ES2317954T3

ES2317954T3 - Aleacion de hierro-cobalto-vanadio.

Info

Publication number: ES2317954T3
Application number: ES01996252T
Authority: ES
Inventors: Seetharama C. Deevi; Rangaraj S. Sundar; Dwadasi H. Sastry
Original assignee: Philip Morris USA Inc
Current assignee: Philip Morris USA Inc
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2009-05-01
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: US6946097B2; US20040089377A1; EP1360340B1; EP1360340A4; WO2002055749A1; ATE414802T1; US7776259B2; EP1360340A1; TW530313B; US20020127132A1; DE60136652D1; MY136746A; US20070289676A1; US6685882B2

Abstract

Aleación de Fe-Co-V magnética suave de alta resistencia, consistiendo, en % en peso, en 4 a 10% de V, 0,0005 a 0,3% de B, 0,005 a 0,3% de C, y comprendiendo opcionalmente (Fe + Co)> = 90%, (Fe - Co) >= 10%, 0,05-4% de Mo, 0,05-4% de Nb, 0,05-4% de W, 0,05-4% de Ni, 0,05-4% de Ti o mezclas derivadas de éstos.

Description

Aleación de hierro-cobalto-vanadio.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

Esta invención se refiere a aleaciones magnéticas de alta resistencia de alta temperatura, con una magnetización de saturación elevada útil para aplicaciones tale como rotores, estatores y/o suspensiones magnéticas de una unidad de potencia auxiliar de un turborreactor de avión.

Estado de la técnica

En el análisis del estado de la técnica que sigue, se hace referencia a ciertas estructuras y/o métodos. No obstante, las referencias siguientes no deberían ser interpretadas como un reconocimiento de que estas estructuras y/o métodos constituyen una técnica anterior. El solicitante se reserva expresamente el derecho de demostrar que no se califican tales estructuras y/o métodos como una técnica anterior con respecto a la presente invención.

Las aleaciones binarias de hierro-cobalto (Fe-Co) comprendiendo 33-55% de cobalto (Co) son extremadamente frágiles debido a la formación de una superred ordenada a temperaturas inferiores a 730ºC. La adición de aproximadamente 2% de vanadio (V) inhibe esta transformación en la estructura ordenada y permite que la aleación sea trabajada en frío después de un enfriamiento rápido a aproximadamente 730ºC. La adición de V beneficia también la aleación en la medida en que éste aumenta la resistividad, reduciendo así las pérdidas de corriente Foucault.

Las aleaciones de Fe-Co-V en general han sido aceptadas como la mejor aleación disponible comercialmente para aplicaciones que requieran una inducción magnética elevada en campos moderadamente altos. No se determinó que el V añadido en 2% en peso causara una saturación y además continuara inhibiendo la reacción ordenada en una extensión tal que se pueda efectuar el trabajo en frío.

No obstante las aleaciones convencionales de Fe-Co-V utilizando menos del 2% en peso de vanadio presentan propiedades inherentes no deseadas. Por ejemplo, cuando el material magnético sufre una pérdida magnética importante, la eficiencia de energía del material magnético se deteriora significativamente. Además, las aleaciones de Fe-Co-V convencionales exhiben ciertas propiedades magnéticas inadecuadas cuando están expuestas a fluctuaciones de corriente rápida. Además, cuando el porcentaje de V excede del 2% en peso, las propiedades magnéticas DC del material se deterioran.

En una forma común, la composición de aleaciones magnéticas blandas de Fe-Co-V muestran un equilibrio entre propiedades magnéticas favorables, resistencia y resistividad en comparación con el hierro puro magnético o acero de silicio magnético. Estos tipos de aleaciones son empleadas de forma común en dispositivos en los que se requieren materiales magnéticos que posean una densidad de flujo magnético de saturación elevada. Las aleaciones de Fe-Co-V han sido usadas en una variedad de aplicaciones donde una magnetización de saturación elevada es requerida, es decir en forma de material de laminación para generadores eléctricos usados en aviones y cuernos polares para imanes de alta energía. Estos dispositivos incluyen comúnmente un material magnético blando que posee una composición química de aproximadamente 48-52% en peso de Co, menos de aproximadamente 2,0% en peso de V, impurezas secundarias y el Fe restante.

La patente U.S. nº. 4,647,427 de Liu expone ejemplos de aleaciones de Fe-Co-V incluyendo un orden de amplio rango de propiedades mecánicas mejoradas. Las aleaciones incluyen, en % en peso, aproximadamente 16% de Fe, 22 23% de V, 0-10% de Ni, adiciones (0,4-1,4% de Ti, Zr, o Hf, 0,5% de Al, 0,5% de Ti+ 0,5% de Al, 0,9% de Ti + 0,5% de Al, 3,2% de Nb, y 0,8% de Ti + 1,2% de Nb + 0,4% de Ce), y el resto de Co. La estructura ordenada de esta aleación imparte una resistencia mejorada, incluyendo una relación inversa para el límite de elasticidad como una función de temperatura. El titanio (Ti) es sustituido por V para mejorar las propiedades mecánicas, y el niobio (Nb) es añadido para obtener propiedades de termofluencia mejoradas.

