ES2229124T3

ES2229124T3 - Cuerpo sinterizado de alta porosidad y procedimiento para su fabricacion.

Info

Publication number: ES2229124T3
Application number: ES02722088T
Authority: ES
Inventors: Klaus Heiburg
Original assignee: GKN Sinter Metals GmbH
Current assignee: GKN Sinter Metals GmbH
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-02-16
Publication date: 2005-04-16
Anticipated expiration: 2022-02-16
Also published as: EP1370381B1; DE50201030D1; JP2004525261A; ATE276065T1; CN1234486C; MXPA03007399A; EP1370381A1; KR20030081508A; US6936088B2; KR100550398B1; US20040166011A1; CN1527752A; WO2002072298A1; BR0208043A; US20050242478A1; DE10111892C1

Abstract

Cuerpo sinterizado de alta porosidad que comprende al menos una capa realizada en material sinterizable, la cual comprende unas fibras con una sección transversal en forma de semielipse, las cuales en un lado están formadas abombadas y en el otro lado esencialmente planas, y las cuales presentan un eje principal (2) más corto que 1 mm y un eje secundario (3) más corto que 200 ìm, siendo el eje principal más largo que el eje secundario.

Description

Cuerpo sinterizado de alta porosidad y procedimiento para su fabricación.

La presente invención se refiere a un cuerpo sinterizado de alta porosidad, que comprende al menos una capa de material sinterizable, la cual comprende fibras, así como un procedimiento para su fabricación y para su utilización.

Los cuerpos sinterizados de alta porosidad se utilizan para las finalidades técnicas más diversas. En especial se utilizan como elementos de combustión donde, debido a su porosidad, están en disposición de alojar temporalmente combustible líquido y evaporarlo en las superficies del elemento. Este tipo de elementos de combustión deben soportar temperaturas correspondientemente altas. Los cuerpos sinterizados de alta porosidad se necesitan también en especial en calefacciones auxiliares de automóviles.

A partir del estado de la técnica es conocido fabricar cuerpos sinterizados de alta porosidad a partir de polvo de metal que se puede sinterizar. De todos modos, con este tipo de polvos de metal se pueden conseguir únicamente porosidades con un orden de magnitud de poco más de aproximadamente el 60%. Para alcanzar porosidades más altas es además conocido utilizar fibras de metal que se pueden sinterizar. Este tipo de fibras de metal que se pueden sinterizar pueden ser entretejidas a continuación para dar vellones, los cuales son entonces sinterizados. Este tipo de vellones pueden presentar porosidades de hasta aproximadamente el 90%.

Para eventuales aplicaciones de los cuerpos del alta porosidad, en especial como elementos de combustión, se exigen buenas propiedades y valores de combustión para la adherencia de la llama. Al mismo tiempo los elementos de este tipo deben presentar porosidades altas. Sin embargo, cuanto más alta es la porosidad del cuerpo tanto menores son los valores que se pueden conseguir para la adherencia de la llama así como las propiedades de combustión del cuerpo.

La presente invención se plantea el problema de proporcionar cuerpos de alta porosidad sinterizados los cuales no adolezcan de las desventajas mencionadas con anterioridad.

El problema se resuelve según la invención gracias a que se proporciona un cuerpo sinterizado de alta porosidad que comprende al menos una capa realizada en material sinterizable, la cual comprende fibras con una sección transversal en forma de semielipse, las cuales en un lado están formadas abombadas y en el otro lado planas, y las cuales presentan un eje principal más corto que 1 mm y un eje secundario más corto que 200 \mum, siendo el eje principal más largo que el eje secundario. Este tipo de cuerpos sinterizados de alta porosidad presentan, con respecto a los cuerpos sinterizados realizados en fibras de metal convencionales conocidos en el estado de la técnica, en especial aquellos procesados para dar vellones, unos valores claramente mejorados para las propiedades de combustión así como para la adherencia de la llama. Las fibras presenta una superficie específica mayor en comparación con las fibras de metal procesadas para dar vellones y conocidas en el estado de la técnica, con lo cual se consiguen propiedades mejoradas. Las fibras empleadas presentan ventajosamente unos cantos afilados los cuales, en especial en caso de utilización como elemento que estimula la combustión, por ejemplo durante la evaporación de combustibles líquidos, presentan una acción activadora.

