MATERIAL METÁLICO OBTENIBLE

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de material metálico mediante procesado por extrusión en canal angular de material metálico en estado semisólido, al dispositivo asociado a dicho procedimiento, así como al material metálico obtenible con dicho procedimiento. El procedimiento de la presente invención permite obtener un material metálico continuo de supenores propiedades mecánicas a las de la aleación semisólida discontinua de partida y de un tamaño de grano más fino.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se conocen en el estado de la técnica los procedimientos de extrusión de materiales metálicos en canal angular a partir de aleación semisólida, denominados ECAP (siglas en ingles de "equal channel angular pressing", extrusión en canal angular constante) para la obtención de un material metálico con grano ultrafino.

Los anteriores procedimientos aplican una deformación plástica severa en frío mediante una matriz que contiene dos canales que se intersecan en el centro de la misma, donde una probeta mecanizada se coloca en el canal superior de la matriz y seguidamente se aplica una elevada presión mediante un punzón, de manera que el material, sometido a una intensa deformación plástica, fluye a través de la matriz sin que se produzca ningún cambio en la sección transversal de las probetas y de esta manera se consigue afinar el grano hasta conseguir tamaños de grano ultrafinos, menores de 1 micrómetro, donde el esfuerzo se produce por el esfuerzo de cizalla en el ángulo de intersección. Entre los anteriores se conoce la solicitud de patente JP2009208099A que divulga un dispositivo y un procedimiento ECAP que se aplica sobre una aleación ligera en estado semisólido (AI-7%S¡) (650 °C) en varias pasadas a una temperatura de unos 200 °C, es decir, enfriando ligeramente la aleación semisolida antes de entrar en la matriz de ECAP con ángulo entre canales de 90°, con lo que se consigue afinar el tamaño de grano hasta el tamaño de 1 pm, debido a la extrema localización de la deformación de cizalla en un plano a elevada tensión.

Como resumen, el anterior procedimiento describe las etapas siguientes:

- introducción discontinua del material semisólido en el dispositivo,

- enfriamiento paulatino hasta la temperatura de extrusión angular que puede bajar hasta la temperatura deseada, donde cuanto más baja sea la temperatura, más presión se deberá ejercer sobre el material semisólido y mayor el afino microestructural.

- extrusión angular a través de un codo o canal angular deformando severamente en un plano de cizalla muy localizado.

Se conocen procedimientos que aplican la misma técnica ECAP, donde el material discontinuo en estado semisólido se hace pasar varias veces por el canal angular y se extruye en la matriz. Entre los anteriores se encuentra la publicación "Fatigue Behaviour and Mechanical Properties of ECAP'ed and Thixoformed AA7075", Hasan Kaya and Mehmet ligar, donde el procedimiento de ECAP es seguido por un procedimiento de thixoforming aplicado sobre una aleación de Al AA7075 y donde el procedimiento de ECAP puede comprender varias pasadas por la matriz antes de llevar a cabo el procedimiento de thixoforming donde se vuelve a calentar a 570 °C durante 15 min. El procedimiento de la presente invención permite obtener un matenal metálico continuo de superiores propiedades mecánicas a las de la aleación semisólida discontinua de partida. Se consigue un tamaño de grano más fino que los conocidos en el estado de la técnica, reduciendo costes y aumentando la eficiencia.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de matenal metálico mediante procesado por extrusión en canal angular de matenal metálico en estado semisólido que permite obtener un material continuo partiendo de un material discontinuo.

El procedimiento comprende las siguientes etapas:

- una etapa de introducción de al menos dos tochos de material semisólido en un dispositivo que comprende una matriz de ECAP, donde el dispositivo comprende un canal de entrada,

- una etapa de unión mediante presión de los al menos dos tochos de matenal semisólido introducidos en el canal de entrada,

- una etapa de extrusión angular a través de un canal angular de la matriz ECAP, definido en la zona de intersección de un canal de entrada y un canal de salida de dicha matriz ECAP, de los al menos dos tochos unidos en la etapa de unión, con lo que se consigue deformar severamente y en estado sólido, el material continuo formado en la etapa de unión.