La patente U.S. nº. 4,933,026 de Rawlings et al. expone aleaciones de hierro-cobalto magnéticas blandas comprendiendo V y Nb. Las aleaciones incluyen, en % en peso, 34 51% de Co, 0,1-2% de Nb, 1,9% de V, 0,2-0,3% de Ta, o 0,2% de Ta + 2,1% de V. Rawlings et al. menciona también aleaciones magnéticas conocidas previamente comprendiendo 45-55% de Fe, 45-55% de Co y 1,5-2,5% de V. El objetivo de la aleación de Rawlings et al. es obtener una magnetización de saturación elevada combinada con ductilidad. La ductilidad y magnetización de la aleación de Rawlings et al. es atribuida a la adición de niobio (Nb). Adicionalmente, Rawlings et al. menciona el uso de tal aleación en aplicaciones tales como cuernos polares y aplicaciones aeroespaciales.

La patente U.S. nº. 5,252,940 de Tanaka expone una aleación de Fe-Co que posee una relación 1:1 de Fe a Co y comprendiendo 2,1-5% de V. La composición Fe-Co-V de Tanaka provee una eficiencia de energía elevada en condiciones DC de fluctuación mediante la reducción de corrientes Foucault.

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Los resúmenes de patentes de Japón, vol. 013, nº. 362 (C-625) & JP 01 119 642 A describen una aleación de Fe-Co-V comprendiendo boro, donde V está contenido en una cantidad de 0,3-5%.

Las aleaciones de Fe-Co-V están descritas en las patentes U.S. Nos. 3,634,072 3,891,475; 3,977,919; 4,116,727; 4,933,026; 5, 067,993; 5,252,940; 5,501,747; 5,741,374; y 5,817,191, cuyas descripciones, al estar relacionadas con una precedencia termomecánica de tales aleaciones, son incorporadas aquí como referencia.

Según un artículo de Phillip G. Colegrove titulado "Integrated Power Unit for a Moore Electric Airplane", AIAA/
AHS/ASEE Conferencia de diseño Aeroespacial, febrero 16, 1993, Irvine, California, una unidad de potencia integrada proporciona energía eléctrica para el arranque del motor principal y para una energía de emergencia en vuelo así como para funciones de potencia auxiliar normales. Tales unidades producen energía eléctrica a partir de un accionador-generador de reluctancia-conmutado accionado por un eje soportado por suspensiones magnéticas. El iniciador-generador está expuesto a unas condiciones y entorno difíciles donde debe funcionar, por ejemplo, a velocidades rotacionales de 50,000 a 70,000 r.p.m. y a una temperatura operativa continua de aproximadamente 500ºC. El rotor y estator de la máquina puede estar compuesto de pilas de laminaciones, cada una de éstas con un grosor de aproximadamente 0,006 a 0,008 pulgadas. La pila de rotor puede tener aproximadamente 5 pulgadas de longitud con un diámetro de aproximadamente 4,5 pulgadas y el diámetro exterior del estator puede ser de aproximadamente 9 pulgadas. HiSat-50, una aleación producida por Telcon Metal Limited en Inglaterra ha sido propuesta para las laminaciones de rotor y de estator recocidas a una temperatura proporcionando una combinación deseable de resistencia y de propiedades magnéticas. Las suspensiones magnéticas son activadas a través de la atracción, en lugar de la repelencia, del eje hacia el generador de fuerza magnética, los cojinetes exhibiendo una combinación deseable de rigidez de soporte, una capacidad de carga, una temperatura operativa admisible y una frecuencia operativa. La temperatura operativa de los cojinetes puede estar en el orden de 650ºF.

