ES2224787B1 - Procesado continuo de materiales metalicos mediante deformacion plastica en canal poliangular. - Google Patents
Procesado continuo de materiales metalicos mediante deformacion plastica en canal poliangular.Info
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Abstract
Procesado continuo de materiales metálicos mediante deformación plástica en canal poliangular que comprende la compresión del material, por ejemplo mediante rodillos laminadores a la entrada de la matriz que conforma el canal poliangular, junto con un sistema de tracción a la salida de dicha matriz. Ambos esfuerzos se combinan en el arrastre en continuo del material, manteniendo constante la sección del material de partida. El canal poliangular por el que se obliga a pasar al material produce un efecto de tensión cortante que afina notablemente el tamaño de grano del material, y mejora sustancialmente las propiedades mecánicas del mismo sin alterar sus dimensiones.
Description
Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular.
La invención se refiere al sector metalmecánico,
específicamente al área de procesado de materiales metálicos para
mejorar sus propiedades mecánicas, por ejemplo la resistencia a la
tensión, dureza, tenacidad y límite de fatiga entre otras. En la
presente invención el procesado se realiza en continuo, y comprende
un proceso de deformación plástica en canal poliangular.
El tamaño de grano de los metales tiene una gran
influencia en las propiedades mecánicas de los mismos, por lo que
su afinamiento proporciona importantes beneficios tecnológicos. A
bajas temperaturas, un tamaño de grano fino aumenta la resistencia,
la dureza, la tenacidad y el límite de fatiga del material. A
temperaturas altas, las aleaciones de grano ultrafino pueden ser
superplásticas, con capacidad para experimentar grandes
deformaciones.
Actualmente, existe un gran número de procesos de
fabricación que permiten la obtención de materiales metálicos con
grano submicrométrico, incluyendo la solidificación rápida, la
pulvimetalurgia y los métodos de condensación de vapor (P. Sanders,
G. Fougere, L. Thompson, J. Eastman y J. Weertman, Nanostructured
Materials, 8, nº 3, 1997, 243-252; C, Koch, Y. Cho,
Nanostructured Materials, 1, 1992, 207-212). Estos
métodos, que se aplican a menudo a aleaciones de composición poco
frecuente, van encaminados a la producción de cantidades muy
pequeñas de material, y mantienen una cierta porosidad residual en
los materiales después de su obtención. Estos procesos de alta
deformación plástica producen materiales de grano ultrafino por
recristalización continua.
Otro ejemplo son los procesos de fabricación
convencionales como la laminación, forja y trefilado, entre otros.
Sin embargo, una o más dimensiones de la pieza se reducen como
consecuencia del proceso, por lo que existe un límite a las
deformaciones que se pueden alcanzar. En estos procesos, es posible
obtener deformaciones reales mayores que 4 (\varepsilon > 4)
para materiales en forma de filamentos o películas, que tienen una
utilidad limitada.
En los últimos años se han desarrollado algunas
técnicas nuevas para alcanzar muy altas deformaciones
(\varepsilon > 10) con cambios mínimos en las dimensiones de
las piezas. Este mantenimiento de las dimensiones de las piezas hace
que no haya un límite definido a la deformación que se puede
alcanzar, siempre y cuando el material tenga suficiente
ductilidad.
Las técnicas que se han desarrollado actualmente
pueden englobarse en: deformación por torsión a alta presión, y
extrusión en canal angular constante (ECAE). En la primera, un
disco delgado es deformado en torsión mediante la fricción
proporcionada por una gran presión hidrostática (del orden de 5
GPa), obteniéndose a temperatura ambiente deformaciones de
aproximadamente 7 o superiores (\varepsilon > 7) y tamaños de
grano de 0,2 \mum. Esta técnica no puede ser fácilmente escalable
y por tanto su principal aplicación está en las investigaciones de
laboratorio a pequeña escala (I. Saunders, J. Nutting, Metal
Science, 18, 1984).
El segundo proceso, conocido como “Equal Channel
Angular Extrussion” (ECAE), se desarrolló en 1971, en la antigua
Unión Soviética, por Segal y sus colaboradores (V. Segal, Mat. Sci.
