Producto de aleación de aluminio de forja mejorado para el decoletaje y su proceso de fabricación.

Producto de aleación de aluminio de forja con la siguiente composición química,

expresada en porcentaje de peso (wt.%):

- 1,3% ≤Si ≤ 12%,

- 1,35% ≤ Fe ≤ 1,8%

siendo el contenido total de Fe+Si superior al 3,4%, preferentemente 3,6%;

- 0,15% ≤ Cu ≤ 6%;

- 0,6% ≤ Mg ≤ 3%;

- opcionalmente, uno o varios de los siguientes elementos:

- Mn ≤ 1%;

- Cr ≤ 0,25%;

- Ni ≤ 3%;

- Zn ≤ 1%;

- Ti ≤ 0,1%;

- Bi ≤ 0,7%;

- In ≤ 0,7%;

- Sn ≤ 0,7%

- otros elementos:< 0,05% cada uno y 0,15% en total;

- y el aluminio de compensación.

Producto de aleación de aluminio de forja mejorado para el decoletaje y su proceso de fabricación

La presente invención se refiere a un producto de aleación de aluminio para trabajos de mecanizado, en especial para decoletaje o free-cutting. La invención se destina asimismo al campo de las piezas de precisión obtenidas a partir de productos simples extruidos, básicamente de tipo barras o varillas fabricadas con aluminio AA6xxx con composición química optimizada para hacerlo idóneo al torneado de precisión y la extrusión y que, en concreto, carece de elementos con un bajo punto de fusión o dañinos para el medio ambiente y la salud (como el plomo), o que tiendan a debilitar la estructura metalúrgica de la aleación.

Salvo que se indique lo contrario, todos los valores correspondientes a la composición química de las aleaciones se expresan en wt%. Asimismo, todas las aleaciones de aluminio descritas a continuación se designan, salvo que se indique lo contrario, de acuerdo con las designaciones definidas por la «Aluminium Association» en las «Registration Record Séries» que esta asociación publica periódicamente.

El torneado de precisión se utiliza para la fabricación de grandes series de piezas de revolución, (tornillos, bulones, ejes) arrancando material de barras o varillas de metal. Estas últimas se obtienen generalmente mediante extrusión de lingotes, especialmente en el caso de las aleaciones de aluminio. Estas piezas se fabrican por tanto con un alto nivel de producción en cortadoras de control manual o digital. Se utilizan en numerosos campos, desde relojería a equipos médicos, pasando por el transporte (aeronáutica, ferroviaria, automoción) y la industria (eléctrica, electrónica, hidráulica...).

La productividad y la rugosidad superficial así como la exactitud de las dimensiones de la pieza final son los principales objetivos que se buscan con este tipo de fabricación. La mecanibilidad puede definirse como la facilidad relativa para extraer metal de una pieza de trabajo con el fin de obtener un producto acabado. En lo que respecta a las aleaciones de aluminio, una de las propiedades más importantes relacionada con la mecanibilidad es la rotura de las virutas formadas. Si las virutas no se fracturan, pueden formarse virutas de mayor longitud que generen diversos problemas, como la obtención de productos disconformes con las especificaciones o una mayor dificultad a la hora evacuar las virutas de la pieza mecanizada.

Hasta hace muy poco, se añadían elementos como el plomo, el estaño, el indio o el bismuto por su capacidad para formar precipitados, que actúan como eficaces rompevirutas. Una aleación ampliamente utilizada en decoletaje es el AA6262, que contiene un alto contenido de plomo y bismuto. Algunos elementos como el plomo y el bismuto, por su baja solubilidad en aluminio y su reducido punto de fusión, se funden con el calor generado por las operaciones de mecanizado, con la consiguiente formación de zonas blandas en la matriz de aluminio. Estas zonas blandas en una matriz dura hacen que las virutas de pequeño tamaño se fracturen fácilmente durante el mecanizado o el torneado, permitiendo así la extracción rápida del material y aumentando la productividad de mecanizado, evitando también la degradación potencial de la rugosidad superficial final de la pieza debido a que se evacúa una mayor cantidad de calor con las virutas rotas.

