EN COLADAS DE ALUMINIO RECICLADO LIBRES DE FASES BETA CON

FORMA DE LAMINILLA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a aleaciones de aluminio, más particularmente, se refiere a coladas de aleación de aluminio adecuadas como componentes por ejemplo para aplicaciones en vehículos, máquinas y eléctricas que se requiere que tengan valores de alta resistencia y alta elongación entre otras propiedades. La presente invención también se refiere a un procedimiento para su preparación a partir de aleaciones de aluminio reciclado con el fin de obtener una colada de aluminio reciclado libre de fases beta con forma de laminilla. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las aleaciones de aluminio se usan ampliamente en diversas aplicaciones, por ejemplo, como componentes en las aplicaciones de automoción, aeroespaciales, en máquinas industriales, eléctricas, etc., debido a sus excelentes propiedades mecánicas así como otras propiedades tecnológicas tales como resistencia a la corrosión y tendencia reducida al agrietamiento en caliente.

Para la fabricación de aleaciones de aluminio existen básicamente dos procedimientos diferentes que difieren en la materia prima: la producción primaria (aleación primaria) que es de minerales ricos en aluminio (bauxita) y el reciclado de aluminio (aleación secundaria) cuya materia prima es escoria y otros residuos ricos en aluminio.

La producción de la aleación primaria consiste básicamente en la reducción del óxido presente en la bauxita potenciando la pureza del aluminio mediante electrólisis. El inconveniente más importante de este procedimiento es la alta cantidad de energía (desde 14 hasta 15 Kwh/kg) que se necesita para producir aluminio, mientras que en el procedimiento de reciclado de aluminio los costes son de aproximadamente 0,5-0,75 Kwh/kg, lo que es inferior al 5% de la producción primaria.

En la actualidad, las aleaciones de AISiMg son una de las aleaciones de coladas de aluminio más comunes para partes de alta seguridad, tales como componentes de automoción o aeroespaciales, que requieren altas propiedades mecánicas. Esta aleación presenta también alta ductilidad debido al bajo contenido en impurezas y a la adición de elementos tales como Ti o Sr que retinan y modifican la microestructura, respectivamente. Las aleaciones de AISiMg se usan ampliamente para coladas producidas en moldes de arena, permanentes y de cera perdida.

El alto contenido en impurezas, especialmente el alto contenido en hierro, en aleaciones secundarias (aluminio reciclado) se considera la principal desventaja. El contenido en hierro aumenta en el aluminio reciclado tras cada fusión subsiguiente; su eliminación o reducción es técnicamente muy compleja y bastante cara, no siendo económicamente viable.

La microestructura de las aleaciones de AISiMg presenta dendritas de aluminio alfa y fases eutécticas de Al-Si y otras fases intermetálicas entre las que pueden destacarse las ricas en hierro. Se sabe bien que el hierro es la impureza más común y perjudicial en aleaciones de aluminio para las propiedades mecánicas, promoviendo la aparición de fases ricas en hierro intermetálicas duras y frágiles durante la solidificación. La fase beta con forma de laminilla (AI ₅ FeSi) es la más perjudicial puesto que se sabe bien que la ductilidad y tenacidad se ven disminuidas significativamente. Por tanto, ha habido recientemente un interés creciente en el desarrollo de procedimientos para producir aleaciones de aluminio reciclado mejoradas en las que la formación de la fase beta se reduce y por tanto se mejoran las propiedades mecánicas.

Entre los diferentes procedimientos mencionados anteriormente, la neutralización química es hasta el momento la técnica más usada. La estrategia se basaba en la inhibición de la morfología de laminilla promoviendo la precipitación de la fase de tipo AI ₁₅ Fe ₃ Si ₂ con la adición de un elemento neutralizante (Mn, Cr, Co y Be) y en algún caso controlando las condiciones de cristalización.

Otros procedimientos se basan en la selección de materias primas con bajo contenido en hierro o su dilución con aluminio primario puro. Otros procedimientos se refieren a fusión por condensación y sedimentación de fases intermetálicas ricas en hierro mediante el denominado lodo. Sin embargo, todos estos procedimientos dan como resultado considerables pérdidas de aluminio (aproximadamente el 10%) y por tanto no son aceptables.

