ES2269815T3 - Materiales compuestos de matriz metalica de aluminio, magnesio y titanio producidos a base de hexaboruro de calcio. - Google Patents
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Abstract
Sustrato de disco de memoria que comprende un material compuesto de matriz metálica, teniendo dicho material compuesto de matriz metálica partículas de material cerámico que están presentes en un intervalo del 0, 1 al 80% en peso en el metal, seleccionándose dicho metal del grupo que consiste en aluminio, magnesio, titanio y mezclas de los mismos, y seleccionándose dicho material cerámico de hexaboruro de calcio.
Description
Materiales compuestos de matriz metálica de
aluminio, magnesio y titanio producidos a base de hexaboruro de
calcio.
La presente invención se refiere de manera
general a las propiedades mecánicas y físicas mejoradas incluyendo
la resistencia, el módulo de elasticidad y la expansión térmica
reducida de cuerpos metálicos usando materiales compuestos de matriz
metálica, y más particularmente al refuerzo de aluminio, magnesio y
titanio formando materiales compuestos de matriz metálica de esos
metales usando partículas de hexaboruro de calcio.
Los metales ligeros de aluminio y magnesio
tienen mercados muy amplios ya que se utilizan en una amplia
variedad de industrias. En un menor grado, el titanio también se
utiliza como material de fabricación ligero. Sin embargo, estos
metales tienen algunas desventajas, que limitan su utilidad. Éstas
incluyen baja rigidez (bajo módulo de elasticidad), alto coeficiente
térmico de expansión, y baja resistencia. Algunas de estas
desventajas se han superado a través del uso de materiales
compuestos de matriz metálica de estos metales. Normalmente, los
materiales compuestos de matriz metálica se componen añadiendo
cerámicas a los metales. Los objetivos principales de estos aditivos
cerámicos son aumentar el módulo de elasticidad y reducir el
coeficiente térmico de expansión. Cuando se añaden materiales
fibrosos, tales como fibras cortas monocristalinas de carburo de
silicio, se ha observado un refuerzo. Otros materiales añadidos
incluyen las fibras de metal de boro, carbono, silicato de aluminio
y óxido de aluminio. Todavía otros agentes de refuerzo típicos son
materiales particulados de óxido de aluminio, carburo de boro y
carburo de silicio en varias formas.
De estos, sólo el material particulado de óxido
de aluminio y el material particulado de carburo de silicio se
utilizan ampliamente en la matriz a base de aluminio. Para añadir
cualquiera de estos al aluminio fundido, debe utilizarse una acción
de agitación continua porque el peso específico de los aditivos es
significativamente mayor que el del aluminio fundido. Esto significa
que se requiere agitación constante de la mezcla de aluminio/aditivo
para mantener el aditivo en una distribución sustancialmente
uniforme en todo el aluminio fundido. Se encuentran problemas
similares en mezclas del mismo aditivo con magnesio fundido. Agitar
el metal fundido puede mantener el aditivo distribuido en todo el
metal fundido, pero tal agitación continua hace que inclusiones de
óxido e hidrógeno contaminen las masas fundidas.
Además, debido a la contaminación y la
naturaleza no uniforme de los materiales compuestos de matriz
metálica, la refusión (para reciclado, etc.) es un problema debido a
la variabilidad del producto de alimentación resultante.
En la técnica anterior, se han desarrollado
varios métodos y composiciones para superar estas dificultades. En
algunos casos, se han usado procedimientos de metal en polvo para
fabricar materiales compuestos de matriz metálica. Por ejemplo, la
patente de los EE.UU. 5.573.607 describe un material compuesto de
matriz metálica en el que se combinan partículas de boruro de
silicio con aluminio, magnesio o titanio para formar un material
compuesto de matriz metálica. Según el procedimiento descrito en ese
documento, las partículas de boruro de silicio pueden o bien
mezclarse previamente con las partículas metálicas o bien agitarse
en la masa fundida para formar la matriz metálica. Otros ejemplos
del uso de metalurgia de polvo para la fabricación de materiales
compuestos de matriz metálica se muestran y describen en la patente
de los EE.UU. 5.712.014 que describe el uso de carburo de boro en la
preparación del material compuesto de matriz metálica; y en la
patente de los EE.UU. 5.948.495 que describe el uso de técnicas
metalúrgicas de polvo para fabricar un sustrato de disco de
aluminio/cerámica.