Eng., 1995, 157-164; V. Segal, V. Reznikov, A.
Drobyshevskiy, V. Kopylov, Russian Metally, 1, 1981,
99-105). Esta técnica permite obtener grandes
deformaciones en los metales, habiéndose aplicado a muchos tipos de
aleaciones: de cobre, de niquel, y a aleaciones de aluminio (Y. Wu,
I. Baker, Scripta Materialia, 37, nº 4, 1997,
437-442; P. Prangnell, C. Harris, S. Roberts,
Scripta Materialia, 37, nº 7, 1997, 983-989), entre
otras, posibilitando la obtención de tamaño de grano
submicrométrico. Además, la sección transversal del material no se
modifica, al contrario que en otros métodos de deformación. Sin
embargo, presenta los inconvenientes de que el tamaño de los
materiales de partida es reducido, de que no puede utilizarse en
continuo, y de que precisa sucesivos pases por el canal angular para
lograr resultados satisfactorios, dado que el canal utilizado sólo
puede comprender un ángulo.
Una de las razones fundamentales para estas
limitaciones se encuentra en el pandeo que experimenta el punzón
empleado para empujar la probeta, lo que provoca que dicho punzón,
y en consecuencia la probeta, no puedan exceder de determinado
tamaño, a partir del cual la amplitud del pandeo imposibilita el
funcionamiento del dispositivo. Otra limitación debida al uso de un
punzón o émbolo para empujar la probeta de material es la
imposibilidad de procesar un material en continuo por una secuencia
de ángulos, ya que un mismo punzón o émbolo no puede hacer que la
probeta complete el recorrido por un canal poliangular.
Mediante la técnica ECAE la probeta de material
es forzada a pasar por una matriz que contiene dos canales de igual
sección (circular, cuadrada o poligonal) que se intersecan formando
un ángulo generalmente de 90º. Al llegar el punzón a dicho ángulo,
la probeta ya esta completamente situada en el segmento posterior
al codo, de donde se extrae. El material es así deformado mediante
un mecanismo de tensión cortante pura, al atravesar el canal
angular. Una vez que la probeta ha sido procesada, se vuelve a
introducir por la entrada del canal y se repite el proceso de
deformación. Es posible emplear diferentes rutas en el proceso de
deformación aplicado: por ejemplo, ruta A, en la que la orientación
de la probeta permanece invariable en las sucesivas pasadas; ruta
B, en la que la probeta se rota 90º en los sucesivos pases; y ruta
C, en la que la probeta se rota 180º. Las características
microestructurales resultantes varían en función de la ruta de
proceso. El proceso se repite un número N de veces, dependiendo del
tipo de material y de las deformaciones que se quieran obtener.
El proceso ECAE está influenciado por diversos
factores como la velocidad de extrusión, generalmente entre
10^{-2} y 10 mm/s, y las condiciones de rozamiento. Asimismo, la
temperatura de extrusión afecta a las características de las
aleaciones procesadas. Existe una buena correlación entre los
resultados de la simulación por elementos finitos y los resultado
experimentales al aplicar la técnica ECAE (Y. Garcés, C. J. Luis, C.
Berlanga, P. González, aceptado en International Conference in
Advances in Materials and Processing Technologies, AMPT'01, Madrid,
2001).
En definitiva, si bien el proceso ECAE presenta
interés debido a que posibilita el impartir muy altas
deformaciones, su aplicación industrial se ve limitada tanto por el
tamaño reducido de las probetas, a causa del pandeo del punzón que
comprime la probeta, como por la productividad del mismo ya que es
un proceso discreto en el que es necesario extraer la probeta y
volver a introducirla al proceso por el canal de entrada, y por la
imposibilidad de procesar el material por un canal poliangular.
Otro proceso conocido, aunque estudiado en mucha
menor medida, es el denominado trefilado de materiales en canal
angular o ECAD (“Equal Channel Angular Drawing”) (C. J. Luis, P.
