Extrusión en caliente de polvo de aluminio. Estudio experimental, simulacíón por elementos finitos y aplicación a otros materiales

Resumen

TITULO: EXTRUSIÓN EN CALIENTE DE POLVO DE ALUMINIO. ESTUDIO EXPERIMENTAL, SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS Y APLICACIÓN A OTROS MATERIALES RESUMEN: En el presente trabajo se ha diseñado y puesto a punto un utillaje para la extrusión directa en caliente de compactos de polvos, haciendo viable dicho proceso en una prensa hidráulica de compactación. Se ha densificado un polvo de aluminio comercial pre aleado de la serie 2000 a través de la extrusión directa en caliente. Las extrusiones se han realizado introduciendo cambios en las variables de procesamiento. Se han extruido compactos con distinta densidad y también se han aplicado tratamientos térmicos previos a la extrusión, modificando así la cohesión entre partículas para una misma densidad en verde. Se ha estudiado el efecto de todos estos factores en la evolución de la carga de extrusión a lo largo del proceso, así como en la dureza, densidad y microestructura de los productos finales. Se han empleado las técnicas de difracción de rayos x, SEM y EBSD para interpretar y entender los cambios microestructurales que se producen durante la extrusión. En todos los casos la extrusión conduce a un afino microestructural, produciéndose además la precipitación de intermetalicos y distintos fenómenos de ablandamiento en función del tratamiento térmico aplicado antes de la extrusión y la deformación introducida en el proceso. Se han aplicado tratamientos de envejecimiento natural a los productos de extrusión para elevar su dureza y se ha analizado el efecto que dichos tratamientos tienen sobre la microestructura. Las simulaciones termomecánicas empleando el código de elementos finitos ABAQUS han permitido estudiar la distribución de deformaciones, velocidades de deformación, temperaturas y densidades en el material, así como las tensiones sufridas por el utillaje y las cargas implicadas en el proceso, llegando a una buena correspondencia entre simulación y realidad. Para ello ha sido necesario caracterizar mediante ensayos de compresión axisimétrica la fluencia de los materiales involucrados en el estudio, bajo diferentes combinaciones de temperatura y velocidad de deformación. De esta manera, la combinación si mulación-resultados experimentales realizados con el aluminio ha permitido plantear la aplicación de la extrusión a otros materiales como el acero rápido, que por su mayor resistencia a la fluencia presenta dificultades de cara a ser conformado por exigir cargas de extrusión que superan las capacidades del equipo disponible y/o la resistencia por parte del utillaje. Se ha visto que la coextrusión de acero rápido con otro acero de menor resistencia es una solución que permite la densificación del acero rápido por debajo de los límites de carga e la prensa y con unas tensiones soportables para un nuevo diseño de útillaje. In the present work a tooling has been designed and implemented in order to carry out the direct hot extrusion of powder compacts, allowing this process to occur in a hydraulic compacting press. A commercial aluminium powder has been densified by direct hot extrusion. Extrusions have been carried out changing the processing variables. Powder compacts with different green densities have been consolidated. The cohesion between partides has been modified by different heat treatments previous to extrusion. The evolution of the extrusion load with time during the process, the hardness, density and microstructure of the final products have been analysed for the different initial conditions. x- ray diffraction, SEM and EBSD have been used to understand the microstructural changes taking place during extrusion. In all the cases the results show evidence of grain refinement, as well as inter-metallic precipitation and different softening phenomena depending on the heat treatment applied before extrusion and the strain involved in the processing. Natural aging after solution heat treatment has been applied to the extrusion products in order to increase their hardness and the effect of these treatments on the microstructure has been analysed. Thermomechanical simulations using ABAQUS software have allowed the study of the distribution of strains, strain rates, temperatures and densities in the material, the stresses suffered by the tooling and the loads needed for extrusion, obtaining a good agreetment between simulation and experiments. Axisymmetric compression tests at different temperatures and strain rates have been carried out to provide some input data for the thermomechanical modelling. In this way, the combination of simulation-experimental results carried out with aluminium has allowed for the Eroposal of this application of extrusion to different materials such as the high speed steel , where high flow strength presents difficulties in order to be conformed due to limitations in the capacity of the press and the tooling strength. It has been seen that the co-extrusion of a high speed steel together with other steels of lower strength is a solution that allows the densification of the high speed steel below the load limits of the press and with stresses that the new tooling design can support.