Por material sinterizable en el sentido de la invención se entienden materiales, fabricados a partir de metal, óxidos de metal, cerámicas y/o plásticos. Materiales metálicos utilizables en el sentido de la invención son no sólo los materiales realizados a partir de metales puros sino también materiales realizados a partir de aleaciones de metales y/o mezclas de metales de diferentes metales y aleaciones de metales. A estos pertenecen en especial los aceros, preferentemente aceros al cromo-níquel, bronces, aleaciones con base de níquel, Hastalloy, Inconel o similares, donde las mezclas de metales pueden contener también componentes de elevado punto de fusión como, por ejemplo, platino. Las fibras empleadas pueden ser metálicas o cerámicas. De forma especialmente preferida se utilizan como fibras materiales de hierro (por ejemplo según la norma de materiales 1.0495, 1.4113 ó 1.4841) y/o aleaciones con base de hierro-cromo-aluminio o níquel-aluminio. Las aleaciones que contienen aluminio son al mismo tiempo preferidas ya que estas presentan una gran resistencia a la temperatura y una gran resistencia a la corrosión. Al mismo tiempo se prefieren contenidos de aluminio en un margen del 10 al 40% en peso, referido a la cantidad total de los metales presentes en la aleación. De forma aún más preferida, el cuerpo sinterizado de alta porosidad según la invención consta exclusivamente de fibras metálicas. De todos modos en el sentido de la invención pueden encontrar aplicación como materiales sinterizables también mezclas de polvos con fibras.

Si en el cuerpo según la invención las fibras están presentes con abombamientos sobre sus dos lados, entonces su sección transversal se puede describir aproximadamente como elíptica. Si una fibra de este tipo es partida a lo largo del eje longitudinal de la misma y en la dirección del eje principal, se obtiene una fibra formada aproximadamente en forma de semielipse. Este tipo de fibras, abombadas sólo por un lado se prefieren especialmente dado que presentan una superficie específica mayor, con lo cual las propiedades de combustión y valores para la adherencia de la llama exigidos se pueden continuar aumentando. Este tipo de fibras presentan por consiguiente un lado plano y uno abombado.

De forma especialmente preferida el eje principal de las fibras es más corto que 500 \mum así como el eje secundario más corto que 100 \mum. La longitud del eje principal y del eje secundario se determina en la muestra metalográfica transversal de las fibras mediante un microscopio con un poder de aumento de 100 a aproximadamente 500 veces.

Además, las fibras empleadas presentan preferentemente longitudes diferentes, con lo cual durante el proceso de sinterización se forma una matriz de fibras muy resistente. Ésta puede mejorarse aún más, en una realización aún más preferida de la invención, mediante el empleo de fibras las cuales están acodadas al menos una vez a lo largo del eje longitudinal. Con ello las fibras pueden engancharse mejor mutuamente con lo cual se continua aumentando la resistencia de la matriz de fibras. La porción de fibras acodadas en la cantidad total de fibras empleadas está preferentemente en el margen de al menos el 20% en
peso.

En otro perfeccionamiento de la invención las fibras están torcidas alrededor de su eje longitudinal. La porción de este tipo de fibras torcidas es de al menos el 15% en peso de las fibras, referido a su cantidad total, especialmente preferida del 40 al 60% en peso. Las fibras están giradas preferentemente al menos medio giro alrededor del eje longitudinal, de forma aún más preferida presentan más de un giro alrededor de su eje longitudinal.

