ES2246199T3 - Revestimiento cuasi-cristalino resistente al desgaste. - Google Patents
Revestimiento cuasi-cristalino resistente al desgaste.Info
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Abstract
Un revestimiento pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que, en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 10 a 20 de Cu, 7 a 22 de Fe, 0 a 30 de Cr, 0 a 30 de Co, 0 a 20 de Ni, 0 a 10 de Mo, 0 a 7, 5 de W y el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales, y que al menos tiene 50 por ciento en peso de fase '', y revestimiento que tiene una macrodureza de al menos HR15N 75.
Description
Revestimiento cuasi-cristalino
resistente al desgaste.
La presente invención se refiere a aleaciones
cuasicristalinas de
aluminio-cobre-hierro y en
particular a revestimientos cuasicristalinos resistentes al desgaste
que exhiben propiedades no adhesivas.
Los cuasicristales son materiales cuya estructura
no se puede entender dentro de la metodología cristalográfica
clásica. Estas estructuras cuasiperiódicas tienen un orden de
orientación de largo alcance pero carecen de periodicidad
transicional. Los cristales convencionales consisten en copias
repetidas de una única agrupación atómica geométrica - una celdilla
unitaria apilada una tras otra a semejanza de ladrillos. Por otra
parte, los cuasicristales, aunque también se construyen a partir de
un único tipo de agregados atómicos, difieren en que los agregados
adyacentes se solapan, compartiendo átomos con sus vecinos. Cuando
los agregados se solapan compartiendo átomos (empaquetamiento
cuasiperiódico) producen agrupaciones atómicas más densas que los
patrones convencionales, periódicos y repetidos de
empaquetamiento.
La estructura no periódica de los cuasicristales
da una amplia gama de propiedades físicas, previamente no
obtenibles, incorporadas dentro de un único material. Los
cuasicristales exhiben una mala conductividad aunque permanecen
estables hasta aproximadamente 1100ºC. Así, una capa fina de una
superficie conductora del calor distribuirá uniformemente el calor
eliminando los "puntos calientes". Estos revestimientos duros
promueven la resistencia al desgaste y al rayado. Además, debido a
su bajo coeficiente de fricción y a su estructura electrónica (baja
energía superficial), poseen propiedades no adhesivas. Finalmente,
ofrecen resistencia tanto a la corrosión como a la oxidación.
Los investigadores han identificado más de
ochocientas aleaciones cuasicristalinas diferentes. Muchas de estas
aleaciones contienen una combinación de aluminio, cobre y hierro.
Las aleaciones de Al-Cu-Fe dan el
cuasicristal icosahédrico específico identificado en porcentaje
atómico como Al_{65}Cu_{20}Fe_{15}. (Esta memoria descriptiva
expresa todas las composiciones en porcentaje en peso, a menos que
específicamente se especifique lo contrario). Además, en algunos
casos estas aleaciones contienen elementos aleantes adicionales
tales como cromo, cobalto y níquel. Esto permite que la aleación se
acomode a condiciones específicas de operación. Por ejemplo, DuBois
et al., en la patente de EE.UU. nº 5.204.191, describe varias
aleaciones de Al-Cu-Fe que contienen
fases cuasicristalinas.
Sin embargo, independientemente de la química,
los cuasicristales no se prestan en sí mismos a una fabricación
convencional. No se pueden conformar o moldear fácilmente; sin
embargo, se pueden reducir a polvo y pulverizarse térmicamente para
formar un revestimiento adherente útil. Sin embargo, hasta donde se
sabe, ninguna de estas aleaciones ha establecido un uso comercial
extendido.
Es un objeto de esta invención producir un
revestimiento de una aleación cuasicristalina de
Al-Cu-Fe que tenga una dureza
acrecentada para mejorar la resistencia al desgaste.
Es otro objeto de esta invención producir un
revestimiento de una aleación cuasicristalina de
Al-Cu-Fe que tenga propiedades no
adhesivas y resistencia a la oxidación.
Es otro objeto de esta invención producir un
revestimiento de una aleación cuasicristalina de
Al-Cu-Fe que tenga una superficie
lisa de alta densidad.
La presente invención es un revestimiento
pulverizado térmicamente según las reivindicaciones 1, 5 y 8. En
particular, un aspecto de la invención es un revestimiento
pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene
cuasicristales, aleación que esencialmente consiste en, en
porcentaje en peso, 10 a 20 de Cu, 7 a 22 de Fe, 0 a 30 de Cr, 0 a
30 de Co, 0 a 20 de Ni, 0 a 10 de Mo, 0 a 7,5 de W y el resto hasta
cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales. La aleación
contiene al menos 50 por ciento en peso de fase \Psi. El
revestimiento tiene una macrodureza de al menos aproximadamente
HR15N 75.
