Tratamiento térmico del aluminio y sus aleaciones: soluciones

En el tratamiento térmico del aluminio y sus aleaciones, Ningbo Hersin es consciente de los problemas a los que se enfrenta actualmente y de por qué es vital mantener un estricto control de las fluctuaciones del proceso y las desviaciones de los equipos. Con el fin de ayudar a sus colegas en el campo del tratamiento térmico, Ningbo Hersin ha resumido y sintetizado los problemas de proceso más frecuentes y ha presentado una serie de sugerencias específicas para resolverlos. A continuación, se tratarán estos temas con mayor profundidad.

Cuestiones relacionadas con el tratamiento térmico

Para el tratamiento térmico del aluminio, los problemas más señalados incluyen:

1) Colocación incorrecta de las piezas

Colocación incorrecta - A temperaturas más altas durante la disolución sólida, el producto es menos rígido y se aplasta y deforma fácilmente por la fuerza de la gravedad. Una colocación correcta (Fig. 1) evita estos problemas.

mapa1. Colocación correcta de las piezas

2) Aumento demasiado rápido de la calefacción/temperatura-Esto puede causar distorsión térmica y debe evitarse. La colocación correcta de las piezas ayuda a calentarlas uniformemente.

3) Niveles de tensión residual superiores a los previstos--Los tratamientos térmicos no sólo modifican las propiedades mecánicas, sino que también afectan directamente a los niveles de tensión residual.

Algunas de las posibles causas son las siguientes: una gran diferencia en las velocidades de enfriamiento entre la superficie y el interior durante el enfriamiento (incluso cuando la colada se enfría después de la solidificación); una velocidad inadecuada de aumento de la temperatura; cambios de temperatura que se producen en pasos intermedios, etc.

Las tensiones residuales están relacionadas con factores como las diferencias (grandes) en las velocidades de enfriamiento, el grosor de la sección transversal de la pieza, los cambios repentinos en las dimensiones de la sección transversal y la resistencia del material. Hay que recordar que las tensiones inducidas por el enfriamiento rápido son mucho mayores que las inducidas por otros procesos, incluida la fundición.

4) Fluctuación de los parámetros de tiempo/temperatura/enfriamiento-Provocarán desviaciones en las propiedades mecánicas y/o físicas entre piezas y entre lotes.

Las causas incluyen un tiempo de transferencia de la pieza demasiado largo, un endurecimiento inadecuado (demasiado lento), sobrecalentamiento, subcalentamiento o cambios en los parámetros tiempo-temperatura durante el proceso de endurecimiento por precipitación. Por ejemplo, se precipitan partículas más grandes (precipitados) en el caso de un tiempo demasiado largo y una temperatura demasiado alta.

5) Calentamiento excesivo--Es cuando tiende a producirse una fusión incipiente o eutéctica. Por ejemplo, los tratamientos térmicos de disolución sólida se llevan a cabo a temperaturas cercanas al punto de fusión de muchas aleaciones de aluminio (especialmente las de la serie 2xxx, que a menudo están sólo unos grados por debajo de su punto de fusión). Se necesitan temperaturas adecuadas para promover la disolución de los elementos de aleación sólidos.

6) Calefacción insuficiente--Esto provoca una pérdida de propiedades mecánicas debido a una sobresaturación insuficiente. Si la temperatura de envejecimiento es demasiado baja y/o el tiempo de envejecimiento es demasiado corto, no se consigue fácilmente la formación de la zona de agregación de átomos de soluto (zona GP), lo que da lugar a una baja resistencia tras el envejecimiento.

7) Un enfriamiento insuficiente provoca deformaciones--El problema/dificultad en esta área es el movimiento de la pieza en el temple, especialmente cuando se debe utilizar el temple manual.

La pieza debe entrar suavemente en el fundente. En la jerga de los tratadores térmicos, hay que evitar "abofetear" la pieza contra el fundente. Una transferencia de calor uniforme por toda la pieza evita las diferencias de enfriamiento y las diferencias de deformación.

Los cambios en la transferencia de calor en dirección horizontal suelen ser más desfavorables que los cambios en dirección vertical. Es importante mantener el agente de enfriamiento a la temperatura adecuada, controlar su calentamiento, garantizar su flujo uniforme, seleccionar el agente de enfriamiento más adecuado (por ejemplo, aire, agua o polímero), etc.

Por ejemplo, la velocidad de enfriamiento del polímero puede ajustarse para una aplicación específica variando la concentración, la temperatura y la intensidad de la agitación para garantizar una transferencia de calor y una velocidad de enfriamiento uniformes durante la fase de ebullición del núcleo. El mantenimiento del temple también es importante. En el caso de piezas con formas complejas, como piezas forjadas, fundidas, extrusiones por impacto y piezas fabricadas a partir de placas finas, pueden utilizarse tasas de temple más bajas para mejorar el comportamiento de deformación.

8) Descascarillado superficial / oxidación a alta temperatura--Este tema lo tratamos con detalle en "Oxidación a alta temperatura - Un estudio de caso".