La patente WO 97/13882 da a conocer un procedimiento para producir aleaciones de AISi que contienen hierro, en particular aleaciones de Al-Si-Mn-Fe. Las propiedades mecánicas de las aleaciones de Al mencionadas anteriormente con contenido en hierro entre el 0,4 y el 2,0% en peso pueden mejorarse controlando la morfología de los precipitados intermetálicos que contienen hierro. Se ha encontrado que la precipitación de fase beta con forma de laminilla (β- AI ₅ FeSi) se suprime mediante una precipitación primaria de la fase de tipo AI ₈ Fe ₂ Si hexagonal que es a su vez una menos perjudicial. El procedimiento comprende controlar además el estado de la cristalización mediante la adición de uno o más elementos tales como Ti, Zr, Sr, Na y Ba.

A pesar de la variedad de procedimientos en el estado de la técnica, existe todavía la necesidad de proporcionar un procedimiento para obtener coladas de aluminio reciclado con propiedades mecánicas cercanas a las obtenidas en aleaciones primarias, pero con unos costes de producción mucho más bajos. El procedimiento se basa en la obtención de coladas de aluminio libres de fases beta con forma de laminilla usando aluminio reciclado con alto contenido en hierro.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 . Tabla que muestra la composición química de aleaciones de AISi7Mg con adiciones de Mn, Cr y V a lingotes reciclados (composición base).

Figura 2: colada de prueba de tracción usada para evaluar las propiedades mecánicas.

Figura 3: vista general de la aleación de AISi7Mg secundaria con adiciones de Mn, Cr y V, correctamente desgasificada, que no presenta porosidad.

Figura 4: micrografías ópticas que muestran fases intermetálicas ricas en hierro: a) fase de -AI ₅ FeSi con forma de laminilla en una aleación de AISi7Mg secundaria sin adiciones de Mn, Cr o V, b) fases α con forma globular en una aleación de AISi7Mg secundaria con adiciones de Mn, Cr y V.

Figura 5: imágenes de electrones retrodispersados y espectro de EDX de tres aleaciones de AISi7Mg secundarias diferentes que muestran los diferentes precipitados ricos en hierro intermetálicos ( -AI ₅ FeSi, a-AI ₁₅ (Fe,Mn,Cr,V) ₃ Si ₂ ) dependiendo del elemento de aleación añadido (Mn, Cr, V); a) sin elementos de aleación; b) con adiciones de Mn y Cr y c) con adiciones de Mn, Cr y V. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un aspecto de la presente invención se refiere a una aleación de aluminio que contiene hierro, denominada a continuación en el presente documento aleación de la invención, que está libre de fase beta con forma de laminilla primaria del tipo AI ₅ FeSi en la estructura solidificada que presenta la siguiente composición (cantidades expresadas en porcentaje en peso, % en peso con respecto al peso total de la aleación): Si 6,00 - 9,50

Fe 0,15 - 0,60

Mn 0,04 - 0,60

Mg 0,20 - 0,70

Cr 0,01 - 0,60

Ti 0,05 - 0,30

Sr y/o Na 0,001 - 0,25

V 0,00 - 0,60

Cu 0,01 - 0,25

Ni 0,01 - 0,1

Zn 0,01 - 0,1

siendo el resto Al e impurezas adicionales.

En una realización particular, la aleación de aluminio que contiene hierro de la invención presenta una composición caracterizada porque la cantidad de Mn más Cr en porcentaje en peso es igual o mayor del 50% de la cantidad de Fe.

En otra realización particular, la aleación de aluminio que contiene hierro de la invención presenta una composición caracterizada porque la cantidad de Mn más Cr más V en porcentaje en peso es igual o mayor del 50% de la cantidad de Fe.

En una realización particular adicional, la aleación de aluminio que contiene hierro de la invención presenta un contenido en Fe de entre el 0,15 - 0,40% en porcentaje en peso y una cantidad de Mn más Cr más V comprendida entre el 0,15 - 0,40% en peso.

En otro aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para la preparación de la aleación de aluminio de la invención que comprende las siguientes etapas:

a) Fundir un lingote de AISi7Mg secundario de aluminio reciclado.

b) Añadir los elementos de aleación:

(i) Mn + Cr o

(ii) Mn+Cr+V

en cantidades adecuadas

c) Añadir un refinador de grano y un agente de modificación de silicio eutéctico.

d) Someter la aleación fundida obtenida en la etapa c) a un procedimiento de desgasificación.

e) Introducir la aleación fundida desgasificada en un molde.

f) Solidificar la colada dentro del molde. g) Extraer la colada del molde.