El revestimiento consiste en una aleación de
Al-Cu-Fe resistente al desgaste que
al menos tiene aproximadamente un 50 por ciento en peso de fase
\Psi pulverizada térmicamente a una velocidad rápida y suficiente
para evitar cantidades perjudiciales de fase \delta.
Ventajosamente, esta aleación contiene al menos aproximadamente un
60 por ciento en peso de fase \Psi. Típicamente, contiene
aproximadamente de 60 a 90 por ciento en peso de fase \Psi. Más
ventajosamente, la aleación contiene al menos 70 por ciento en peso
de fase \Psi. El revestimiento pulverizado térmicamente posee una
dureza, densidad y alisamiento superficial excelentes.
Ventajosamente, el revestimiento tiene una rugosidad de menos que
aproximadamente 240 Ra y una porosidad de menos que aproximadamente
5 por ciento. Además, esta aleación cuasicristalina contiene
ventajosamente cromo o cobalto para aumentar la resistencia a la
corrosión.
El aluminio, cobre, hierro y cromo se fundieron
al vacío y se atomizaron en presencia de un gas inerte. El polvo
analizado, en tanto por ciento en peso, dio 17,5 de Cu, 13,3 de Fe,
15,3 de Cr y el resto hasta cien por cien de aluminio. Este polvo
era completamente esférico y fluía libremente. La tabla 1 lista las
propiedades típicas después de tamizar del polvo cuasicristalino de
AlCuFeCr atomizado en presencia de un gas inerte.
+75 \mum | 0,02% | |
Tamaño | +63 \mum | 5,40% |
-63 \mum | 94,58% | |
Densidad aparente | 2,14 g/cm^{3} | |
Caudal (ASTM B213) | 30 segundos |
Debido a la estructura aperiódica de la red de la
aleación, la difracción de rayos X (XRD) identificó los
cuasicristales. Las posiciones del cuasicristal o de la fase
(icosahédrica (\Psi)) están a aproximadamente 23, 25, 41, 44, 62,5
y 75 - un icosahedro es un polígono que tiene 20 caras y un decágono
es un polígono que tiene 10 ángulos y 10 caras. Cuando se atomizó,
el polvo tamizado sólo mostró una cantidad menor de fase \Psi. Más
bien predominó una fase decagonal (\delta). La presencia de dos
(2) fases se atribuyó a la velocidad de enfriamiento experimentada
para ir del estado líquido al sólido. La velocidad de enfriamiento,
y la subsiguiente solidificación de las partículas en forma de
polvo, afectó mucho a los equilibrios de fases resultantes. A
velocidades muy rápidas se forma la fase metaestable \Psi; si se
ralentiza la solidificación se forma la fase \delta o su forma
aproximada. El análisis térmico diferencial realizado sobre el polvo
indicó una temperatura de fusión de aproximadamente 1044ºC.
Cuando se reducen a polvo, estos cuasicristales
facilitan la pulverización térmica con diversos tipos de equipos.
Estos incluyen plasma, HVOF, detonación y otros tipos de equipos
para pulverización térmica. Sin embargo, para este ejemplo se
seleccionó el plasma como el único medio de aplicación. El equipo
usado para aplicar los revestimientos fue la pistola de plasma
Praxair SG-100. La pistola se montó sobre un brazo
del robot ABB IRB 2400 para facilitar la pulverización automática y
asegurar la consistencia.
Se aplicó un revestimiento "duro", uno que
es denso y adherente, usando la pistola SG-100 en el
modo Mach 1 con argón y helio como gases formadores del plasma. Los
parámetros de partida de la tabla 2 consistieron en los establecidos
para cuasicristales puros de
aluminio-cobre-hierro.
Ánodo | 2083-358 |
Cátodo | 2083-112 |
Inyector de gas | 2083-113 |
Corriente | 800 amperios |
Gas primario (Ar) | 37,8 l/min |
Gas secundario (He) | 20,0 l/min |
Gas portador (Ar) | 5,6 l/min |
Caudal de alimentación del polvo | 20,0 g/min |
Distancia de pulverización | 76 mm |
Tamaño del polvo | -45 \mum +5 \mum |
Se listan once variables paramétricas. Cuatro son
activas y no controlables. Estas incluyen el ánodo, el cátodo, el
inyector de gases y el tamaño del polvo. Dos, el voltaje y el caudal
de gas portador, son activas y controlables; sin embargo, la
anterior se regula a través del caudal de gas secundario mientras
que se permite que la última permanezca fija. Quedaban cinco
parámetros activos y controlables: amperaje, caudales de gas
primario y secundario, caudal de alimentación del polvo y distancia
de pulverización. Puesto que estos parámetros fueron insuficientes
para optimizar la dureza del revestimiento, se añadieron la
velocidad de paso de la pistola o la cantidad depositada por
paso.
