En la presente patente se propone un método novedoso para la obtención de materiales con propiedades mecánicas mejoradas,

como consecuencia de su procesamiento a través de un canal angular o poliangular, que posibilita tanto la deformación plástica severa de elementos volumétricos como de piezas esbeltas, sin modificación significativa de la forma de la sección transversal de las mismas. El proceso que se propone presenta la novedad de combinar un sistema hidráulico para la obtención de una presión hidrostática en el fluido capaz de generar la presión necesaria para realizar la extrusión de materiales a través de una matriz de extrusión en canal angular o poliangular, resultando que la sección transversal del material procesado es sustancialmente igual a la del material de partida. Con la presente invención se evitan los problemas de pandeo asociados a los procesos tradicionales de extrusión en canal angular.

Método combinado para la deformación plástica severa por presión hidráulica y extrusión en canal angular constante (HIDROECAE).

A method for severe plastic deformation by combining hydraulic pressure and equal channel angular extrusion (HYDROECAE).

Sector de la técnica al que se refiere la invención

La invención se refiere principalmente al sector metalmecánico, específicamente al área de procesado de materiales metálicos mediante deformación plástica severa (\varepsilon >> 1) en canal angular. En la presente invención se propone un método para el procesado de piezas, sin modificación significativa de su sección transversal, empleando un proceso que combina un sistema hidráulico para generar una presión hidrostática, en un fluido, capaz de generar la presión necesaria para la extrusión de materiales en canal angular constante (ECAE). Presenta la novedad, en relación a otros procesos desarrollados, de posibilitar la extrusión de todo tipo de piezas, tanto esbeltas como no esbeltas, lo cual no es posible realizarse por procesos convencionales de extrusión en canal angular, debido al pandeo que experimentan los elementos de compresión utilizados y que hace que la longitud procesada no pueda ser muy grande en dichos procesos.

Estado de la técnica anterior

Como es sabido, la reducción del tamaño de grano en los materiales metálicos presenta gran interés desde el punto de vista industrial y tecnológico, ya que su afinamiento produce una mejora significativa de las propiedades mecánicas. Así, un tamaño de grano submicrométrico o nanométrico puede conducir a la obtención a bajas temperaturas de aumentos de la resistencia, dureza, tenacidad y límite a fatiga, entre otras propiedades. Además, es posible tener comportamientos superplásticos a temperaturas más elevadas, pudiendo experimentar muy grandes deformaciones sin que se produzca fractura en el material.

En los procesos de deformación plástica severa en canal angular (\varepsilon >> 1) se tienen pequeños cambios en la sección transversal de las piezas procesadas. Este mantenimiento de las dimensiones de las piezas hace que no haya un límite definido a la deformación que se puede alcanzar, siempre y cuando el material tenga suficiente ductilidad, pudiendo, además, repetirse el proceso repetidas veces y, así, obtener una alta deformación plástica acumulada, que conducirá a un afinamiento del tamaño de grano del material procesado en relación al material de partida.

La novedad de la presente invención radica en el empleo de un método de compresión basado en la aplicación de una presión hidrostática en un fluido capaz de generar el empuje necesario para procesar, mediante extrusión en canal angular, tanto piezas que se han denominado como esbeltas, es decir, con una de sus dimensiones mucho mayor que las otras dos, como no esbeltas. Ello no es posible realizarlo por métodos convencionales de extrusión en canal angular (ECAE) debido al pandeo que experimentan los mecanismos de compresión (punzones) empleados; ya que, como es sabido, cuando a una pieza esbelta se le somete a esfuerzos de compresión, ésta experimenta un efecto de pandeo que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes, transversales a la dirección principal de compresión, y que han limitado el desarrollo industrial de la tecnología conocida como ECAE (Equal Channel Angular Extrusión). Este proceso fue propuesto inicialmente por V.M. Segal et al. en 1971, en la antigua Unión Soviética (V. Segal, Mat. Sci. Eng., 1995, 157-164; V. Segal, V. Reznikov, A. Drobyshevskiy, V. Kopylov, Russian Metally, 1, 1981, 99-105). Se ha aplicado a un gran número de materiales, aunque los resultados obtenidos son, en mucha mayor medida, en el ámbito académico y de investigación que en el ámbito industrial, como consecuencia de la dificultad de procesar materiales con suficiente longitud como para ser utilizados en aplicaciones estructurales, lo cual sí es posible con la presente invención.

