PROPIEDADES MECÁNICAS, MICROESTRUCTURAS Y FRACTURAS DE BANDAS Y HOJAS FINAS DEALUMINIO 1050 A, PROCEDENTES DE ESBOZOS DE COLADA CONTINUA Y DE LAMINACIÓN EN

CALIENTE

J. Pérez-Ilzarbe1, J. Fernández Carrasquilla1, C. Berlanga1 y A. Albístur1

1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales, E.T.S. de Ingenieros Industriales y deTelecomunicaciones,

Universidad Pública de Navarra, Campus de Arrosadía s/n,31006 Pamplona, España.

E-mail: janvier@teleline.es

RESUMEN

En este trabajo se estudian dos tipos de materiales de partida para la obtención de hoja fina: esbozo de colada continua(BCC) de 7,5 mm de espesor y esbozo de laminación en caliente (BLC) de 3,0 mm de espesor, ambos de aluminio1050 A. Se determinan primeramente las características de los dos tipos de esbozos por metalografía y ensayosmecánicos tales como ensayos de tracción, ensayo de flexión por choque y se califican las roturas resultantes en estosensayos. Con estos dos materiales se preparan por laminación en frío, en laminador de laboratorio, hojas finas de 0,20mm de espesor de las que se obtienen sus propiedades mecánicas en estado duro (Estado H19). Posteriormente seestudia su recristalización y se revela el grano obtenido y se obtienen las propiedades mecánicas después del recocido(Estado “0”). Se califican las fracturas de los ensayos de tracción en las hojas finas en estados H19 y “0”. Lasdiferentes características de los dos tipos de esbozos se reflejan en las importantes diferencias en las hojas finasobtenidas, tanto en estado duro como en recocido. Se recurre a la observación de probetas metalográficas para laexplicación de resultados.

ABSTRACT

Two types of reroll of aluminium 1050 A are studied in this paper. One is continuous cast strip (7,5 mm thickness)and hot rolled strip (3,0 mm thickness) the other one. The two types of strips are subjected to different mechanicaltests namely tensile and Charpy impact resistance tests. Furthermore, fractures are examined. Both types of reroll arerolled in laboratory to foil 0,20 mm thickness and subsequently their mechanical properties in hard state (H19) areevaluated. An annealing treatment is given to the foils. Then, tensile properties are obtained and fracture surfaces areevaluated of annealed foils (“0” state). Metallography of reroll sheets and final foils is applied for explaining results.

PALABRAS CLAVE: Aluminio 1050 A. Ensayos mecánicos. Fractografía.

1. INTRODUCCIÓN

La colada continua de banda es un proceso muyempleado en la industria del aluminio para lafabricación de esbozos (banda para laminación en frío)destinados a la obtención de bandas y hojas finas enuna amplia gama de aleaciones de gran uso [1].

El método alternativo a la colada continua es lalaminación en caliente, proceso de más coste defabricación y que se reserva para aleaciones que nopueden ser fabricadas por colada continua debido a surango de temperaturas de solidificación elevado ocuando se requieren características especiales.

Los dos procesos de obtención de esbozos son muydiferentes. Mientras en la colada continua se pasa demetal líquido a banda sólida en cortísimo espacio de

tiempo, en la laminación en caliente primero se obtieneuna placa de laminación con una velocidad de coladamás lenta a un espesor mucho mayor que la banda decolada, sigue después un precalentamiento yhomogeneizado de la placa y finalmente la laminaciónen caliente a temperatura por encima de la derecristalización [2,3]

Como consecuencia de los diferentes procesos, losesbozos de colada continua y de laminación en calientetienen propiedades muy diferentes, bien en propiedadesmecánicas o en aspectos de su metalurgia física [1-4].

El esbozo de colada continua de pureza comercial comola 1050 A, debido a la alta velocidad de solidificación,presenta una fuerte sobresaturación del hierro existenteen su composición. Esta sobresaturación origina uncomportamiento en el recocido de recristalización de

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las bandas u hojas finas muy diferente al que tiene unabanda u hoja fina de la misma composición que ha sidofabricada con banda de laminación en caliente[1,2].

Hemos querido comparar las propiedades de un esbozode colada continua y otro de laminación en calientefijándonos de forma especial en aquellas propiedadesque implican la rotura del material y tratar de ver siestas propiedades permiten deducir las posiblesdiferencias en los productos acabados fabricados conella.

