Aleación basada en magnesio-aluminio con refinador de grano.

Un refinador de grano para usar en una aleación de magnesio-aluminio,

que tiene la fórmula química:

Mg100-x-y-zAlxCyRz

en la que R es un elemento seleccionado del grupo consistente en silicio, calcio, o estroncio, x es de 10 a 50% enátomos, y es de 10 a 35% en átomos, y z es de 1 a 20% en átomos, a condición de que x + y + z sea inferior a 100%en átomos.

Aleación basada en magnesio-aluminio con refinador de grano

Campo de la invención Esta invención se refiere a aleaciones basadas en magnesio-aluminio que tienen un tamaño de grano pequeño y a un método para su producción. Las aleaciones son particularmente útiles en aplicaciones de piezas coladas.

Los desarrollos de las aleaciones de magnesio han estado tradicionalmente impulsados por las necesidades de la industria aeroespacial de materiales ligeros de peso para operar bajo condiciones cada vez más exigentes. Las aleaciones de magnesio han sido siempre atractivas para los diseñadores debido a su baja densidad, únicamente dos tercios de la del aluminio. Este ha sido el principal factor en el uso extendido de piezas coladas y de productos forjados de aleaciones de magnesio.

Una necesidad más en los últimos años ha sido la de un superior comportamiento frente a la corrosión, y se han hecho demostraciones de espectaculares mejoras en nuevas aleaciones de magnesio. Las mejoras en propiedades mecánicas y en resistencia a la corrosión han conducido a un mayor interés por las aleaciones de magnesio para aplicaciones aeroespaciales y en especialidades.

Antecedentes de invención La idoneidad de las aleaciones de magnesio se mejora, por lo general, con un pequeño tamaño de grano. Un pequeño tamaño de grano representa, por lo general, unas propiedades mecánicas mejoradas y una uniformidad estructural de las aleaciones de magnesio que dan como resultado una mejor capacidad de trabajarlas mecánicamente, buena resistencia al rasgado en caliente y una superior capacidad de extrusión. Se producen numerosos componentes por extrusión, laminado o forja, a partir de tochos colados. Por eso, un pequeño tamaño de grano de las aleaciones de magnesio en la pieza colada es importante, no solo para el comportamiento en servicio de los productos acabados de colar, sino también para los componentes que son necesarios para llevar a cabo el tratamiento secundario.

De manera general, las aleaciones de magnesio se pueden clasificar en dos amplios grupos: aleaciones de magnesio que llevan aluminio, y que están exentas de aluminio. Las aleaciones exentas de aluminio se refieren principalmente a las que contienen cinc o grano refinado por circonio, tales como ZE41, ZK60, WE43 y EZ33. En estas aleaciones, los tamaños de grano se pueden controlar y reducir añadiendo circonio. La capacidad excepcional de refino de grano del circonio funciona en aleaciones que llevan aluminio, como por ejemplo AM59, AM60, y AZ91, ya que el aluminio y el circonio pueden interactuar fácilmente para formar fases intermetálicas estables que, por desgracia, son ineficaces como formadoras de núcleos para los granos de magnesio. Por lo tanto, es todavía deseable un refinador de grano adecuado para las aleaciones de magnesio-aluminio.

Estado de la técnica Se han explorado diversas propuestas para disminuir el tamaño de grano de las aleaciones de magnesio-aluminio, como, por ejemplo, en los documentos CN 101774013, CN 101135013 y CN 1410566.

En el método de sobrecalentamiento, las aleaciones de magnesio se calientan alrededor de 150 a 250ºC por encima de su punto de fusión, se mantienen a esa temperatura durante 5 a 15 minutos, y luego se enfrían rápidamente a la temperatura de colada. Se sugirió que el mecanismo del refino de grano era una nucleación heterogénea mediante un compuesto de Al-Mn-Fe. Se han observado algunas características básicas durante el método de sobrecalentamiento. En primer lugar, se requiere un intervalo específico de temperatura por encima de la temperatura de fluidez para maximizar el efecto de refino del grano. En segundo lugar, el enfriamiento rápido desde la temperatura de sobrecalentamiento a la temperatura de fluidez, y el corto tiempo de mantenimiento son también requisitos cruciales para producir granos finos. Debido a la alta temperatura, los costes de energía de este método son comparativamente alto, y está también el gasto implicado en evitar la oxidación de la masa fundida y en los procedimientos de mantenimiento y comprobación de la cuchara de colada.

La inoculación de carbono es otra propuesta principal y eficaz de refino de grano desarrollado hasta la fecha para las aleaciones basadas en magnesio-aluminio. El paso clave de este procedimiento es la introducción de carbono en el magnesio fundido. Se dice que el mecanismo de refino de grano es una nucleación heterogénea por el carburo de aluminio (Al4C3) producido mediante el carbono del compuesto que reacciona con el aluminio en la masa fundida. En los procedimientos comerciales, se añadía C7Cl6 como un refinador de grano, pero esto ya no está permitido porque produce gases nocivos. También se investigó el carbono inorgánico, como el grafito, el carbono y la cera, como refinador de grano. Sin embargo, sus efectos sobre el refino de grano son limitados.

