ES2695906T3 - Aleación de aluminio para decoletaje de la serie AA6xxx - Google Patents

Abstract

Producto extruido de aleación de aluminio forjada para decoletaje, con una composición química expresada en porcentajes ponderales: 0,8 <= Si < 1,5% 1,0 < Fe <= 1,8% Cu: < 0,1% Mn: < 0,6% Mg: 0,6 - 1,2% Ni: < 3,0% Cr: < 0,25% Ti: < 0,1% otros elementos < 0,05% cada uno y 0,15% en total, resto aluminio.

Description

DESCRIPCION

Aleacion de aluminio para decoletaje de la serie AA6xxx

Ambito de la invencion

[0001] La invencion se refiere al ambito de las piezas obtenidas por decoletaje a partir de productos extruidos simples, principalmente del tipo barra o varilla, de aleacion de aluminio de la serie AA6xxx cuya composicion qufmica se optimiza en base a la aptitud para la extrusion y el decoletaje y que esta libre, en particular, de elementos de bajo punto de fusion, especialmente como el plomo, el bismuto, el indio o el estano.

[0002] Ademas, las caracterfsticas mecanicas, de resistencia a la corrosion y de aptitud para la anodizacion de dichas piezas son similares a aquellas obtenidas a partir de aleaciones calificadas como “para decoletaje” que contienen plomo, del tipo AA6262 o AA2011.

Estado de la tecnica

[0003] Salvo indicacion contraria, todos los valores relativos a la composicion qufmica de las aleaciones se expresan en porcentajes ponderales.

[0004] Ademas, todas las aleaciones de aluminio consideradas se designan, salvo indicacion contraria, segun las designaciones definidas por la “Aluminum Association” en las “Registration Record Series” que publica periodicamente.

[0005] El decoletaje designa un sector de fabricacion por mecanizado, en grandes series, de piezas generalmente de revolucion (tornillo, perno, eje, etc.) por arranque de materia a partir de barras o varillas de metal.

Estas, especialmente en el caso de las aleaciones de aluminio, suelen obtenerse por extrusion a partir de tochos.

Asf, las piezas se producen a altas cadencias en maquinas de corte de control manual o numerico.

[0006] La productividad y el estado de superficie, asf como la precision dimensional de la pieza final, son los principales objetivos inherentes a este tipo de fabricacion.

Las piezas asf producidas encuentran su aplicacion en ambitos variados, desde la relojerfa hasta el equipo medico, pasando por los sectores del transporte (aeronautico, ferroviario, automovil) y de la industria (electrica, electronica, hidraulica...).

[0007] Numerosos factores influyen en la aptitud para el decoletaje:

En primer lugar, la propia naturaleza del material, por supuesto, su composicion qufmica y su estado metalurgico, y tambien la naturaleza de la herramienta de corte y los parametros asociados al proceso.

Estos factores son muy interdependientes y es imperativo pues asociar a cualquier aleacion una gama de mecanizado apropiada.

[0008] Las primeras aleaciones de aluminio utilizadas para el decoletaje en los anos 1930 a 1960 eran aleaciones de las series AA6xxx y AA2xxx que contenfan, ademas de los elementos de composicion habituales para estas series, plomo y bismuto.

Dichos elementos, gracias a su baja solubilidad en el aluminio y a su bajo punto de fusion, se funden por la accion del calentamiento provocado por la operacion de mecanizado, por lo cual constituyen puntos blandos en una matriz mas dura de aluminio.

El resultado positivo asf obtenido radica en la fragmentacion de virutas de pequeno tamano durante la correspondiente operacion de mecanizado o decoletaje.

Esta fragmentacion permite la evacuacion rapida de la materia, y por lo tanto el aumento de productividad, asf como la evacuacion del calor producido evitando asf la posible degradacion del estado de superficie final de la pieza.

Sin embargo, debido a problemas de toxicidad vinculados a la presencia de plomo, la legislacion europea limita cada vez mas la proporcion admisible en las aleaciones, de aluminio entre otras cosas y destinadas, en particular, al decoletaje.

La ultima legislacion se remonta a julio de 2008 y limita al 0,4% la concentracion de plomo de las aleaciones de aluminio en los sectores de la automocion y de los equipos electricos y electronicos.

