ES2208097B1 - Procedimiento de fabricacion de componentes de aluminio reforzados con particulas intermetalicas. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de componentes de aluminio reforzados con particulas intermetalicas.Info
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Abstract
Procedimiento de fabricación de componentes de aluminio reforzados con partículas intermetálicas. Componente de aluminio que comprende una primera fase formada por aluminio y una segunda fase, dispersa y homogéneamente distribuida en la primera, formada por partículas de polvo intermetálicas. También se describe el procedimiento para la obtención de dicho componente de aluminio.
Description
Procedimiento de fabricación de componentes de
aluminio reforzados con partículas intermetálicas.
La presente invención se relaciona, en general,
con piezas y productos composites base o componentes de aluminio,
obtenidos tanto por fusión y solidificación como por
pulvimetalurgia, que están reforzados mediante la introducción de
partículas en el metal base de aluminio. Más concretamente, la
presente invención se refiere a las piezas y productos composites
base o componentes de aluminio reforzados mediante la introducción
de compuestos o partículas intermetálicas y a los procedimientos
para la obtención de dichos productos.
Las piezas y productos composites base o
componentes de aluminio, obtenidos tanto por fusión y
solidificación como por pulvimetalurgia, y reforzados mediante la
introducción de compuestos o partículas generalmente cerámicas en
el metal base de aluminio, han merecido una amplia aceptación por
sus propiedades de resistencia mecánica y al desgaste. Los refuerzos
cerámicos que habitualmente se utilizan para estas aplicaciones son
óxidos o carburos de metales como los de aluminio, silicio,
titanio, tungsteno, zirconio, etc.
Es conocido en el estado de la técnica que los
materiales compuestos base aluminio reforzados con partículas
cerámicas de refuerzo, como por ejemplo el carburo de silicio (ES
01/00430, documento perteneciente al estado de la técnica según el
artículo 6.3 de la Ley de Patentes) presentan dificultades técnicas
tanto desde el punto de vista de su procesado (soldabilidad,
mecanizado y reciclabilidad) como en su comportamiento en servicio
(fragilidad, desgaste de la pieza contra la que roza o
antagonista). Existe, por tanto, en el estado de la técnica la
necesidad de disponer de materiales compuestos base aluminio
reforzados que no presenten las desventajas referidas
anteriormente.
La invención proporciona como solución a las
necesidades del estado de la técnica un componente de aluminio que
comprende una primera fase formada por aluminio y una segunda fase,
dispersa y homogéneamente distribuida en la primera, formada por
partículas de polvo intermetálicas.
Un segundo aspecto de la invención consiste en un
procedimiento para la fabricación de un componente de aluminio que
comprende la adición bien vía líquida o bien vía pulvimetalúrgica
de partículas de polvo intermetálicas (segunda fase) sobre una
aleación de aluminio (primera fase).
Un tercer aspecto de la invención consiste en un
componente de aluminio obtenible según el procedimiento
anteriormente citado.
Un cuarto aspecto de la invención consiste en una
pieza moldeada en un componente de aluminio según los aspectos
anteriores.
Finalmente, un quinto aspecto de la invención
consiste en un método para fabricar piezas moldeadas, de productos
metálicos, de piezas de materiales metálicos y de productos
metálicos en componente de aluminio según los aspectos
anteriores.
El componente de aluminio objeto de la presente
invención resuelve la problemática anteriormente expuesta, y más
concretamente la de conseguir un componente o producto reforzado
con partículas intermetálicas con mejores resultados que los
productos de refuerzo de tipo cerámico, debido a su baja
reactividad y alto módulo elástico, pero sin los inconvenientes y
problemas referidos en el apartado anterior.
El componente de aluminio de la invención
comprende una primera fase formada por aluminio y una segunda fase,
dispersa y homogéneamente distribuida en la primera, formada por
partículas de polvo intermetálicas. La segunda fase está
preferentemente presente en un porcentaje de hasta un 30% en volumen
con respecto al volumen total de aluminio. En el contexto de la
presente invención se entiende por el término aluminio no sólo
aluminio, sino cualquier aleación que comprenda mayoritariamente
aluminio.
