ES2305507T3 - Pieza moldeada de aleacion de aluminio de alta resistencia en caliente. - Google Patents
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Abstract
Pieza moldeada de alta resistencia a la fluencia cuya aleación tiene la composición (% en peso): (Ver tabla) otros elementos < 0,10 cada uno y 0,30 en total, resto aluminio.
Description
Pieza moldeada de aleación de aluminio de alta
resistencia en caliente.
La invención se refiere a las piezas moldeadas
de aleación de aluminio sometidas a altas tensiones térmicas y
mecánicas, en particular a las culatas y los cárteres de motores de
combustión interna, y más particularmente de motores turbocargados
de gasolina o diésel. Fuera de la automoción también se encuentran
piezas sometidas a los mismos tipos de tensiones, en el ámbito de
la mecánica o la aeronáutica por ejemplo.
Usualmente en la fabricación de culatas de
motores se suelen utilizar dos familias de aleaciones de
aluminio:
1) las aleaciones que contienen del 5 al 9% de
silicio, del 3 al 4% de cobre, y magnesio. Suele tratarse de
aleaciones de segunda fusión con cantidades de hierro comprendidas
entre el 0,5 y el 1% y cantidades bastante elevadas de impurezas,
en particular de manganeso, zinc, plomo, estaño o níquel. Por lo
general estas aleaciones se utilizan sin tratamiento térmico
(estado F) o simplemente estabilizadas (estado T5). Se destinan más
bien a la fabricación de culatas de motores de gasolina
térmicamente bastante poco solicitados. Para las piezas más
solicitadas destinadas a los motores diésel o turbodiésel se
utilizan aleaciones de primera fusión, con una cantidad de hierro
inferior al 0,3%, térmicamente tratadas en estado T6 (revenido hasta
el punto máximo de resistencia mecánica) o T7 (sobrerre-
venido).
venido).
2) las aleaciones de primera fusión que
contienen del 7 al 10% de silicio y magnesio, tratadas en estado T6
o T7, para las piezas más solicitadas como las que se destinan a
los motores turbodiésel.
\vskip1.000000\baselineskip
Estas dos grandes familias de aleaciones
conducen a compromisos diferentes entre las diversas propiedades
de uso: resistencia mecánica, ductilidad, resistencia a la fluencia
y la fatiga. Esta problemática ha sido descrita por ejemplo en el
artículo de R. Chuimert y M. Garat: "Choix d'alliages d'aluminium
de moulage pour culasses Diesel fortement sollicitées",
publicado en la Revue SIA de marzo de 1990. Dicho artículo resume
así las propiedades de 3 aleaciones estudiadas:
- Al-Si5Cu3MgFe0,15 T7: buena
resistencia - buena ductilidad
- Al-Si5Cu3MgFe0,7 F: buena
resistencia - baja ductilidad
- Al-Si7Mg0,3Fe0,15 T6: baja
resistencia - extrema ductilidad.
\vskip1.000000\baselineskip
La primera y la tercera combinación
aleación-estado se pueden utilizar para culatas muy
solicitadas. Sin embargo se ha seguido buscando un mejor compromiso
entre resistencia y ductilidad. La patente FR 2690927 en nombre de
la solicitante, presentada en 1992, describe aleaciones de aluminio
que resisten la fluencia y contienen del 4 al 23% de silicio, por lo
menos uno de los elementos magnesio (0,1 - 1%), cobre (0,3 - 4,5%)
y níquel (0,2 - 3%), y del 0,1 al 0,2% de titanio, del 0,1 al 0,2 de
circonio y del 0,2 al 0,4% de vanadio. Se observa una mejora de la
resistencia a la fluencia a 300°C sin pérdida notable del
alargamiento medido a los 250°C.
El artículo de F. J. Feikus "Optimization of
Al-Si cast alloys for cylinder head
applications" AFS Transactions 98-61, pp.
