el moldeado bajo presión para las culatas, y también la fundición en molde de arena, el squeeze casting (en particular en el caso de inserción de compuestos) y el moldeo de espuma pérdida (lost foam).
Estas piezas también se pueden utilizar como insertos para las partes calientes de una pieza de aleación tradicional, o para las partes calientes de piezas realizadas con dos aleaciones distintas ("dual casting").
El tratamiento térmico comprende una disolución típicamente de 1 a 10 h a una temperatura incluida entre 515 y 525ºC, un temple preferentemente en agua fría o un temple suave, y un revenido de 0,5 a 10 h a una temperatura incluida entre 150 y 250ºC La temperatura y la duración del revenido se ajustan de tal modo que se obtiene sea un revenido hasta el punto máximo de resistencia mecánica T6, sea un sobrerrevenido T7 frecuentemente utilizado para las culatas de motores.
Las piezas según la invención, y en particular las culatas de motores de automóvil o de avión, los cárteres, las volutas y otros equipos destinados a la aeronáutica y sometidos a temperaturas elevadas presentan una excelente resistencia mecánica en caliente, una resistencia a la fluencia superior a la de las piezas del arte anterior en el intervalo de temperaturas 230-380ºC, y, en caso de limitación de la proporción de cobre, pueden presentar una excelente ductilidad. En cambio, los resultados mecánicos a temperatura ambiente o moderada son ligeramente inferiores a los de las aleaciones Al-Si-Cu-Mg.
Ejemplos
En el crisol de carburo de silicio de un horno eléctrico, se elaboraron 100 kg de 10 aleaciones cuya composición (peso%) se indica en el cuadro 1. Estas composiciones se midieron por espectrometría de emisión por chispa, excepto para el cobre y el circonio que se midieron por espectrometría de emisión de plasma inducido.
CUADRO 1
1
Se colaron probetas coquillas para ensayos de tracción AFNOR de cada aleación. Estas probetas se sometieron a un tratamiento térmico que comprende una disolución en las condiciones indicadas en el cuadro 2, un temple en agua fría, una maduración a temperatura ambiente de 24 h y un revenido de 5 h a 160ºC o a 200ºC.
A partir de esta probetas, se mecanizaron probetas para ensayos de tracción y probetas de fluencia con el fin de medir las características mecánicas (resistencia a la ruptura R_{m} en MPa, límite de elasticidad R_{p0,2} en MPa y alargamiento a la ruptura A en%) a temperatura ambiente, a 250ºC y a 300ºC Los resultados se indican en el cuadro 2:
CUADRO 2
2
Contrariamente a las aleaciones clásicas 1 y 2 con cobre y con magnesio, cuyo tratamiento térmico sólo se puede realizar a temperaturas del orden de los 495ºC, debido a los riesgos de quemado a 507ºC, las aleaciones 7, 8 y 9 según la invención con cobre sin magnesio y que contienen circonio pudieron tratarse con 5 una disolución a 515ºC.
Para estas aleaciones 7 a 9, los resultados muestran niveles de límite elástico y de resistencia a la ruptura a 250ºC y 300ºC mucho más superiores a los de las aleaciones 1 y 2 del arte anterior. Así, el 0 límite elástico de las probetas de aleaciones 7 a 9 sobrepasa los 50 MPa, mientras que el de las probetas de aleaciones 1 a 6 es muy inferior a este
nivel.
Los mismos efectos se ponen de relieve en los resultados de las pruebas de fluencia a 250 y 300ºC, 5 con ayuda del coeficiente \sigma^{0,1%}_{100 \ h} que representa la tensión (en MPa) que conduce a una deformación de 0,1% después de 100 h de exposición a estas temperaturas. Los resultados se indican en el cuadro 3.
CUADRO 3
3
La prueba de fluencia a 300ºC en la probeta 7 dio una resistencia a la fluencia de 32 MPa, mucho más superior a la que se midió en las probetas de aleaciones 1 a 6 que contienen magnesio.
\newpage
Se observa que a tratamiento térmico idéntico a 495ºC, la probeta 7 bis conduce a una resistencia a la fluencia de 29 MPa, o sea un nivel ya ligeramente superior al de las aleaciones 1 y 2 con magnesio, que contengan o no circonio. El tratamiento térmico a 515ºC en la probeta 7 posibilita un aumento suplementario de 3 MPa.
Por último, además de los excelentes niveles de resistencia en caliente, los resultados de la probeta 8 indican que, con una proporción de cobre del orden de los 3%, se obtienen valores elevados de alargamiento a la ruptura, del mismo nivel incluso a veces mejores que los que se obtuvieron con las aleaciones con magnesio más dúctiles 3 a 6. A ductilidad igual, las probetas según la invención presentan un aumento del límite de elasticidad Rp_{0,2} de unos 20% a 250ºC y 30% a 300ºC.

Claims (12)

1. Pieza moldeada de alta resistencia a la fluencia cuya aleación tiene la composición (% en peso):
104
eventualmente
\hskip0.9cm
105
otros elementos < 0,10 cada uno y < 0,30 en total, resto aluminio.
2. Pieza moldeada según la reivindicación 1, caracterizada porque la proporción de magnesio es inferior a 0,03%.
3. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque la proporción de cobre está incluida entre 3 y 4%.
4. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la proporción de níquel es inferior a 0,1%.
5. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la proporción de hierro es inferior a 0,3%.
6. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la proporción de zinc es inferior a 0,1%.
7. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la proporción de circonio está incluida entre 0,12 y 0,20%.
8. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la proporción de titanio está incluida entre 0,08 y 0,20%.
9. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la proporción de vanadio está incluida entre 0,04 y 0,20%.
10. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la proporción de manganeso está incluida entre 0,15 y 0,40%.
11. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque es un inserto para la parte caliente de una pieza moldeada.
12. Pieza moldeada según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque es una culata de motor de combustión interna.
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