Durante el procedimiento de fusión de lingotes secundarios, debido a la humedad tanto de los lingotes como del propio ambiente, y también debido a la afinidad del aluminio por el oxígeno, se forman Al ₂ 0 ₃ e H ₂ . La alúmina originada de este modo pasa a formar parte de la escoria y el hidrógeno libre se disuelve en la masa fundida. La presencia de hidrógeno genera poros en las coladas solidificadas, lo que reduce la ductilidad y la resistencia. Por tanto, el procedimiento de la invención comprende el procedimiento de desgasificación según procedimientos ya conocidos tales como tratar la aleación fundida con nitrógeno seco o argón seco hasta que el contenido en hidrógeno disuelto en la masa fundida es suficientemente bajo.

El procedimiento comprende la adición de elementos de aleación añadidos como elementos puros o aleaciones madre. La presente invención reside en la adición de elementos de aleación: Mn+Cr o Mn+Cr+V, a la composición base de un lingote de AISi7Mg secundario de segunda fusión (o aluminio reciclado).

El procedimiento comprende la adición de agentes de modificación eutéctica y refinadores de grano por medio de adiciones de aleaciones madre. El agente modificador Na o Sr son los más comunes y se añaden para lograr la modificación de la estructura Al-Si eutéctica, que precipita durante la solidificación, mostrando una morfología redondeada en lugar de la estructura de aguja, típica cuando no se añade un agente de modificación de este tipo. Se sabe bien que la presencia de tales estructuras de aguja reduce las propiedades mecánicas (ductilidad, resistencia) de las aleaciones, promoviendo la aparición de grietas. En el caso de agentes de refino, se usan aleaciones madre de TiB para obtener una microestructura que muestra un tamaño de grano fino y mejorar así las propiedades mecánicas finales y también reducir la tendencia a la porosidad.

Según el procedimiento para la preparación de la aleación de aluminio de la invención, las fases beta con forma de laminilla (AI ₅ FeSi), tan perjudiciales para las propiedades mecánicas finales, desaparecen y se sustituyen por fases alfa con forma globular (AI ₈ Fe ₂ Si) obteniendo una mejora sustancial en las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, límite de elasticidad y alargamiento). Las propiedades de las aleaciones recicladas obtenidas según el procedimiento de la presente invención muestran propiedades mecánicas comparables a las obtenidas en aleaciones primarias.

En la etapa e), la aleación fundida desgasificada se vierte en un molde de arena y permanente. Tras llenar el molde, la aleación de colada solidifica y se obtiene una colada de aluminio.

Las aleaciones de aluminio usadas en coladas de alta responsabilidad tienen que satisfacer ciertas propiedades mecánicas y tecnológicas. Por este motivo, estas partes se someten generalmente a un tratamiento térmico T6. Otro aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento para preparar una colada de aleación de aluminio que comprende someter la colada solidificada tal como se describió anteriormente a un tratamiento térmico T6. Un tratamiento T6 comprende una primera etapa de tratamiento térmico en solución, calentando las coladas a una temperatura entre 500 ⁵ C y 600 ⁵ C durante de 2 a 6 horas, seguido por temple instantáneo. La segunda etapa consistirá en un envejecimiento artificial a una temperatura entre 150 ⁵ C y 180 ⁵ C durante de 2 a 8 horas.

En un aspecto adicional la invención se refiere a una colada de aleación de aluminio que puede obtenerse mediante el procedimiento definido anteriormente que presenta una resistencia a la tracción entre 250-300 MPa, una resistencia al estiramiento entre 190-230 MPa y valores de elongación entre el 4,5-9%.

La colada de aleación de aluminio de la invención puede usarse como componente para componentes de transporte tales como ruedas, partes de suspensión, partes de freno y componentes de la industria energética.

Un aspecto adicional de la invención se refiere a un componente fabricado a partir de coladas de aleación de aluminio reciclado tal como rótula de dirección, cilindro principal y zapata de freno.

Según la invención, se vierten probetas para pruebas de tracción en un molde de arena y moldes permanentes de la aleación de aluminio de la invención con adiciones de Mn, Cr y V. Las propiedades mecánicas se determinaron con la probeta para pruebas de tracción según la norma (UNE UNE-EN 1706), (véase la figura 2). Las aleaciones de aluminio presentan una resistencia a la tracción de al menos 250 MPa, una resistencia al estiramiento de al menos 190 MPa y una elongación de al menos el 4,5%. Las piezas de prueba según la invención se sometieron a análisis microestructural. Los inventores encontraron que la adición de cantidades controladas de Mn, Cr y V según la presente invención elimina las fases beta con forma de laminillas (AI ₅ FeSi).