Las partículas de polvo intermetálicas que
presentan preferentemente un diámetro de 1 a 20 micrómetros,
corresponden preferentemente a un grupo de productos pulverulentos
basados en compuestos intermetálicos de fórmula Me_{y}X_{Z};
donde Me se selecciona de entre Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru,
Co, Zr o Ti; X se selecciona de entre Si o Al; y presenta
valores de 1 a 9; y, finalmente, z presenta valores de 1 a
9. Los compuestos intermetálicos preferidos son el MoSi_{2},
TiAl, FeAl y NiAl; así como VSi_{2}, V_{5}Si_{3}, V_{5}Al,
V_{3}Si, Cr_{3}Si, RuAl, CoAl, ZrAl_{2} o ZrAl_{3}.
La técnica para obtener las partículas
intermetálicas es la conocida como de síntesis autopropagada a
temperatura elevada, de manera que para que el refuerzo sea técnica
y económicamente viable a nivel industrial, ya se realice vía
metalurgia líquida o vía pulvimetalurgia (sólida), se requiere que
el proceso de fabricación de dichas partículas intermetálicas sea
económico, que su incorporación al metal líquido o en medio
pulverulento se realice con un rendimiento similar al del resto de
los elementos aleantes y al mínimo coste posible, y que la
incorporación del reforzante mejore las características de la
aleación (en función de la naturaleza de las partículas, de su
distribución uniforme, sin coalescencia entre ellas y con una buena
afinidad metalúrgica con el material de base).
En cuanto al diseño del material reforzante a
utilizar se ha comprobado que las partículas intermetálicas del
tipo MeyXz, donde Me: Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru, Co, Zr o Ti;
X se selecciona de entre Si o Al, y presenta valores de 1 a
9; y, finalmente, z presenta valores de 1 a 9, mantienen las
ventajas de las partículas cerámicas y permiten superar las
limitaciones técnicas y económicas anteriormente indicadas en sus
aplicaciones y en su posterior procesado.
- 1.-
- Familia de Aluminuros de Níquel: Forman un sistema binario que da lugar a 4 compuestos intermetálicos: NiAl_{3}, Ni_{2}Al_{3}, NiAl y Ni_{3}Al.
- 2.-
- Familia de Aluminuros de Titanio: sistema binario que contiene 3 compuestos intermetálicos: TiAl, Ti_{3}Al y TiAl_{3}
- 3.-
- Familia de Aluminuros de Hierro: se combina en 4 compuestos principales: FeAl, FeAl_{2}, FeAl_{3} y Fe_{2}Al_{5}
- 4.-
- Familia de Siliciuros de Molibdeno: se ordenan en los siguientes compuestos: Mo_{3}Si, Mo_{5}Si_{3} y MoSi_{2}
- 5.-
- Familia de Siliciuros de Cromo: presenta 4 intermetálicos: Cr_{3}Si, Cr_{5}Si_{3}, CrSi y CrSi_{2}
También son preferidos intermetálicos: VSi_{2},
V_{5}Si_{3}, V_{5}Al, V_{3}Si, RuAl, CoAl, ZrAl_{2},
ZrAl_{3}.
Como ya se ha dicho con anterioridad, el
procedimiento para la obtención de las partículas intermetálicas se
fundamenta en la técnica de síntesis autopropagada a temperatura
elevada, debido al carácter exotérmico de las reacciones de
formación de los compuestos o partículas intermetálicas.
A continuación, se exponen algunas de las
reacciones estudiadas correspondientes a las principales familias
de intermetálicos descritas anteriormente:
H es la entalpía de formación y T
ad es la temperatura
adiabática.
Esto significa que la formación de las partículas
intermetálicas a partir de sus elementos constituyentes resulta muy
favorable desde el punto de vista termodinámico. Por otra parte,
una vez que se inicia la reacción, la temperatura sube rápidamente
(debido al calor que se desprende).