Los cuerpos de este tipo según la invención presentan ventajosamente unas propiedades mecánicas superiores dado que mediante la torsión de las fibras alrededor de su eje longitudinal se crean mejores contactos de sinterización. Además, los cuerpos de este tipo según la invención presentan mejores propiedades de combustión.

De forma aún más preferida la longitud del eje secundario de la fibras aumenta desde el centro hacia los extremos. Por ejemplo, la longitud del eje secundario en el centro de una fibra está con ello en un margen de aproximadamente 100 \mum, mientras que la longitud del eje secundario en el extremo de una fibra está en un margen de aproximadamente 20 \mum. La relación de la longitud del eje secundario en el centro de una fibra respecto de la longitud del eje secundario en el extremo de una fibra vale, preferentemente, más de 2:1, de forma aún más preferida más de 3:1. La porción de las fibras de este tipo en el cuerpo según la invención vale preferentemente menos del 20% en peso y está, de forma aún más preferida, en un margen del 15 al 50% en peso.

En otro perfeccionamiento de la invención, los lados abombados presentan escotaduras que discurren transversalmente respecto al eje longitudinal de las fibras. Gracias a estas escotaduras, las cuales pueden estar formadas por ejemplo en forma de ranuras, el lado abombado de las fibras presenta una superficie que se puede describir como ondulada. Con ello se aumenta ventajosamente la superficie específica de las fibras utilizadas en el cuerpo según la invención, con lo cual éste presenta propiedades de combustión y valores para la adherencia de la llama aún más mejorados.

De forma aún más preferida, el cuerpo presenta al menos otra capa no sinterizada. La otra capa no sinterizada puede ser, por ejemplo, una chapa perforada o una tela metálica o similar, preferentemente del mismo material de trabajo que el material sinterizable, en especial las fibras.

Finalmente, el cuerpo según la invención presenta ventajosamente una distribución de poros en un margen de 5 a 150 \mum, preferentemente de 10 a 100 \mum. La distribución de poros se determina al mismo tiempo mediante un porómetro según la norma ASSME 12/94. Al mismo tiempo el cuerpo según la invención presenta preferentemente una porosidad de al menos el 80%, preferentemente de más del 90%, de forma aún más preferida de más del 93%, así como un peso por unidad de superficie de al menos 50 g/m^{2}. Este tipo de cuerpos según la invención no son sólo de alta porosidad sino que presentan también superficies específicas manifiestamente grandes, las cuales influyen ventajosamente sobre las propiedades de combustión del cuerpo según la invención. Además, el cuerpo según la invención puede alojar, en especial en caso de utilización por ejemplo como elemento de combustión o de mecha, grandes cantidades de líquido de combustión.

La presente invención se refiere además a un procedimiento para la fabricación de cuerpos sinterizados de alta porosidad con al menos una capa realizada en material sinterizable, que comprende fibras, en el que

-: en una primera etapa las fibras son acortadas a una longitud de como máximo 20 mm;

-: en una segunda etapa el material es aplicado con un volumen aparente de 0,2 a 0,4 g/cm^{2}; y

-: en una tercera etapa el material es sinterizado.

Mediante el acortamiento de las fibras empleadas, que tiene lugar en la primera etapa, se consigue ventajosamente una mayor resistencia mecánica y uniformidad de los cuerpos que hay que fabricar. Con fibras de esta longitud se pueden fabricar, para un volumen aparente de 0,2 a 0,4 g/cm^{2}, unos cuerpos de gran resistencia mecánica y al mismo tiempo elevada uniformidad. Al mismo tiempo está previsto preferentemente que las fibras sean aplicadas individualmente en la segunda etapa. La individualización de las fibras se realiza mediante la acción de vibraciones mecánicas dirigidas sobre la broza durante la carga en el molde de granel. La agitación de la broza mediante la acción de vibraciones mecánicas dirigidas se puede realizar, por ejemplo, gracias a que el suministro de fibras desde la broza de fibras hacia el molde tenga lugar mediante un transportador vibrante. También puede estar previsto que la individualización se realice mediante agitación de la broza sobre una superficie filtrante durante la carga en el molde. Dependiendo de la estructuración del molde puede estar prevista aquí al efecto una superficie filtrante vibratoria o también una superficie filtrante rotatoria, sobre la cual se coloca la broza. Para ello basta con una superficie filtrante de malla relativamente grande con un tamaño de malla de aproximadamente 0,5 a 5 mm. Mediante la revolución de la broza sobre la superficie filtrante se consigue que de la broza se suelten fibras únicamente en el margen de las aberturas del filtro y caigan en el molde.