Por otro lado, no se han observado interacciones entre las adiciones de Mn, Cr y V y elementos de modificación de la estructura, tales como Ti, B, Na y Sr. No se han observado diferencias en el refino de grano ni en la modificación eutéctica de Al-Si, con o sin adiciones de Mn, Cr, V. No se ha observado tampoco ninguna interferencia de los elementos Mn, Cr, V con el procedimiento de desgasificación convencional.

Según el alcance de la invención, además de las adiciones de Mn, Cr y V, pueden añadirse otros elementos para otros fines, sin afectar a las características de modificación de las fases de hierro debido a la presencia de estos elementos.

Lo anterior es ilustrativo de la presente invención. Sin embargo, esta invención no se limita a las siguientes realizaciones precisas descritas en el presente documento, sino que abarca todas las modificaciones equivalentes dentro del alcance de las reivindicaciones que siguen. EJEMPLOS

Ejemplo 1. Procedimiento para la preparación de coladas y aleaciones de aluminio

Se han producido las aleaciones de aluminio usando lingotes de AISi7Mg secundarios, obtenidos a partir de chatarra, escoria de aluminio reciclado y otros residuos metálicos ricos en aluminio. La siguiente tabla muestra las composiciones químicas de lingotes reciclados usados en los ejemplos, con contenido en hierro entre el 0,28% y el 0,34% en peso. Se muestran los tres lingotes reciclados (ref. I, II y III) que se han usado en las pruebas experimentales (composición base), siendo el resto Al:

Se fundieron los lingotes reciclados en un horno eléctrico (capacidad de 50 kg de aluminio fundido) a 710-750 ⁵ C. Entonces se aleó la masa fundida y se trató en líquido según el siguiente programa predeterminado:

1 . Se añadió Ti a la masa fundida (sólo a la masa fundida de Ref. I) en forma de aleaciones madre de TiB (5% de Ti-1 % de B) con el fin de ajustar el contenido en Ti entre el 0,15 - 0,20% en peso.

2. Después de eso se añadieron Mn, Cr, V usando aleaciones madre.

Se añadieron las cantidades específicas de los elementos de aleación usando aleaciones madre:

o Usando Mn al 90% en peso (Al al 10% en peso), o Usando Cr al 80% en peso (Al al 20% en peso), o Usando V al 10% en peso (Al al 90% en peso).

3. Finalmente se añadió una aleación madre de Sr al 10% a la masa fundida para ajustar el contenido en Sr entre el 0,005-0,025% de Sr; y se añadió Mg con el fin de ajustar su contenido entre el 0,25 - 0,70% de Mg según la norma UNE-EN 1706 (AISi7Mg).

Se mantuvo la masa fundida durante 10 minutos entre adiciones consecutivas para lograr la homogeneización química.

Con el fin de determinar la composición de las aleaciones que se habían producido, se moldearon por colada medallas y se analizaron después de eso por medio de espectrometría de emisión por chispa.

Una vez que se demostró que las aleaciones de aluminio tenían las composiciones químicas correctas, (véase la tabla en la figura 1 ), se sometió la masa fundida a desgasificación usando N ₂ durante aproximadamente 20 minutos. Se comprobó la eficacia de la desgasificación (la presencia de hidrógeno en el aluminio) por medio de presión reducida o la prueba de Straube-Pfeiffer en la que se tomaron muestras para la evaluación de la densidad de la aleación tras desgasificar. En todos los casos, se obtuvo una densidad mínima de 2,65 g/cm ³ en muestras solidificadas a vacío.

Entonces, la siguiente etapa fue tal como sigue: se vertió el líquido de metal en moldes de arena ligados químicamente, a temperaturas entre 710 ⁵ C y 740 ⁵ C, con el fin de obtener probetas para pruebas de tracción (norma UNE-EN-ISO 6892- 1 )-

Se sometieron las probetas para pruebas de tracción (figura 2) a un tratamiento térmico T6 en un horno de laboratorio con un control de temperatura de ± 2 ⁵ C. Las secuencias de este procedimiento térmico fueron las siguientes:

1 . tratamiento térmico en solución durante 7,5 h a 540 ⁵ C,

2. tras el tratamiento térmico en solución, se templaron de manera instantánea las muestras en agua a temperatura ambiente,

3. tras el temple instantáneo; la etapa final es el envejecimiento artificial de las muestras durante 5,5 h a 155 ⁵ C.

