Aleación para fundición de tipo AlMgSi.

Campo de la invención: La invención se refiere a la metalurgía no ferrosa,

en particular, aleaciones para fundición de aluminio, y puede emplearse para aplicaciones a temperaturas altas. Objetivo de la invención: el uso de la técnica anterior de los componentes conocidos en combinación con otros nuevos. La aleación comprende los siguientes elementos, en porcentaje en peso (% en peso): 4,0 a 16,0 de magnesio, 2,0 a 9,0 de silicio, 0,05 a 1,5 de manganeso, 0,01 a 0,6 de escandio, 0,05 a 0,5 de circonio, al menos uno o más elementos seleccionados del grupo que comprende (% en peso): 0,05 a 0,5 de cromo, 0,1 a 2,0 de cobre, 0,05 a 1,0 de níquel, 0,01 a 0,6 de hafnio, así como uno o más elementos seleccionados del grupo que comprende (% en peso): 0,05 a 0,6 de titanio, 0,005 a 0,05 de boro, 0,01 a 0,85 de itrio, 0,001 a 0,2 de germanio, en el que 0,001< (Ti + B + Y + Ge)< 1,5 % y aluminio como el resto. Resultado técnico: dicha aleación para fundición de tipo AlMgSi tiene una gran resistencia y resistencia al uso a temperaturas de más de 250ºC en combinación con una gran fluidez.

Aleación para fundición de tipo AIMgSi OBJETO DE LA INVENCiÓN

La presente invención se refiere a la metalurgia no ferrosa, en particular, aleaciones para fundición de aluminio, y puede emplearse para producir piezas de componentes para aplicaciones a temperaturas altas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Actualmente, la industria contempla una amplia aplicación de aleaciones de aluminio basadas en la eutéctica del sistema binario de Al-Si aleado adicionalmente con Mg, Cu, Zn, Fe, Ni, Mn, Ti y otros elementos. Las mejoras de las aleaciones de la técnica anterior incluyen: mejorar sus composiciones químicas y de fase, actualizar e inventar

tecnologías de fundición, valiéndose de adiciones especiales para refinar las masas fundidas, modificar la estructura,

etc. Uno de los mayores inconvenientes de las aleaciones para fundición de aluminio existentes es la disminución de la temperatura de fusión al aumentar el número de elementos de aleación. Establece un límite en su uso en motores de combustión interna de alta temperatura del estado de la técnica.

En función de la concentración de silicio, pueden dividirse las aleaciones de aleación compleja basadas en el sistema de Al-Si en 3 grupos: hipoeutécticas que comprenden <12 % en peso de silicio (356, 0, 360, 0, AK7, AK9) , eutécticas que comprenden el 12-13 % en peso de silicio (AK12, AK12M2MrH, Mahle 124) e hipereutécticas que comprenden el 14-26 % en peso de silicio (390, 0, 20 Mahle 138, Mahle 244) .

Un gran número de cristales de silicio primarios en dichas aleaciones da lugar a la disminución de su ductilidad y sus propiedades tecnológicas y hace necesario emplear técnicas de fundición caras.

Por ejemplo, una aleación de aluminio (documento UA 22435A) que contiene, en porcentaje en peso (% en peso) : 25 14, 0-16, 5 de silicio, 1, 2-2, 5 de cobre, 0, 8-1, 5 de magnesio, 0, 5-1, 3 de manganeso, 0, 05-0, 20 de titanio, 0, 01-0, 6 de níquel, 0, 01-0, 5 de cinc, 0, 7-1, 6 de hierro, 0, 01-0, 2 de cromo, 0, 01-0, 4 de circonio, 0, 03-0, 1 de fósforo y aluminio como el resto.

Convencionalmente, las desventajas de dicha aleación son sus propiedades mecánicas inestables, que están provocadas por cristales de silicio primarios y silicio ternario fundible que contiene 30 eutécticos, así como el entorno contaminado por la producción de la aleación y la fundición de lingotes debido al fósforo presente en ellos.

Las aleaciones hipoeutécticas y eutécticas de uso extendido en la industria tienen buena capacidad de fundición, son tecnológicamente más sencillas y fáciles de tratar. Sin embargo, su temperatura de uso no supera los 200-230 T.