Además está previsto preferentemente que durante la individualización del material empleado, en especial de las fibras, el molde sea desplazado con respecto a la entrada de material. El movimiento relativo entre la entrada de material, por ejemplo el extremo de descarga de un canal de transportador vibrante o en el curso inferior de un filtro, se orienta según la forma geométrica del cuerpo poroso que haya que fabricar. El molde puede al mismo tiempo rotar o ser movido con respecto al aporte de fibras, en un plano, de un lado para otro. Para el caso de que el cuerpo de alta porosidad que se desea fabricar deba presentar elementos de conexión para fijación en carcasas correspondientes está previsto, en otro perfeccionamiento de la invención, que al menos un elemento de conexión que haya que conectar con el cuerpo poroso sea colocado como elemento de molde en el molde y sea sinterizado conjuntamente.

También preferentemente, se compacta adicionalmente, después de la segunda etapa, el material en otra etapa. Con ello se forma un cuerpo verde poroso resistente, el cual es sinterizado a continuación en la tercera etapa. El cuerpo verde se puede continuar manipulando por separado. Un cuerpo verde de este tipo presenta una alta precisión dimensional y puede ser sinterizado a continuación prácticamente sin una contracción digna de mención para dar un cuerpo poroso sólido y resistente.

También preferentemente, el material es aplicado, en la segunda etapa, sobre otra capa no sinterizada y a continuación es sinterizado con ésta en la tercera etapa. Con ello se puede obtener una sujeción fuerte entre la capa realizada en material sinterizable y la capa no sinterizada. Preferentemente, las dos capas están realizadas con el mismo material de trabajo. En especial, la otra capa puede ser una chapa perforada o una tela metálica.

Finalmente la presente invención se refiere a la utilización del cuerpo según la invención como elemento evaporador o de mecha en calefacciones auxiliares y/o calefacciones adicionales, en especial en automóviles, como estabilizadores de llama en quemadores, como placa de distribución de calor, como elemento que estimula la combustión, como intercambiador de calor y/o catalizador para reacciones heterogéneas. En todas las aplicaciones mencionadas con anterioridad el cuerpo según la invención presenta, debido a su superficie específica fuertemente aumentada en comparación con los cuerpos porosos conocidos en el estado de la técnica, unas propiedades sobresalientes en especial con vistas a la adherencia de la llama. Las reacciones heterogéneas en caso de utilización del cuerpo según la invención como catalizador se desarrollan de forma notablemente más rápida, debido a las muchas esquinas y cantos que presentan las fibras utilizadas para la fabricación del cuerpo según la invención. Las propiedades de combustión, las cuales son esenciales en las aplicaciones mencionadas con anterioridad, están claramente aumentadas en el cuerpo según la invención.

Ésta y otras ventajas de la presente invención se explican con mayor detalle sobre la base del dibujo adjunto. En el dibujo, las figuras muestran:

la Fig. 1: una ampliación microscópica a escala 68,9:1 de un elemento combustible fabricado a partir de un cuerpo según la invención; y

la Fig. 2: una representación a modo de esbozo de una sección transversal a través de una fibra empleada en el elemento combustible.