González, Y. Garcés, C. Berlanga, J. Pérez, aceptado en
International Conference in Advances in Materials and Processing
Technologies, AMPT'01, Madrid, 2001). En este proceso, el material
es estirado obligándole a atravesar una matriz con un canal angular
constante. Así, este proceso posibilita un procesado en continuo de
los materiales, por lo que presenta un mayor interés industrial.
Sin embargo, no proporciona grandes deformaciones, las cuales son
muy inferiores a las producidas por el proceso ECAE, predominando
el efecto de estirado sobre el de cortante. Igualmente, la sección
tansversal sufre un adelgazamiento durante el procesado. Esto es
puesto de manifiesto tanto por resultados experimentales como por
simulación por elementos finitos. Ambos motivos, es decir, menores
deformaciones y disminución de la sección transversal, pueden haber
ocasionado un menor estudio del proceso en relación al ECAE, siendo
escasas las referencias al respecto (U. Chakkingal, A.B. Suriadi
and P.F. Thomson Scripta Materialia, 39 nº 6, 1998; U. Chakkingal,
A.B. Suriadi and P.F. Thomson Mater Sci. Eng., A266, 1999). Además,
la estructura resultante en los materiales procesados por ECAD no
es homogénea en cuanto al tamaño de grano producido.
Se han desarrollado algunas patentes relativas al
proceso ECAE (M. Jarret, W. Dixon, May 1994, US Patent nº 5309748;
V. Segal, R. Goforth, K. Hartwing, Mar 1995, US Patent nº 5400633;
V. Segal, L. Segal, Feb 1997, US Patent nº 5600989; V. Segal, May
1996, US Patent nº 5513512; L. Semiatin, D. Delo, May 1999, US
Patent nº 5904062), pero no se ha encontrado ninguna relativa al
proceso ECAD.
La presente invención permite obtener grandes
deformaciones en el material, con la consiguiente disminución del
tamaño de grano y una sustancial mejora de las propiedades
mecánicas de los metales, sin modificar la sección transversal del
material y permitiendo su realización en continuo. Comprende un
proceso de deformación en canal poliangular realizable en continuo,
sin limitación de tamaño del material de partida, y que no modifica
la sección transversal del material procesado, aplicable a
secciones muy diversas (cuadrada, rectangular, circular,
poligonal), resultando materiales tanto enrollables como no
enrollables.
La invención comprende, por una parte, un sistema
que genera una fuerza de compresión sobre el material metálico
continuo, a la entrada de una matriz en canal angular o
poliangular, que lo empuja a través de ella, y que incluye un
conjunto de rodillos de laminación. Al mismo tiempo, y
simultáneamente al proceso de laminación que genera la fuerza de
compresión, la invención comprende un proceso de tracción que
desarrolla una fuerza que tira del material a la salida de la
matriz, ajustándose de manera que la velocidad de entrada del
material en la matriz coincide generalmente con la de salida de
ésta. La matriz por la que el material es obligado a pasar contiene
un canal angular que incluye uno o varios ángulos de cualquier
valor eficaz para producir un efecto de tensión cortante al
material metálico. Uno de los valores preferidos para alguno de los
ángulos de dicho canal es 90º, pero el proceso es igualmente eficaz
empleando canales angulares con ángulos de otros valores.
El proceso objeto de la presente invención es
aplicable a materiales de partida con secciones muy diversas, por
ejemplo preformas con sección cuadrada o rectangular, preformas con
sección circular u ovalada, o preformas con sección poligonal.
Tales materiales pueden presentar conformaciones de dimensiones
predominantemente longitudinales, de diversas posibles secciones,
como por ejemplo barras o alambres, enrollables o no; o
conformaciones predominantementes bidimensionales, como chapas o
láminas, sean bobinables o no.
Posteriormente, el material procesado se somete a
un tratamiento térmico que produce un afinamiento y homogeneización
del tamaño de grano, con la consiguiente mejora en las propiedades
mecánicas del material.