Otra aleación para fundición de aluminio (documento RU 2237096) que contiene, en porcentaje en peso (% en peso) : 5, 0-10, 0 de silicio, 2, 0-5, 0 de cobre, 0, 3-0, 7 de magnesio, 0, 05-0, 4 de titanio, 0, 01-0, 3 de circonio, 0, 2-0, 4 de antimonio, 0, 05-0, 6 de escandia, 0, 1-0, 3 % en peso de neodimio, 0, 3-2, 0 de calcio y aluminio como el resto.

Las desventajas de dicha aleación tienden a ser baja resistencia a altas temperaturas y escasa resistencia al uso.

Existen algunos procedimientos más para mejorar las propiedades mecánicas de materiales usados en entornos de altas temperaturas. Por ejemplo, el refuerzo de matrices de aleaciones eutécticas mediante fibras o filamentos de AbO" SiC, C, etc. (los llamados compuestos de matriz metálica -MMC) o el uso de la técnica de CMC (compuestos de matriz cerámica) . Sin embargo, el uso de dichas técnicas es más caro que la fundición. Por lo tanto, no ganaron popularidad en la producción.

Existe otra solución a estos problemas. Incluye el uso del sistema ternario eutéctico de AI-Mg-Si en lugar del binario de Al-Si. El sistema de AI-Mg-Si comprende un eutéctico cuasibinario usado para crear nuevas aleaciones para fundición de aluminio con propiedades mejoradas. Este eutéctico está formado por la fase a-Al y la fase intermetálica Mg, Si, que funde a mayor temperatura y es termodinámicamente más estable en contraste con el silicio. Esto garantizará una mayor temperatura de fusión de las aleaciones desarrolladas y su conservación en un alto grado al introducir elementos de aleación y dará lugar a una amortiguación de los procesos dependientes de difusión a altas temperaturas de la operación.

Por ejemplo, la aleación para fundición de AIMgSi (documento US 6.623.570 B2) que contiene, en porcentaje en peso (% en peso) , 3, 0 a 7, 0 de magnesio, 1, 7 a 3, 0 de silicio, 0, 2 a 0, 48 de manganeso, 0, 15 a 0, 35 de hierro, titanio como se desee, con un máximo del 0, 2 %, 0, 1 a 0, 4 de niquel y aluminio como el resto.

Las desventajas de dicha aleación tienden a ser baja resistencia a altas temperaturas y escasa resistencia al uso.

La aleación de aluminio para fundición de AI/Mg/Si que contiene escandia (documento WO 2005/047554 A 1) que comprende al menos el 1, 0-8, 0 % en peso de magnesio (Mg) , > 1, 0-4, 0 % en peso de silicio (Si) , el 0, 01-<0, 5 % en peso de escandia (Se) , el 0, 005-0, 2 % en peso de titanio (Ti) , el 0-0, 5 % en peso de un elemento o grupo de elementos, seleccionados del grupo que comprende circonio (Zr) , hafnio (Hf) , molibdeno (Mo) , terbio (Tb) , niobio (Nb) , gadolinio (Gd) , erbio (Er) y vanadio (Y) , el 0-0, 88 % en peso de manganeso (Mn) , el 0-0, 3 % en peso de cromo (Cr) , 0-1, 0 % en peso de cobre (Cu) , 0-0, 1 % en peso de cinc (Zn) , 0-0, 6 % en peso de hierro (Fe) , 0-0, 004 % en peso de berilio (B) y el resto de aluminio con impurezas adicionales hasta un máx. individual del 0, 1 % en peso y un máx. total del 0, 5 % en peso.

El bajo contenido en metales de transición y cobre en dicha aleación no garantiza su resistencia y su resistencia al uso a altas temperaturas, mientras que elementos de aleación tales como terbio, gadolinio y erbio la encarecen.