En la Fig. 1 el cuerpo (elemento de combustión), identificado globalmente con el signo de referencia 1, presenta unas fibras que están abombadas por un lado, cuyo otro lado está formado sin embargo esencialmente plano. Corresponden por consiguiente en sección transversal a una semielipse. Presentan sobre la superficie abombada unas escotaduras en forma de ranuras (zonas claras). También se pueden apreciar acodamientos y giros a lo largo del eje longitudinal de las fibras.

La Fig. 2 muestra, en una representación a modo de esbozo, la estructura de las fibra empleadas en el cuerpo 1, pudiéndose apreciarse con claridad el eje principal 2 y el eje secundario 3.

El elemento de combustión representado en la Fig. 1 presenta una primera capa realizada en un material sinterizable, es decir de fibras del material de trabajo 1.4841, la cual fue aplicada sobre otra capa, es decir una tela metálica con una abertura de malla de 2 mm, y fue sinterizada con ésta. Con ello se ajustó un peso por unidad de superficie para la capa que contiene fibras de 150 g/m^{2}. Las fibras presentaron una longitud del eje principal de 350 \mum y una longitud del eje secundario de 50 \mum. La longitud de las fibras estaba en un margen de aproximadamente 5 a 15 mm. La broza de fibras aplicada mediante un transportador vibrante sobre la tela metálica fue sinterizada a continuación con la tela metálica a una temperatura de aproximadamente 1.280ºC en vacío. Con ello se fabricó un cuerpo según la invención el cual presentó una porosidad mayor del 90% y una distribución de poros en un margen de 12 \mum a 100 \mum.

Mediante la presente invención se proporcionan cuerpos sinterizados de alta porosidad los cuales, en comparación con los cuerpos porosos usuales conocidos en el estado de la técnica, presentan, en especial en caso de utilización como elementos de combustión o de mecha, unas propiedades de combustión mejoradas y unos valores mejores para la adherencia de la llama con una porosidad que permanece igual de alta.

Claims

1. Cuerpo sinterizado de alta porosidad que comprende al menos una capa realizada en material sinterizable, la cual comprende unas fibras con una sección transversal en forma de semielipse, las cuales en un lado están formadas abombadas y en el otro lado esencialmente planas, y las cuales presentan un eje principal (2) más corto que 1 mm y un eje secundario (3) más corto que 200 \mum, siendo el eje principal más largo que el eje secundario.

2. Cuerpo sinterizado de alta porosidad según la reivindicación 1, caracterizado porque las fibras (1) están torcidas alrededor de su eje longitudinal.

3. Cuerpo sinterizado de alta porosidad según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la longitud del eje secundario (3) de las fibras (1) disminuye desde el centro hacia los extremos.

4. Cuerpo sinterizado de alta porosidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los lados abombados presentan unas escotaduras que discurren transversalmente respecto del eje longitudinal de las fibras (1).

5. Cuerpo sinterizado de alta porosidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cuerpo presenta al menos otra capa no sinterizada.

6. Cuerpo sinterizado de alta porosidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cuerpo presenta una distribución de poros en un margen de 5 a 150 \mum, preferentemente de 10 a 100 \mum.

7. Procedimiento para la fabricación de cuerpos sinterizados de alta porosidad según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, con al menos una capa de un material sinterizable, que comprende fibras (1), en el que

-: en una primera etapa las fibras (1) son acortadas a una longitud de como máximo 20 mm;

-: en una tercera etapa el material es sinterizado.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque adicionalmente, después de la segunda etapa, el material es compactado en otra etapa.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque el material es aplicado, en la segunda etapa, sobre al menos otra capa no sinterizada y a continuación es sinterizado con ésta en la tercera etapa.

10. Utilización de un cuerpo sinterizado de alta porosidad según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 como elemento evaporador o de mecha en calefacciones auxiliares y/o calefacciones adicionales, como estabilizadores de llama en quemadores, como placa de distribución de calor, como elemento que estimula la combustión, como intercambiador de calor y/o catalizador para reacciones heterogéneas.