ES2229882B1 - Proceso para el estirado de materiales metalicos en canal poliangular. - Google Patents
Proceso para el estirado de materiales metalicos en canal poliangular.Info
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Abstract
Proceso para el estirado de materiales metálicos en canal poliangular que, combinado con un proceso de calibrado, mejora las propiedades mecánicas del material. El proceso consiste en aplicar una fuerza de tracción, obligando al material a atravesar una matriz en canal angular o poliangular, y a atravesar una hilera o unos rodillos de calibrado con la finalidad de obtener una sección transversal uniforme. Como consecuencia de las deformaciones a las que es sometido el material, se obtiene un afinamiento del tamaño de grano del mismo y, por tanto, una mejora de sus propiedades mecánicas. Opcionalmente, el material puede someterse a un tratamiento térmico que mejora el resultado del proceso. El proceso se realiza en continuo y es aplicable a cualquier material metálico que posea la suficiente ductilidad para ser conformado en frío.
Description
Proceso para el estirado de materiales metálicos
en canal poliangular.
La invención se refiere al sector
metal-mecánico, más específicamente a las áreas de
estirado y trefilado de alambre y estirado de chapa.
El proceso denominado ECAE (Equal Channel
Angular Extrusion) consiste en hacer atravesar una pieza de
material a través de una matriz con canal angular, empleando
generalmente para ello un vástago empujador, que ejerce una fuerza
de compresión sobre el material, forzándole a atravesar la matriz.
Las limitaciones del proceso ECAE son la longitud limitada del
vástago empujador debido a efectos de pandeo, y que es necesario
abrir y cerrar las matrices, en cada etapa del proceso, siendo por
lo tanto un proceso discontinuo y lento.
Por el contrario, en el proceso denominado ECAD
(Equal Channel Angular Drawing), al que se refiere la
presente invención, el material es traccionado desde el extremo de
salida. El proceso ECAD o estirado de materiales en canal angular
es un proceso innovador de deformación plástica en el que el
material es estirado, obligándole a atravesar una matriz con una
sección transversal constante. En este proceso el material puede
ser enrollado o estirado, a medida que atraviesa la matriz, siendo
por lo tanto un proceso continuo, aunque no proporciona grandes
deformaciones, las cuales son muy inferiores a las producidas por el
proceso ECAE puesto que predomina el efecto de estirado sobre el de
cortante. Sin embargo, la característica de que se puede realizar
en continuo le confiere un gran interés industrial (C. J. Luis, P.
A. González, Y. Garcés, C. Berlanga, J.
Pérez-Ilzarbe, International Conference on
Advances in Materials and Processing Technologies, Vol. 1, 2001)
(Y. Garcés, C. J. Luis, C. Berlanga, P. A. González,
International Conference on Advances in Materials and Processing
Technologies, Vol 1, 2001).
En el proceso de ECAD la sección transversal del
material sufre un adelgazamiento durante el procesado. Esto es
puesto de manifiesto tanto por los resultados experimentales
obtenidos, como por la simulación del proceso 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, Vol. 39 (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 (C. J. Luis; Y. Garcés; P. González; C. Berlanga,
Materials and Manufacturing Processes, Vol. 17 (2),
2002).
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 (P. A. González,
C. J. Luis J. Gil, Y. Garcés, Revista de Metalurgia, Vol. 37
(6), 2001).
Recientemente se ha solicitado una patente
relativa a un proceso de procesado continuo de materiales metálicos
que combina algunas ventajas del ECAD con algunas ventajas del ECAE
(C.J. Luis, P.A. González, J. Gil, J. Alkorta, número de solicitud
de patente española ES200201163).
La presente invención se refiere a un procesado
continuo para el estirado de materiales metálicos a través de una o
varias matrices en canal angular, aunque también puede realizarse
en una matriz poliangular si el material es lo suficientemente
dúctil, combinado con un proceso de deformación a través de una
hilera de calibrado, o paso por rodillos, que puede estar situada a
la salida de la matriz con canal angular o poliangular, o bien
constituir un proceso independiente. El proceso comprende la
aplicación de una fuerza de tracción a la salida del material que
le obligue a atravesar la matriz en canal poliangular y, en caso de
que el calibrado no se realice como proceso independiente, a
atravesar también la hilera de calibrado o paso por los rodillos de
calibrado. Un caso particular del proceso de calibrado puede ser un
proceso de trefilado convencional, que reduce el diámetro del
material hasta el valor deseado.