El documento US 6.200.526 describe un metal en
un procedimiento de filtración, en el que la fase metálica se
infiltra en un cuerpo cerámico poroso.
En consecuencia, es un objeto de la presente
invención proporcionar un sustrato de disco de memoria que comprende
un material compuesto de matriz metálica usando metal fundido de
aluminio, magnesio y titanio en el que se requiere un mínimo de
agitación para mantener las partículas del agente aditivo en
suspensión.
Es otro objeto de la presente invención
proporcionar un sustrato de disco de memoria que comprende un
material compuesto de matriz metálica en el que el agente de
refuerzo tiene un peso específico similar al del metal fundido por
el cual hay poca sedimentación de las partículas de aditivo durante
la formación del material compuesto de matriz metálica.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar un sustrato de disco de memoria que comprende un
material compuesto de matriz metálica en el que las partículas de
aditivo aumentan la ductilidad del material compuesto de matriz
metálica.
Es un objeto adicional de la invención descrita
proporcionar un sustrato de disco de memoria que comprende un
material compuesto de matriz metálica a partir de una mezcla
sustancialmente uniforme de partículas metálicas y partículas de
material cerámico.
Es un objeto adicional de la invención descrita
proporcionar un sustrato de disco de memoria que comprende un
material compuesto de matriz metálica de propiedades dadas
combinando partículas metálicas sólidas con partículas de cerámica
sólidas, seleccionándose la proporción de partículas metálicas con
respecto a la proporción de partículas de cerámica.
Es un objeto adicional de la invención descrita
proporcionar un sustrato de disco de memoria que comprende un disco
de material compuesto de matriz metálica en el que el material
compuesto se fabrica combinando partículas metálicas sólidas con
partículas de cerámica sólidas.
Objetos adicionales y otros objetos de la
presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción
contenida en el presente documento.
Estos objetos se logran mediante las
realizaciones tal como se caracterizan en las reivindicaciones.
Según un aspecto de la presente invención, se
formó un sustrato de disco de memoria nuevo y mejorado que comprende
material compuesto de matriz metálica a partir de un metal fundido
seleccionado del grupo que consiste en aluminio, magnesio, titanio y
mezclas de los mismos, y partículas de hexaboruro de calcio. La
cantidad de partículas de hexaboruro de calcio presente en el metal
está en el intervalo de aproximadamente el 0,1 a aproximadamente el
80% en peso.
Preferiblemente, el metal está en el intervalo
del 50% al 99% en peso del material compuesto y la cerámica está en
el intervalo del 1% al 50% en peso del material compuesto. Más
preferiblemente, el material compuesto de matriz metálica puede
adaptarse para tener un módulo de elasticidad en el intervalo de 70
a 180 Giga Pascales ("GPa") y puede adaptarse para tener un
coeficiente de expansión térmica en el intervalo de 8,9 a 21,5
ppm/ºK.
Se fabricó un material compuesto de matriz
metálica añadiendo partículas de hexaboruro de calcio a aluminio
fundido. WACKER-CHEMIE de Kempten Alemania
suministró el hexaboruro de calcio. Dado que el peso específico del
hexaboruro de calcio es muy próximo al del aluminio, sólo se
requirió una cantidad de agitación mínima para lograr una mezcla
homogénea. Si el calentamiento se lleva a cabo en un horno de
inducción, se logra automáticamente una acción de agitación. En
otras condiciones de calentamiento se requiere cierta cantidad de
agitación mecánica.