En el método Elfinal se añade cloruro férrico a la masa fundida a alrededor de 760ºC, y la masa fundida se mantiene a esa temperatura durante 30 a 60 minutos, dando lugar a la formación de un compuesto de Al-Mn-Fe que se dijo que producía el refino del grano. Se ha informado que con el fin de obtener un efecto de refino pronunciado, el contenido de manganeso tiene que estar por encima de un valor crítico. El problema de este método es el deterioro de la resistencia a la corrosión originado por un efecto pila, localizado, del Fe y Mn.

Los métodos anteriores están descritos, por ejemplo por Lee et al., en Metallurgical and Materials Transactions, Vol. 31A, 2000, páginas 2805 - 2906.

En resumen, todavía no hay propuestas satisfactorias para refinar el grano de las aleaciones de magnesio-aluminio que se acaban de colar. Por lo tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un método mejorado de refino de grano de aleaciones basadas en magnesio-aluminio.

Resumen de la invención En un primer aspecto, la presente invención proporciona una aleación de magnesio-aluminio que comprende un refinador de grano, teniendo el refinador de grano la fórmula química:

Mg100-x-y-zAlxCyRz

en la que R es un elemento seleccionado del grupo consistente en silicio, calcio, o estroncio, x es de 10 a 50% en átomos, y es de 10 a 35% en átomos, y z es de 1 a 20% en átomos, a condición de que x + y + z sea inferior a 100% en átomos. Preferiblemente, x es de 20 a 50% en átomos.

La aleación de magnesio-aluminio comprende, preferiblemente, el refinador de grano en una cantidad añadida de 0, 1 a 2% en peso, del peso inicial de la aleación. La aleación de magnesio-aluminio puede ser cualquier aleación convencional que comprenda magnesio y aluminio. Preferiblemente, la aleación de magnesio-aluminio se selecciona del grupo consistente en aleaciones de magnesio-aluminio-cinc y aleaciones de magnesio-aluminio-manganeso, más preferiblemente, la aleación se selecciona del grupo consistente en AM50, AM60, AM201, AZ10, AZ31, AZ63, AZ80 y AZ91.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para producir una aleación de magnesioaluminio que tenga grano fino, que comprende fundir una aleación que comprenda magnesio y aluminio bajo una atmósfera de gas protector, añadir a la aleación de magnesio-aluminio fundida un refinador de grano que tenga la fórmula química:

Mg100-x-y-zAlxCyRz

en la que R es un elemento seleccionado del grupo consistente en silicio, calcio, o estroncio, x es de 10 a 50% en átomos, y es de 10 a 35% en átomos, y z es de 1 a 20% en átomos, a condición de que x + y + z sea inferior a 100% en átomos, y dejar que solidifique la aleación.

La aleación de magnesio-aluminio comprende, preferiblemente, el refinador de grano en una cantidad añadida de 0, 1 a 2% en peso, del peso inicial de la aleación. La aleación de magnesio-aluminio puede ser cualquier aleación convencional que comprenda magnesio y aluminio. Preferiblemente, la aleación de magnesio-aluminio se selecciona del grupo consistente en aleaciones de magnesio-aluminio-cinc y aleaciones de magnesio-aluminio-manganeso, más preferiblemente, la aleación se selecciona del grupo consistente en AM50, AM60, AM201, AZ10, AZ31, AZ63, AZ80 y AZ91, AE44, AE42, AJ53, AS41 y AS42.

Preferiblemente, la aleación de magnesio-aluminio fundida, que comprende el refinador de grano, se cuela antes de dejar que solidifique la aleación. Preferiblemente, el gas protector comprende un gas inerte tal como un gas noble, por ejemplo helio o argón. Más preferiblemente el gas protector es una mezcla de argón y SF6.

El refinador de grano se prepara, preferiblemente, mediante molienda de alta energía, que es un método eficaz para preparar el refinador de grano deseado, que tiene, comparativamente, un punto de fusión... [Seguir leyendo]

1. Un refinador de grano para usar en una aleación de magnesio-aluminio, que tiene la fórmula química:

Mg100-x-y-zAlxCyRz

en la que R es un elemento seleccionado del grupo consistente en silicio, calcio, o estroncio, x es de 10 a 50% en átomos, y es de 10 a 35% en átomos, y z es de 1 a 20% en átomos, a condición de que x + y + z sea inferior a 100% en átomos.

2. Un método para producir una aleación de magnesio-aluminio que tenga grano fino, que comprende fundir una aleación que comprenda magnesio y aluminio, bajo una atmósfera de gas protector, añadir a la aleación de magnesio-aluminio fundida un refinador de grano según la reivindicación 1, y dejar que la aleación solidifique.

3. El método de la reivindicación 2, en el que la aleación de magnesio-aluminio fundida que comprende el refinador de grano se cuela antes de dejar que la aleación solidifique.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, en el que el gas protector comprende argón.

5. El método de la reivindicación 4, en el que el gas protector comprende, además, SF6.

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el refinador de grano se usa en forma de polvo molido que tiene un tamaño de partícula inferior a 50 nm.

7. El método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que la aleación de magnesio-aluminio fundida se agita entre 10 minutos y 60 minutos, después de añadir el refinador de grano.

8. El método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que la aleación de magnesio-aluminio se selecciona del grupo consistente en aleaciones de magnesio-aluminio-cinc y aleaciones de magnesio-aluminiomanganeso.

9. El método de la reivindicación 8, en el que la aleación de magnesio-aluminio se selecciona del grupo consistente en AM50, AM60, AM201, AZ10, AZ31, AZ63, AZ80, AZ91, AE44, AE42, AJ53, AS41 y AS42.