225-231, estudia la adición del 0,5% y el 1% de
cobre a una aleación AlSi7Mg0,3 para la fabricación de culatas de
motores de combustión interna. Después de un tratamiento T6 clásico
que comprende una disolución de 5 h a 525ºC, seguido de un temple
en agua fría y un revenido de 4 h a 165ºC, no se observa ninguna
ganancia en límite de elasticidad, ni en dureza a temperatura
ambiente, pero a temperaturas de uso superiores a los 150ºC, la
adición de cobre aporta una ganancia significativa en límite de
elasticidad y resistencia a la fluencia.
La patente EP 1057900 (VAW Aluminium) presentada
en 1999 es un desarrollo del mismo orden y describe la adición a
una aleación Al-Si7Mg0,3Cu0,35 de cantidades
estrechamente controladas de hierro (0,35 - 0,45%), manganeso (0,25
- 0,30%), níquel (0,45 - 0,55%), zinc (0,10 - 0,15) y titanio (0,11
- 0,15%). En estado T6 y T7 esta aleación presenta una buena
resistencia a la fluencia, una alta conductividad térmica, una
ductilidad satisfactoria y una buena resistencia a la
corrosión.
El objeto de la presente invención consiste en
mejorar aún más la resistencia mecánica y la resistencia a la
fluencia de las piezas moldeadas de aleaciones de tipo AlSiCuMg en
el intervalo de temperatura 250-300ºC, sin degradar
su ductilidad y evitando la multiplicación de los elementos de
adición que pueden presentar un problema de reciclaje.
El objeto de la invención es una pieza moldeada
de alta resistencia mecánica en caliente y alta resistencia a la
fluencia, cuya aleación tiene la composición (% en peso):
otros elementos < 0,10 cada uno y 0,30 en
total, resto aluminio.
Preferentemente la pieza se trata mediante
disolución, temple y revenido en estado T6 o T7.
La invención radica en la observación por la
solicitante de que al añadir una pequeña cantidad de circonio a una
aleación con silicio que contiene menos del 1,5% de cobre y menos
del 0,6% de magnesio, se podía obtener, en piezas moldeadas
tratadas en estado T6 o T7, una buena resistencia mecánica y una
buena resistencia a la fluencia en el intervalo
250-300ºC, sin pérdida de ductilidad. Este resultado
se obtiene sin tener que utilizar elementos como el níquel o el
vanadio que presentan problemas de reciclaje. Además el níquel
tiene el inconveniente de reducir la ductilidad de la pieza.
Al igual que la mayor parte de las aleaciones
destinadas a la fabricación de culatas de motores, la aleación
contiene del 5 al 11% de silicio y preferentemente del 6,5 al 7,5%.
El hierro se mantiene por debajo del 0,6% y preferentemente por
debajo del 0,3%, lo que quiere decir que puede tratarse de
aleaciones de primera o segunda fusión, con una preferencia hacia
la primera fusión cuando se quiere obtener un alto alargamiento a
la ruptura.
El magnesio es un elemento de adición habitual
de las aleaciones para culatas; con una cantidad de por lo menos
0,15% y asociándolo al cobre, permite mejorar las propiedades
mecánicas a los 20 y 250ºC. Más allá del 0,6% se corre el riesgo de
reducir la ductilidad a temperatura ambiente.
La adición del 0,3 al 1,5% y preferentemente del
0,4 al 0,7% de cobre permite mejorar la resistencia mecánica sin
afectar la resistencia a la corrosión. Además la solicitante
observo que, dentro de estos límites, no bajaban la ductilidad ni
tampoco la resistencia en caliente de las piezas en estado T6 o T7.
Además, de manera asombrosa, se notó que al aumentar
conjuntamente, en los límites arriba indicados, las cantidades en %
de Cu y Mg, según la condición 0,3Cu + 0,18 < Mg < 0,6, se
mejoran de manera significativa la resistencia mecánica en caliente
y la resistencia a la fluencia a los 250ºC.
Con una cantidad de más de 0,1%, el manganeso
también tiene un efecto positivo sobre la resistencia mecánica a
los 250ºC, pero más allá de una cantidad de 0,4% este efecto es
limitado.
La cantidad de titanio se mantiene entre el 0,05
y el 0,25%, lo que es bastante habitual para ese tipo de aleación.