Aleaciones de Hierro-Cobalto han sido propuestas para cojinetes magnéticos usados en unidades de potencia integradas y accionadores/generadores internos para motores de propulsión principales según un artículo de Richard T. Fingers et al. titulado "Mechanical Properties of Iron-Cobalt Alloys for Power Applications". Dos aleaciones de hierro-cobalto investigadas incluyen una aleación Hiperco^{TM} 50HS de Carpenter Technology Corporation y HS50 de Telcon Limited. Después de un tratamiento en caliente de 1300 a 1350ºF durante 1 a 2 horas, las propiedades de tensión fueron evaluadas con muestras obtenidas a partir de una hoja laminada de 0,006 pulgadas de grosor. Ambos materiales son catalogados como aleaciones de hierro-cobalto próximos 50-50 que poseen un microestructura ordenada B2 pero con pequeños porcentajes de vanadio para aumentar la ductilidad y otras adiciones para el afinado del grano. Se indica que la aleación 50HS incluye, en porcentaje en peso, 48,75% de Co, 1,90% de V, 0,30% de Nb, 0,05% de Mn, 0,05% de Si, 0,01% de C, y el resto de Fe mientras que HS50 incluye 49,5% de Co, 0,27% de V, 0,45% de Ta, 0,04% de Mn, 0,08% de Si, el resto de Fe. Las aleaciones recocidas a 1300ºF están destinadas a exhibir la resistencia más elevada mientras que las que son recocidas a 1350ºF producían la resistencia más baja. Según el artículo, durante el desarrollo de motores, generadores y suspensiones magnéticas, será necesario tener en consideración el comportamiento mecánico, la pérdida eléctrica y las propiedades magnéticas en condiciones reales de uso. Para aplicaciones en rotores estas condiciones son temperaturas de más de 1000ºF y la exposición a campos magnéticos alternos de 2 Tesla en frecuencias de 500 Hz y la sujeción del rotor implicará grandes pesos axiales comprimibles mientras que la rotación del rotor puede crear esfuerzos circulares de tensión de aproximadamente 85 ksi. Puesto que las pérdidas de corriente Foucault son inversamente proporcionales a la resistividad, cuanto mayor es la resistividad, menores son las pérdidas de corriente Foucault y el calor generado. Los datos de resistividad redactados para la 50HS recocida durante 1 hora a temperaturas de 1300 a 1350ºF indican una resistividad importante a temperatura ambiente de aproximadamente 43 micro-ohm-cm mientras que un valor de 13,4 micro-ohm-cm es proporcionado para la HS50 recocida durante 2 horas a temperaturas de 1300 a 1350ºF. El artículo concluye que ambas aleaciones son buenas candidatas para diseños de máquina que requieran una resistencia relativamente alta y un buen rendimiento magnético y
eléctrico.

Aleaciones magnéticas blandas convencionales son usadas en gran medida allí donde los valores de magnetización de saturación elevada son importantes. No obstante, sus límites de elasticidad son bajos a temperatura ambiente, y las fuerzas son incluso inferiores a temperaturas altas, haciendo que éstas sean inadecuadas para aplicaciones tales como piezas magnéticas para turborreactores que impliquen altas temperaturas y esfuerzo centrifugo en materiales. El diseño de la aleación es critico para aplicaciones aeroespaciales y se vuelve incluso más difícil cuando los requisitos magnéticos están impuestos en el material con los requisitos de resistencia a altas temperaturas. Las resistencias a altas temperaturas y a temperatura ambiente y la resistividad elevada de las aleaciones Fe-Co-V de la presente invención superan éstas y otras deficiencias de las aleaciones magnéticas blandas convencionales.

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Resumen de la invención

Se provee una aleación de Fe-Co-V en la que los porcentajes en peso de los componentes son tales que (Fe+Co)\geq90%, (Fe-Co)\geq10%, y 4 a 10% de V. La aleación contiene también B y C en rangos específicos, como se cita en la reivindicación 1. La aleación puede tener una base de hierro, una base de cobalto, o no tener base metálica. Componentes de la aleación adicionales incluyen Nb, Ti, W, Ni y/o Mo.

Breve descripción de las figuras del dibujo

Se deducirán los objetos y ventajas de la invención de la siguiente descripción detallada de unas formas de realización preferidas de ésta en relación con los dibujos anexos donde los mismos números designan elementos similares y en los que:

La fig. 1 es un diagrama de equilibrio de Fe-Co indicando el rango de composición y temperatura de orden de aleaciones de Fe-Co ordenadas;

La fig. 2 muestra el límite de elasticidad a temperatura ambiente para aleaciones según la invención;

La fig. 3 muestra el límite de elasticidad a temperatura ambiente para aleaciones según la invención;

La fig. 4 muestra un alargamiento total para aleaciones según la invención a temperatura ambiente y a 600ºC;

Las figs. 5-7 son gráficos mostrando los resultados de las pruebas de tensión realizadas a temperatura ambiente y a 600ºC en muestras de hoja liberadas de tensión (700ºC/2 horas y enfriadas en horno) con una longitud de calibre de aproximadamente 18 mm y un espesor de aproximadamente 0,7 mm. El límite de elasticidad, resistencia a la tensión definitiva y alargamiento a la fractura (ductilidad) fueron medidos a partir de curvas de tensión-deformación;

Las figs. 8-9 muestran mediciones de propiedad magnética (magnetización de saturación y coercividad) medidas a través del uso de un magnetómetro a partir de una temperatura ambiente hasta al menos 600ºC. Los valores de coercividad dependen de la microestructura y pueden ser reducidos por un tratamiento térmico apropiado;

Las figs. 10 y 11 muestran valores de dureza para aleaciones solucionizadas a 1100ºC durante 10 minutos, enfriadas en una solución de agua salada helada y envejecida a 600ºC.