2. EXPERIMENTAL

La parte experimental de este artículo ha consistido enel trabajo por laminación en frío de esbozo de coladacontinua (BCC) y esbozo de laminación en caliente(BLC) para obtener hoja fina de 0,20 mm de espesor yencontrar y explicar las diferencias de comportamientoen características mecánicas y fracturas y respuesta a larecristalización de ambos tipos de banda y de las hojasfinas con ellas obtenidas.

Los materiales objeto de estudio en este trabajo teníanuna composición cuyos elementos principales eran0,31%Fe y 0,02%Si, el esbozo de colada continua y0,30 % Fe y 0,10% Si, el de laminación en caliente.

De los dos tipos de esbozo BCC y BLC, se extraenmuestras y se preparan probetas para la realización delos siguientes ensayos: estudio metalográfico pormicroscopía óptica, ensayo de tracción según normaUNE EN 10002, en sentido longitudinal y transversal yensayo de flexión por choque con probeta Charpy segúnnorma UNE-EN ISO 14556.

Ambos tipos de esbozo se laminan en laboratorio paraobtener hojas finas de 0,20 mm de espesor y estado“H19”. Posteriormente estas hojas finas se someten aun tratamiento final de recristalización para conseguirel estado de entrega “0”.

Las hojas finas tanto en estado duro (H19) comorecocido (“0”) se someten a los siguientes ensayos:ensayo de tracción según norma UNE 7-474-92 ensentido longitudinal y evaluación de las fracturas delensayo de tracción. Asimismo, se lleva a cabo unestudio metalográfico del grano de las hojas finas enestado “0”.

3. RESULTADOS

4.1. Esbozos

Probetas de los dos tipos de esbozo fueron preparadaspara observación metalográfica al microscopio óptico.

Se realiza el ataque Barker (anodizado en solución deácido fluobórico) para revelado del grano y observaciónposterior con luz polarizada.

Las micrografías que se muestran en la figura 1corresponden al esbozo de BCC en sentido longitudinaly transversal. En el sentido longitudinal se ven losgranos alargados por la laminación en estado pastoso orecién solidificado de la banda.

Figura 1. Grano de BCC en sentido: a) longitudinal yb) transversal.

La figura 2 correspondiente a la BLC, nos presenta elgrano alargado por la laminación en caliente. Dado elbajo espesor de salida de la banda (3,0 mm) los granosobtenidos en la solidificación de la colada semicontinuade la placa de laminación, se alargan por ladeformación dando granos alargados y simulando ungrano continuo.

a)

b)

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Figura 2. Grano de BLC en sentido: a) longitudinal yb) transversal.

4.1.1. Ensayos de tracción

Las probetas de BCC se prepararon rebajando suespesor desde 7,5 hasta 3,0 mm por mecanizado(fresado) por las dos caras. Las probetas de BLC seensayaron en el espesor de la banda recibida de 3,0mm.Tanto de uno como de otro esbozo, se extrajeronprobetas en el sentido longitudinal o transversal de ladirección de colada o laminación en caliente. Losresultados se ofrecen en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de los ensayos de tracción de lasmaterias primas BCC y BLC en sentido longitudinal ytransversal.

Tipo debanda

Espesor(mm) Sentido Rm *

(MPa)

A%*Lo= 50(mm)

BCC 3,0 Long. 91,2 15,5BCC 3,0 Trans. 85,4 38,0BLC 3,0 Long. 95,4 34,5BLC 3,0 Trans. 89,5 36,5

*Media de tres valores.

Puede verse más direccionalidad de resultados en losesbozos BCC que en los de BLC. Así el alargamiento ala rotura de la BCC en sentido transversal es muysuperior al que tiene en sentido longitudinal. La banda

de BLC es más isotropa en propiedades mecánicas quela BCC.

Las fractografías de las figuras 3.a y 3.b corresponden alas fracturas en los ensayos de tracción de las probetasde BCC. Las figuras 3.c y 3.d corresponden a lasfracturas producidas en el ensayo de tracción de lasprobetas BLC. Tanto en la banda de BCC como deBLC se aprecian microhuecos equiaxiales de diferentetamaño y profundidad y de forma localizada desgarrodúctil, tanto en sentido longitudinal como transversal.Se pude afirmar por lo tanto, que el tipo de fractura hasido por coalescencia de microhuecos. Sin embargo, eltamaño de éstos es más uniforme en el caso de esbozode BLC que en el esbozo de BCC.

a)

b)a)

b)

c)

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Figura 3. Fractografías de las superficies de fracturade las muestras de los ensayos de tracción de losesbozos: a) BCC en sentido longitudinal, b) BCC ensentido transversal, c) BLC en sentido longitudinal y d)BLC en sentido transversal.