El titanio contribuye al afino del grano primario durante la
solidificación pero, en el caso de las aleaciones según la
invención, contribuye también, en relación con el circonio, a la
formación durante la disolución de la pieza moldeada de
dispersoides muy finos (< 1 \mum) AlSiZrTi situados en el
núcleo de la solución sólida \alpha-Al que son
estables más allá de los 300ºC, contrariamente a las fases
Al_{2}CuMg, AlCuMgSi, Mg_{2}Si y Al_{2}Cu que coalescen a
partir de
los 150ºC.
los 150ºC.
Estas fases de dispersoides no son debilitantes
contrariamente a las fases de hierro AlSiFe y AlSiMnFe de gran
tamaño (20 a 100 \mum) así como a las fases de níquel que se
forman durante la colada en los espacios interdendríticos.
Las piezas se fabrican mediante los
procedimientos habituales de moldeo, en particular el moldeo en
coquilla por gravedad y el moldeo a baja presión para las culatas,
y también el moldeo en molde de arena, la forja en estado líquido
(en particular en el caso de inserción de compuestos) y el moldeo de
espuma perdida (lost foam).
El tratamiento térmico comprende una disolución
típicamente de 3 a 10 h a una temperatura comprendida entre los 500
y 545ºC, un temple preferentemente en agua fría, un tiempo de espera
entre temple y revenido de 4 a 16 h y un revenido de 4 a 10 h a una
temperatura comprendida entre los 150 y 240ºC. La temperatura y el
tiempo de revenido se ajustan como para obtener sea un revenido
hasta el punto máximo de resistencia mecánica (T6) sea un
sobrerrevenido (T7).
Las piezas según la invención, y en particular
las culatas y los cárteres para motores de automóviles o aviones,
presentan a la vez una alta resistencia mecánica, una buena
ductilidad, una resistencia mecánica en caliente y una resistencia
a la fluencia superiores a las de las piezas del arte anterior.
\vskip1.000000\baselineskip
En el crisol de carburo de silicio de un horno
eléctrico se elaboraron 100 kg de aleación A con la composición (%
en peso):
Si = 7,10
\hskip0.5cmFe = 0,15
\hskip0.5cmMg = 0,37
\hskip0.5cmTi = 0,14
\hskip0.5cmSr = 170 ppm
100 kg de aleación B con la misma composición y
una adición complementaria de 0,49% de cobre,
100 kg de aleación C con la misma composición
que B y una adición complementaria de 0,14% de circonio.
Estas composiciones se midieron por
espectrometría de emisión por chispa, excepto para Cu y Zr que se
midieron por espectrometría de emisión de plasma inducido.
Se colaron 50 probetas de tracción moldeadas en
coquillas AFNOR de cada aleación. Estas probetas se sometieron a un
tratamiento térmico que comprendía una disolución de 10 h a los
540ºC, precedida para las aleaciones de cobre B y C por una
permanencia de 4 h a los 500ºC para evitar la quemadura, un temple
en agua fría, una maduración a la temperatura ambiente de 24 h y
un revenido de 5 h a los 200ºC.
A partir de estas probetas se mecanizaron
probetas de tracción y probetas de fluencia con el fin de medir
las características mecánicas (resistencia a la ruptura R_{m} en
MPa, límite de elasticidad R_{p0,2} en MPa y alargamiento a la
ruptura A en %) a la temperatura ambiente, a los 250ºC y los 300ºC.
Se indican los resultados en el cuadro 1:
\vskip1.000000\baselineskip
CUADRO
1
Se observa que la adición de cobre a la aleación
A es favorable a la resistencia mecánica, tanto en frío como en
caliente, sin modificar el alargamiento, y que la adición de
circonio a B no tiene casi ninguna influencia sobre las
características mecánicas.
\newpage
Después, en las probetas de fluencia, se midió
el alargamiento (en %) después de 100 h a los 250ºC y los 300ºC
con diferentes niveles de tensión (en MPa), para las aleaciones B y
C. Se indican los resultados en el cuadro 2:
\vskip1.000000\baselineskip
CUADRO
2
Se observa que, a temperatura y tensión
idénticas, la aleación C con adición de circonio presenta un
comportamiento a la fluencia claramente mejorado y que la
deformación a carga constante resulta reducida, según el caso, del
40 al 75%.
