Procedimiento para la producción de alambre de soldadura de titanio.

Procedimiento para producir un alambre o tira de titanio soldable,

en el que dicho procedimiento consiste en:

- colocar una o más partículas de esponja de titanio en la cámara de una prensa uniaxial,

- compactar en frío la muestra de material en partículas en una atmósfera de aire ambiente para formar un tocho,

- calentar el tocho hasta una temperatura comprendida dentro del intervalo de 400ºC a 1.000ºC,

- colocar el tocho calentado dentro de la matriz de una prensa de extrusión en caliente precalentada y extrudiruna barra o perfil del tocho a una temperatura comprendida dentro del intervalo de 400ºC a 1.000ºC,

- eliminar los contaminantes de la superficie de la barra o perfil extrudidos, y

- colocar la barra o perfil extrudidos en un tren de laminación con uno o más rodillos dispuestos en serie a fin deformar la tira o alambre soldable con el diámetro deseado.

Procedimiento para la producción de alambre de soldadura de titanio.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento para producir un alambre de titanio soldable por compactación en frío, extrusión y laminación de esponja de titanio, caracterizado porque la consolidación y el conformado se llevan a cabo enteramente en estado sólido, sin fusión ni encapsulación de las partículas de esponja de titanio.

Introducción El titanio y sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades mecánicas y una resistencia a la corrosión incomparable. Actualmente, el titanio metálico se obtiene por el proceso de Kroll (patente US nº 2.205.854) , en el que se hace reaccionar tetracloruro de titanio (TiCl4) con magnesio metálico fundido dentro de un gran retorta de acero. Una masa esponjosa de titanio poroso -denominada “esponja”- permanece en la retorta tras la posterior destilación al vacío a 1.000ºC para eliminar el exceso de magnesio y el subproducto de cloruro de magnesio. Dicha masa esponjosa debe extraerse por la fuerza, ya que el titanio se adhiere a las paredes de la retorta. A continuación, la esponja se cizalla y tritura, y posteriormente se tamiza a fin de obtener la fracción granulométrica deseada, típicamente con un tamaño comprendido entre 3 mm y 25 mm.

Estas partículas de esponja se mezclan con adiciones de aleación, tales como Al, V, Fe, TiO2, Mo, Cr, etc., a fin de obtener una mezcla de aleación de titanio. Estas mezclas se funden mediante un haz de electrones, una antorcha de plasma o en arco de vacío a fin de producir lingotes grandes de hasta 1, 5 m de diámetro y un peso de hasta 25 toneladas. Esta etapa de procesamiento es costosa y además, debido a la segregación durante la solidificación, muchos elementos deben mantenerse dentro de límites estrictamente controlados. Los lingotes se calientan a temperatura elevada, a la que típicamente se forjan y se laminan en diversas operaciones de procesamiento a fin de refinar la microestructura y reducir el área de sección transversal a formas de productos habituales, tales como tochos, barras y placas. Se analizaron los costes asociados a la producción de una placa de Ti de 25, 4 mm (1 “) de espesor, y se determinó que aproximadamente el 40% correspondía a la materia prima de esponja, pero el 60% correspondía a las operaciones posteriores de fusión y laminación.

Con frecuencia, el elevado coste de producción de los componentes acabados de titanio es consecuencia del intenso mecanizado que se suele aplicar a dichos productos laminados para obtener una geometría final compleja. Las técnicas de fabricación por adición minimizan los residuos de mecanizado mediante la conformación secuencial de un componente complejo a partir de un material de alimentación sencillo, tal como polvo de titanio o alambre de soldadura. El coste de las materias primas en polvo resulta prohibitivo excepto para las aplicaciones más extrañas debido a las dificultades que supone el manejo de un material reactivo finamente dividido y a la consiguiente contaminación por oxígeno. Por ello, el alambre de titanio ha atraído una atención significativa como la materia prima más prometedora.

Típicamente, para producir alambre de titanio convencional, las barras obtenidas del modo anterior se laminan hasta un diámetro inferior a 10 mm y se estiran hasta su tamaño final, que habitualmente está comprendido entre 1 mm y 3 mm para las aplicaciones automatizadas de soldadura. Teniendo en cuenta las pérdidas de rendimiento durante la manipulación posterior, el aumento del coste en la conversión de esponja de Ti en barras y posteriormente un alambre de soldadura representa la mayor parte del coste total de producción del alambre.

Los métodos alternativos para obtener un producto final de titanio soldable producido mediante un procesamiento en estado sólido, como la utilización de compactación de polvo y sinterización de la esponja de titanio antes del trabajo en caliente, tal como se describe en la solicitud de patente europea EP 1375690 A1 (sin fusión intermedia) , no han solucionado los problemas de alimentación de los particulados de esponja porosos y de forma irregular. Por consiguiente, el procesamiento en estado no fundido ha exigido la sustitución de la esponja de titanio de Kroll fácilmente disponible por otros particulados de titanio.

La patente US nº 7 311 873 da a conocer un procedimiento para la producción de placas a partir de polvo fino o partículas a partir del proceso de Hunter (reducción de TiCl4 con sodio) , aunque los costes de producción de los polvos de titanio y del proceso de Hunter son inferiores a los del proceso de Kroll y, para este último, únicamente el 4% de la esponja de titanio tiene el tamaño y la forma de partícula apropiados.

DuPont produjo titanio electrolíticamente [1], que posteriormente se laminaba en placas. La naturaleza dendrítica del producto obtenido electrolíticamente daba lugar a un elevado arrastre de sal, lo que hacía que el material no fuera soldable y presentara unas propiedades mecánicas escasas.