4.1.2. Ensayos de flexión por choque sobre probetaCharpy

Se preparan probetas para el ensayo de flexión porchoque con probeta Charpy según la norma UNE 7475(Norma Europea EN 10045). Los resultados sepresentan en la tabla 2. La resiliencia para cada una delas muestras tanto en sentido longitudinal comotransversal es aproximadamente igual y asciende a 4,2J. Al término del ensayo ninguna de las muestras se hafracturado completamente. El examen visual de lasmuestras permite observar gran deformación plásticadurante el ensayo.

Tabla 2. Resultados de los ensayos de flexión porchoque, probeta Charpy, sobre los esbozos de BCC yBLC.

Tipo debanda

Espesor(mm) Sentido

Energía *Absorbida

(J)BCC 3,0 Long. 4,2BCC 3,0 Trans. 4,2BLC 3,0 Long. 4,2BLC 3,0 Trans. 4,2

*Media de tres valores.

4.2. Hoja fina4.2.1. Estudio y obtención de hojas finas de BLC y BCC

Se preparan por laminación en laboratorio hojas finasde 0,20 mm de espesor de BCC y BLC Las hojas finasobtenidas están en estado duro H19. Se determinan suspropiedades mecánicas por ensayos de tracción ensentido longitudinal.

Tabla 3. Resultados de los ensayos de tracción de lashojas finas en estado H19.

Tipo y estadode hoja fina

Espesor(mm)

Rm *(MPa)

A%*Lo= 50 mm

BCC-H19 0,20 179,2 1,4BLC-H19 0,20 169,6 2,7

*Media de tres valores.

La hoja fina de BCC muestra en estado duro un pocomás de resistencia que la hoja fina de BLC mientrasque el alargamiento es superior en esta última.

Las fractografías de la figura 4 indican una superficiede fractura completamente dúctil (coalescencia demicrohuecos) ya que únicamente se observanmicrohuecos equiaxiales de tamaño y profundidadvariable. Si comparamos estas fractografías con lascorrespondientes a los esbozos, se observa que eltamaño de los huecos es aproximadamente la mitadpara la hoja fina que para los esbozos. La nucleación dehuecos, por lo tanto, es mayor en el caso de la hoja fina.El ángulo de fractura (ángulo que forman la línea defractura con el eje de tracción) de las probetas de hojafina en estado duro (H19) es aproximadamente 60º.

Figura 4. Fractografías de las superficies de fracturade las muestras de los ensayos de tracción de la hojafina en estado H19 de: a) BCC y b) BLC.

4.2.2. Estudio de la recristalización de hojas finas

d)

a)

b)

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Se pretende estudiar la recristalización de las hojasfinas de BCC y BLC para posterior análisis del granorecristalizado y de las fracturas de los ensayos detracción de las hojas finas con el mejor tratamiento derecocido de recristalización. Se escoge una duración dedos horas como tiempo de tratamiento a temperatura.

Para encontrar la temperatura más adecuada para esetiempo de recocido se recurre a la obtención de lascurvas de ablandamiento de las hojas finas portratamientos en estufa a temperaturas entre 160 y 420ºC e intervalos de 20º C con rampa de calentamiento de4ºC/min y tiempo de duración de 2h.

Analizadas las curvas de ablandamiento, los resultadosde Rm nos dan una temperatura óptima de recocidomientras los de alargamiento a la rotura darían otra. Deun compromiso entre ambas variables podemos elegircomo temperaturas más adecuadas de tratamiento:un tratamiento a 380 ºC para la hoja fina de BCC y 320ºC para la de BLC.

Tabla 4. Resultados de los ensayos de tracción de lashojas finas de BCC y de BLC en estado “0”.Tipo yestadode hoja

fina

Espesor(mm)

Temperaturade

Recocido ºC

Rm *(MPa)

A%*Lo= 50(mm)

BCC“0” 0,20 380 70,1 12,3

BLC“0” 0,20 320 93,9 21,6

*Media de tres valores.

La resistencia mecánica de la hoja fina de BCC esinferior al de la BLC mientras el alargamiento de estaúltima es claramente superior. Esta aparenteincongruencia se debe al grano anormal de la hoja finade BCC.

Figura 5. Micrografías de la hoja fina de: a) BCC y b)BLC, ambos en estado “0”.

Las micrografías donde se aprecia la diferencia delgrano recristalizado entre la hoja fina de BCC y BLC sepresentan en la figura 5 a) y b). En dichas figuraspueden verse los tamaños de grano de las hojas finas deBCC y BLC en estado “0” (recocido).