[0009] Estos ultimos anos, los industriales empezaron a prepararse para esta evolucion y a desarrollar tipos de aleaciones para decoletaje con baja proporcion de plomo, e incluso sin plomo.

Su composicion radica en la presencia de elementos de sustitucion tambien de bajo punto de fusion como el estano, el bismuto o el indio.

Estas evoluciones se describen en particular en el artfculo de S. Sircar “X6030, a new lead free machining alloy” publicado en 1996 en la revista “Materials Science Forum” volumenes 217-222, paginas 1795-1800.

Del mismo modo, las patentes EP 07937324 y EP 1214456 de “Reynolds Metal Company” reivindican respectivamente aleaciones de las familias AA6xxx y AA2xxx con adicion de estano e indio, y de la familia AA6xxx con adicion de bismuto solo o bismuto y estano.

Del mismo modo, la solicitud EP 761834 de “Kaiser Aluminium” trata de las aleaciones de la serie AA6xxx con adicion de estano y de bismuto, mientras que las solicitudes EP 0964070 y EP 0982410 de “Alusuisse” tratan de las aleaciones de la serie AA2xxx con adicion respectivamente de estano o de bismuto y de estano.

Problema planteado

[0010] Las susodichas aleaciones, que contienen elementos de sustitucion de bajo punto de fusion como el estano, el bismuto o el indio, no presentan exactamente los mismos resultados durante el decoletaje que las aleaciones que contienen plomo, no obstante, la interdiccion total de este ultimo podrfa intervenir relativamente a corto plazo.

[0011] Ademas, dichas aleaciones a veces plantean problemas de fragilidad debido al mojado total de los bordes de granos durante el decoletaje por las fases procedentes de los elementos de sustitucion de bajo punto de fusion.

[0012] Una solucion a este problema consiste en la utilizacion de una aleacion cuya matriz a base de aluminio incluye partfculas mas duras, que causan la creacion y la propagacion de grietas durante la operacion de decoletaje, dichas grietas favoreciendo la fragmentacion de las virutas.

[0013] Claro esta que el tipo de partfculas y su distribucion tienen una incidencia particularmente notable en el comportamiento de la aleacion durante el decoletaje y tambien en el desgaste de las herramientas de corte utilizadas para esta operacion.

[0014] Las soluciones de este tipo, conocidas por la tecnica anterior, radican todas en la adicion de silicio en una proporcion minima de un 1,5% que corresponde al lfmite de solubilidad del silicio en el aluminio.

[0015] La aleacion de silicio asf constituida consta de fases duras a base de silicio, que causan la creacion y la propagacion de las susodichas grietas. En efecto, estas fases impiden el deslizamiento de los granos durante la deformacion provocada por la operacion de mecanizado, o decoletaje, lo que origina cavidades y despues grietas y por lo tanto favorece la fragmentacion de las virutas.

[0016] El efecto de otros elementos, como en particular el hierro, el manganeso y el nfquel por separado, tambien ha sido objeto de investigaciones, pero no permite lograr resultados comparables a los de las aleaciones que contienen plomo en cantidad significativa.

[0017] Esto se ilustra especialmente en el artfculo de S. Yoshihara y al. “The influence of additional elements of aluminium alloy on machinability” publicado en 1998 en la revista “Aluminum Alloys” volumen 3, paginas 2029-2034.

[0018] En cambio, la asociacion del silicio en pequena proporcion (Si > 1,5%) a otro elemento, como el hierro o el cobre, por ejemplo, en proporcion significativa, fue reportado como siendo provechoso para el comportamiento durante el decoletaje.

[0019] Asf, las solicitudes JP 9249931, US 6059902 y JP 2002206132 de “Kobe Steel” se refieren a aleaciones de muy facil mecanizacion partiendo de una proporcion de silicio superior al 1,5% asociada a la presencia de manganeso o cobre o tambien hierro y cromo.

[0020] La solicitud WO 2015/100623A divulga un producto extruido de aleacion AlMgSi forjada para decoletaje, preferentemente en forma extruida, destinado a aplicaciones de mecanizado o de decoletaje. Sin embargo, estas diversas soluciones presentan el inconveniente relacionado con la presencia del silicio en una proporcion relativamente alta, a saber, una aptitud para la extrusion no optimizada, en particular con un riesgo de quemado durante esta operacion, que se traduce en defectos de superficie en el producto final.

