Homogeneización y tratamiento térmico de metales colados.

Un método de producción por colada directa en coquilla (DC) de un lingote de aleación de aluminio quepuede laminarse en caliente sin homogeneización previa,

método que comprende:

en un aparato de colada DC, fabricar por colada primeramente un metal para formar una corteza de lingoteenfriada y luego un lingote colado en condiciones de temperatura y tiempo eficaces para producir en el lingote unmetal solidificado que tiene una microestructura sin núcleo, en donde dichas condiciones incluyen mantener elinterior del lingote por encima de una temperatura de transformación mayor que 425ºC durante más de 10 minutos,con lo cual las temperaturas de la corteza enfriada y el interior todavía fundido de un lingote embrionario de coladaconvergen a una temperatura igual o superior a la temperatura de transformación del metal a la cual tiene lugar lahomogeneización in situ del metal.

Homogeneización y tratamiento térmico de metales colados.

CAMPO TÉCNICO

Esta invención se refiere a la colada de metales, particularmente aleaciones metálicas, y su tratamiento para 5 hacerlos adecuados para conformar productos metálicos tales como artículos en chapa y plancha.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Las aleaciones metálicas, y particularmente las aleaciones de aluminio, se moldean a menudo a partir de la forma fundida para producir lingotes o tochos que se someten subsiguientemente a laminación, mecanización en caliente,

o análogos, a fin de producir artículos de chapa o plancha, utilizados para la fabricación de numerosos productos.

Los lingotes se producen frecuentemente por colada directa en coquilla (DC) , pero existen métodos de colada equivalentes, tales como la colada electromagnética (v.g. como se tipifica por las patentes U.S. 3.985.179 y 4.004.631, concedidas ambas a Goodrich et al.) , que se emplean también. La exposición que sigue se refiere fundamentalmente a la colada DC, pero los mismos principios son aplicables a la totalidad de dichos procedimientos de colada que crean las mismas o equivalentes propiedades microestructurales en el metal colado.

La colada DC de metales (v.g. aluminio y aleaciones de aluminio - a los que se hace referencia colectivamente en lo que sigue como aluminio) para producir lingotes se lleva a cabo típicamente en un molde de poca profundidad y abierto por los extremos, y axialmente vertical que se cierra inicialmente en su extremo inferior por una plataforma móvil hacia abajo (a la que se hace referencia a menudo como bloque de fondo) . El molde está rodeado por una camisa de refrigeración a través de la cual se hace circular continuamente un fluido refrigerante tal como agua a fin de proporcionar enfriamiento externo de la pared del molde. El aluminio (u otro metal) fundido se introduce en el extremo superior del molde enfriado y, a medida que el metal fundido se solidifica en una región adyacente a la periferia interior del molde, la plataforma se desplaza hacia abajo. Con un movimiento eficazmente continuo de la plataforma y suministro correspondientemente continuo de aluminio fundido al molde, puede producirse un lingote de la longitud deseada, limitado únicamente por el espacio disponible debajo del molde. Detalles adicionales de la colada DC pueden obtenerse de la patente U.S. 2.301.027 concedida a Ennor (cuya exposición se incorpora en esta memoria por referencia) , y otras patentes.

La colada DC puede realizarse también horizontalmente, es decir con el molde orientado en posición distinta de la vertical, con cierta modificación del equipo y, en tales casos, la operación de colada puede ser esencialmente continua. En la exposición que sigue, se hace referencia a la colada en coquilla vertical, pero los mismos principios son aplicables a la colada DC horizontal.

El lingote que sale por el extremo inferior (salida) del molde en la colada DC vertical es externamente sólido pero está todavía fundido en su núcleo central. Dicho de otro modo, el conjunto de metal fundido en el interior del molde se prolonga hacia abajo en la porción central del lingote que se desplaza en sentido descendente a lo largo de cierta distancia por debajo del molde como un foso de metal fundido. Este foso tiene una sección transversal

progresivamente decreciente en la dirección descendente dado que el lingote se solidifica hacia dentro desde la superficie exterior hasta que su porción de núcleo se solidifica totalmente. La porción del producto de metal colado que tiene una corteza exterior sólida y un núcleo fundido se designa en esta memoria como un lingote embrionario que se transforma en un lingote colado cuando se solidifica por completo.

Como una característica importante del proceso de colada en coquilla, un fluido refrigerante suministrado continuamente, tal como agua, se pone en contacto directo con la superficie exterior del lingote embrionario que avanza inmediatamente por debajo del molde, causando con ello el enfriamiento directo del metal de la superficie. Este enfriamiento directo de la superficie del lingote sirve a la vez para mantener la porción periférica del lingote en estado sólido y para promover el enfriamiento y la solidificación interna del lingote.

Convencionalmente, se proporciona una sola zona de enfriamiento por debajo del molde. Típicamente, la acción 45 refrigerante en esta zona se efectúa dirigiendo un flujo sustancialmente continuo de agua uniformemente a lo largo de la periferia del lingote inmediatamente por debajo del molde, descargándose el agua, por ejemplo, por el extremo inferior de la camisa de refrigeración del molde. En este procedimiento, el agua choca con fuerza o impulso considerable sobre la superficie del lingote en un ángulo sustancial con la misma y fluye hacia abajo sobre la superficie del lingote con un efecto refrigerante continuado pero decreciente hasta que la temperatura de la 50 superficie del lingote se aproxima a la del agua.