Mientras la hoja fina de BLC tiene una recristalizaciónnormal, la BCC presenta la morfología de larecristalización anormal o secundaria.

a)

b)

a)

b)

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Figura 6. Fractografías de las superficies de fracturade las muestras de los ensayos de tracción de la hojafina en estado “0” de: a) BCC y b) BLC.

En la figura 6 pueden verse las roturas en el ensayo detracción de las hojas finas de BCC y de BLC en estadode recocido.

Ambas roturas son de tipo dúctil (coalescencia demicrohuecos) ya que únicamente se observanmicrohuecos equiaxiales. En ambos casos la estricciónes muy alta en comparación con la fractura quepresentan las hojas finas en estado duro H19. Lamorfología del microhueco es más alargada cuando setrata de la hoja fina en estado “0” de BCC encomparación con la fractografía correspondiente a laBLC.

4. DISCUSIÓN

La macroestructura del esbozo de BCC es unaestructura de colada producida en una solidificaciónrápida, con una leve laminación en estado pastoso ycaliente mientras que el esbozo de BLC ofrece laestructura de una deformación por laminación encaliente por encima de la temperatura derecristalización.

La microestructura es sin embargo muy diferente. Lacolada continua hace pasar al metal del estado líquidoal sólido en un breve espacio de tiempo (segundos)mientras la banda de laminación en caliente conllevaun largo proceso. Primero una solidificación de la placade laminación con una velocidad de solidificación unas100 veces menor. Luego la placa es precalentada atemperaturas superiores a 500ºC y a continuación eslaminada en caliente para obtener el esbozo del espesordeseado entre 3 y 7 mm, según destino final de la bandau hoja fina laminada en frío.

Esta importante diferencia en historia térmica da lugara una diferente microestructura y en consecuencia unamuy diferente respuesta al tratamiento de recocido.

El esbozo de BCC de aluminio comercialmente puro,por su rápida solidificación y ausencia de tratamientoposterior, mantiene en solución sobresaturada una parteimportante de su contenido en hierro. Este Fe ensolución metaestable, precipita previa ysimultáneamente a la recristalización que se persigueen el tratamiento de recocido, dificultando de formaimportante el proceso.

La hoja fina de BCC recocida presenta un grano gruesoe irregular (cristalización anormal o secundaria) condistribución bimodal difícil de medir, mientras el granode BLC es fino y regular (ASTM 6).

El grano grande e irregular da lugar en los ensayos detracción a un comportamiento diferente en comparacióncon el grano fino correspondiente a la hoja fina deBLC. La hoja fina de BLC presenta mejorespropiedades mecánicas de resistencia Rm, alargamientoy estricción (en estado “0”) y la morfología de fracturases más uniforme en comparación con la observada en lahoja fina de BCC.

5. CONCLUSIONES

Las superficies de fractura obtenidas en el ensayo detracción de los esbozos de BCC y BLC no son muydiferentes. Puede decirse que ambos procesos terminancon una deformación en caliente.

La laminación en frío de ambos tipos de banda da lugara unas hojas finas que en estado H19 y en el ensayo detracción generan superficies de fractura cuyasmorfologías se asemeja entre sí, por el alto grado dedeformación en frío al que han sido sometidas.

Las hojas finas tratadas mediante recocido derecristalización presentan una estructura interna con ungrano muy diferente, grande e irregular en el caso de lahoja fina de BCC y fino y regular en el caso de la deBLC. Las superficies de fractura en el ensayo detracción difieren en lo que respecta a la nucleación demicrohuecos.

REFERENCIAS

[1] J. Pérez-Ilzarbe, J. Faustman and A. Suárez.Recristalización de bandas de aluminio procedentes decolada continua. Rev. Metal. Madrid p. 435-451.(2000)

[2] S.X. Zou, Jue Zhong, Daheng Mao, Paul Funke.Experimental study on material properties of hot rolledand continuously cast aluminium strips in cold rolling.Journal of Material Processing Technology 134 p.363-373. (2003)

[3] P. Furrer. Casting wrought aluminium alloys. TheirPhysical and Mechanical Properties, Eds. E.A. StarkeJr. and T.H Sanders Jr., EMAS,Warley.(Chalottesville), 1986, 1303-1320

[4] X.Yang, J.D. Hunt and D.V. Edmonds. Aquantitative study of grain structures in twin-roll castaluminium alloys. Part I: AA 1070. Aluminium.69(1993) 1 & 2, p.65-71.

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