Objeto de la invencion

[0021] Por lo tanto, la invencion tiene por objeto un producto extruido, del tipo barra o varilla o tambien tubo, que presenta una muy buena aptitud para el decoletaje, sin adicion de silicio en proporciones superiores o iguales al 1,5%, de aleacion de aluminio forjada para decoletaje, con una composicion qufmica expresada en porcentajes ponderales:

0,8 < Si < 1,5%, preferentemente: 1,0 < Si < 1,5%

1,0 < Fe < 1,8%, preferentemente: 1,0 < Fe < 1,5%

Cu: < 0,1%

Mn: < 1%, preferentemente < 0,6%

Mg: 0,6 - 1,2%, preferentemente 0,6 - 0,9%

Ni: < 3,0%, preferentemente 1,0 - 2,0%

Cr: < 0,25%

Ti: < 0,1%

otros elementos < 0,05% cada uno y 0,15% en total, resto aluminio.

[0022] Por ultimo, la invencion tambien tiene por objeto una pieza mecanizada a partir del producto extruido como se ha definido anteriormente.

Descripcion de las figuras

[0023] La figura 1 representa las presiones de extrusion, en MPa, obtenidas para una misma longitud de tocho segun las diversas aleaciones sometidas a prueba: 6xxx segun la invencion, AA6262 y H Si como referencia, cuyas composiciones se indican en el capftulo “Ejemplos”.

La figura 2 representa las presiones axiales de corte, en MPa, durante los ensayos de taladro, de acuerdo con la velocidad de corte en m/min, para un avance de taladro constante de 0,15 mm/rev y segun las diversas aleaciones sometidas a prueba como mas arriba.

La figura 3 representa las presiones axiales en MPa de acuerdo con el avance de taladro en mm/rev, para una velocidad de corte constante de 55 m/min, segun estas mismas aleaciones sometidas a prueba.

Descripcion de la invencion

[0024] La invencion radica en la constatacion por la solicitante de que es posible obtener una muy buena aptitud para el decoletaje, sin adicion de silicio en proporciones superiores o iguales al 1,5%, a diferencia de la tecnica anterior, garantizando la presencia en cantidad suficiente de fases intermetalicas de hierro dispersadas de forma homogenea.

[0025] En efecto, esta caracterfstica permite la fragmentacion de las virutas requerida al efecto durante la operacion de decoletaje.

[0026] Estas fases intermetalicas son del tipo Al^xFe^y(Mn,Ni)^zSi^v, la presencia de los elementos Mn y Ni es opcional debido a que aportan un complemento por creacion de partfculas tambien favorables al decoletaje.

[0027] Los productos extruidos simples, es decir del tipo barras, varillas o tubos, segun la invencion, presentan un comportamiento durante el decoletaje analogo a los productos de la tecnica anterior realizados a partir de las aleaciones de las series AA6262 o AA2011 que contienen plomo y bismuto.

[0028] Ademas, las caracterfsticas mecanicas, de resistencia a la corrosion y de aptitud para la anodizacion, de los productos segun la invencion son similares a las que se obtuvieron a partir de las correspondientes aleaciones.

[0029] En lo que se refiere a los elementos constitutivos del tipo de aleacion de los productos segun la invencion, sus proporciones se justifican en vista de las siguientes consideraciones:

Silicio: una proporcion minima del 0,8% es necesaria para obtener un endurecimiento estructural suficiente mediante la fase Mg²Si, habida cuenta de la “captura” de este elemento en las fases intermetalicas del tipo AlFeSi caracterfsticas de las aleaciones segun la invencion. Preferentemente, este minimo se eleva al 1%.

La proporcion es estrictamente inferior al 1,5% con el fin de limitar los riesgos de quemado por elevacion de la temperatura durante la operacion de extrusion, lo que se traduce en particular en defectos de superficie del producto extruido.

Hierro: es, con el silicio, uno de los elementos de mayor importancia en las aleaciones segun la invencion. En efecto, su concentracion rige la cantidad de las susodichas fases secundarias, de la que depende muy particularmente el comportamiento al decoletaje. Con este proposito, se prescribe una proporcion minima estrictamente superior al 1,0%.