Típicamente, el agua de refrigeración, después del contacto con el metal caliente, sufre primeramente dos eventos de ebullición. Un film constituido predominantemente por vapor de agua se forma directamente bajo el líquido en la región estancada del chorro inmediatamente adyacente a ésta, en las regiones superiores próximas, a ambos lados y por debajo del chorro, tiene lugar una ebullición del film nucleado clásica. A medida que se enfría el lingote, y que 55 disminuye la nucleación y el efecto de mezcladura de las burbujas, las condiciones de flujo de fluido y de la capa térmica límite cambian a convección forzada bajo la masa del lingote hasta que, finalmente, las condiciones hidrodinámicas cambian a un film simple de calibre a través de la superficie total del lingote en los extremos inferiores del mismo.

Los lingotes colados en coquilla producidos de este modo se someten generalmente a pasos de laminación en caliente y en frío, u otros procedimientos de mecanización en caliente, a fin de producir artículos tales como chapa o 5 plancha de diversos espesores y anchuras. Sin embargo, en la mayoría de los casos se requiere normalmente un procedimiento de homogeneización antes de la laminación u otro procedimiento de mecanización en caliente a fin de convertir el metal en una forma más utilizable y/o mejorar las propiedades finales del producto laminado. La homogeneización se lleva a cabo para equilibrar gradientes de concentración microscópicos. El paso de homogeneización implica el calentamiento del lingote colado a una temperatura elevada (generalmente una temperatura superior a una temperatura de transición, v.g. una temperatura del solvus de la aleación, a menudo superior a 450ºC y comprendida típicamente (para muchas aleaciones) en el intervalo de 500 a 630ºC) durante un periodo de tiempo considerable, v.g. unas cuantas horas y generalmente hasta 30 horas.

La necesidad de este paso de homogeneización es resultado de las deficiencias de microestructura encontradas en el producto colado resultante de las etapas iniciales o etapas finales de la solidificación. A nivel microscópico, la 15 solidificación de las aleaciones coladas DC se caracteriza por cinco eventos: (1) la nucleación de la fase primaria (cuya frecuencia puede estar asociada o no con la presencia de un afinador del grano) ; (2) la formación de una estructura celular, dendrítica o combinación de estructuras celular y dendrítica que definen un grano; (3) el rechazo de soluto por la estructura celular/dendrítica debido a las condiciones de solidificación prevalecientes que no están en equilibrio; (4) el movimiento del soluto rechazado que se mejora por el cambio de volumen de la fase primaria en solidificación; y (5) la concentración del soluto rechazado y su solidificación a una temperatura de reacción terminal (v.g. eutéctica) .

La estructura resultante del metal es por consiguiente muy compleja y se caracteriza por variaciones de composición a través no sólo del grano sino también en las regiones adyacentes a las fases intermetálicas en las que coexisten regiones relativamente blandas y duras en la estructura y, si no se modifican o transforman, crearán variaciones inaceptables en la propiedad de calibre final para el producto final.

La homogeneización es un término genérico utilizado generalmente para describir un tratamiento térmico designado para corregir las deficiencias microscópicas en la distribución de los elementos del soluto y (concomitantemente) modificar las estructuras intermetálicas presentes en las interfases. Los resultados aceptados de un proceso de homogeneización incluyen lo siguiente:

1. La distribución elemental en el interior de un grano se hace más uniforme.... [Seguir leyendo]

1. Un método de producción por colada directa en coquilla (DC) de un lingote de aleación de aluminio que puede laminarse en caliente sin homogeneización previa, método que comprende:

en un aparato de colada DC, fabricar por colada primeramente un metal para formar una corteza de lingote enfriada y luego un lingote colado en condiciones de temperatura y tiempo eficaces para producir en el lingote un metal solidificado que tiene una microestructura sin núcleo, en donde dichas condiciones incluyen mantener el interior del lingote por encima de una temperatura de transformación mayor que 425ºC durante más de 10 minutos, con lo cual las temperaturas de la corteza enfriada y el interior todavía fundido de un lingote embrionario de colada convergen a una temperatura igual o superior a la temperatura de transformación del metal a la cual tiene lugar la homogeneización in situ del metal.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dichas condiciones incluyen mantener dicho lingote a una temperatura superior a la temperatura de transformación eficaz para causar la homogeneización in situ por espacio de un periodo de tiempo de 10 a 30 minutos durante dicha colada de dicho metal.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde dichas condiciones incluyen mantener dicho lingote

a una temperatura superior a la temperatura de transformación eficaz para causar la homogeneización in situ durante un periodo de 15 a 20 minutos.

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que incluye un paso de apagado rápido del lingote antes de retirar el lingote del aparato de colada.

5. Un método de producción de un artículo metálico en chapa a partir de un lingote fabricado de acuerdo con

una cualquiera de las reivindicaciones anteriores por mecanización en caliente, en donde no existe paso alguno de homogeneización entre la retirada del lingote del aparato de colada y el comienzo de dicha mecanización en caliente.

Al-4, 5% Cu in situ con temperatura de rebote de 300ºC. Posición cuarta (FE4628)

Intensidad Intensidad

Intensidad

DC Convencional 3-050420-2B Por Debajo de la Temp. de Transformación 3-050311-1A Por Encima de la Temp. de Transformación 3-050311-1A

DC Convencional 3-050420-2B Por Debajo de la Temp. de Transformación 3-050311-1A Por Encima de la Temp. de Transformación 3-050311-1A

DC Convencional 3-050420-2B Por Debajo de la Temp. de Transformación 3-050311-1A Por Encima de la Temp. de Transformación 3-050311-1A

Conc. Apar. Fe+Mn

Conc. Apar. Fe+Mn Conc. Apar. Fe+Mn

ALFA División: Alfa/Beta Alfa: 42% Beta: 58%

ALFA Conc. Apar. Si Alfa: 57% Beta: 43%

Conc. Apar. Si

ALFA Alfa: 72% Beta: 28%

Conc. Apar. Si