9) Prescripción excesiva--Esto puede provocar una pérdida de propiedades mecánicas. Si la temperatura de envejecimiento es demasiado alta y/o el tiempo de envejecimiento es demasiado largo, aumenta el tamaño crítico de los núcleos de las fases precipitadas en la solución sólida sobresaturada, lo que da lugar a un índice de resistencia inferior tras el envejecimiento.

10) Plazo de prescripción inadecuado--También puede provocar la pérdida de propiedades mecánicas.

11) Limitación natural inadecuada--La duración del envejecimiento natural varía entre unos 5 días para las aleaciones de la serie 2xxx y unos 30 días para las demás aleaciones. Las series 6xxx y 7xxx son menos estables a temperatura ambiente y los cambios en las propiedades mecánicas pueden persistir durante muchos años.

Hay algunas aleaciones para las que el envejecimiento natural se inhibe o se retrasa durante varios días después del tratamiento criogénico a -18°C (-1˚F) o menos.

Es práctica común que el conformado, enderezado y estampado se completen antes de que las propiedades del material se vean alteradas por el envejecimiento. Por ejemplo, el tratamiento criogénico es una medida que suelen adoptar los remaches 2014-T4 para mantener unas buenas propiedades de remachado.

12) Limitación artificial inadecuada--El envejecimiento artificial (también conocido como tratamiento térmico por precipitación) es un proceso más largo y a menor temperatura. El control de la temperatura es fundamental y debe garantizarse estrictamente una uniformidad de ±6˚C (±10˚F). El objetivo óptimo de uniformidad de temperatura debe ser de ±4˚C (±7˚F).

13) Tiempo de retención insuficiente-La consecuencia es que no se alcanzan las propiedades mecánicas deseadas. Un tiempo demasiado corto provoca una sobresaturación insuficiente, mientras que un tiempo demasiado largo tiende a deformar la pieza.

14) Mala uniformidad de la temperatura--Esto puede provocar que no se alcancen las propiedades mecánicas o incluso que se alteren. Los requisitos típicos para la uniformidad de la temperatura de proceso son ±6˚C (±10˚F), mientras que la mayoría de las aplicaciones aeroespaciales esperan ±3˚C (±5˚F).

15) Trabajo en frío inadecuado tras el tratamiento de la solución sólida--Suele deberse a una falta de comprensión de la reacción de la aleación tratada. Por ejemplo, el trabajo en frío de una aleación de la serie 2xxx en estado templado aumentará significativamente el grado de reacción a los tratamientos de precipitación posteriores.

(16) Velocidad de enfriamiento insuficiente durante el recocido de productos tratados térmicamente por disolución.-La velocidad máxima de enfriamiento debe mantenerse a 20˚C (40˚F) por hora hasta que la temperatura descienda a 290˚C (555˚F). Las velocidades de enfriamiento por debajo de esta temperatura son menos importantes.

Cuestiones relacionadas con la fundición

Por cierto, cabe mencionar que los lingotes de aluminio en condiciones de fábrica presentan una serie de defectos que pueden afectar al tratamiento térmico posterior y a las propiedades mecánicas, entre ellos:

1) Agujeros/escasidad de centros-Causa contracción insuficiente, segregación de hidrógeno u oxidación superficial (a menudo debido a burbujas de aire).

2) Inclusiones--Impurezas de fundición en forma de carburos, boruros, óxidos, etc. (debidas a refinadores de grano o burbujas de aire).

3) Sesgo macro o micro- Los componentes solutos y las partículas de compuestos intermetálicos de alta dureza y las partículas de segunda fase no se distribuyen uniformemente. Una homogeneización adecuada ayuda a resolver este problema.

4) Deformación/contracción-Causa de la tensión/deformación inducida por el enfriamiento.

5) Desgarro térmico--Principalmente debido a problemas de encogimiento

6) Problemas de laminación (chapas finas y gruesas) o ductilidad (extrusiones, barras y chapas) para obtener propiedades mecánicas más elevadas. Sin embargo, debe evitarse el tratamiento térmico secundario si se requiere un mayor nivel de rendimiento.

observaciones finales

La solución a la mayoría de los problemas relacionados con el tratamiento térmico del aluminio es:

Comprender lo que puede salir mal; identificar las prácticas y los pasos adecuados; mantener la coherencia (y la reproducibilidad) en la realización de estos pasos; supervisar el proceso en tiempo real siempre que sea posible; y mantener registros de las operaciones del horno de tratamiento térmico y de los perfiles de tiempo-temperatura para confirmar que se está realizando realmente la operación prevista.

Por último, es importante asegurarse de que se utilizan métodos de ensayo adecuados para confirmar que los componentes cumplen los requisitos y funcionan de forma fiable en condiciones reales de uso.

Los tratadores térmicos ya conocían estos requisitos, pero son más críticos para el tratamiento térmico del aluminio y las aleaciones de aluminio que en otros ámbitos.