No obstante, debido a los problemas de toxicidad que plantea la presencia del plomo, las leyes europeas restringen cada vez más el contenido admisible de este metal en aleaciones como las de aluminio, en especial aquellas que se destinarán al torneado de precisión. La normativa reciente limita la concentración de plomo en las aleaciones de aluminio al 0,4%. Durante varios años, se propusieron diversos tipos de aleación para torneado con bajo contenido en plomo e incluso sin plomo. Su composición se basaba en la presencia de sustitutos también con un bajo punto de fusión, como el estaño, el bismuto o el indio. No obstante, estas aleaciones no presentan el mismo rendimiento durante el torneado de precisión que las aleaciones con plomo. De hecho, incluso plantean problemas de fragilidad debido al humedecimiento completo de los límites de grano por las bajas fases de punto de fusión que se originan de los elementos sustitutos. Esta fragilidad puede ocurrir durante el mecanizado cuando se le aplica una refrigeración insuficiente.

La solicitud de patente internacional W02005/100623 propone un producto de aleación AIMgSi-para aplicaciones de decoletaje, preferiblemente en forma extruida, para aplicaciones de mecanizado o decoletaje, que contiene en porcentaje de peso: Si 0,6-2,0, Fe 0,2-1,0, Mg 0,5-2,0, Cu máx.1,0, Mn máx. 1,5, Zn máx. 1,0, Cr máx. 0,35, Ti máx. 0,35, Zr 0,04-0,3, máx. impurezas 0,05 cada uno; máx. total 0,15, Al de compensación.

La solicitud de patente japonesa JP9249931 propone una aleación de aluminio con una composición consistente, por masa, de 1,5-12,0% Si. 0,5-6,0% Mg, 0,01-0,1% Ti, y el Al de compensación, con las impurezas inevitables y conteniendo, si es necesario uno o los dos de lo siguiente: 0,5-2,0%, por masa, Mn y 0,1-1,0% Cu o uno o más tipos entre 0,5-1,0% de Fe, 0,1-0,5% Cr y 0,1-0,5% Zr.

La patente estadounidense US 6 059 902 está relacionada con productos extruidos de aleación de aluminio que contienen Si: 1,5-12%, Mg: 0,5-6% y, opcionalmente al menos uno de los siguientes: Mn: 0,5-2%, Cu: 0,15-3% y Cr: 0,04-0,35% y adicionalmente Ti: 0,01-0,1%, las inevitables impurezas y el Al de compensación, cuyo tamaño de grano medio de la segunda fase de grano duro de los compuestos del sistema Si varía de 2 a 20 pm y un coeficiente

de área de entre 2 y 12%. La aleación se funde para obtener un lingote fundido que tiene una DAS (separación de ramificación dendrítica) de 10 a 50 pm, que después se somete a un tratamiento de remojo a 450 - 520°C y más tarde, al proceso de extrusión.

La solicitud de patente internacional W02010/112698 corresponde a productos eximidos para decoletaje hechos de aleación de aluminio con la siguiente composición química, expresada en wt% (porcentaje en peso): 0,8 Si < 1,5%; 1,0 < Fe 1,8%; Cu: <0,1%; Mn: <1%; 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, y el aluminio de compensación.

No obstante, en aplicaciones de torneado de precisión, estas aleaciones de reciente invención no ofrecen resultados tan eficaces como las antiguas aleaciones con plomo, especialmente en lo que se refiere a rotura de virutas.

Por tanto, continúa siendo un objetivo pendiente el obtener un producto de aleación sin plomo destinado al decoletaje que presente propiedades similares a estas aleaciones AA6262 o AA2011 con plomo, es decir, que impida la formación de virutas largas durante el mecanizado, presente propiedades mecánicas adecuadas, sea resistente a la corrosión y admita la anodización.

El principal objetivo de la presente invención es conseguir un producto extruido fabricado con aleación de aluminio de forja que presente la siguiente composición química (expresada en wt%):

- 1,3% <S¡ <S 12%,

-1,35% á Fe á 1,8%

siendo el contenido total de Fe+Si superior al 3,4%, preferentemente 3,6%;

- 0,15% á Cu á 6%;

- 0,6% < Mg á 3%;

- y opcionalmente, uno o varios de los siguientes elementos:

- Mn < 1%;

- Cr i 0,25%;

- Ni á 3%;

-Zn <S 1%;

- Ti á 0,1%;

- Bi <S 0,7%;

- In 0,7%;

- Sn á 0,7%

- otros elementos: á 0,05% cada uno y 0,15% en total;

- y el aluminio de compensación.