Para una mejor comprensión de la descripción, se
acompañan unos dibujos en los que se representa, por una parte, el
esquema del sistema de procesado objeto de la invención, y, por
otra parte, un caso práctico de realización del procesado continuo
en canal poliangular.
La figura 1 es una representación del esquema del
proceso, en el que F_{2} es la fuerza ejercida por el
accionamiento a la salida de la matriz, con canal de doble ángulo.
Asimismo, se muestra que la fuerza de compresión a la entrada
(F_{1}) se genera a partir de los rodillos de laminación. En el
caso de la figura se muestran dos pares de rodillos.
En la figura 2 se muestra la estructura del
material, empleando simulación por elementos finitos. Como puede
observarse, tras el segundo ángulo aparece una zona central en la
que las deformaciones son homogéneas, alcanzando un valor máximo en
dicha zona. Por lo tanto, se obtendrá un material con sección
transversal constante y con grandes deformaciones acumuladas, en el
que los tratamientos térmicos posteriores conducirán a un
afinamiento del tamaño de grano y a una mejora sustancial de las
propiedades mecánicas del material.
La figura 3 muestra la evolución de las
deformaciones en el material al atravesar los ángulos de la matriz.
Dichas deformaciones se han obtenido para un punto situado en el
centro del material. Puede observarse que al atravesar cada ángulo
las deformaciones aumentan, y alcanzan un valor máximo tras el
segundo ángulo.
Se parte de alambrón laminado en caliente, con
enfriamiento controlado, con diámetro de 18 mm. Dicho material se
procesa mediante el empleo de dos pares de rodillos perfiladores,
de 150 mm de diámetro y 300 mm de longitud y con una potencia de 10
kW, obligándole a atravesar una matriz en canal angular, con
sección circular, situada a la salida de dichos rodillos. La
velocidad de proceso es de 50 mm/s, a la salida del segundo
laminador. Simultáneamente, a la salida de la matriz, se ejerce una
fuerza de tracción mediante un único motor monobloque que, al
girar, permite el enrollado del alambre en un tambor de arrastre,
consistente en un cilindro de 300 mm de diámetro al cual se acopla
el par motor, ejerciendo sobre el material, una fuerza de
aproximadamente 10 kN, enrollando el alambre según va siendo
procesado, el cual sale de la matriz con una velocidad de
aproximadamente 50 mm/s. Se ajustan los parámetros de proceso de
manera que no se produzca adelgazamiento significativo en el
material y no varíe su sección transversal. Para ello, se regulará
la velocidad de giro del motor de manera que la velocidad de salida
del segundo par de rodillos sea igual a la velocidad de salida de
la matriz en canal angular. De esta manera se combinan los dos
efectos. Es decir, por una parte se tiene el efecto de empuje, a la
entrada de la matriz, como consecuencia del proceso de laminación,
y a la salida se tiene un efecto de estirado, como consecuencia del
proceso de tracción. Al mismo tiempo, es posible obligar al alambre
a atravesar una hilera de diámetro ligeramente inferior al inicial,
de manera que se produzca un calibrado sobre el mismo.
Se parte de un producto laminado en colada
continua con sección cuadrada de 100x100 mm. Dicho material se
lamina mediante el empleo de un par de rodillos perfiladores, de
1000 mm de diámetro y 1500 mm de longitud que no modifiquen
significativamente la forma de su sección inicial, obligándole a
atravesar una matriz en canal angular con sección cuadrada. La
velocidad de proceso es de 10 mm/s y la potencia de los rodillos
laminadores de 20 kW/rodillo. Simultáneamente, a la salida de la
matriz en canal angular, se ejerce una fuerza de tracción sobre el
material de 400 kN, mediante un sistema de fijación mecánica que es
movido por un sistema de arrastre lineal, empleando, para ello, una
cadena y un banco de estirado. Se ajustará la velocidad de
desplazamiento lineal, a la salida de la matriz, de forma que la
velocidad de salida de la matriz sea igual a la de entrada a dicha
matriz (10 mm/s). De esta manera se combinan los dos efectos: el de
empuje a la entrada de la matriz, y el de estirado a la salida de
la misma.