Mediante el proceso objeto de la presente
invención es posible deformar plásticamente el material, lo cual
conduce a un afinamiento de grano, que puede mejorarse mediante la
aplicación de un recocido de recristalización, obteniéndose una
mejora de las propiedades mecánicas del material. Ello presenta
interés ya que 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,
mejorando entre otras propiedades la resistencia, la dureza, la
tenacidad, el límite de fatiga del material y la conformabilidad o
embutición.
El sistema de tracción del material arriba
indicado puede estar formado por un monobloque, enrollando el
material a medida que sale de la hilera de calibrado. Asimismo,
dicho sistema de tracción del material también puede estar formado
por un sistema de arrastre lineal, y puede comprender un sistema de
enrollado o bobinado del material procesado.
El proceso objeto de la presente invención puede
comprender un tratamiento térmico posterior a temperatura
controlada, preferentemente entre 0,20 y 0,90 veces la temperatura
de fusión del material en grados centígrados, con la finalidad de
aliviar tensiones o conducir a una recristalización. Dicho
tratamiento térmico produce un grano más fino y equiáxico, efectos
que mejoran las propiedades mecánicas del material.
La matriz por la que se procesa el material
contiene un canal angular de sección constante o variable 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 uno o más de los ángulos comprendidos en
dicho canal es de 90º, pero el proceso es también eficaz empleando
canales angulares con ángulos de otros valores.
El proceso objeto de la presente invención
comprende un proceso de deformación en canal angular o poliangular
realizable en continuo, aplicable tanto a material enrollable como
no enrollable, de sección circular de cualquier diámetro, así como
a material enrollable y no enrollable de secciones rectangulares
y/o cuadradas. Asimismo puede aplicarse a materiales metálicos con
secciones transversales diferentes de las anteriormente
expuestas.
Su aplicación preferente es la obtención de
materia prima de alta calidad, para su posterior estirado con la
finalidad de obtener elementos mecánicos tales como: remaches,
clavos, tornillería, preformados, conductores, etc. Asimismo, se
puede emplear en la obtención de chapa de alta calidad empleada
posteriormente en procesos de estampación, por ejemplo, para la
obtención de chapa empleada en carrocerías de automóviles. También
puede emplearse para la obtención de producto acabado como por
ejemplo alambre de alta calidad para procesos de espiralado.
Para una mejor comprensión de la descripción, se
acompañan dos dibujos en los que se representa, por una parte, el
esquema del sistema de procesado objeto de la invención, y, por
otra parte, los resultados obtenidos con un caso práctico de
estirado en canal angular con una matriz de calibrado.
La figura 1 es una simulación del proceso,
mediante elementos finitos, en la que F es la fuerza ejercida por
el accionamiento a la salida de la hilera de calibrado, que se
encuentra situada a continuación de la matriz en canal poliangular,
que para el caso representado en la figura sólo posee un ángulo de
90º. El hecho de situar la hilera de calibrado a la salida de la
matriz en ángulo es para obtener una sección transversal más
regular, como puede observarse, a la vez que para deformar al
material a medida que va atravesando dicha hilera.
En la figura 2 se muestra la evolución de las
deformaciones en el material al atravesar el ángulo de la matriz y
la hilera de calibrado, para tres puntos correspondientes a una
misma sección transversal. Como puede observarse, los valores de
deformación obtenidos (\varepsilon) se encuentran entre 0,55 y
1,2. La simulación mostrada en la figura 1 y los valores que se
muestran en la figura 2 se han obtenido considerando una aleación
de aluminio 1370, que ha sido ensayada para determinar sus
características mecánicas, con diámetro de partida de 10 mm y
diámetro final de 7 mm, lo que equivale a una reducción del 50%. En
la figura 2 se muestra que los valores de deformación
(\varepsilon) que se obtienen son de 0,55 y 1,2, que son
equivalentes a reducciones comprendidas entre el 42% y 69%,
respectivamente.
A continuación se muestran algunos ejemplos a
modo ilustrativo no limitativo de la invención.
Se parte de alambrón fabricado por procedimiento
Properzi o similar de la aleación 5154, con diámetro de 12,0 mm.