La fig. 10 muestra la dureza Vickers máxima conseguida y la Fig. 11 muestra la dureza después de 100 horas de envejecimiento;

La fig. 12 muestra unos datos de termofluencia para aleaciones según la invención testadas al aire a 600ºC bajo una tensión de 220 MPa con y sin tratamiento de envejecimiento (1100ºC durante 10 minutos en agua salada de enfriamiento brusco/envejecimiento a 600ºC) en muestras de hojas de aproximadamente 18 mm de longitud de calibre y aproximadamente 0,7 mm de espesor. A partir de las curvas de termofluencia se han calculado el nivel de termofluencia y el tiempo de rotura mínimos;

La fig. 13 muestra el nivel de termofluencia mínimo a 600ºC en función de la tensión aplicada a las muestras; y

La fig. 14 muestra los resultados de las pruebas de oxidación estática expresados como un aumento de peso en forma de función del tiempo a 600ºC para varias aleaciones según la invención.

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Descripción detallada de formas de realización preferidas

La tabla 1a provee composiciones ejemplares en % en peso (y la tabla 1b provee las composiciones en % atómico) de aleaciones magnéticas blandas de Fe-Co-V. La muestra SM-1 es análoga a las aleaciones de Fe-Co-V de la técnica anterior que son habitualmente producidas comercialmente mientras que las muestras SM-1a-e son variaciones experimentales de las mismas según la invención. Las muestras SM-2 a SM-13c son aleaciones inventivas. Existen tres reagrupamientos generales de las aleaciones basadas en la composición. El primer agrupamiento es una aleación a base de cobalto. SM-2 es un ejemplo de tal aleación a base de cobalto. Un segundo agrupamiento es una aleación sin base de metal superior al 50% en peso, donde ni el hierro ni el cobalto son superiores al 50% en peso de la composición. SM-3 es representativa de este grupo. El tercer agrupamiento es una aleación a base de hierro. SM-4 a SM-13 representan este agrupamiento.

Las composiciones de la aleación inventiva de Fe-Co-V a base de cobalto contiene 4 a 10% de V. En comparación con la muestra SM-1 de la técnica anterior, las propiedades características de SM-2 demostrarán el impacto del aumento del contenido de vanadio. De manera similar, las caracterizaciones de las muestras SM-3 a SM-13 están diseñadas para determinar el impacto de varios componentes de la aleación en las propiedades de la aleación. En términos generales, las variaciones entre composiciones incluyen el aumento del contenido de vanadio por encima del 7 0/0 en peso y la adición de boro, carbono, molibdeno, niobio, tungsteno, níquel y titanio en varias combinaciones.

TABLA 1a

1

TABLA 1b

2

Los componentes base de la composición Fe-Co-V son hierro y cobalto en tal proporción que la suma de su composición sea superior al 90% en peso del total. Además, para la aleación a base de hierro Fe-Co-V, la diferencia entre la proporción de hierro y la proporción de cobalto es superior o igual al 10% en peso. Las variaciones del resto de la composición pueden ser clasificadas en dos niveles de vanadio: el primer nivel siendo de al menos 4% en peso y el segundo nivel siendo superior a 7% en peso.

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La figura 2 muestra la resistencia a la tensión a temperatura ambiente para varias aleaciones inventivas. Una aleación de la técnica anterior SM-1 y las aleaciones de la técnica anterior Vacoflux-17 y Vacoflux-50 están incluidas también. Estas dos últimas muestras de la técnica anterior son productos comerciales disponibles en Vacuumschmelze GbmH de Alemania. Como se muestra en la figura 2, la resistencia a la tracción en MPa para las aleaciones de Fe-Co-V de la técnica anterior y disponibles comercialmente se sitúa normalmente en el rango de 350-450 MPa. Por el contrario, las muestras inventivas muestran una resistencia a la tensión de al menos 500 MPa, preferiblemente de al menos 800 MPa. La muestra inventiva SM-2 exhibe una resistencia a la tensión mayor a 1200 MPa. SM-2 tiene un contenido mayor de vanadio e inferior de Co en comparación con la muestra de la técnica anterior SM-1 y las otras muestras de las técnicas anteriores. En consecuencia, el aumento importante y la resistencia a la tracción expuesta por SM-2 pueden ser atribuidos al mayor contenido de vanadio y menor contenido de cobalto.

SM-3 representa una muestra en la que no existe ninguna base de metal superior al 50% en peso. Aquí, como en la muestra SM-2, el contenido de vanadio es superior al 4 por ciento en peso. En la figura 2 se puede observar que la resistencia a la tensión de SM-2 y SM-3 son comparables, ambas siendo de aproximadamente 1200 MPa. En consecuencia, uno puede concluir que las fuerzas de tensión representadas por SM-2 y SM-3 son asociadas más bien al mayor contenido de vanadio que a las pequeñas variaciones entre el hierro y el cobalto como metal base.

SM-4 y SM-5 son muestras a base de hierro en las que el contenido de vanadio varía entre 4 y 8% en peso, con cobalto para el resto de la composición. La resistencia a la tensión para SM-4 y SM-5 se encuentra en el rango de 850 a 1100 MPa. Esta es una resistencia a la tensión más elevada que la que han exhibido las muestras de la técnica anterior. Esta puede ser atribuida al mayor contenido de vanadio confirmado por los resultados del aumento de vanadio en otras aleaciones inventivas. Además, las aleaciones a base de hierro no presentan resistencia a la tensión tan alta como la aleación a base de cobalto o la aleación sin base de metal. Incluso entre las dos aleaciones SM-4 y SM-5, un aumento de vanadio de aproximadamente 4,5 a aproximadamente 7,5% en peso aumenta la resistencia a la tracción y confirma el resultado del efecto beneficioso de refuerzo del V. Los resultados de SM-5 confirman este resultado.