Más recientemente, se ha investigado la hidrogenación de esponja de titanio como medios sencillos para producir polvos de titanio. Aunque el material de partida es esponja de Kroll dúctil, el hidruro de titanio resultante es un material frágil que se puede triturar fácilmente hasta el tamaño de partícula deseado. El hidruro de titanio se ha compactado con éxito y, tras una sinterización en vacío a temperatura elevada con el fin de densificar y eliminar el hidrógeno del titanio, se obtiene un tocho que posteriormente se puede trabajar del mismo modo que el titanio convencional [2]. El proceso de sinterización al vacío es económicamente prohibitivo y la contaminación residual de hidrógeno, el crecimiento de grano a cierta temperatura y la absorción de oxígeno limitan una mayor aplicación.

Se puso de manifiesto que la extrusión directa de titanio HDH (hidruro deshidrogenado) producía un producto de densidad de aproximadamente 100% [3] a la vez que se eliminaba la necesidad del prensado isostático en caliente, habitualmente necesario para los componentes metalúrgicos de polvo de titanio. Sin embargo, eran necesarios dos procesos de precompactación, uno de los cuales era un prensado isostático en frío, lo que plantea problemas con respecto a la escalabilidad de tales procesos, además del elevado contenido de oxígeno del material de partida.

Tal como se ha ilustrado anteriormente, los intentos de utilizar materias primas alternativas resultan obstaculizados por la limitada disponibilidad y los costes más elevados de estos materiales, y por las propiedades inaceptables de los productos finales.

En consecuencia, los beneficios intrínsecos de los procesos de fabricación por adición son anulados por la ausencia de un material de partida económico.

Objetivo de la invención El objetivo principal de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento para la producción de materia prima de alambre de titanio o aleación de titanio de una manera que requiera sustancialmente menos etapas de procesamiento y proporcione mayor flexibilidad a la composición de alambre final.

Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento para la producción de alambre soldable de titanio o aleación de titanio que, cuando se funda y se integre en un componente aplicando fabricación por adición, presente una composición química y unas propiedades mecánicas comparables al alambre de soldadura convencional.

Descripción de la invención La presente invención se basa en la comprensión de que los problemas anteriores se pueden reducir mediante la formación de un alambre soldable de titanio producido a partir de esponja de titanio mediante su procesamiento únicamente en estado sólido, sin que ninguno de los constituyentes experimente ninguna fusión en ningún momento del procesamiento.

Así, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para producir un alambre o tira soldables de titanio o aleación de titanio, en el que dicho procedimiento comprende:

- colocar una o más partículas de esponja de titanio en la cámara de una prensa uniaxial,

- compactar en frío la muestra de material en partículas en atmósfera de aire ambiente para formar un tocho,

- calentar el tocho hasta una temperatura comprendida dentro del intervalo 400ºC - 1.000ºC,

- colocar el tocho caliente dentro de la matriz de una prensa de extrusión en caliente precalentada y extrudir una barra o perfil del tocho a una temperatura comprendida dentro del intervalo de 400ºC - 1.000ºC,

- eliminar los contaminantes de la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para producir un alambre o tira de titanio soldable, en el que dicho procedimiento consiste en:

-colocar una o más partículas de esponja de titanio en la cámara de una prensa uniaxial,

- compactar en frío la muestra de material en partículas en una atmósfera de aire ambiente para formar un tocho,

-calentar el tocho hasta una temperatura comprendida dentro del intervalo de 400ºC a 1.000ºC, 10

- colocar el tocho calentado dentro de la matriz de una prensa de extrusión en caliente precalentada y extrudir una barra o perfil del tocho a una temperatura comprendida dentro del intervalo de 400ºC a 1.000ºC,

-eliminar los contaminantes de la superficie de la barra o perfil extrudidos, y 15

- colocar la barra o perfil extrudidos en un tren de laminación con uno o más rodillos dispuestos en serie a fin de formar la tira o alambre soldable con el diámetro deseado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las partículas de esponja de titanio son esponja de titanio 20 triturada y cizallada de esponja de titanio baja en magnesio, destilada al vacío, que cumple la norma ASTM B299

07.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la esponja de titanio triturada y cizallada presenta una fracción gránulométrica entre 1 mm - 100 mm, preferentemente entre 2 mm - 50 mm y más preferentemente entre 3 mm - 25 25 mm.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 o 3, en el que la compactación en frío de la muestra de material en partículas se lleva a cabo a temperatura ambiente con una presión de compactación aplicada a la muestra comprendida de 200 MPa a 600 MPa.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la compactación se prosigue hasta que la muestra en partículas se consolida en forma de tocho compacto sólido con una densidad mayor del 80% y sustancialmente desprovisto de porosidades interconectadas, de rotura de superficie, y que tiene poros internos llenos de aire.

6. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el tocho comprimido se recubre con un lubricante.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que el recubrimiento de lubricante es vidrio y el calentamiento del tocho se lleva a cabo en una atmósfera inerte.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que el calentamiento del tocho se regula para proporcionar una temperatura comprendida dentro de 100ºC a partir de la temperatura de transición beta del titanio.

9. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que cada pase a través de los rodillos del tren de laminación reduce el diámetro de la tira o alambre soldables laminados de 5% a 35%. 45

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que el procedimiento comprende asimismo calentar el alambre laminado en una atmósfera inerte a fin de obtener una atenuación de tensiones a la temperatura a la que el titanio o la aleación de titanio se ablandan.

11. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la temperatura de inicio del tocho durante la extrusión no supera los 1.000ºC.

12. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la temperatura de salida de la barra extrudida no supera los 1.000ºC. 55

13. Procedimiento según la reivindicación 11 o 12, en el que la barra extrudida presenta una densidad superior a 98%.