Se prepararon, en iguales condiciones que para
la aleación C del ejemplo 1, 10 probetas de cada una de las 5
aleaciones D a H, variando la cantidad de cobre y magnesio dentro
de los límites de composición preferentes mencionados más arriba.
Se indican las composiciones de las aleaciones en el cuadro 3.
\vskip1.000000\baselineskip
CUADRO
3
Las características mecánicas se midieron de la
misma manera a los 20ºC y los 250ºC.
Se indican los resultados, que corresponden al
promedio de los valores obtenidos en las probetas de cada aleación,
en el cuadro 4.
\newpage
CUADRO
4
Se observa que, dentro de los límites de
composición probados, la resistencia a la ruptura y el límite
elástico aumentan conforme van aumentando las cantidades de Cu y
Mg, y también que el alargamiento resulta poco afectado. A los
250ºC el aumento del 0,3 al 0,4% de la cantidad de Mg tiene un
efecto muy favorable sobre la resistencia a la ruptura y el límite
elástico, en particular para la aleación más cargada de cobre
(H).
Por otra parte, a cantidad de cobre igual, el
aumento del 0,3 al 0,4% de la cantidad de magnesio mejora la
resistencia a la fluencia a los 250ºC, como lo muestran los
resultados de los ensayos de fluencia bajo tensión de 40 Mpa,
después de 100, 200 y 300 h para las aleaciones G y H, como se
indica en el cuadro 5:
\vskip1.000000\baselineskip
CUADRO
5
Se prepararon, al igual que para la aleación C
del ejemplo 1, probetas de las 6 aleaciones I a N cuya composición
se indica en el cuadro 6:
\vskip1.000000\baselineskip
CUADRO
6
Se midieron las características mecánicas a los
250ºC y los resultados se indican en el cuadro 7:
CUADRO
7
Se observa que la adición del 0,1 al 0,3% de
manganeso aumenta de por lo menos el 5% la resistencia mecánica a
los 250ºC. En cambio no hay aumento entre el 0,15 y el 0,25%. Por
último, para la aleación N con alta cantidad de cobre, el aumento
de la cantidad de magnesio del 0,3 al 0,5% conduce a un aumento
espectacular e inexplicado de la resistencia mecánica en
caliente.
Claims (13)
1. Pieza moldeada de alta resistencia a la
fluencia cuya aleación tiene la composición (% en peso):
otros elementos < 0,10 cada uno y 0,30 en
total, resto aluminio.
2. Pieza según la reivindicación 1,
caracterizada por lo que su cantidad de silicio está
comprendida entre el 6,5 y el 7,5%.
3. Pieza según una de las reivindicaciones 1 ó
2, caracterizada por lo que su cantidad de hierro es
inferior al 0,3%.
4. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
3, caracterizada por lo que su cantidad de cobre está
comprendida entre el 0,4 y el 0,7%.
5. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
4, caracterizada por lo que su cantidad de magnesio está
comprendida entre el 0,25 y el 0,5%.
6. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
4, caracterizada por lo que las cantidades en % de magnesio
y cobre son tales que 0,3Cu + 0,18 < Mg < 0,6.
7. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
6, caracterizada por lo que su cantidad de titanio está
comprendida entre el 0,08 y el 0,20%.
8. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
7, caracterizada por lo que su cantidad de circonio está
comprendida entre el 0,12 y el 0,18%.
9. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
8, caracterizada por lo que su cantidad de manganeso está
comprendida entre el 0,1 y el 0,3%.
10. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
9, caracterizada por lo que su cantidad de zinc es inferior
al 0,1%.
11. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
10, caracterizada por lo que su cantidad de níquel es
inferior al 0,1%.
12. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
11, caracterizada por lo que se trata mediante disolución,
temple y revenido en estado T6 o T7.
13. Pieza según una de las reivindicaciones 1 a
12, caracterizada por lo que es una culata o un cárter de
motor de automóvil o avión.
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