Afinador de grano de base aluminio, que contiene cinc, titanio y carbono,

sistetizado mediante la fusión de aluminio y la adición posterior de titanio, cinc y carbono. La microestructura de la aleación madre consta de una matriz de aluminio alfa, fase intermetálica de TiAl{sub,3} y partículas finas de un compuesto ternario de titanio-cinc-carburo. El contenido de titanio es como mínimo del 1% y como máximo del 20%, el contenido de carbono es como mínimo del 0,01% (100ppm) y como máximo del 3% y el contenido de cinc es igual o superior al 1 %

Afinador de grano de base aluminio.

Objeto de la invención

La invención hace referencia a un afinador o afinante de grano de base aluminio.

Más concretamente, el objeto de la invención se centra en una novedosa aleación de aluminio (también denominada "aleación madre") que contiene aluminio, cinc, titanio y carbono, la cual se obtiene o sintetiza mediante la fusión de aluminio y la adición posterior de titanio, cinc y carbono. Después de que se obtiene la composición deseada y de que se homogeneiza, la aleación fundida se moldea por colada en la forma deseada. La microestructura de la aleación madre consta de una matriz de aluminio alfa, fase intermetálica de TiAl₃ y partículas finas (partículas de tamaño comprendido en el intervalo de entre nm y uno pocos aun) de un compuesto ternario de titanio-cinc-carburo. La aplicación práctica de esta aleación madre cuaternaria es para el afino de grano del aluminio y sus aleaciones.

Campo de aplicación

El campo de aplicación de la presente invención se encuentra dentro de la industria metalúrgica del aluminio, concretamente para el afino de grano del aluminio y sus aleaciones.

Antecedentes de la invención

Como es sabido, el afino de grano del aluminio y de sus aleaciones es una práctica industrial ampliamente utilizada. El afinador de grano comercial estándar es la aleación madre de Al-Ti-B, que contiene partículas de TiB₂ y que se encuentra disponible comercialmente con diferentes contenidos de Ti y de B. La aleación madre más comúnmente utilizada es el Al-5%Ti-1%B en forma de varilla (composiciones en % en peso, si no se indica otra cosa).

Se sabe que las aleaciones madre de Al-Ti-B son eficaces para aplicaciones generales, aunque causan los siguientes defectos en ciertas aplicaciones específicas, debido a la presencia de partículas gruesas y aglomeraciones de TiB₂:

- poros en las hojas de aluminio,

- estrías y defectos superficiales en chapas y productos similares que requieren un buen acabado superficial,

- grietas de rechupe y agrietamiento en lingotes, especialmente en algunas aleaciones de alta resistencia, como 7010/7050, que se utilizan en la industria aeronáutica.

Además, se necesita adicionar mayores cantidades de Al-Ti-B para el afino de grano de aleaciones para alta temperatura que contienen Cr y Zr, los cuales se cree que son un veneno para el afinador de grano convencional de Al-Ti-B.

A la vista de la existencia de los problemas antedichos en un amplio campo de aplicaciones específicas, el inventor principal Dr. Abinash Banerji desarrolló un afinador de grano ternario Al-Ti-C libre de boro, que contiene partículas de TiC, que forman núcleos de granos de aluminio (Dr. Abinash Banerji, Tesis Doctoral Universidad Técnica de Berlín, 1987).

El procedimiento de producción de este afinador de grano ternario se patentó posteriormente en 1985 (Patentes U.S.A. nº 4748001 y 4842821, patentes de la UE nº 0214220 (Reino Unido), 0214220 (Francia), 0214220 y P3679263.2 (Alemania), 0214220 (Países Bajos), patente australiana nº 595187, patente canadiense nº 1289748, patente japonesa nº 2121452, patente noruega nº 167589).

Durante más de una década y hasta ahora, el afinador de grano de Al-Ti-C se ha producido comercialmente en todo el mundo por varios fabricantes, aunque las aleaciones madre de Al-Ti-C se encuentran disponibles con distintos contenidos de Ti y C. Sin embargo, la aleación madre comúnmente utilizada tiene una composición de aproximadamente Al-3%Ti-0,2%C.

A pesar de ser una práctica industrial durante más de una década, el afinador de grano de Al-Ti-C disponible hasta ahora no ha sido capaz de resolver de forma eficaz los problemas asociados con el afinador de grano de Al-Ti-B convencional, ya que se necesita adicionar cantidades mayores para obtener un nivel de tamaño de grano similar al obtenido con el afinador de grano de Al-Ti-B comercial.

Visto lo que antecede, el objeto de la presente invención se centra en desarrollar otro afinador que supera el rendimiento de los afinadores de grano de Al-Ti-C, disponibles comercialmente hasta ahora, y que resuelva de forma eficaz los problemas bien conocidos asociados con el afinador de grano de Al-Ti-B convencional, debiendo señalarse que, por parte del solicitante se desconoce que se haya producido ninguna aleación ni ninguna aleación madre de base aluminio que contengan cinc, titanio y carbono y que muestren capacidad de afino de grano, tal como la que reivindica la presente invención.