Se parte de flejes laminados en caliente, para el
conformado directo o laminación en frío con anchos de 300 mm y 2.0
mm de espesor. Dicho material se lamina mediante el empleo de dos
pares de rodillos laminadores, de 500 mm de diámetro y 1000 mm de
longitud obligándole a atravesar una matriz en canal angular con
sección rectangular, situada a la salida de dichos rodillos. La
velocidad de proceso es de 200 mm/s y la potencia de 4 kW/cilindro.
Simultáneamente, a la salida de la matriz en canal angular, se
ejercerá una fuerza de tracción sobre el material de 20 kN mediante
un sistema de fijación mecánica que es movido por un sistema de
arrastre giratorio, empleando, para ello, rodillo de 400 mm de
diámetro al que se acopla un motor. Se ajustará la velocidad de
desplazamiento lineal, a la salida de la matriz, de forma que la
velocidad de salida de la matriz sea igual a la de entrada a dicha
matriz ( 200 mm/s). De esta manera se combinan los dos efectos: el
de empuje a la entrada de la matriz, y el de estirado a la salida
de la misma, de acuerdo con la
invención.
invención.
Se parte de lámina de acero al carbono enrollada
en frío, para troquelado profundo de 500 mm de ancho y 2 mm de
espesor, destinada a la fabricación de piezas en las que se aplica
el troquelado o conformado severo, como por ejemplo en piezas
automotrices. Dicho material se lamina mediante el empleo de un par
de rodillos laminadores de 400 mm de diámetro y 1000 mm de
longitud, con potencia de 8kW/rodillo, obligándole a atravesar una
matriz en canal angular con sección rectangular, situada a la
salida de dichos rodillos, siendo la velocidad de salida de los
rodillos de 150 mm/s. Simultáneamente, a la salida de la matriz en
canal angular, se ejercerá una fuerza de tracción sobre el material
de 20 kN, mediante un sistema de fijación mecánica que es movido
por un sistema de arrastre giratorio, empleando, para ello, rodillo
de 450 mm de diámetro al que se acopla un motor. Se ajustará la
velocidad de desplazamiento lineal, a la salida de la matriz, de
forma que la velocidad de salida de la matriz sea igual a la de
entrada a dicha matriz (150 mm/s). De esta manera se combinan los
dos efectos: el de empuje a la entrada de la matriz, y el de
estirado a la salida de la misma, aplicando así la invención
descrita en la presente
memoria.
memoria.
Claims (10)
1. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular
caracterizado porque comprende un sistema de compresión de
dicho material capaz de obligarlo a pasar en continuo por una
matriz que configura un canal poliangular, junto con un sistema de
tracción del material continuo a la salida del canal poliangular,
de tal forma que ambos esfuerzos se combinan simultáneamente en el
arrastre en continuo del material, resultando que la sección del
material procesado es sustancialmente igual que la del material
de
partida.
partida.
2. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según
reivindicación anterior, caracterizado porque el sistema de
compresión del material es un par o un conjunto de pares de
rodillos laminadores.
3. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la matriz
por la que se procesa el material contiene un canal de sección
constante que comprende uno o varios ángulos de cualquier valor
eficaz para producir un efecto de tensión cortante al material
metálico.
4. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según
reivindicación 3, caracterizado porque preferiblemente uno o
más de los ángulos comprendidos en el canal es de 90º.
5. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
sistema de tracción del material continuo a la salida del canal
poliangular comprende un sistema de enrollado o bobinado del
material procesado.
6. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el
sistema de tracción del material continuo a la salida del canal
poliangular comprende un banco de estirado del material.
7. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
procesa un material predominantemente longitudinal de sección
transversal circular, ovalada, cuadrada, rectangular, poligonal o de
otra forma geométrica.
8. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
procesa un material predominantemente bidimensional o plano.
9. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por
comprender un posterior tratamiento térmico que mejora el
afinamiento de grano y la homogeneización del material metálico
procesado.
10. Procesado continuo de materiales metálicos
mediante deformación plástica en canal poliangular según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
realiza a temperatura controlada.
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