Aunque puede utilizarse un intervalo de
composiciones de desde aproximadamente el 0,1% en peso hasta
aproximadamente el 80% en peso de hexaboruro de calcio con respecto
al aluminio, un intervalo de aproximadamente el 5 a aproximadamente
el 40% en peso es lo más práctico para la mayoría de aplicaciones y
se utilizó para las pruebas. Normalmente, el hexaboruro de calcio
tiene un intervalo de tamaño medio de partícula de aproximadamente
0,1 a aproximadamente 200 micras. La matriz metálica resultante es
ligera, tiene resistencia mejorada, un aumento de ductilidad y un
coeficiente térmico de expansión reducido.
Se utilizó principalmente la adición de
hexaboruro de calcio al metal fundido en el desarrollo de la
presente invención. Sin embargo, se entenderá que la invención
también incluye el mezclado de las partículas de hexaboruro de
calcio con metal de aluminio en polvo y cualquier otro constituyente
de aleación antes del fundido de la mezcla.
La mezcla fundida puede colarse en una forma
deseada tal como sustratos de discos de memoria que se beneficiarían
de las propiedades mecánicas y físicas mejoradas del material
compuesto de matriz metálica de esta invención.
(Ejemplo de
referencia)
Se fabricó una herradura de material compuesto
de matriz metálica a partir de un material compuesto de matriz de
aluminio. El material compuesto de matriz de aluminio contenía desde
aproximadamente el 5 hasta aproximadamente el 10% en peso de
partículas de hexaboruro de calcio que tenían un tamaño medio de
partícula de aproximadamente 75 micras y siendo el resto metal de
aluminio A356. La herradura resultante era ligera, resistente,
resistente a la abrasión e inesperadamente dúctil. La herradura
podía doblarse a un ángulo de 45 grados sin daño.
Se fabricó un sustrato de disco de memoria de
material compuesto de matriz metálica a partir de un material
compuesto de matriz de aluminio. El material compuesto de matriz
metálica contenía desde aproximadamente un 40% en peso de
partículas de hexaboruro de calcio que tienen un tamaño medio de
partícula de aproximadamente 10 micras y siendo el resto metal de
aluminio.
(Ejemplo de
referencia)
Se fabricó un brazo accionador de material
compuesto de matriz metálica para un disco duro a partir de un
material compuesto de matriz metálica. El material compuesto de
matriz aluminio contenía aproximadamente un 30% en peso de
partículas de hexaboruro de calcio que tenían un tamaño medio de
partícula de aproximadamente 50 micras y siendo el resto metal de
aluminio A356.
El magnesio y el titanio tienen bajos pesos
específicos similares al del aluminio.
A partir de lo anterior, se entenderá que se
consiguen materiales compuestos de matriz metálica mejorados de
aluminio, magnesio y titanio mediante la adición de partículas de
hexaboruro de calcio. La composición puede prepararse fácilmente
con un mínimo de agitación, y el producto puede reciclarse si se
desea.
En otra realización de la invención descrita
actualmente, se fabrica un material de matriz metálica combinando
partículas metálicas sólidas con partículas de cerámica sólidas. Las
partículas metálicas y de cerámica están ambas en una forma de
polvo seco y se mezclan juntas en proporciones según las propiedades
particulares que se seleccionan para el material compuesto de
matriz metálica. La mezcla de partículas metálicas y cerámicas se
comprime entonces según procedimientos para metal en polvo para
fabricar materiales compuestos de matriz metálica tal como se
conocen generalmente en la técnica y se describen, por ejemplo, en
las patentes de los EE.UU. 5.486.223 y 5.895.696.
En la realización de la invención descrita
actualmente, se prepara el material cerámico en forma de polvo tal
como en un molino de chorro. El material cerámico en polvo de
hexaboruro de calcio se mezcla entonces con metal en polvo de
aluminio, magnesio, titanio o combinaciones de los mismos para
formar una mezcla sustancialmente uniforme de los materiales
cerámico/metálico. En la realización preferida de la invención
descrita actualmente, el metal está en el intervalo de
aproximadamente el 1% al 50% en peso y el material cerámico está en
el intervalo de aproximadamente el 50% al 99% en peso.
Tal como saben los expertos en la técnica, la
mezcla de material cerámico/metálico se sitúa entonces en un molde y
se comprime bajo alta presión. Tal como saben los expertos en la
técnica de la tecnología del metal en polvo, el molde está en la
forma del producto deseado de modo que se forma el producto de
material compuesto de matriz metálica. Entonces, se realiza un
procesamiento de metal convencional sobre la forma moldeada según se
requiere para producir el producto acabado.