A condición de que este material de refuerzo
pueda ser manufacturado a un bajo coste, tal como ocurre con el
proceso que se describirá más adelante, el diseño del mismo incluye
también la cuantificación proporcional de cada elemento químico,
habiéndose contrastado que los resultados óptimos se alcanzan con
valores estequiométricos para cada uno de ellos.
Para la consecución del objetivo técnico de la
invención, la fabricación previa de los mismos puede realizarse
mediante un proceso en discontinuo, en el que, preparada y mezclada
una cierta cantidad de materias primas, se introduce en un reactor
donde tiene lugar la reacción de síntesis a alta temperatura, se
espera a que enfríe la masa sintetizada y se extrae del reactor,
repitiéndose el ciclo hasta la consecución de la cantidad
requerida.
Se ha constatado que la productividad del proceso
para obtener partículas intermetálicas resulta sensiblemente
incrementada y de coste de producción reducido, utilizando un
proceso en continuo como el descrito en la patente de invención
española P9901327, de manera que debido al elevado carácter
exotérmico de las reacciones de formación de las partículas
intermetálicas, así como a la facilidad con que se pueden alcanzar
las requeridas condiciones termodinámicas para su inicio y
realización, la síntesis, a partir de las materias primas que
contienen las proporciones adecuadas de Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru,
Co, Zr , Ti , Si o Al puede realizarse también en continuo, de
acuerdo con el proceso descrito en esa patente citada,
incrementándose de esta manera la productividad, lo que permite,
por una parte, la posibilidad de disponer de grandes cantidades de
material de refuerzo y, por otra parte, reducir sus costos de
producción. De cualquiera de las dos maneras se obtiene el producto
de refuerzo, triturándose las partículas a un tamaño preferente de
1-20 micrómetros y mezclándose en aleación de Al,
bien por vía líquida con aleación fundida, bien mediante la ruta
pulvimetalúrgica con los polvos de la aleación.
Por lo tanto, a partir del tipo de partículas
intermetálicas descrito hasta el momento, y la forma de obtener las
mismas, el segundo aspecto de la invención consiste en un
procedimiento que se basa en que dichas partículas intermetálicas,
previamente elaboradas, se añaden en estado sólido a la aleación de
aluminio cuando ésta se encuentra en estado líquido en el
correspondiente horno de fusión, o bien se mezclan con polvo de la
aleación de aluminio en el proceso por vía pulvimetalúrgica, de
manera caso tras la correspondiente solidificación del material
colado del horno de fusión, en un caso, o con la correspondiente
consolidación del material, en otro caso, se obtiene un producto
resultante o componente que posee la matriz metálica de aluminio
base más las partículas intermetálicas duras, estables,
poligonales, de 1 a 2 micrómetros de tamaño, dispersas,
homogéneamente distribuidas en la matriz y metalúrgicamente
embebidas en ella.
Los refuerzos o partículas intermetálicas pueden
ser añadidas en proporciones inferiores al 100% con respecto a la
masa total. Preferiblemente, la partículas intermetálicas se
encuentran en un porcentaje de entre 20 y 50%, más preferiblemente
estas partículas suponen un 30% de la masa total.
El tercer aspecto de la invención consiste en el
componente de aluminio obtenible según el procedimiento de la
invención detallado en esta solicitud de patente.
El cuarto aspecto de la invención consiste en las
piezas del presente componente de aluminio las cuales han sido
moldeadas según los métodos conocidos por el experto en la materia,
y preferentemente según los métodos expuestos a continuación, que
forman el quinto aspecto de la invención:
Método para fabricar piezas moldeadas en
componente de aluminio que comprende colar fundido el componente de
la invención en moldes de arena (sand casting), de cerámica
(investement casting), coquilla centrifugada (centrifugal casting)
o metálicos por inyección (injection moulding) para su
solidificación y posterior procesamiento de las piezas reforzadas
con las partículas intermetálicas de la invención.
Método de fabricación de productos metálicos
semielaborados en componente de aluminio que comprende colar el
componente de la invención en lingoteras para la obtención de
lingotes o incluso en continuo para la obtención de palanquilla y
su posterior procesamiento.