Los revestimientos Mach 1 se aplicaron hasta un
espesor de 0,51 a 0,74 mm. Entre los atributos de revestimiento
evaluados estaban los ensayos de micro (DPH_{300}) y macrodureza
(HR15N); la microestructura, que incluye la densidad y el contenido
de óxido que se determina usando análisis de imágenes; la rugosidad
superficial; XRD para la distribución de fases; y el ensayo de
tracción/ligado. Solamente sobre la base de los resultados de la
macrodureza se derivó una serie de parámetros de pulverización
optimizados. Junto con la velocidad de paso de la pistola, a los
seis parámetros
activos y controlables de la tabla 2 se les dio intervalos altos y bajos. La tabla 3 ilustra los parámetros controlados.
activos y controlables de la tabla 2 se les dio intervalos altos y bajos. La tabla 3 ilustra los parámetros controlados.
Amperaje | 750 | 800 | 850 |
Secundario | 15 | 20 | 25 |
Primario | 32,8 | 37,8 | 42,8 |
Velocidad de paso | 250 | 305 | 355 |
La tabla 4 de más adelante muestra los resultados
de estos ensayos en un sistema ortogonal de tres niveles dándose una
dureza Rockwell 15N para cada ensayo de pulverización y la rugosidad
o textura de la superficie resultante.
Insertados en un sistema ortogonal Taguchi L27 de
tres niveles se evaluaron los niveles alto, medio y bajo de cada
variable paramétrica, con particular atención a las interacciones de
unos con otros. La tabla de respuestas de los parámetros y los
cálculos usados para predecir la dureza del revestimiento se
muestran en las tablas 5 y 6. La tabla 5 de más adelante ilustra una
tabla de respuestas que contiene la dureza media calculada a tres
niveles para los parámetros activos controlables.
\vskip1.000000\baselineskip
Dureza (HR15N) | |||
Amperios A | 75,23 | 75,34 | 75,0 |
Secundario B | 75,91 | 75,26 | 74,41 |
Primario C | 75,92 | 74,62 | 75,03 |
Caudal de alimentación D | 76,11 | 75,47 | 74,0 |
Distancia E | 75,67 | 74,71 | 75,2 |
Velocidad de paso F | 73,86 | 76,06 | 75,67 |
La tabla 6 muestra los cálculos para la dureza
alta (\mu) basados en los resultados de la tabla 5.
\vskip1.000000\baselineskip
\mu = | T +(A2-T)+(B1-T)+(C1-T)+(D1-T)+(E1-T)+(F2-T) |
\mu = | 75,19 + (75,34-75,19) + (75,91-75,19) + (75,92-75,19) + (76,11 -75,19) + (75,67-75,19) + (76,06-75,19) |
\mu = | 75,19 + (0,15) + (0,72) + (0,73) + (0,92) + (0,48) + (0,87) |
\mu = | 79,06 HNR15N |
Con referencia a la tabla de respuestas y
seleccionando los valores más altos de dureza para un grupo dado de
parámetros, en la tabla 7 se presentan lo valores óptimos para
depositar un revestimiento con una dureza típica HR15N de 79,06.
\vskip1.000000\baselineskip
Amperaje | 800 |
Secundario (He) | 15 l/min |
Primario (Ar) | 32,8 l/min |
Caudal de alimentación | 15 g/min |
Gas portador (Ar) | 5,6 l/min |
Distancia de pulverización | 76 mm |
Velocidad de paso | 250 cm/min |
PH_{300} | 353 (Rc36) |
HR15N | 78,0 (Rc36) |
Densidad | 97,0% |
UTS AISI 316 | 49,88 MPa |
UTS SAE 4140 | 41,51 MPa |
UTS 6061T6 | 17,93 MPa |
Textura | 232 Ra |
Eficiencia del depósito | 66% |
La tabla 8 representa las propiedades medias del
revestimiento derivado de los parámetros optimizados de la tabla 7.