Se ha encontrado que el material compuesto de
matriz metálica según el procedimiento de metal en polvo tiene un
módulo de elasticidad en el intervalo de aproximadamente 140 a 170
GPa, una densidad en el intervalo de aproximadamente 2,6 a 2,9
gramos/c^{3}, un módulo específico de aproximadamente 50 a 70
GPa/g/c^{3} y un coeficiente de expansión térmica en el intervalo
de aproximadamente 8,0 a 12 ppm/ºK.
Como ejemplo ilustrativo mostrado en la figura
que no es según la invención descrita, se fabrica un disco 10 de
material compuesto de matriz metálica tal como el tipo que es
adecuado para su uso como sustrato para fabricar discos de
almacenamiento de memoria para ordenadores mezclando metal de
aluminio en polvo con hexaboruro de silicio en polvo. La mezcla de
aluminio/hexaboruro de silicio se sitúa entonces en un molde que
está en la forma general del disco y se prensa para formar una
pieza en bruto de disco de material compuesto de matriz metálica.
Entonces, se realizan procedimientos de conformación y acabado de
metal convencionales tales como amolado y pulido sobre la pieza en
bruto para producir un disco acabado.
También se añade una capa de material 12 amorfo
a los lados 14 y 16 del disco de material compuesto de matriz
metálica para formar un sustrato de disco de material compuesto de
matriz metálica. Preferiblemente, la capa de material 12 amorfo es
una capa de níquel-fósforo que cubre el disco 10 de
material compuesto de matriz de aluminio/hexaboruro de silicio para
formar el sustrato de disco de material compuesto de matriz
metálica. La capa 12 de níquel-fósforo se añade al
disco mediante técnicas de deposición no electrolítica tal como se
conoce generalmente por los expertos en la técnica, tal como se
describe en la patente de los EE.UU. 5.895.696. Posteriormente, se
añade una capa 18 de recubrimiento de memoria magnética al sustrato
de disco para producir el disco de memoria. La capa 18 de
recubrimiento de memoria magnética se aplica generalmente mediante
técnicas de deposición por pulverización a vacío que también se
conocen por los expertos en la técnica.
Claims (11)
1. Sustrato de disco de memoria que comprende un
material compuesto de matriz metálica, teniendo dicho material
compuesto de matriz metálica partículas de material cerámico que
están presentes en un intervalo del 0,1 al 80% en peso en el metal,
seleccionándose dicho metal del grupo que consiste en aluminio,
magnesio, titanio y mezclas de los mismos, y seleccionándose dicho
material cerámico de hexaboruro de calcio.
2. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dichas partículas de cerámica tienen un
tamaño medio de partícula de 0,1 a 200 micras.
3. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicho metal es aluminio.
4. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dicho material compuesto de matriz
metálica contiene del 5 al 40% en peso de hexaboruro de calcio que
tiene un tamaño medio de partícula de 10 micras y el resto del
material compuesto de matriz metálica es metal de aluminio.
5. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dicho material compuesto de matriz
metálica contiene dicho material cerámico en el intervalo del 1% al
50% en peso del material compuesto.
6. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dicho disco tiene un módulo de
elasticidad en el intervalo de 70 a 180 GPa.
7. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dicho disco tiene una densidad en el
intervalo de 2,6 a 2,9 g/cm^{3}.
8. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dicho material compuesto tiene un módulo
específico en el intervalo de 25 a 75 GPa/g/cm^{3}.
9. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 1, en el que dicho material compuesto tiene un
coeficiente de expansión térmica en el intervalo de 8,9 a 21,5
ppm/K.
10. Sustrato de disco de memoria que comprende
el disco según la reivindicación 1 y una capa de material amorfo que
cubre completamente la superficie externa de dicho disco.
11. Sustrato de disco de memoria según la
reivindicación 10, en el que dicha capa amorfa comprende
níquel-fósforo.
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