La aleación para fundición de aluminio (documento UA 83776) técnicamente más comparable a la reivindicada es la que contiene, en porcentaje en peso (% en peso) : 3, 0-22, 0 de magnesio, 2, 8-10, 0 de silicio, 0, 05-1, 0 de circonio, 0, 52, 5 de cobre, 0, 05-1, 0 de manganeso, 0, 05-1, 5 de níquel, 0, 05-1, 5 de cobalto, 0, 05-1, 0 de titanio, 0, 05-1, 0 % de híerro, 0, 05-1, 0 de boro, 0, 05-0, 5 de carbono, 0, 05-1, 0 de cromo, 0, 05-0, 3 % de molibdeno, 0, 05-0, 5 de volframio, 0, 01-0, 6 de escandia y aluminio como el resto.

El alto contenido en elementos de aleación refractarios en dicha aleación y la necesidad de un sobrecalentamiento considerable y de mantener la masa fundida a temperaturas de -800 'C puede aumentar la evaporación de magnesio y escandia y dar lugar a propiedades mecánicas inestables.

BREVE DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

El propósito general de la presente invención es proporcionar una aleación para fundición de aluminio mejorada para aplicaciones a temperaturas altas (a temperatura> 250 'C) y combina buenas propiedades mecánicas y tecnológicas.

Un objetivo de la invención es usar una combinación de componentes conocidos y nuevos que garantice buenas propiedades mecánicas de dicha aleación a temperaturas de más de 250 'C, más resistencia al uso y mejora de algunas de sus propiedades de fundición, p. ej., la fluidez.

Un objetivo adicional de la invención es proporcionar una composición mejorada de dicha aleación para fundición de aluminio, modificando el contenido cualitativo y cuantitativo en elementos básicos y de aleación y añadiendo germanio, hafnio e itrio, lo que mejora las propiedades mecánicas sin deteriorar las de fundición.

El objetivo mencionado anteriormente se logra proporcionando una aleación para fundición de aluminio que contiene,

en porcentaje en peso, (% en peso) :

Magnesio (Mg) 4, 0-16, 0 Silicio (Si) 2, 0-9, 0 Manganeso (Mn) 0, 05-1, 5 Escandia (Se) 0, 01-0, 6 Circonio (Zr) 0, 05-0, 5

al menos uno o más elementos seleccionados del grupo que comprende:

Cromo (Cr) 0, 05-0, 5 Cobre (Cu) 0, 1-2, 0 Niquel (Ni) 0, 05-1, 0 Hafnio (Hf) 0, 01-0, 6

así como uno o más elementos seleccionados del grupo que comprende:

Titanio (Ti) 0, 05-0, 6 Boro (B) 0, 005-0, 05 Itrio (Y) 0, 01-0, 85 Germanio (Ge) 0, 001-0, 2

en el que 0, 001 % < (Ti+B+Y+Ge) < 1, 5 %

Aluminio (Al) el resto.

La caracteristica esencial de dicha aleación es la presencia, en porcentaje en peso (% en peso) : de magnesio (4, 016, 0) , silicio (2, 0-9, 0) , manganeso (0, 05-1, 5) , escandío (0, 01-0, 6) y circonio (0, 05-0, 5) . La característica distintiva de la invención es la presencia en ella de al menos uno o más elementos seleccionados de! grupo que comprende, en porcentaje en peso (% en peso) : cromo...

1. Aleación para fundición de tipo AIMgSi que contiene, en porcentaje en peso (% en peso) :

Magnesio 4, 0 a 16, 0 Silicio 2, 0 a 9, 0 Manganeso 0, 05 a 1, 5 Escandio 0, 01 a 0, 6 Circonio 0, 05 a 0, 5

al menos uno o más elementos seleccionados del grupo que comprende:

Cromo 0, 05 a 0, 5 Cobre 0, 1 a 2, 0 Níquel 0, 05 a 1, 0 Hafnio 0, 01 a 0, 6

así como al menos uno o más elementos seleccionados del grupo que comprende:

Titanio 0, 05 a 0, 6 Boro 0, 005 a 0, 05 Itrio 0, 01 a 0, 85 Germanio 0, 001 a 0, 2

en el que 0, 001 % < (Ti+B+Y+Ge) < 1, 5 %

Aluminio el resto.

2. Aleación de acuerdo con la reivindicacíón 1 que comprende el 5, 0 -13, 0 % en peso de magnesio y e12, 1 -7, 0 % en peso de silicio, que varía principalmente desde el 6, 0 hasta el 12, 0 % en peso de magnesio y desde el 2, 2 hasta el

6, 0 % en peso de silicio.

3. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-2 que comprende el 0, 08 -1, 2 % de manganeso, que varía principalmente desde el 0, 1 hasta el1 , 0 % en peso.

4. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-3 que comprende el 0, 05 -0, 5 % de escandio, que varía principalmente desde el 0, 1 hasta el 0, 4 % en peso.

5. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1~4 que comprende el 0, 06 -0, 3 % de circonio, que varía principalmente desde el 0, 08 hasta el 0, 2 % en peso.

6. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-5 que comprende al menos uno o más elementos seleccionados del

grupo que comprende cromo, cobre, níquel y hafnio.

7. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1 -6 que comprende el 0, 05 -0, 2 % en peso de cromo.

8. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1 -6 que comprende el 0, 3 -1, 0 % en peso de cobre.

9. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1 -6 que comprende el 0, 1 -0, 4 % en peso de níquel.

10. Aleación de acuerdo con las reívindicaciones 1 -6 que comprende el 0, 3 -0, 6 % en peso de hafnio.

11. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-10, en la que 0, 001 % en peso < (Ti+B+Y+Ge) < 1, 5 % en peso.

12. Los medios de producción de lingotes para la aleación de fundición de acuerdo con los puntos 1 a 11 incluyen las

etapas siguientes:

a) calentar los componentes de la aleación para fundición de tipo AIMgSi, que se reivindica en el punto 1, hasta la temperatura de fusión a una secuencia tal de carga de componentes de la carga que evita la formación de cristales

gruesos de fases intermetálicas;

b) usar flujos o un medio protector para evitar la oxidación de los componentes; c) refinar la masa fundida de componentes no metálicos y gases;

d) enfriar la masa fundida a una velocidad suficiente para la conservación de elementos dopantes que garantizan la formación de partículas dispersas de la fase de refuerzo L 1, en la solución sólida mediante el tratamiento térmico subsiguiente.

13. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-12, que en el estado de fundición es fundamentalmente de dos fases y contiene los cristales primarios eutécticos (a-AI+Mg, Si) de Mg, Si ylo dendritas primarias de a-Al.

14. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-13, que conserva la estructura eutéctica de dos fases (010 AI+Mg, Si) que se forma mediante el mecanismo de crecimiento acoplado en un amplio intervalo de tasas de cristalización.

15. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-14, cuyo eutéctico de dos fases consiste en laminillas ylo fibras de Mg, Si situadas en la matriz de a-Al. 15

16. El procedimiento de tratamiento térmico de lingotes de la aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-15, en el que la aleación se recuece en aire a las temperaturas d.

20. 400 ·C durante 2-50 h, principalmente entr.

25. 350 OC durante 2-10 h, para la formación de nanopartículas dispersas de una fase con la estructura L 1, en la solución sólida de a-Al que son coherentes con su red.

17. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-16, cuyo a-Al de la solución sólida contiene partículas de refuerzo de la fase que tiene la estructura L 12, son coherentes con su red y su composición química difiere de aquellas de las fases que forman el eutéctico.

18. Aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-17, en la que las particulas de refuerzo no interaccionan con las fases que forman el eutéctico en el procedimiento de recocido a altas temperaturas a largo plazo a las temperaturas d.

20. 400 ·C.

19. La aplicación de la aleación para fundición de tipo AIMgSi de acuerdo con las reivindicaciones 1-11, 13-15 Y 1730 18 para la fabricación de piezas de fundición bajo alta tensión térmica que se someten a tratamiento térmico tras moldeadas como lingotes mediante el procedimiento de acuerdo con la reivindicación 16.

20. Aleación de aluminio de acuerdo con las reivindicaciones 1-19 aplicada para la fabricación de piezas con resistencia al uso potenciada que contiene el 8, 4 -13, 0 % en peso de Mg y el 2, 4 -6, 0 % en peso de Si. 35

21. Aplicación de la aleación de tipo AIMgSi de acuerdo con las reivindicaciones 1-20 que se caracteriza por las excelentes propiedades de fundición junto con propiedades mecánicas y trobológicas superiores en el intervalo de temperaturas de 250 -400 oC en la fabricación de piezas de secciones transversales variables (tales como piezas de motores de automoción) .