Aleación de aluminio para moldeo por inyección.

Aleación de aluminio para moldeo por inyección que comprende

del 4 al 6% en peso de níquel,

del 0,1 al 0,3% en peso de zirconio,

del 0,3 al 0,4% en peso de vanadio,

opcionalmente hasta el 5% en peso de manganeso,

opcionalmente hasta el 2% en peso de hierro,

opcionalmente hasta el 1% en peso de titanio,

opcionalmente hasta el 2% en peso de hafnio,

opcionalmente hasta el 2% en peso de magnesio,

opcionalmente hasta el 1% en peso de cromo,

opcionalmente hasta el 1% en peso de molibdeno,

opcionalmente hasta el 0,5% en peso de silicio,

opcionalmente hasta el 0,5% en peso de cobre,

opcionalmente hasta el 0,5% en peso de zinc,

y aluminio como resto con impurezas debidas a la producción de en total como máximo el 1% en peso.

Aleación de aluminio para moldeo por inyección CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a aleaciones de aluminio que pueden procesarse mediante moldeo por inyección a alta presión convencional y se refuerzan por dispersión, pueden endurecerse por envejecimiento y tienen propiedades mecánicas útiles a temperaturas de hasta al menos 300eC.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las aleaciones de aluminio son uno de los grupos más importantes de materiales ligeros empleados en la industria del automóvil, principalmente debido a su alta resistencia específica. La mayor parte de aleaciones de fundición de aluminio tradicionales se basan en el sistema eutéctico de aluminio-silicio debido a sus excelentes características de moldeo. Desafortunadamente el solidus en este sistema no supera los 550eC, y por consiguiente la temperatura máxima de trabajo de las aleaciones de aluminio-silicio está limitada a aproximadamente 200eC. Además, la mayor parte de elementos de aleación en las aleaciones tradicionales a base de aluminio (es decir, zinc, magnesio y cobre) tienen una alta difusividad en la disolución sólida de aluminio. Por tanto, aunque estos elementos mejoran la resistencia a la temperatura ambiente de la aleación, comprometen la estabilidad térmica de la aleación. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio basadas en los sistemas Al-Zn-Mg, Al-Cu-Mg y Al-Li pueden alcanzar una resistencia a la tracción muy alta (de hasta aproximadamente 700 MPa); sin embargo sus propiedades mecánicas se degradan rápidamente cuando se usan a alta temperatura. En muchas aplicaciones, la estabilidad de las propiedades mecánicas a alta temperatura, y no una alta resistencia, es la necesidad principal. Por tanto las aleaciones de aluminio tradicionales no son útiles en tales aplicaciones y existe la necesidad de un material ligero, térmicamente estable.

TÉCNICA ANTERIOR

Se han hecho intentos en la técnica anterior para proporcionar aleaciones de fundición de aluminio con una estabilidad térmica mejorada. De entre estos intentos se destacan aquéllos que utilizan el sistema aluminio-níquel con adiciones mínimas de zirconio. Los siguientes artículos de revistas representan estos intentos:

N.A. Belov, Structure and Strength of Cast Alloys of the System Aluminum-Nickel-Zirconium, Metallov., n.e 10, págs. 19-22, 1993.

N.A. Belov, Principies of Optimizing the Structure of Creep-Resisting Casting Aluminum Alloys using Transition Metals, Journal of Advanced Materials, vol. 1, n.e 4, págs. 321-329, 1994.

N.A. Belov, V.S. Zolotorevsky, S. Goto, A.N. Alabin, V.V. Istomin-Kastrovsky, y V.l. Mishin, Effect of Zirconium on Liquidus and Hardening of AI-6%Ni Casting Alloy, Metals Forum, vol. 28, págs. 533-538, 2004.

Los artículos de revistas anteriores enseñan que puede producirse una estructura óptima para una aleación de aluminio que muestra estabilidad a alta temperatura basándose en una composición eutéctica que consiste en una fase de disolución sólida de aluminio (a-aluminio) que se alea con al menos un 0,6% en peso de zirconio; y una segunda fase que tiene una alta resistencia a la fluencia, concretamente trialuminuro de níquel (AtaNi).