El lfmite superior de 1,8% permite evitar la precipitacion de fases de hierro primarias durante la colada de los tochos, lo que reduce su aptitud para la extrusion.

Un maximo aun mas preferente es de un 1,5%.

Manganeso: opcional, puede concurrir a la formacion de fases secundarias favorables al comportamiento al decoletaje. Su proporcion se limita al 1,0% debido a su efecto negativo sobre la aptitud para la extrusion. Un maximo aun mas preferente es de un 0,6%.

Magnesio: con el silicio, concurre al endurecimiento estructural mediante la fase Mg²Si. Con este proposito, se requiere un minimo de un 0,6.

Su proporcion se limita al 1,2%, un endurecimiento demasiado marcado teniendo un efecto negativo sobre la aptitud para la extrusion. Un maximo aun mas preferente es de un 0,9%.

Nfquel: al igual que el manganeso, puede concurrir a la formacion de fases secundarias favorables al comportamiento al decoletaje. Su proporcion se limita al 3,0% para evitar la formacion de fases primarias cuyo efecto es fragilizante.

Un intervalo preferente es de entre el 1,0 y el 2,0.

Cobre: su proporcion ha se ser inferior al 0,1% debido a su efecto altamente endurecedor negativo en cuanto a la aptitud para la extrusion.

Cromo: se trata de un elemento antirrecristalizante que, al igual que el manganeso, puede formar fases secundarias que influyen en la estructura granular de la aleacion. Su proporcion se mantiene inferior al 0,25% debido a su impacto negativo en cuanto a la aptitud para la extrusion.

Titanio: este elemento actua segun dos modos combinados: por una parte, favorece el afino del grano de aluminio primario, por otra parte, influye en la distribucion de las susodichas fases secundarias.

Sin embargo, su proporcion se limita al 0,1% debido a su impacto negativo en cuanto a la aptitud para la extrusion.

[0030] Se entenderan mejor los detalles de la invencion con la ayuda de los ejemplos siguientes, no obstante, no tienen ningun caracter limitativo.

Ejemplos

[0031] Se elaboraron, en un horno electrico de crisol, en forma de discos con una geometrfa conica, de 65 mm de alto, con un gran diametro de 65 mm y un pequeno diametro de 25 mm, y segun el protocolo experimental de colada “TP-1” conforme al procedimiento “Standard Test Procedure for Aluminum alloy Grain Refiners 1990” de la “Aluminum Association”, tres series de aleaciones cuya composicion figura en el cuadro 1 siguiente.

[0032] La aleacion 6xxx corresponde a la invencion mientras que las aleaciones AA6262 y H Si son aleaciones de la tecnica anterior, la primera contiene plomo y bismuto, la segunda, desprovista de estos elementos, asocia la importante proporcion de silicio a la presencia de manganeso y magnesio.

Los discos se homogeneizaron despues a una temperatura de 545 °C durante 5 h 30 min.

A continuacion, se mecanizaron tochos de 29,6 mm de diametro y de 38 mm de largo que se extruyeron despues en barras de 6,7 mm de diametro.

La extrusion se realizo en las mismas condiciones de temperatura de tocho de 480 °C y de velocidad de 0,6 m/min. Esta velocidad relativamente baja resulta de una operacion de similitud como consecuencia del tamano de las muestras de los ensayos con respecto a las condiciones industriales.

[0033] La figura 1 representa las presiones de extrusion de cada variante para una misma longitud de tocho. La variante segun la invencion presenta una mayor aptitud para la extrusion que se traduce en una presion mas baja de un 20% aproximadamente con respecto a la referencia AA6262 y de un 10% aproximadamente con respecto a la referencia H Si.

[0034] Las barras extruidas se sometieron a un tratamiento termico, del tipo T6, de disolucion a una temperatura de 560 °C durante 15 min, a un temple en agua y un revenido que permitieron obtener la resistencia mecanica maxima, tambien conocido por el experto en la materia con el nombre de “revenido hasta el punto maximo”, es decir 10 h a 175 °C para las aleaciones 6xxx segun la invencion y H Si y 10 h a 160 °C para la aleacion AA6262.

[0035] Las caracterfsticas mecanicas de las tres variantes se determinaron de conformidad con la norma EN10002-1.