El resto de muestras SM-6 a SM-13 inventivas demuestran, en general, que la aleación a base de hierro de la presente invención tiene una resistencia a la tensión de aproximadamente el doble con respecto a la resistencia de las muestras de la técnica anterior. SM-13 muestra un aumento del contenido de vanadio correlacionado con un aumento de la resistencia a la tensión.

La figura 3 muestra el límite de elasticidad a temperatura ambiente para aleaciones inventivas relativas a la muestra comparativa y a las aleaciones Vacoflux. En general, las aleaciones de Fe-Co-V de la técnica anterior pueden estar caracterizadas por límites de elasticidad de 250-350 MPa. Al contrario, las muestras inventivas SM-2 a SM-13 exhiben un límite de elasticidad mínimo de 400 MPa y límites de elasticidad preferidos de aproximadamente 600 a 800 MPa. El límite de elasticidad máximo fue determinado para una muestra inventiva SM-13 y era superior a 1.200 MPa.

Las tendencias del límite de elasticidad entre las muestras inventivas son similares a las citadas para la resistencia a la tracción. Para las aleaciones de Fe-Co-V a base de cobalto en las que se aumenta el contenido de vanadio en las muestras de la técnica anterior, un límite de elasticidad de más de 1.000 MPa ha sido determinado. Esto implica que el aumento de vanadio superior al 4 por ciento en peso tiene un aumento demostrable del límite de elasticidad. Asimismo, para una muestra SM-3 que es una aleación sin material base de más del 50%, el límite de elasticidad es comparable a SM-2. Esto indica que el contenido de vanadio puede ser el factor de control en la realización de tales límites de elasticidad elevados independientes de variaciones en los materiales base. Para aleaciones de Fe-Co-V a base de hierro, las muestras SM-4 y SM-5 exhiben un límite de elasticidad entre 400-600 MPa. El aumento del contenido de vanadio de 4 a 7% en peso (por ejemplo muestra inventiva SM-5) indica que un aumento de vanadio contribuye a un aumento del límite de elasticidad.

Las muestras inventivas SM-6 a SM-13 son aleaciones a base de hierro con componentes de composición variable. Entre estas muestras, todas tienen un límite de elasticidad por encima de 500 MPa que es un aumento aproximado del 50% con respecto a la técnica anterior y para SM-13 donde el contenido de vanadio es superior a 7% en peso, el límite de elasticidad es aumentado de manera inesperada a 1.300 MPa.

La figura 4 muestra un alargamiento total para aleaciones a temperatura ambiente y a 600ºC. La muestra de la técnica anterior SM-1 es representativa de productos comerciales disponibles habitualmente. Para SM-1, el alargamiento total a temperatura ambiente es de aproximadamente 1% y a 600ºC el alargamiento total es de aproximadamente 12%. Las muestras SM-4 y SM-5 exponen una mejora inesperada del alargamiento total en comparación con la muestra de la técnica anterior. SM-4 y SM-5 son aleaciones de Fe-Co-V a base de hierro, SM-5 teniendo más V que SM-4. El aumento inesperado de alargamiento total de más de aproximadamente el 15% a temperatura ambiente y superior a aproximadamente 25-30% a 600ºC puede ser atribuido al aumento de vanadio en la aleación de base de 4 a más de 7% en peso. Las muestras SM-6 a SM-13 exponen alargamientos totales al menos tan buenos como los que exhiben las muestras de la técnica anterior.

Las aleaciones inventivas SM-2 a SM-13 se han desarrollado para proporcionar aleaciones de siguiente generación de hierro-cobalto-vanadio en forma de materiales magnéticos con una resistencia elevada excepcional. La tabla 1 ha provisto las composiciones de aleaciones magnéticas blandas diseñadas para conseguir estos objetivos. Varias adiciones de aleación han sido añadidas tal y como está expuesto en la tabla 1 para mejorar la resistencia a la temperatura ambiente y retener la resistencia a temperaturas elevadas. Es preferible obtener aleaciones que exhiban una resistencia de termofluencia excepcionalmente buena a 600ºC durante un periodo de hasta 5.000 horas. El límite de elasticidad de estas aleaciones indican que las fuerzas de SM-2 a SM-13 son esencialmente superiores a las aleaciones comerciales de la técnica anterior. Además, varias aleaciones cumplen con el criterio estricto de 700 MPa a temperatura ambiente. Las resistencias de tensión de estas aleaciones son también esencialmente superiores a las aleaciones comerciales. De hecho, una de las aleaciones, SM-13, tiene un límite de elasticidad de más de 1.300 MPa con una resistencia a la tensión de aproximadamente 1.600 MPa. Tal material sería muy útil para aplicaciones de resistencia elevada.