La etapa de unión mediante presión de los al menos dos tochos de material semisólido introducidos en el canal de entrada se lleva a cabo por contacto facilitado por la fracción líquida del material semisólido, lo que aumenta el contacto íntimo y la difusión de elementos entre tochos.

Opcionalmente, el procedimiento comprende una etapa de extrusión reductora de la sección inicial de los tochos a la sección del canal de entrada a la matriz ECAP, previa a dicha etapa de extrusión angular. Esta etapa genera un afino microestructural inicial que facilita un mayor afino posterior en la etapa de extrusión angular. Opcionalmente, el procedimiento comprende una etapa de enfriamiento gradual hasta una temperatura de extrusión entre la etapa de unión mediante presión de los al menos dos tochos de material semisólido introducidos en el canal de entrada y la etapa de extrusión angular, de manera que cuanto más baja sea la temperatura, más presión se deberá ejercer sobre el material y se logrará mayor afino microestructural en la etapa de extrusión angular.

La etapa de extrusión angular se lleva a cabo de manera localizada en el plano de cizalla, que es el formado entre el canal de entrada y el canal de salida de la matriz de ECAP, generando fragmentación de estructuras (eutécticas, por ejemplo), precipitados y/o partículas, y un importante afino de grano que mejora la resistencia mecánica, resistencia a la fractura, ductilidad y tenacidad del material procesado.

El material semisólido de partida puede ser cualquier aleación que presente, en el diagrama de fases, un campo líquido-sólido. Como ejemplo, el material semisólido de partida puede ser una aleación ligera (AI-7%S¡) o una aleación de aluminio y magnesio, donde el material se encuentra inicialmente entre 590 °C y 640 °C dependiendo de la composición. A la salida, el material ya continuo presentará un tamaño de grano ultrafino, menor de 1 pm, así como un tamaño de partículas, precipitados e inclusiones, en general del orden de 1 pm.

El dispositivo para llevar a cabo el procedimiento anterior comprende una matriz de ECAP con un canal de entrada y un canal de salida que forman un ángulo entre sí, preferentemente de entre 60° y 180°, más preferentemente entre 90° y 120°.

Opcionalmente, la sección del canal de entrada del dispositivo es mayor que la sección del canal de entrada de la matriz ECAP, donde preferentemente, la relación de secciones anterior se encuentra entre los valores 4:1 y 40:1 , de manera que queda definida en el dispositivo una zona de extrusión reductora, dispuesta previamente a la matriz ECAP, para obtener un material de salida con mejores propiedades mecánicas.

El dispositivo comprende además un émbolo de compresión dispuesto en la parte superior de un canal de entrada del dispositivo, que es preferentemente vertical, donde el émbolo de compresión en su recorndo produce la unión entre tochos y los empuja a su paso por el ángulo de cizalla de la matriz de ECAP, y un émbolo de alimentación desplazable por un canal de alimentación adyacente a la parte superior del canal de entrada del dispositivo.

Opcionalmente, el émbolo de alimentación es perpendicular al émbolo de compresión y tiene alineadas sus cotas superior e inferior entre las posiciones de mínimo y máximo recorndo del émbolo de compresión, respectivamente.

El canal de entrada comprende un orificio lateral que comunica el canal de alimentación con el canal de entrada, de tal forma que el émbolo de compresión se encuentra en su posición de desplazamiento mínimo mientras que el de émbolo de alimentación realiza su recorrido empujando el material semisólido de aporte hasta su posición de desplazamiento máximo, donde en la posición de desplazamiento máximo, el émbolo de alimentación realiza la función de pared del canal cerrando el orificio lateral en las etapas posteriores a la etapa de introducción de al menos dos tochos de material semisólido en el dispositivo.