Según la invención, el producto de aleación de forja tiene un contenido en Si superior a 1,3 wt% que le confiere más fuerza y dureza y aumenta la cantidad de partículas intermetálicas con Si que, juntas, mejoran la mecanibilidad, ya que las virutas se desprenden y se rompen más fácilmente. El contenido en Si debe ser, preferentemente, muy superior a 1,3 wt.% y aún mejor si supera el 1,55%. Sin embargo, cantidades demasiado elevadas de silicio provocan la precipitación de partículas de estructura cúbica F tan grandes como el diamante, que perjudican la extrudabilidad y aumentan el riesgo de la fusión incipiente de las partículas de segunda fase durante la homogeneización. Por ello, el contenido en Si será preferentemente inferior al 12% que equivale prácticamente al contenido eutéctico, y preferentemente inferior a 5 wt %.

El producto de aleación de forja tiene un contenido en Fe superior al 1,35 wt. %, que forma un compuesto intermetálico duro que contiene aluminio, el cual actúa como rompevirutas. El contenido en... [Seguir leyendo]

1. Producto de aleación de aluminio de forja con la siguiente composición química, expresada en porcentaje de peso (wt.%):

-1,3% áSi < 12%,

-1,35% á Fe á 1,8%

siendo el contenido total de Fe+Si superior al 3,4%, preferentemente 3,6%;

- 0,15% < Cu <6%;

- 0,6% á Mg < 3%;

- opcionalmente, uno o varios de los siguientes elementos:

- Mn <S 1%;

- Cr <S 0,25%;

- Ni á 3%;

-Zn < 1%;

- Ti < 0,1%;

- Bi á 0,7%;

- In á 0,7%;

- Sn <S 0,7%

- otros elementos: < 0,05% cada uno y 0,15% en total;

- y el aluminio de compensación.

2. Producto de aleación de aluminio de forja según la reivindicación 1, caracterizado por lo que el contenido total de Fe+Si+Cu es superior a 4 wt.%.

3. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por lo que el contenido total de Fe es igual o superior a 1,55 wt.%.

4. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por lo que el contenido total de Si es igual o superior a 1,55 wt.%.

5. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 4, cuyo contenido en Si es inferior a 5 wt %.

6. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 5, cuyo contenido en Fe expresado en wt.% es tal 1,7% < Fe < 1,8%.

7. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 6, cuyo contenido en Cu expresado en wt.% es superior a 0,65%.

8. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 7, cuyo contenido en Bi está comprendido entre 0,05 wt.% y 0,4 wt.%.

9. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 8, cuyo contenido en Sn está comprendido entre 0,05 wt.% y 0,4 wt.%.

10. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 9, cuyo contenido en Fe+Mn es inferior a 1,9 wt %.

11. Producto de aleación de aluminio de forja según las reivindicaciones 1 a 10, cuyo contenido en Fe+Mn+Cr es inferior a 2,1 wt %, preferentemente inferior a 2,0 wt %.

12. Producto extruido fabricado con una aleación de aluminio de forja creada mediante un método basado en las siguientes fases:

(i) se funde un lingote fabricado con una aleación con la composición química según las reivindicaciones 1 a 11;

(ii) se homogeneiza el lingote a una temperatura de entre 525°C y 555°C durante al menos una hora;

(iii) se extruye el lingote homogeneizado;

(iv) el producto extruido se somete a un recocido de solubilización a una temperatura superior a 500°C seguido de un enfriamiento, preferiblemente con agua; el recocido tiene lugar gracias al calor generado durante la extrusión y puede controlarse utilizando un horno de tratamiento térmico aparte;

(v) se envejece la aleación del producto extruido y enfriado.

13. Producto extruido según la reivindicación 12, caracterizado por lo que presenta partículas de segunda fase con un tamaño de grano medio inferior a 2 pm, normalmente entre 1 pm y 2 pm, y un coeficiente de área de entre 5% y 15%.

14. Producto extruido según la reivindicación 12 o 13, caracterizado por lo que su contenido de Cu es inferior a 1,4 wt.% y por lo que su fuerza última es superior a 400 MPa.

15. Pieza torneada con precisión caracterizada por lo que se mecanizó con un producto de aleación de aluminio de forja según alguna de las reclamaciones 1 a 14.