A partir de las tablas de respuesta, en la tabla 8 se presentan los
parámetros que se consideran producirán más probablemente un
revestimiento cuasicristalino duro, denso y bien ligado de alto
contenido en la fase icosahédrica (\Psi).
El revestimiento base contenía aproximadamente 70
por ciento en peso de fase \Psi (icosahédrica) con fases \beta
(cúbica) y \delta (decagonal). La anchura de los picos sugirió que
el revestimiento fue de grano muy fino (< 1 \mum). El
revestimiento base contenía porosidad y fisuración transgranular. El
revestimiento optimizado, que se piensa está en un estado de no
equilibrio, contenía 70 por ciento en peso de la fase \Psi y de la
fase \beta. Se apreció algo de fase \delta en el lado izquierdo
del pico de mayor intensidad. Los parámetros optimizados mejoraron
la densidad, pero permaneció la fisuración transgranular.
El polvo esférico, que fluye libremente, de
aleación de AlCuFeCr atomizada en presencia de un gas inerte no
contiene un alto porcentaje de la fase aperiódica icosahédrica
(\Psi), es decir, cuasicristalina en tres (3) direcciones. Más
bien, debido a su velocidad de enfriamiento, está compuesto de
cantidades sustanciales de una fase decagonal (\delta) y de una
fase cúbica (\beta). Aunque éstas son ambas fases
cuasicristalinas, no abarcan la red aperiódica de la fase \Psi. No
obstante, cuando se pulverizan vía plasma, en las condiciones
apropiadas, pueden retornar a la fase \Psi - - la estructura
electrónica de la fase \Psi contribuye a una baja energía
superficial y por lo tanto a las buenas propiedades de
desprendimiento.
La tabla 9 de más adelante proporciona
"aproximadamente" la composición del revestimiento pulverizado
térmicamente, en porcentaje en peso.
Elemento | Amplia | Intermedia | Estrecha |
Al | Resto hasta 100%* | Resto hasta 100%* | Resto hasta 100%* |
Cu | 10 – 20 | 12 – 20 | 15 – 20 |
Fe | 7 – 22 | 10 – 20 | 10 – 16 |
Cr | 0 – 30 | 5 – 25** | 10 – 20 |
Co | 0 – 30 | 0 – 20** | 0 – 15 |
Ni | 0 – 20 | 0 – 15 | 0 – 10 |
Mo | 0 – 10 | 0 – 7,5 | 0 – 5 |
W | 0 – 7,5 | 0 – 6 | 0 – 5 |
* Más impurezas incidentales | |||
** Cr + Co es al menos 10 |
La manipulación paramétrica también puede alterar
la estructura atómica de la aleación. Sin embargo, a partir de los
datos de la presente memoria, es evidente que como varían tanto la
energía térmica como la cinética, las velocidades de enfriamiento se
alteran y los revestimientos subsiguientemente producidos reflejan
esos cambios. Además, las propiedades inicialmente apuntadas para su
modificación no se mejoraron apreciablemente. Por ejemplo, la dureza
mejoró hasta un valor de al menos HR15N 75. Más ventajosamente, la
aleación tiene una dureza de al menos HR15N 78. Además, pulverizando
en el modo de alta velocidad Mach 1, el polvo se calentó y enfrió
suficientemente para transformar la fase \delta, la fase
decagonal, en la fase icosahédrica \Psi de baja fricción.
Con referencia a la metalografía del
revestimiento, nos se previó la extensiva fisuración dentro de los
granos individuales. Aunque los cuasicristales icosahédricos son
frágiles a temperatura ambiente, no deforman plásticamente a
temperaturas superiores. Así, no se reconoció que los granos
individuales se ajustarían formativamente al sustrato rugoso
cizallando y fisurando más que moldeándose por un moldeo del tipo
dúctil. Se creyó que las gotitas en vuelo estaban suficientemente
calentadas tal que podrían fácilmente ajustarse al contorno del
sustrato, y esto no fue el caso. Los cuasicristales tienen una
conductividad térmica muy mala y, por lo tanto, cuando se pulverizan
se debe considerar cualquier valor de energía térmica introducida.
Esto puede ser de interés cuando se usan varios aparatos de alta
velocidad como dispositivos primarios de aplicación.