Explicación de la invención

De forma concreta, el afinador de grano objeto de la invención, se produce del modo siguiente:

En un horno se funde aluminio puro disponible comercialmente (generalmente aluminio 99,7%), a las temperaturas normales de fusión del aluminio (aproximadamente 700-1000ºC), se añade la cantidad necesaria de titanio, en forma de esponja de titano o de chatarra de titanio (por ejemplo, virutas). Otra fuente de titanio puede ser una sal que contenga titanio, por ejemplo, K₂TiF₆. En este último caso, inicialmente se puede producir una mezcla binaria de Al-Ti, mediante la adición de la cantidad requerida de sal al aluminio fundido, y después de que la mezcla binaria de Al-Ti esté lista y de que la escoria se sea retirada de la superficie fundida, puede comenzar el proceso posterior. De forma alternativa, también se puede fundir directamente una aleación madre de Al-Ti.

A continuación, se añade a la masa fundida cinc puro o una aleación que contenga cinc (por ejemplo, una aleación Zn-Al) seguido de polvo de carbono, que puede ser grafito o carbono amorfo.

El proceso habitual es que la adición del titanio vaya seguida del cinc y del carbono, aunque la secuencia de adición de los elementos no supone una limitación para la invención. La adición puede ser de los tres elementos juntos o de uno después de otro.

El tiempo de mantenimiento necesario de la aleación en el horno ("holding"), después de que se han añadido todos los elementos, es habitualmente de entre 30 y 60 minutos para que la completa reacción de los tres elementos produzca las partículas de carburo ternarias de titanio, cinc y carbono. El tiempo de mantenimiento dependerá de la composición de la colada, del volumen de la misma, de la temperatura de fusión y del tipo de horno. En el caso de fusión por inducción, un efecto de agitación puede reducir el tiempo de mantenimiento.

La aleación madre obtenida se moldea por colada mediante el procedimiento habitual en lingotes ("waffles"), bloques o barras que se pueden procesar posteriormente en forma de varilla o alambre. De acuerdo con el estado de la técnica, se puede utilizar directamente un equipo de colada en continuo junto con un dispositivo de enrollamiento para procesar directamente la aleación madre en rollos de varilla o alambre. De forma alternativa, se pueden utilizar otros procedimientos de colada y conformado para obtener el afinador de grano en la forma y el tamaño deseados.

La aleación madre es apta para ser utilizada para el afino de grano de aluminio y de sus aleaciones. Se puede utilizar en forma de lingotes, barras o varilla según las técnicas de afino de grano.

Es importante destacar que la microestructura de la aleación madre obtenida mediante el procedimiento descrito contiene las tres fases siguientes:

- Fase matriz, compuesta de a-Al.

- Fase primaria intermetálica de aluminuro TiAl₃.

- Fase ternaria de titanio-cinc-carburo.

Además, en la microestructura se pueden encontrar algunas trazas de carbono libre.

En resumen, en la aleación preconizada el contenido de titanio es como mínimo del 1% y como máximo del 20%, el contenido de carbono es como mínimo del 0,01% (100 ppm) y como máximo del 3% y el contenido de cinc es como mínimo del 1%.

En un ejemplo de realización del afinador de grano objeto de la invención, en las Fig. 1 y 2 se presenta la micro estructura típica de una aleación Al-6%Zn-3,5%Ti-0,4%C obtenida en forma de varilla.

Se llevaron a cabo, asimismo, ensayos de afino de grano TP1 utilizando el nuevo afinador y se compararon los resultados con los obtenidos con afinadores de grano comerciales disponibles de Al-Ti-B y Al-Ti-C. En las Fig. 3, 4, 5 y 6 se incluyen las típicas macrografías de los ensayos TP1 realizados.

Puede verse que en el ensayo convencional corto de 2...

1. Afinador de grano de base aluminio, también denominado aleación madre, del tipo destinado para el afino de grano del aluminio y de sus aleaciones, caracterizado por el hecho de que contiene cinc, titanio y carbono; porque se produce o sintetiza mediante la fusión de aluminio y la adición posterior de titanio, cinc y carbono; y porque la microestructura de la aleación madre consta de una matriz de aluminio alfa, fase intermetálica de TiAl₃ y partículas finas (tamaño de partícula comprendido en el intervalo de entre nm y uno pocos µm) de un compuesto ternario de titanio-cinc-carburo.

2. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el contenido de titanio es como mínimo del 1% y como máximo del 20%, el contenido de carbono es como mínimo del 0,01% (100 ppm) y como máximo del 3% y el contenido de cinc es como mínimo del 1%.

3. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de titanio es del 1%.

4. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de titanio es mayor del 1% pero menor del 20%.

5. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de titanio es del 20%

6. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de carbono es de 100 ppm.

7. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de carbono es mayor de 100 ppm pero menor del 3%.

8. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de carbono es del 3%.

9. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de cinc es del 1%.

10. Afinador de grano de base aluminio, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el contenido de cinc es mayor del 1%.