Los artículos de revistas anteriores también enseñan que los objetos hechos a partir de estas aleaciones se obtienen fundiendo los componentes de aleaciones sólidas pesados con cuidado (aluminio, aleación madre de aluminio níquel y aleación madre de aluminio zirconio) a aproximadamente 900eC. Esta temperatura de fusión relativamente alta es necesaria para disolver el alto contenido en zirconio (> 0,6% en peso de zirconio) para dar aluminio y obtener una masa fundida homogénea de aluminio-níquel-zirconio. Además, los artículos de revistas anteriores enseñan que la masa fundida de aluminio-níquel-zirconio debe enfriarse a una velocidad de enfriamiento más rápida de 102C/segundo con el fin de solidificarla y mantener una disolución de zirconio sólida supersaturada homogénea en a-aluminio a temperatura ambiente. Además, los artículos de revistas anteriores enseñan que a medida que se enfría el material desde la temperatura de fusión, puede conformarse para obtener la forma de objeto deseada mediante moldeo en un molde. Dicho molde debe permitir que el material se enfríe desde la temperatura de fusión hasta la temperatura ambiente a una velocidad que supere los 102C/segundo. Finalmente, los artículos de revistas anteriores enseñan que el objeto sólido moldeado puede envejecerse a una temperatura entre 350eC y 450eC con el fin de precipitar partículas de trialuminuro de zirconio (AhZr) finas que endurecen la aleación.

Cuando se procesan de manera apropiada, las aleaciones representadas en los artículos de revistas anteriores tienen mejores propiedades mecánicas a una temperatura elevada que en el caso de las aleaciones de fundición de aluminio tradicionales. Sin embargo, el endurecimiento no se producirá en las aleaciones representadas en los artículos de revistas anteriores a menos que el contenido en zirconio de la aleación sea superior al 0,4% en peso y no se producirá un endurecimiento significativo a menos que el contenido en zirconio de la aleación sea de al menos

el 0,6% en peso. Cantidades menores de zirconio no darán como resultado un volumen de partículas de segunda fase (en este caso AtaZr) que sea suficiente para inducir un endurecimiento significativo de la disolución sólida de a- aluminio. La figura 1 ilustra la cantidad de sólido presente en la masa fundida como una función de la temperatura para una aleación de la técnica anterior. La figura muestra que la aleación se funde completamente sólo a temperaturas por encima de 850eC. Tal alta temperatura de fusión no permite que las aleaciones representadas en los artículos de revistas anteriores se procesen para obtener objetos conformados mediante moldeo por inyección a alta presión convencional puesto que la temperatura de la masa fundida que puede introducirse en el cilindro de inyección de una máquina de moldeo por inyección a alta presión tradicional no debería sobrepasar los 7502C.

Es necesaria una alta velocidad de enfriamiento, superior a 102C/segundo, para mantener un 0,6% en peso de zirconio en disolución sólida en a-aluminio a temperatura ambiente. A excepción del moldeo por inyección a alta presión, tal alta velocidad de enfriamiento no puede alcanzarse en la mayor parte de objetos que se moldean mediante los procesos de moldeo convencionales. Por consiguiente, a excepción del moldeo de objetos muy pequeños en moldes de cobre o grafito, las aleaciones representadas en los artículos de revistas anteriores no pueden procesarse para obtener objetos conformados mediante los procesos de moldeo convencionales.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere a una clase de aleaciones de aluminio que (i) se refuerzan por dispersión, (ii) pueden endurecerse por envejecimiento para obtener propiedades mecánicas mejoradas y (iii) pueden procesarse mediante moldeo por inyección a alta presión convencional para producir artículos conformados que tienen propiedades mecánicas útiles a temperaturas de hasta al menos 300eC.

Un objeto de la presente invención es proporcionar materiales ligeros, resistentes al desgaste y resistentes a la corrosión que puedan moldearse a través del proceso de moldeo por inyección a alta presión convencional y que sean térmicamente estables hasta al menos 300eC.