Los usos potenciales de los revestimientos
cuasicristalinos incluyen: superficies no pegajosas para menaje de
cocina; placas exclusivas para planchas de vapor de agua; capas base
como barreras térmicas; superficies de soporte y lubricantes; papel
no pegajoso y rodillos para la fabricación de vidrio; segmentos de
pistón; protección antidesgaste por rozamiento para chavetas en cola
de milano para superficies aerodinámicas ; aplicaciones contra el
desgaste por deslizamiento tales como válvulas y puertas; discos de
embrague; y chapas "oscilantes" para compresores de aire
acondicionado. Estos revestimientos facilitan la pulverización tanto
de sustratos metálicos como no metálicos. En cualquier parte en la
que se requiera una superficie altamente untuosa o un material de
larga vida sustitutivo del Teflón (Teflón es una marca comercial de
DuPont para etileno propileno fluorados) presenta oportunidades para
los revestimientos cuasicristalinos. Estos revestimientos pueden
además potenciarse mediante la adición de partículas duras tales
como carburos, metales, nanocarburos, nitruros, óxidos y compuestos
intermetálicos. Ejemplos específicos incluyen: alúmina, cromia,
molibdeno y carburos de wolframio, cromo, titanio y vanadio.
Para tener una excelente resistencia al desgaste,
el revestimiento tiene una dureza de al menos HR15N 75. Además, para
tener unas excelentes propiedades no adhesivas, la aleación
cuasicristalina contiene al menos 50 por ciento en peso de fase
\Psi. Finalmente, el revestimiento forma una superficie lisa de
menos que 240 Ra y tiene una porosidad de menos que 5 por ciento.
Las propiedades combinadas del revestimiento son útiles para una
variedad de aplicaciones resistentes al desgaste.
Claims (10)
1. Un revestimiento pulverizado térmicamente
formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que,
en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 10 a 20 de Cu, 7 a
22 de Fe, 0 a 30 de Cr, 0 a 30 de Co, 0 a 20 de Ni, 0 a 10 de Mo, 0
a 7,5 de W y el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas
incidentales, y que al menos tiene 50 por ciento en peso de fase
\Psi, y revestimiento que tiene una macrodureza de al menos HR15N
75.
2. El revestimiento según la reivindicación 1, en
el que el revestimiento tiene una porosidad de menos que
aproximadamente 5 por ciento y una rugosidad de menos que
aproximadamente 240 Ra.
3. El revestimiento según la reivindicación 1, en
el que la aleación contiene al menos 60 por ciento en peso de fase
\Psi.
4. El revestimiento según la reivindicación 1, en
el que el revestimiento contiene partículas duras seleccionadas del
grupo que consiste en carburos, metales, nanocarburos, nitruros,
óxidos y compuestos intermetálicos.
5. Un revestimiento pulverizado térmicamente
formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que,
en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 12 a 20 de Cu, 10 a
20 de Fe, 5 a 25 de Cr, 0 a 20 de Co, al menos un total de 10 de Cr
y Co, 0 a 15 de Ni, 0 a 7,5 de Mo, 0 a 6 de W y el resto hasta cien
por cien de aluminio, con impurezas incidentales, y que al menos
tiene 50 por ciento en peso de fase \Psi, y revestimiento que
tiene una macrodureza de al menos HR15N 78.
6. El revestimiento según la reivindicación 5, en
el que el revestimiento tiene una porosidad de menos que
aproximadamente 5 por ciento y una rugosidad de menos que
aproximadamente 240 Ra y la aleación contiene al menos
aproximadamente 60 por ciento en peso de fase \Psi.
7. El revestimiento según la reivindicación 5, en
el que el revestimiento contiene partículas duras seleccionadas del
grupo que consiste en carburos, metales, nanocarburos, nitruros,
óxidos y compuestos intermetálicos.
8. Un revestimiento pulverizado térmicamente
formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que,
en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 15 a 20 de Cu, 10 a
16 de Fe, 10 a 20 de Cr, 0 a 10 de Co, 0 a 10 de Ni, 0 a 5 de Mo, 0
a 5 de W y que tiene el resto hasta cien por cien de aluminio, con
impurezas incidentales, y al menos aproximadamente 50 por ciento en
peso de fase \Psi, y revestimiento que tiene una macrodureza de al
menos aproximadamente HR15N 78.
9. El revestimiento según la reivindicación 8, en
el que el revestimiento tiene una porosidad de menos que
aproximadamente 5 por ciento y una rugosidad de menos que
aproximadamente 240 Ra y la aleación contiene al menos
aproximadamente 70 por ciento en peso de fase \Psi.
10. El revestimiento según la reivindicación 9,
en el que el revestimiento contiene partículas duras seleccionadas
del grupo que consiste en carburos, metales, nanocarburos, nitruros,
óxidos y compuestos intermetálicos.
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