Método de fabricación de piezas en materiales
metálicos en componente de aluminio que comprende consolidar el
componente de la invención por extrusión, prensado isostático,
laminación, sinterizado, etc.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado una serie
de fotografías-micrografías que muestran
compuestos de aleación de aluminio con refuerzos de partículas
intermetálicas.
La figura 1.- Muestra la micrografía
correspondiente a la microscopía electrónica de barrido del
material compuesto Al (Mg)/MoSi_{2} en estado T1.
La figura 2.- Muestra una micrografía
correspondiente a la microscopía electrónica de barrido del
material compuesto Al (Cu, Mg)/MoSi_{2} en estado T4.
La figura 3.- Muestra la micrografía
correspondiente a una microscopía electrónica de barrido del
material compuesto Al (Si)/Ni_{3}Al en estado T6.
La figura 4.- Muestra la micrografía
correspondiente a una microscopía óptica del material
compuesto
\breakAl(CuMg)/MoSi_{2}, mezclado suficientemente.
Utilizando las familias correspondientes a los
tipos intermetálicos descritos en el apartado de descripción de la
invención, se ha comprobado que las partículas intermetálicas de
MoSi_2 no reaccionan con el metal líquido con bajos tiempos de
permanencia, ni existe difusión en los tratamientos térmicos,
mientras que con otras partículas pueden existir reacciones
metalúrgicas según el tipo de aleación de aluminio (que contengan
Mg, Mn, Fe, Si u otros elementos aleantes). Así, las micrografias
representadas en las figuras 1 y 2 muestran que la distribución de
reforzante es uniforme y que no ha habido reacción entre la matriz
y el intermetálico durante el procesado o el tratamiento térmico,
mientras que en la figura 3 se muestra un ejemplo de reacción
metalúrgica entre una aleación de Al rica en Si y partículas
reforzantes de Ni_{3}Al en T6, con formación de dos aluminuros de
níquel en las intercaras, concéntricos con la partícula original,
estando la intermedia contaminada con Si proveniente de la
matriz.
Para describir el procedimiento de la invención,
según un ejemplo práctico, se tiene que tener en cuenta que los
compuestos intermetálicos son muy estables a las temperaturas de
las aleaciones de aluminio en estado líquido (del orden de los
800°C). Por tanto, la manipulación y procesamiento de este material
resultan sencillos en general y no se precisan medidas especiales
para evitar su deterioro en contacto con la atmósfera ambiental,
por oxidación u otras causas, ni su descomposición en el seno de la
aleación líquida. No obstante hay algunas composiciones que
requieren un estudio en profundidad por tener una mayor
reactividad, especialmente algunos aluminuros de hierro y de níquel.
Por otra parte, la mejora de características mecánicas de la
aleación reforzada es función directa de la homogénea distribución
de las partículas, sin coalescencia entre ellas, de la morfología
regular de las mismas y de su coherencia metalúrgica con el
material de base.
Se ha constatado que la efectividad de la mezcla
es principalmente función del método de mezcla y del tamaño de las
partículas. Las Figuras 1 y 2 presentan ejemplos de mezclas
efectivas, en las que las partículas de intermetálicos se
distribuyen uniformemente. En cambio, cuando el método no es el
adecuado, puede ocurrir que permanezcan aglomerados de partículas,
como los que se ven en la Figura 4, que es una micrografía tomada
con microscopio óptico de un composite Al(Cu,Mg)/MoSi_{2}
con defectos de mezcla. Los agrupamientos de partículas de
intermetálicos pueden, además, no dejar fluir la aleación de Al en
su interior, dando lugar a porosidad como defecto secundario, aunque
no menos pernicioso. Cuando esto ocurre el material pierde sus
buenas características, de modo que propiedades tales como
resistencia máxima a la tracción y alargamiento a rotura disminuyen
drásticamente.
En el caso de la presente invención, se ha
conseguido la optimización de tales parámetros mediante dos
procesos:
- I) A través de la vía líquida, mediante el adecuado diseño de los intermetálicos y de su proceso de obtención.
- II) A través de la vía pulvimetalúrgica.