El objeto anterior se alcanza según la invención mediante una aleación de aluminio para moldeo por inyección que comprende

del 4 al 6% en peso de níquel, del 0,1 al 0,3% en peso de zirconio, del 0,3 al 0,4% en peso de vanadio, opcionalmente hasta el 5% en peso de manganeso, opcionalmente hasta el 2% en peso de hierro, opcionalmente hasta el 1% en peso de titanio, opcionalmente hasta el 2% en peso de hafnio, opcionalmente hasta el 2% en peso de magnesio, opcionalmente hasta el 1% en peso de cromo, opcionalmente hasta el 1% en peso de molibdeno, opcionalmente hasta el 0,5% en peso silicio, opcionalmente hasta el 0,5% en peso de cobre, opcionalmente hasta el 0,5% en peso de zinc,

y aluminio como resto con impurezas debidas a la producción de en total como máximo el 1% en peso.

Las aleaciones de la presente invención tienen la composición química general: aluminio-níquel-zirconio-vanadio y su composición química se optimiza de modo que su temperatura de liquidus es menor de 7502C.

Tras la solidificación a partir de la masa fundida, el níquel y el aluminio forman una estructura eutéctica compuesta por una disolución sólida de níquel en aluminio (que se denomina fase de a-aluminio) y una segunda fase compuesta por trialuminuro de níquel (AI3NÍ). Las aleaciones con un componente... [Seguir leyendo]

Aleación de aluminio para moldeo por inyección que comprende del 4 al 6% en peso de níquel, del 0,1 al 0,3% en peso de zirconio, del 0,3 al 0,4% en peso de vanadio, opcionalmente hasta el 5% en peso de manganeso, opcionalmente hasta el 2% en peso de hierro, opcionalmente hasta el 1% en peso de titanio, opcionalmente hasta el 2% en peso de hafnio, opcionalmente hasta el 2% en peso de magnesio, opcionalmente hasta el 1% en peso de cromo, opcionalmente hasta el 1% en peso de molibdeno, opcionalmente hasta el 0,5% en peso de silicio, opcionalmente hasta el 0,5% en peso de cobre, opcionalmente hasta el 0,5% en peso de zinc,

y aluminio como resto con impurezas debidas a la producción de en total como máximo el 1% en peso.

Aleación de aluminio para moldeo por inyección según la reivindicación 1, que incluye partículas dispersadas de manera sustancialmente uniforme de AhZrxVi-x, donde x es una fracción unitaria que depende de la razón de Zr: V en la aleación, teniendo las partículas un diámetro equivalente de menos de aproximadamente 50 nm y preferiblemente menos de aproximadamente 30 nm.

Aleación de aluminio para moldeo por inyección según la reivindicación 1, que incluye partículas de AhNi que tienen un diámetro equivalente de menos de aproximadamente 500 nm, preferiblemente menos de aproximadamente 300 nm, particularmente menos de aproximadamente 100 nm.

Aleación de aluminio para moldeo por inyección según la reivindicación 1, que incluye partículas dispersadas de manera sustancialmente uniforme de aluminuro de manganeso que tienen un diámetro equivalente de menos de aproximadamente 50 nm y preferiblemente menos de aproximadamente 30 nm.

Aleación de aluminio para moldeo por inyección según la reivindicación 1, que incluye partículas dispersadas de manera sustancialmente uniforme de aluminuro de hierro que tienen un diámetro equivalente de menos de aproximadamente 50 nm y preferiblemente menos de aproximadamente 30 nm.

Componente moldeado por inyección compuesto por una aleación de aluminio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.

Método para producir un componente moldeado por inyección compuesto por una aleación de aluminio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se endurece por envejecimiento la aleación manteniendo el componente moldeado por inyección solidificado a una temperatura de 250eC a 350eC durante de 2 a 6 horas tras lo cual se mantiene a una temperatura de 3502C a 4502C durante de 2 a 6 horas.