Opcionalmente, el dispositivo comprende además una zona de refrigeración adyacente al canal de entrada de la matriz ECAP, lo que permite obtener una determinada temperatura de procesado y/o tratamiento térmico, y con ello propiedades mecánicas muy superiores. La longitud óptima del canal de entrada está determinada por el gradiente térmico y/o la velocidad de enfriamiento requeridos, ahorrando costes de refrigeración. El material metálico continuo obtenido presenta una microestructura más homogénea que los tochos de partida, disminuyendo el tamaño de sus defectos y obteniendo menor tamaño de grano. Esto redunda en unas propiedades mecánicas muy superiores, tanto en resistencia como en ductilidad. Los materiales de partida pueden ser aleaciones metálicas, especialmente aquellas que se presten al conformado mediante thixoforming en una sola etapa, sin tener que reprocesar severamente el material posteriormente.

La longitud del material metálico continuo obtenido no está limitada y únicamente será función del número de tochos unidos en la etapa de unión mediante presión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra una vista en esquema del dispositivo de la presente invención cuando se va a llevar a cabo la introducción de un tocho enésimo, t _n , una vez que se han introducido unos n-1 tochos previos, t _n- i, t _n- 2, ... , t2, t-i.

La Figura 2 muestra una vista en esquema del dispositivo de la presente invención inmediatamente después de la introducción del tocho enésimo, t„.

La Figura 3 muestra una vista en esquema del dispositivo de la presente invención en el instante de desplazamiento máximo del émbolo de compresión. En este instante ya se ha producido la unión del tocho enésimo, t _n , a los n-1 tochos previos t _n- i, t _n- 2, .... t2, t-ι, así como la cizalla del tocho correspondiente en el canal angular. La Figura 4 muestra un diagrama de fases de una aleación Al-Si donde se indican las temperaturas T _ms y T _m ¡ para una concentración del 7% en Si.

La Figura 5 muestra un diagrama de fases de una aleación Fe-C donde se indican las temperaturas T _ms y T _m ¡ para la concentración del 2% en C.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Según una explicación detallada de la invención, el procedimiento de obtención de material metálico mediante procesado por extrusión en canal angular de material metálico en estado semisólido que permite obtener un material continuo partiendo de un material discontinuo comprende las siguientes etapas:

- una etapa de introducción de n tochos de material semisólido, un primer tocho (t-ι ), un segundo tocho (t ₂ ), un tercer tocho (t ₃ ) y así hasta un enésimo tocho (t _n ) en un dispositivo que comprende una matriz de ECAP (6), donde el dispositivo comprende un canal de entrada (4),

- una etapa de unión mediante presión por contacto de los tochos (t-ι , t ₂ , t _n- 2, t _n- i , t _n ) de material semisólido introducidos en la matriz de ECAP (6),

- una etapa de extrusión reductora de la sección inicial de los tochos (t-ι , t ₂ , t _n- 2, t _n- i , t _n ) de material semisólido introducidos en la matriz de ECAP (6), de manera que se reduce la sección de los tochos (t-ι , t ₂ , t _n- 2, t _n- i , t„ ) de la sección del canal de entrada (4), a la sección de un canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6),

- una etapa de enfriamiento gradual hasta una temperatura de extrusión,

- una etapa de extrusión a través de un canal angular de la matriz ECAP (6), en un plano de cizalla (12), definido en la zona de intersección del final del canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6) y y un canal de salida (5) de la matriz ECAP (6).

El dispositivo para llevar a cabo el procedimiento anterior comprende una matriz de ECAP (6) que comprende un canal de entrada (15) vertical y un canal de salida (5) horizontal que forman un ángulo entre sí, preferentemente de entre 60° y 180°, más preferentemente entre 90° y 120° y más preferentemente es de 90°, como en el ejemplo mostrado en las Figuras. El dispositivo comprende además un émbolo de compresión (7) dispuesto en la parte superior del canal de entrada (4) del dispositivo, para la unión entre tochos (t-ι, t ₂ , t _n- 2, t _n -i, t„) y la extrusión de los mismos a través del canal angular de la matriz de ECAP (6), y un émbolo de alimentación (8) de los tochos (t-ι, t ₂ , t _n -2, t _n -i, t„), perpendicular al émbolo de compresión (7) y desplazable por un canal de alimentación (9) adyacente a la parte superior del canal de entrada (4) del dispositivo y perpendicular a éste (4).