Las aleaciones inventivas SM-2 a SM-13 exhiben una resistividad eléctrica elevada. Una resistividad elevada reduce las pérdidas de corriente Foucault. En consecuencia, estas aleaciones van a reducir las pérdidas de corriente Foucault en comparación con las aleaciones comerciales que existen habitualmente, por ejemplo, hasta 50% de reducción en pérdidas de corriente Foucault.

Las propiedades de resistencia dependientes de la temperatura mejoradas, de la saturación de magnetización, y del rendimiento de pérdida de corriente Foucault están previstas para proporcionar ventajas con respecto a aleaciones conocidas en aplicaciones comerciales habituales tales como piezas polares de generador eléctrico, motores de alto rendimiento y aplicaciones aeroespaciales.

Las aleaciones según la invención son útiles para varias aplicaciones incluyendo: iniciador/generador interno para turborreactores de aviones, transformadores de alto rendimiento, material estratificado para motores y generadores eléctricos, cuernos polares para imanes de alta energía, accionadores accionados magnéticamente para dispositivos tales como impresoras de impacto, diafragmas para microteléfonos, válvulas de solenoide de sistemas de armadura-horquilla tales como en motores de inyección diésel como combustible directo, transductores magnetoestrictivos, toma controlada electromagnéticamente y tubos de escape, piezas para guiar corrientes en contadores de velocidad inductiva para sistemas de frenado antibloqueo, lentes magnéticas, núcleos de solenoide para interruptores magnéticos de respuesta rápida, circuitos magnéticos accionados en frecuencias elevadas, etc. Puesto que las aleaciones de la invención exhiben una resistencia elevada a altas temperaturas al mismo tiempo que proporcionan propiedades magnéticas deseadas, éstas son útiles como soportes, estatores y/o rotores de unidades de iniciador/generador internas para turborreactores de aviones donde las temperaturas operativas pueden estar en el orden de 550ºC mientras que dichas partes están expuestas a campos magnéticos alternativos de 2 Tesla en frecuencias de 500 Hz. Las aleaciones de la invención exhiben también otras propiedades deseables en tales entornos tales como un límite de elasticidad de al menos 700 MPa, un resistividad eléctrica de 40 a 60 micro-ohm-cm, un nivel de termofluencia elevado a 550ºC y una buena resistencia a la corrosión. Las aleaciones de la invención son útiles en transformadores de alto rendimiento debido a su densidad de flujo elevada, inducción de saturación elevada, temperatura de Curie elevada, permeabilidad elevada y coercividad baja. Las aleaciones de la invención son útiles en forma de material estratificado para motores y generadores eléctricos donde las temperaturas operativas están en el orden de 200ºC y más altas. Las aleaciones pueden ser usadas también para cuernos polares para imanes de alta energía ya que las aleaciones exhiben una permeabilidad normal en inducción elevada. Las aleaciones pueden ser usadas para accionadores activados magnéticamente en dispositivos tales como impresoras de impacto ya que las aleaciones exhiben pérdidas magnéticas bajas con una corriente eléctrica de fluctuación rápida. Debido a su permeabilidad normal elevada y permeabilidad incremental elevada en inducción elevada así como al hecho de que exhiben propiedades mecánicas adecuadas, las aleaciones de la invención son útiles como diafragmas en auriculares de teléfono. Las aleaciones pueden ser usadas como válvulas de solenoide de sistemas de armadura-horquilla en sistemas de combustible de inyección directa de gasóleo ya que las aleaciones exhiben una resistencia suficiente para resistir a una presión de combustible elevada. Como las aleaciones exhiben pérdidas de corriente Foucault bajas (coercividad baja) y una resistividad elevada en espesores pequeños (para aumentar la gama de frecuencias operativas), las aleaciones son útiles en forma de partes accionadas magnéticamente tales como núcleos de solenoide e interruptores magnéticos de respuesta rápida o en circuitos excitados magnéticamente y operativos en frecuencias elevadas.

Las aleaciones de hierro-cobalto-vandium según la invención tienen una mejor fuerza y resistencia a la termofluencia así como buenas propiedades magnéticas y resistencia a la oxidación. Las aleaciones contienen B y C en cantidades especificas. Las aleaciones puede incluir adiciones de Mo, Nb, Ti, W, Ni, y mezclas de éstos. Por ejemplo, las aleaciones puede incluir, en % en peso, 30 a 51% de Co, 4 a 8% de V, 0,2 a 3,0% de Mo, 0,5 a 2,0% de Nb, 0,3 a 2,0% de Ti, 1 a 5% de W, 1 a 2% de Ni, 0,01 a 0,1% de C, y/o 0,001 a 0,02% de B.