I) El primer caso se ha basado en el
procedimiento secuencial de adición de las partículas en el horno
de fusión que consiste en:
- a)
- Puesta a punto del material que se va a añadir. El refuerzo MeyXz, se añade hasta una proporción del 30%, en volumen, de la carga total del horno y se mezcla con los productos comerciales utilizados normalmente como desgasificante de las aleaciones de aluminio.
- b)
- Fusión de la aleación metálica, base Al, de acuerdo al proceso convencional y en los tipos de horno utilizados habitualmente para el procesamiento de estos materiales.
- c)
- Moldeo de la aleación junto con el refuerzo. Se inicia cuando la carga del horno se encuentra en estado líquido y a una temperatura de unos 150°C superior a la de "sólidus". El modo operativo de la adición es similar al de cualquier otro material que se aporta en el proceso metalúrgico convencional, para el ajuste de la composición química de las aleaciones.
- d)
- Una vez que se ha completado la adición, el material líquido resultante, aleación aluminio + intermetálicos de refuerzo, se procesa de manera convencional, pudiendo ser colado en moldes (de arena, cerámica, metálicos, etc.), para la obtención de piezas moldeadas, o en lingoteras, para la obtención de productos semielaborados o inyectados por gravedad o por presión o incluso de forma de colada continua.
El rendimiento de la adición es el cercano al
100%, por lo que las pérdidas pueden considerarse mínimas, incluso
menores de las normales de cualquier otra operación metalúrgica de
ajuste de composición química de una aleación.
II) En el segundo caso, Vía Pulvimetalurgia, el
protocolo de actuación es el siguiente:
- a)
- Puesta a punto del material que se va a añadir. El refuerzo MeyXz se tritura al tamaño deseado, se escoge la distribución granulométrica y se mezcla con el polvo de la aleación de aluminio en proporción de hasta un 30%, en volumen, de la carga total del contenedor de mezcla.
- b)
- Preparación de la mezcla. La mezcla de polvos en la proporción establecida se compacta en frío o se coloca en un contenedor adecuado para conseguir su compactación en los pasos sucesivos que se describen a continuación.
- c)
- Consolidación. La mezcla de polvos se consolida totalmente por procesos convencionales de la vía pulvimetalúrgica como extrusión, prensado isostático, laminación, sinterizado, etc.
- d)
- Una vez que se ha completado la consolidación, el material se obtiene en forma de pieza semielaborada, como por ejemplo perfil extruído, con mínima necesidad de mecanizado y acabado final, o como tocho para mecanizar según la forma de la pieza.
Como resultado de los procesos I) y II), se
obtienen piezas o productos semielaborados con una microestructura
compuesta por la matriz metálica correspondiente a la aleación de
Al más partículas intermetálicas, de elevada dureza y estabilidad
térmica, de 1 a 20 micrómetros de tamaño y morfología regular,
embebidas de manera uniforme, dispersas y homogéneamente
distribuidas en el interior de la matriz de base aluminio. Este
producto, dependiendo del intermetálico, puede ser sometido
posteriormente a cualquier tipo de tratamiento térmico,
termoquímico o termomecánico industrial, sin que las partículas
sufran deterioro.
En consecuencia, el producto así obtenido posee
las características propias de la matriz metálica de base, en
función de la aleación y de su procesamiento posterior, mejoradas e
incrementadas por el efecto reforzante y endurecedor de los
intermetálicos embebidos en dicha matriz. Este efecto positivo se
manifiesta, sobre todo, en el módulo elástico, la resistencia al
desgaste y a la temperatura. Tomando como referencia los valores de
dichas características correspondientes a la aleación metálica sin
refuerzo, el incremento conseguido con los nuevos productos, sobre
estos valores, es superior al 40%.
Claims (18)
1. Componente de aluminio que comprende una
primera fase formada por aluminio y una segunda fase, dispersa y
homogéneamente distribuida en la primera, formada por partículas de
polvo intermetálicas.
2. Componente de aluminio según la reivindicación
1 caracterizada porque la segunda fase está presente en un
porcentaje de hasta un 30% en volumen con respecto al volumen total
de aluminio.