Se examinaron las microestructuras de las aleaciones de colada usando microscopía electrónica de barrido y óptica: se han evaluado el tamaño de grano, la tasa de modificación, las fases ricas en hierro y la porosidad en la colada de tracción, véase el ejemplo en la figura 3.

La figura 4 muestra las diferentes morfologías de las fases de hierro observadas en aleaciones de aluminio reciclado usando microscopía óptica. Se sabe que el hierro es la impureza más común y al mismo tiempo la más perjudicial en aleaciones de aluminio puesto que provoca que fases intermetálicas ricas en hierro duras y frágiles precipiten durante la solidificación. La fase más perjudicial en la microestructura es la fase beta del tipo AI ₅ FeSi debido a su forma de laminilla, véase la figura 4a). Esta figura muestra una fase de -A ₅ FeSi típica con una estructura cristalina monoclínica y una morfología similar a una lámina. Tales laminillas pueden tener una extensión de varios milímetros y aparecen como agujas en las secciones micrográficas. Con el fin de evitar la morfología de laminilla, se usa la neutralización química (adiciones de MnCrV o MnCr) según la presente invención que se ha demostrado que inhibe esta morfología beta promoviendo la precipitación de a-AI ₁₅ (Fe,Mn,Cr,V) ₃ Si ₂ con morfología de escritura china/globular, tal como se muestra en la figura 4.b), que contiene cantidades sustanciales de elementos de aleación (Mn, Cr, V).

Las aleaciones de aluminio con adiciones de Mn, Cr y V no presentan interacciones con aleaciones madre de TiB (agente refinador de grano) y adiciones de Sr (modificación de fases eutécticas de Si), obteniendo buenos niveles de refino de grano, modificación de Si y desgasificación de hidrógeno.

Ejemplo 2. Efecto de diferentes cantidades de elementos de aleación (Mn,Cr,V)

Cuando el contenido del resto de elementos químicos se mantiene constante, es posible estudiar el efecto de Mn, Cr y V variando el contenido de estos últimos. Se prepararon varias composiciones químicas según la presente invención, véase la tabla en la figura 1 .

Con el fin de determinar la eficacia de la modificación de las fases beta, se realizaron análisis metalográficos en todas las probetas de tracción. Se usaron microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido, MEB. El procedimiento de preparación consistía en seccionar, amolar y pulir las probetas.

La figura 5 muestra micrografías que corresponden a aleaciones de aluminio: a) sin adiciones de aleación (Mn, Cr, V) y b) con las adiciones de Mn + Cr y c) con la adición de Mn, Cr y V. A partir de estos resultados puede observarse que en b) y c) no se encontraron fases con forma de laminilla (fases beta) cuando se realizaron las adiciones mencionadas anteriormente en las condiciones descritas previamente en contraposición a a) en la que pueden observarse claramente estas fases con forma de laminilla (véanse las flechas apuntando a las mismas). Por tanto, con los resultados obtenidos, es posible concluir que la morfología de fase beta (forma de laminilla) se modifica con las adiciones de Mn más Cr o Mn más Cr más V, obteniendo fases con una morfología de escritura china/globular menos perjudicial para las propiedades mecánicas. Ejemplo 3. Evaluación de las propiedades mecánicas

Con el fin de caracterizar las propiedades mecánicas de aleaciones de colada de aluminio según la invención, se sometieron a prueba probetas para pruebas de tracción a temperatura ambiente según el procedimiento establecido en la norma UNE-EN-ISO 6892-1 . Se llevaron a cabo pruebas de tracción usando una máquina de pruebas universal de Instron para obtener la resistencia al estiramiento (fío ,2, MPa), la carga de rotura (fí _m , MPa) y el porcentaje de elongación (%). A partir de estas pruebas de tracción, se han obtenidos las siguientes resistencia al estiramiento, carga de rotura y elongación:

• Resistencia al estiramiento, fí _0,2 = 200 MPa.

· Carga de rotura, fí _m = 274 MPa.

• Elongación = 8,5%.