Las aleaciones según la invención exhiben combinaciones deseables de propiedades útiles en las diversas aplicaciones mencionadas anteriormente. Por ejemplo, las aleaciones pueden exhibir un límite de elasticidad de al menos 500 MPa a temperatura ambiente y de 400 MPa a 600ºC. Tales aleaciones pueden exhibir límites de elasticidad a temperatura ambiente hasta 1300 MPa y hasta 800 MPa a 600ºC. Las aleaciones pueden exhibir una resistencia a la tensión definitiva de al menos 800 MPa a temperatura ambiente y de 600 MPa a 600ºC. Las aleaciones pueden exhibir un alargamiento de al menos 3,5% a temperatura ambiente y de al menos 7,5% a 600ºC. Los alargamientos pueden ser tan altos como 23% a temperatura ambiente y de 35% a 600ºC. Las aleaciones exhiben una buena resistencia a la termofluencia a 600ºC. Por ejemplo, las aleaciones pueden exhibir un nivel de termofluencia mínimo de 5x10^{-8} S^{-1} bajo una tensión de 200 a 600 MPa. Las aleaciones pueden exhibir una magnetización de saturación de al menos 190 emu/g a temperatura ambiente y una buena retención de tales propiedades a temperaturas elevadas del orden de 600ºC. Dependiendo de la composición, las aleaciones pueden exhibir una magnetización de saturación superior a 200 emu/g. Las aleaciones exhiben una buena resistividad eléctrica, por ejemplo, de 40 a 100 micro-ohm-cm. Las aleaciones exhiben una resistencia a la oxidación mejor que la de las aleaciones de FeCoV disponibles comercialmente, por ejemplo, un aumento de peso de 1,0 mg/cm^{2} o inferior a 600ºC después de 200 horas.

Los materiales magnéticos blandos según la invención muestran una combinación deseable de propiedades útiles para las distintas aplicaciones mencionadas anteriormente. Por ejemplo, las aleaciones exhiben una temperatura Curie elevada (Tc), por ejemplo, una temperatura Curie del orden de 650 a 720ºC. Las aleaciones exhiben también una magnetización de saturación elevada (Ms), por ejemplo, de 2 a 2,35 Tesla. Las aleaciones exhiben también un límite de elasticidad elevado a temperatura ambiente, por ejemplo, un límite de elasticidad de al menos 700 MPa a temperatura ambiente. Las aleaciones exhiben también una resistencia elevada a la termofluencia, por ejemplo, un nivel de termofluencia de 10^{-8} a 10^{-10}/seg bajo tensiones de 200 a 600 MPa a temperaturas del orden de 500 a 650ºC durante períodos de tiempo extensos tales como 5000 horas. Las aleaciones exhiben también una resistividad eléctrica elevada, por ejemplo, de 40 a 100 micro-ohm-cm. Además, las aleaciones exhiben una buena ductilidad y una buena formabilidad, buenas propiedades dinámicas en forma de compuestos laminados, buena resistencia a la corrosión y buen coste en proporción de rendimiento.

En comparación con las aleaciones FeCoV comerciales, las aleaciones según la invención son más económicas debido a su contenido de Co inferior, a su resistencia más elevada a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas tales como 600ºC, y/o a una buena a excelente ductilidad a temperatura ambiente en el estado ordenado durante la exhibición de la resistencia a la termofluencia y las propiedades magnéticas comparables. Además, las aleaciones según la invención exhiben una mayor resistividad y una mejor resistencia a la oxidación en comparación con las aleaciones FeCoV comerciales.

Las aleaciones según la invención pueden ser procesadas mediante varias técnicas incluyendo fundición, pulvimetalurgía y procesos de pulverización por plasma. Por ejemplo, la aleación puede ser fundida en una barra lingote, la barra lingote puede ser forjada a una temperatura de 900 a 1100ºC para romper la estructura fundida, la pieza de forjado puede ser laminada en caliente para formar una hoja, la hoja laminada en caliente puede ser enfriada rápidamente desde una temperatura elevada de 950ºC en una solución de agua salina en hielo inferior a 0ºC para formar una hoja con una estructura cristalina desordenada, la hoja puede ser laminada en frío en un tamaño deseado (por ejemplo, la hoja puede ser laminada con reducciones del 60 al 90%), la hoja laminada en frío puede ser recocida, por ejemplo, la aleación puede envejecida a 400 a 700ºC durante más de 50 horas al aire. En el proceso pulvimetalúrgico, la aleación puede ser atomizada, el polvo atomizado puede ser mezclado con un aglutinante y la mezcla de polvo puede tener una forma deseable tal como una hoja por compactación en rollo o fundición de cinta, la hoja puede ser calentada para volatilizar el aglutinante seguido de una sinterización parcial, la hoja parcialmente sinterizada puede ser laminada en frío hasta obtener el espesor deseado y la hoja laminada en frío puede ser recocida, por ejemplo, envejecida. Si se desea, el polvo atomizado puede estar en forma de hoja por pulverización de plasma y la hoja pulverizada con plasma puede ser laminada en frío y recocida tal como por envejecimiento. Además de usar polvo atomizado para los procesos de compactación en rollo/fundición en cinta/ pulverización por plasma, descritos anteriormente, el polvo atomizado puede ser aleado mecánicamente para incluir un dispersoide de óxido tal como Y_{2}O_{3}. La mezcla de polvo puede ser triturada con medios de trituración adecuados como bolas de zirconio o de acero inoxidable durante un periodo de tiempo apropiado de 2-20 horas para conseguir un tamaño de partícula deseado y obtener una distribución uniforme de las partículas de óxido en la mezcla triturada. La mezcla de polvo puede ser procesada tal y como se ha descrito anteriormente y después del tratamiento en caliente, la hoja puede presentar un contenido de óxido de 0,5 a 2% en peso y/o un tamaño de grano medio de 1 a 30 micras.