Estas se recopilan en el cuadro 2 siguiente, a saber: lfmite convencional elastico Rp^0,2 y carga de rotura Rm en MPa y alargamiento de rotura A en %. Se indican asimismo los valores mfnimos, segun la norma EN 755­ 2, de la aleacion 6262 con la denominacion “Min. 6262”.

[0036] Las caracterfsticas mecanicas de resistencia Rp^0,2 y Rm de la aleacion segun la invencion son muy parecidas a las de la aleacion AA6262 y poco inferiores a las de la aleacion H Si, con alargamientos a rotura del mismo orden.

En todo caso, son ampliamente superiores a los valores mfnimos tfpicos, con un alargamiento del mismo orden.

[0037] La microestructura de la variante segun la invencion ha sido estudiada al microscopio electronico de barrido con objeto de determinar la naturaleza, la dispersion y el tamano de las fases intermetalicas a escala micrometrica.

Esto revelo la presencia mayoritaria de una fase del tipo AlFeNiSi en forma de partfculas con un tamano medio de 3 mm y una fraccion superficial del 5%.

La solicitante atribuye a la dispersion de esta fase de fraccion superficial relativamente importante y en forma de partfculas de tamano relativamente reducido el buen comportamiento al decoletaje con una fragmentacion favorable de las virutas.

[0038] La mecanizabilidad se caracterizo por medio del ensayo de taladro conforme a la norma NFE66-520-8.

Los valores de las presiones de corte para diferentes velocidades de corte y de avance resultantes se recopilan en las figuras 2 y 3.

Las tres variantes presentan un campo de funcionamiento estable a lo largo de la extension relativamente importante de las velocidades de corte (de 10 a 140 m/min).

La variante AA6262 de la tecnica anterior requiere un esfuerzo inferior del 20% aproximadamente con respecto a la aleacion segun la invencion al igual que con respecto a la aleacion H Si de la tecnica anterior, y esto para un avance de taladro constante de 0,15 mm/rev (figura 2), y del 10% aproximadamente para una velocidad de corte constante de 55 m/min (figura 3). Habida cuenta de los niveles de error vinculados a las mediciones de los esfuerzos, esta diferencia, aunque sea significativa, permanece pequena y los comportamientos de las distintas variantes pueden ser considerados como semejantes.

[0039] La fragmentacion de las virutas ha sido puntuada de conformidad con la misma norma europea NFE66-520-8, de A.1, caso el mas favorable, a D.6, caso el mas negativo.

Las notas atribuidas en el caso presente son: A.1: “Elemental-Fragmentada en bisel”, B.6: “Corta-Helicoidal” y C.6: “Semilarga-Helicoidal”, segun la correspondiente norma.

Estas puntuaciones se efectuaron para diversas velocidades de avance de taladro de entre 0,05 y 0,3 mm/rev y para la misma velocidad de corte de 55 m/min. Los resultados se recapitulan en el cuadro 3 siguiente.

[0040] Estos resultados destacan pocas diferencias, en terminos de fragmentacion de las virutas durante los ensayos de taladro, entre la aleacion segun la invencion y las aleaciones de la tecnica anterior, que se trate de la aleacion AA6262, que contiene plomo y bismuto, o de la aleacion H Si, con alta proporcion de silicio.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Producto extruido de aleacion de aluminio forjada para decoletaje, con una composicion qufmica expresada en porcentajes ponderales:

0,8 < Si < 1,5%

1,0 < Fe < 1,8%

Cu: < 0,1%

Mn: < 0,6%

Mg: 0,6 - 1,2%

Ni: < 3,0%

Cr: < 0,25%

Ti: < 0,1%

otros elementos < 0,05% cada uno y 0,15% en total, resto aluminio.

2. Producto extruido segun la reivindicacion 1, caracterizado por lo que la proporcion de silicio es superior o igual al 1,0%.

3. Producto extruido segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por lo que la proporcion de hierro es superior al 1,0 y hasta el 1,5%.

4. Producto extruido segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por lo que la proporcion de magnesio esta comprendida entre el 0,6 y el 0,9%.

5. Producto extruido segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por lo que la proporcion de nfquel esta comprendida entre el 1,0 y el 2,0%.

6. Pieza mecanizada a partir de un producto extruido segun una de las reivindicaciones 1 a 5.