Dicho material se procesa hasta un diámetro de 10,0 mm, mediante el
procedimiento descrito anteriormente, empleando una matriz en canal
angular de diámetro de entrada (12,5\pm0,1) mm que mantiene
constante hasta la salida de la misma y con un radio interior del
canal angular de la matriz igual a la mitad del diámetro del
alambre. Para dicho proceso, se empleará un monobloque de 50 kW,
que irá enrollando el material a medida que sale de la matriz en
canal angular. Una vez que el alambre ha sido estirado por el
procedimiento anterior, se le hace pasar a través de una hilera de
calibrado con ángulo de reducción de 182, empleando, para ello, un
monobloque de 25 kW de potencia, que irá enrollando el cable a
medida que va atravesando la hilera de calibrado. El alambre podrá
someterse a procesos de limpieza previa a su inserción en la matriz
e hilera de calibrado. El alambre obtenido se someterá a un
tratamiento térmico a una temperatura que podrá estar comprendida
entre 200ºC y 400ºC. El material obtenido, tras este tratamiento
térmico, se empleará, por ejemplo, como materia prima para la
obtención de remaches, siendo, para ello, trefilado al diámetro
correspondiente.
Se parte de alambrón laminado en caliente de
acero inoxidable, con enfriamiento controlado, con diámetro de 10,0
mm. Dicho material se procesa hasta un diámetro de 8,0 mm, mediante
el procedimiento descrito anteriormente, empleando dos matrices en
canal angular de diámetro de entrada (10,5\pm0,1) mm y
(9,5\pm0,1) mm, respectivamente, que mantienen constante hasta la
salida de las mismas, siendo el radio interior del canal angular
igual al diámetro del alambre. El alambre podrá someterse a procesos
de limpieza previa a su inserción en las matrices. Una vez
introducido el alambre dentro de las matrices se procederá a su
estirado empleando, para ello, un motor de 60 kW de potencia, que
irá enrollando el cable a medida que va atravesando las matrices.
Posteriormente, se le someterá a un proceso de calibrado, empleando
una hilera con ángulo de reducción de 12º y diámetro (8,0\pm0,1)
mm, a la salida de la anterior. Dicho alambre se someterá a un
tratamiento térmico a una temperatura que podrá estar comprendida
entre 600ºC y 900ºC. El material obtenido, tras este tratamiento,
se empleará como materia prima para la obtención de clavos, siendo,
para ello, trefilado al diámetro correspondiente.
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 para
la industria del automóvil. Dicho material se estira mediante un
sistema de arrastre, obligándole a atravesar una matriz en canal
angular con sección rectangular, el proceso de calibrado puede
hacerse en este caso mediante el empleo de rodillos de
laminación.
Se parte de alambre de la aleación de aluminio
5052, fabricado por procedimiento Properzi, o similar, con diámetro
de partida de 12,5 mm. Se le hace pasar a través de dos matrices en
canal angular, empleando cabrestantes sincronizados que le reducen
el diámetro a 11,0 mm y 9,5 mm, respectivamente. Las matrices
poseen diámetros del canal de valor (11,5\pm0,1) mm y
(10\pm0,1) mm, respectivamente, siendo los radios de doblado
interior del canal iguales a 5,5 y 4,5 mm, respectivamente. La
hilera de calibrado presenta un ángulo de reducción de 15º,
obteniéndose un alambre de 9 mm a su salida. Posteriormente, el
material podrá someterse a un tratamiento térmico comprendido entre
200 y 400ºC. Caso de ser necesario, el alambre podrá someterse a
procesos de limpieza previa a su inserción en las matrices
Claims (8)
1. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular, caracterizado porque se combina con un proceso
de calibrado, por hilera o por rodillos, que pueden estar situados
a la salida de la matriz con canal angular o poliangular, o bien
constituir un proceso independiente.
2. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular según la reivindicación anterior, caracterizado
porque el sistema de tracción del material está formado por un
monobloque, enrollándose el material a medida que sale de la hilera
o rodillos de calibrado.
3. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque el sistema de tracción del material
está formado por un sistema de arrastre lineal.
4. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la matriz por la que se procesa el
material contiene un canal de sección constante o variable que
comprende uno o varios ángulos de cualquier valor eficaz para
producir una tensión cortante sobre el material procesado.
5. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular según la reivindicación 4, caracterizado porque
preferiblemente uno o más de los ángulos comprendidos en el canal es
de 90º.
6. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
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.
7. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el proceso de calibrado en él
comprendido consiste en un proceso de trefilado convencional.
8. Procesado continuo para el estirado de
materiales metálicos a través de una matriz en canal angular o
poliangular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque comprende un posterior tratamiento
térmico a temperatura controlada, preferentemente entre 0,2 y 0,9
veces la temperatura de fusión del material expresada en grados
centígrados, con la finalidad de aliviar tensiones y producir un
tamaño de grano más fino y de forma más equiáxica.
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