El canal de entrada (4) del dispositivo comprende un orificio lateral (10) que comunica el canal de alimentación (9) con el canal de entrada (4), donde las cotas superior e inferior del canal de alimentación (9), definidas por el orificio lateral (10), se encuentran dispuestas entre las posiciones de mínimo y máximo recorrido del émbolo de compresión (7), respectivamente.

El dispositivo comprende una zona de extrusión reductora (14) de los tochos (t-ι, t ₂ , t _n -2, t _n -i, t„) de material semisólido introducidos en la matriz de ECAP (6) donde la sección del canal de salida (5) es del orden de la sección del canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6).

El dispositivo comprende además una zona de refrigeración (1 1 ) dispuesta preferiblemente previamente al plano de cizalla (12) de la matriz ECAP (6), adyacente al canal de entrada (15) de la matriz ECAP (6).

El dispositivo y el procedimiento de la presente invención no está limitado por tanto a un número determinado de tochos, tal y como se muestra en las Figuras 1 a 3 donde se muestran n tochos, t _n , t _n- i, t _n- 2, .... , y en el que se produce un material continuo y de mejores propiedades. A continuación se muestran ejemplos de materiales a los que se les ha aplicado el procedimiento de la presente invención.

Para determinar los tiempos de consolidación de los tochos semisólidos (t-ι , t ₂ , ..., t _n -2, t _n- i , t _n ) a diferentes temperaturas y tensiones, es necesario conocer, para un determinado compuesto, las temperaturas límite del rango semisólido, según la siguiente fórmula: donde t es el tiempo de consolidación en segundos, A es una constante que toma el valor 4 0 ¹¹ , o es la tensión de consolidación del material continuo obtenido, E es el módulo de Young, y la constante 18.3 es un valor medio que sirve para diferentes sistemas de aleación basados en Al, Mg, Fe, L¡, Pb, Zn, Ag, Cu, Pd, V, etc .. , T _m es la temperatura de fusión absoluta, T es la temperatura de operación, y f _v es una función de aceleración de consolidación por la presencia de líquido: donde T _ms es la temperatura de fusión superior, T _m ¡ es la temperatura de fusión inferior (ambos límites del rango semisólido) y v es el exponente de velocidad de consolidación, que toma valores, en general, > 2.

EJEMPLO 1

En este primer ejemplo se utilizó la aleación AI-7%S¡, cuyo diagrama de fases Al-Si se muestra en la figura 4, indicando las temperaturas T _ms y T _m ¡ para una concentración del 7% en Si. También funciona para las aleaciones comerciales de aluminio A356, A357 y similares. Con estos valores, los tiempos de consolidación a distintas temperaturas, con distintas cargas, obtenidos a partir de las ecuaciones propuestas se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1

T, °c T, K σ, MPa t, s

580 853 10 4,7

590 863 10 2, 1

600 873 10 0,7

610 883 10 0, 1

619 892 10 0,0

580 853 5 9,4

590 863 5 4,2

600 873 5 1 ,5

610 883 5 0,3

619 892 5 0,0

580 853 2 23,5

590 863 2 10,5

600 873 2 3,7

610 883 2 0,7

619 892 2 0,0

5

EJEMPLO 2

En este segundo ejemplo se utilizó una aleación de acero al 2% en C, cuyo i o diagrama de fases Fe-C se muestra en la Figura 5, indicando las temperaturas T _ms y T _m ¡ para la concentración del 2% en C. El comportamiento es similar para aceros con otras composiciones de carbono y otros aleantes introduciendo los valores T _ms y T _m ¡ pertinentes. Con estos valores, los tiempos de consolidación a distintas temperaturas, con distintas cargas, obtenidos a partir de las 15 ecuaciones propuestas se muestran en la Tabla 2. Tabla 2

T, °c T, K σ, MPa t,s

1200 1473 30 17,7

1250 1523 30 4,8

1300 1573 30 1,1

1350 1623 30 0,1

1390 1663 30 0,0

1200 1473 20 26,5

1250 1523 20 7,1

1300 1573 20 1,6

1350 1623 20 0,2

1390 1663 20 0,0

1200 1473 10 53,0

1250 1523 10 14,3

1300 1573 10 3,2

1350 1623 10 0,4

1390 1663 10 0,0