Como se ha indicado anteriormente, una de las razones fundamentales para estas limitaciones se encuentra en el pandeo que experimenta el punzón empleado para empujar la probeta, lo que provoca que dicho punzón, y en consecuencia la probeta, no puedan exceder de determinado tamaño, a partir del cual la amplitud del pandeo imposibilita el funcionamiento del dispositivo.

Mediante la técnica de ECAE, el material atraviesa una matriz que contiene dos canales de igual sección (circular, cuadrada o poligonal) que se intersecan formando un ángulo generalmente de 90º. Al llegar el punzón a dicho ángulo, la probeta ya está completamente situada en el canal posterior al codo, de donde se extrae. El material es así deformado mediante un mecanismo de tensión cortante al atravesar el canal angular. Una vez que la probeta ha sido procesada, puede volver a introducirse por la entrada del canal y repetir así el proceso con la consiguiente acumulación de deformación. Es posible emplear diferentes rutas en el proceso de ECAE. Por ejemplo, ruta A, en la que la orientación de la probeta permanece invariable en las sucesivas pasadas; ruta B, en la que la probeta se rota 90º en los sucesivos pases, respecto al eje longitudinal de la probeta; y ruta C, en la que la probeta se rota 180º también con respecto al eje longitudinal de la probeta. Las características microestructurales resultantes varían en función de la ruta de proceso. El proceso se puede repetir un número N de veces, dependiendo del tipo de material y de las deformaciones que se quieran obtener.

En definitiva, si bien el proceso ECAE presenta interés debido a que posibilita la obtención de muy altas deformaciones, su aplicación industrial se ha visto limitada por el tamaño reducido de las probetas, a causa del pandeo del punzón que comprime la probeta, lo cual se evita con el método propuesto en la presente invención.

Se han desarrollado algunas patentes relativas a la obtención de materiales mediante deformación plástica severa en canal angular (C. J. Luis, P. A. González, J. Gil, J. Alkorta, ES2224787; M. Jarret, W. Dixon, May 1994, US Patent nº 5309748; V. Segal, R. Goforth, K. Hartwing, Mar 1995, US Patent nº 5400633; V. Segal, L. Segal, Feb 1997, US Patent nº 5600989; V. Segal, May 1996, US Patent nº 5513512; L. Semiatin, D. Délo, May 1999, US Patent nº 5904062).

Sin embargo, en estas patentes no se ha encontrado ningún método que emplee la tecnología que se propone en la presente invención, que utiliza un sistema hidráulico para la aplicación de una presión hidrostática en un fluido, capaz de generar la presión necesaria para la extrusión de materiales en matrices que presentan una geometría con canal angular, o poliangular, de sección transversal constante.

Explicación de la invención

La presente invención permite obtener deformaciones plásticas severas (\varepsilon>>1) en el material de partida (L₁). Puede emplearse tanto para la extrusión en canal angular de piezas esbeltas como no esbeltas. Comprende un proceso de deformación en canal poliangular, sin limitación de tamaño del material de partida, y que no modifica significativamente la sección transversal del material procesado, siendo aplicable a secciones muy diversas (cuadrada, rectangular, circular, poligonal, etc.), tanto macizas como huecas.

La invención comprende un sistema hidráulico para elevar la presión de un fluido en una cámara de alta presión (1), el cual generará, a su vez, la presión necesaria para que el material situado en la entrada del canal angular (L₁) atraviese la matriz de ECAE y pase al canal de salida, siendo deformado mediante un mecanismo de tensión cortante en presencia de una presión hidrostática, tal y como se muestra en las Figuras 1-7.

La matriz por la que el material es obligado a pasar contiene un canal angular que incluye uno o varios ángulos de cualquier valor eficaz para producir un efecto de tensión cortante al material metálico. Uno de los valores preferidos para alguno de los ángulos de dicho canal es 90º, pero el proceso es también eficaz empleando canales angulares con ángulos de otros valores.

El proceso objeto de la presente invención es aplicable a materiales de partida con secciones muy diversas, como se observa en la Figura 2. Por ejemplo: preformas con sección cuadrada o rectangular (5), preformas con sección circular (6) u ovalada, o preformas con sección poligonal. Tales materiales pueden presentar conformaciones de diversas posibles secciones... [Seguir leyendo]

1. Método para la deformación plástica severa en canal angular caracterizado por comprender un sistema de compresión del material de partida, basado en la aplicación de una presión mediante un fluido que se encuentra confinado en una cámara (1) en la que se incrementa la presión hasta que ésta alcanza el valor necesario para provocar la extrusión del material de partida a través de una matriz de extrusión en canal angular o poliangular, resultando que la sección transversal del material procesado es sustancialmente igual a la del material de partida.

2. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según reivindicación 1, caracterizado por que la matriz por la que se procesa el material contiene un canal de sección transversal constante, que comprende uno o varios ángulos de cualquier valor eficaz para producir un efecto de deformación por tensión cortante en el material procesado.

3. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que se emplean dos cámaras de presión (1), para el procesado repetitivo sin necesidad de extraer la pieza procesada de las matrices de ECAE.

4. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que se emplean varias cámaras de presión (1), para el procesado repetitivo sin necesidad de extraer la pieza procesada de las matrices de ECAE.

5. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por el empleo de un elastómero (4), situado entre el material a procesar y la cámara de presión (1), para garantizar la estanqueidad.

6. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por el empleo de una chapa (3), situado entre el material a procesar y la cámara de presión (1), para garantizar la estanqueidad.

7. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por el empleo de una chapa (3) y de un elastómero (4), situado entre el material a procesar y la cámara de presión (1), para garantizar la estanqueidad.

8. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por el empleo de cualquier tipo de sistema para garantizar la estanqueidad.

9. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por el empleo de un aceite hidráulico como fluido de compresión.

10. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por el empleo de una emulsión agua-aceite como fluido de compresión.

11. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por el empleo de un aceite sintético como fluido de compresión.

12. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por el empleo de un fluido de hidroconformado como fluido de compresión.

13. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por el empleo de cualquier fluido como fluido de compresión y a cualquier temperatura.

14. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular, según reivindicaciones 1-13, caracterizado por que el canal de salida de la matriz en la que se procesa el material es de igual dimensión que el canal de entrada.

15. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular, según reivindicaciones 1-13, caracterizado por que los canales de entrada y salida de la matriz, en la que se procesa el material, tienen dimensiones distintas.

16. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-15, caracterizado porque preferiblemente uno o más de los ángulos comprendidos en el canal es de 90º.

17. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-16, caracterizado porque los radios de acuerdo entre canales son iguales.

18. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-16, caracterizado porque el radio interior de acuerdo entre canales es menor que el radio exterior de acuerdo en los cana- les.

19. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-16, caracterizado porque el radio exterior de acuerdo entre canales es menor que el radio interior de acuerdo en los canales.

20. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-16, caracterizado porque la transición entre los canales de la matriz de extrusión se realiza con o sin radios de acuerdo.

21. Procesado mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-20 caracterizado por que se realiza el proceso a temperatura ambiente.

22. Procesado mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-20 caracterizado porque la matriz puede estar calentada para realizar el proceso a temperatura distinta de la temperatura ambiente.

23. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-22, caracterizado porque se procesa un material esbelto de sección transversal circular, ovalada, cuadrada, rectangular, poligonal o de otra forma geométrica.

24. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-22, caracterizado porque se procesa un material esbelto de sección transversal maciza de forma circular, ovalada, cuadrada, rectangular, poligonal o de otra forma geométrica.

25. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-22, caracterizado porque se procesa un material esbelto de sección transversal hueca de forma circular, ovalada, cuadrada, rectangular, poligonal o de otra forma geométrica.

26. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-22, caracterizado porque se procesa un material no esbelto de sección transversal maciza de forma circular, ovalada, cuadrada, rectangular, poligonal o de otra forma geométrica.

27. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-22, caracterizado porque se procesa un material no esbelto de sección transversal hueca de forma circular, ovalada, cuadrada, rectangular, poligonal o de otra forma geométrica.

28. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-27, caracterizado porque se procesa un material predominantemente longitudinal.

29. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-27, caracterizado porque se procesa un material predominantemente bidimensional o plano.

30. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-27, caracterizado porque se procesa un material volumétrico.

31. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-27, caracterizado por que se procesa cualquier forma geométrica de material.

32. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-31, caracterizado por que los materiales procesados son metálicos.

33. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-31, caracterizado por que los materiales procesados son poliméricos.

34. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-31, caracterizado por que los materiales procesados son cerámicos.

35. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-31, caracterizado por que los materiales procesados son no metálicos.

36. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-35, caracterizado por comprender un posterior tratamiento térmico de alivio de tensiones.

37. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-35, caracterizado por comprender un posterior tratamiento térmico de recristalización.

38. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-35, caracterizado por comprender un posterior tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación.

39. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-35, caracterizado por comprender cualquier otro tipo de tratamiento térmico.

40. Procesado de materiales mediante deformación plástica severa en canal poliangular según cualquiera de las reivindicaciones 1-39, caracterizado por comprender un posterior tratamiento superficial.