3. Componente de aluminio según la reivindicación
1 caracterizada porque las partículas de polvo
intermetálicas tienen un diámetro de 1 a 20 micrómetros.
4. Componente de aluminio según las
reivindicaciones anteriores caracterizada porque las
partículas de polvo intermetálicas están formadas por un compuesto
seleccionado de entre compuestos según la fórmula Me_{y}X_{z};
donde Me se selecciona de entre Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru,
Co, Zr o Ti; X se selecciona de entre Si o Al; y presenta
valores de 1 a 9; y, finalmente, z presenta valores de 1 a
9.
5. Componente de aluminio según la reivindicación
4 caracterizada porque las partículas de polvo
intermetálicas están formadas por un compuesto seleccionado de
entre MoSi_{2}, TiAl, FeAl o NiAl.
6. Componente de aluminio según la reivindicación
4 caracterizada porque las partículas de polvo
intermetálicas están formadas por un compuesto seleccionado de
entre VSi_{2}, V_{5}Si_{3}, V_{5}Al, V_{3}Si, Cr_{3}Si,
RuAl, CoAl, ZrAl_{2} o ZrAl_{3}.
7. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio que comprende la adición bien vía líquida o
bien vía pulvimetalúrgica de partículas de polvo intermetálicas
(segunda fase) sobre una aleación de aluminio (primera fase).
8. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio según la reivindicación 7
caracterizado porque las partículas de polvo intermetálicas
se añaden hasta en una proporción del 30% en volumen con respecto a
la carga total del horno.
9. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio según las reivindicaciones
7-8 caracterizado porque las partículas de
polvo intermetálicas tienen un diámetro de 1 a 20 micrómetros.
10. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio según las reivindicaciones
7-9 caracterizado porque las partículas de
polvo intermetálicas están formadas por un compuesto seleccionado
de entre compuestos según la fórmula Me_{y}X_{z}; donde Me se
selecciona de entre Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru, Co, Zr o Ti; X se
selecciona de entre Si o Al; y presenta valores de 1 a 9; z
presenta valores de 1 a 9.
11. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio según las reivindicaciones 10
caracterizado porque las partículas de polvo intermetálicas
están formadas por un compuesto seleccionado de entre MoSi_{2},
TiAl, FeAl o NiAl.
12. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio según las reivindicaciones 10
caracterizado porque las partículas de polvo intermetálicas
las partículas de polvo intermetálicas están formadas por un
compuesto seleccionado de entre VSi_{2}, V_{5}Si_{3},
V_{5}Al, V_{3}Si, Cr_{3}Si, RuAl, CoAl, ZrAl_{2} o
ZrAl_{3}.
13. Procedimiento para la fabricación de un
componente de aluminio según las reivindicaciones
7-12 caracterizada porque las partículas de
polvo intermetálicas están preparadas por síntesis autopropagada a
alta temperatura.
14. Componente de aluminio obtenible según el
procedimiento de las reivindicaciones 7-13.
15. Pieza moldeada en un componente de aluminio
según las reivindicaciones 1-6 y 14.
16. Método para fabricar piezas moldeadas en
componente de aluminio que comprende colar fundido el componente
definido en las reivindicaciones 1-6 y 14 en moldes
de arena (sand casting), de cerámica (investement casting), coquilla
centrifugada (centrifugal casting) o metálicos por inyección
(injection moulding) para su solidificación y posterior
procesamiento de las piezas reforzadas con los intermetálicos.
17. Método de fabricación de productos metálicos
semielaborados en componente de aluminio que comprende colar el
componente definido en las reivindicaciones 1-6 y
14 de base en lingoteras para la obtención de lingotes o incluso en
continuo para la obtención de palanquilla y su posterior
procesamiento.
18. Método de fabricación de piezas en materiales
metálicos en componente de aluminio que comprende consolidar el
componente definido en las reivindicaciones 1-6 y
14 por extrusión, prensado isostático, laminación, sinterizado,
etc.
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20040601 Kind code of ref document: A1 |
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| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20060410 |