En la fabricación de productos laminados con la hoja según la invención, puede ser deseable incluir una barrera aislante entre las capas. Tal barrera aislante puede ser proporcionada mediante la aplicación de un revestimiento de película fino sobre las superficies de la hoja. Por ejemplo, un aislamiento tal como el aluminuro de hierro (aislante a temperaturas elevadas) puede ser aplicado a la hoja mediante cualquier técnica adecuada tal como una proyección o deposición por arco catódico. De manera alternativa, un revestimiento de óxido como la alúmina puede ser provisto en la hoja por cualquier técnica adecuada tal como un tratamiento sol-gel. Las hojas revestidas de esta manera pueden ser ensambladas en un artículo laminado y sujetas juntas mediante cualquier técnica adecuada, por ejemplo, sujetas mecánicamente por una fijación adecuada o unidas metalúrgicamente por soldadura, etc.

Aunque la presente invención ha sido descrita en relación a unas formas de realización preferidas, los expertos en la técnica apreciarán el hecho de que se pueden realizar adiciones, deleciones, modificaciones y sustituciones no descritas específicamente sin salir de la idea y campo de la invención tal como está definido en las reivindicaciones anexas.

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citada por el solicitante ha sido recopilada exclusivamente para la información del lector. No forma parte del documento de patente europea. La misma ha sido confeccionada con la mayor diligencia; la OEP sin embargo no asume responsabilidad alguna por eventuales errores u omisiones.

Documentos de patente citados en la descripción

- US 4647427 A, Liu [0007]: - US 3977919 A [0011]

- US 4933026 A, Rawlings [0008] [0011]: - US 4116727 A [0011]

- US 5252940 A, Tanaka [0009] [0011]: - US 5067993 A [0011]

- JP 01119642 A [0010]: - US 5501747 A [0011]

- US 3634072 A [0011]: - US 5741374 A [0011]

- US 3891475 A [0011]: - US 5817191 A [0011]

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Literatura que no es patente citada en la descripción

- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 013, 362 (C-625) [0010]

- PHILLIP G. COLEGROVE Integrated Power Unit for a Moore Electric Airplane AIAA/AHS/ASEE Aerospace Design Conference, 1993 [0012]

Claims

1. Aleación de Fe-Co-V magnética suave de alta resistencia, consistiendo, en % en peso, en

(Fe + Co) \geq 90%,

(Fe - Co) \geq 10%,

4 a 10% de V,

0,0005 a 0,3% de B,

0,005 a 0,3% de C, y comprendiendo opcionalmente

0,05-4% de Mo, 0,05-4% de Nb, 0,05-4% de W, 0,05-4% de Ni, 0,05-4% de Ti o mezclas derivadas de éstos.

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2. Aleación según la reivindicación 1, comprendiendo 0,05 a 4% de Nb, 0,05 a 4% de Ti, 0,05 a 4% de W, 0,05 a 4% de Ni o mezclas derivadas de éstos.

3. Aleación según la reivindicación 1, comprendiendo 0,5 a 2% de Nb, 0,3 a 1% de Ti, 0,1 a 1,5% de W, 0,1 a 1,5% de Ni o mezclas derivadas de éstos.

4. Aleación según la reivindicación 1, comprendiendo 0,1 a 1% de Mo.

5. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación no contiene níquel ni cromo.

6. Aleación según la reivindicación 1, comprendiendo 0,05 a 2% de Mo, 0,05 a 2% de Nb, 0,05 a 2% de W, y 0,05 a 2% de Ni.

7. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe una resistencia a la tensión máxima a temperatura ambiente de al menos 800 MPa.

8. Aleación según la reivindicación 1, comprendiendo más de 7% a 10% de V.

9. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe un límite de elasticidad a temperatura ambiente de al menos 400 MPa.

10. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe un límite de elasticidad a 600ºC de al menos 400 MPa.

11. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe un alargamiento total a temperatura ambiente de al menos 3%.

12. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe un alargamiento total a 600ºC de al menos 7%.

13. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe una resistencia a la termofluencia a 600ºC bajo una tensión de al menos 200 MPa de al menos 10^{-8}/seg.

14. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe una magnetización de saturación a temperatura ambiente de al menos 190 emu/g.

15. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe una resistividad eléctrica de al menos 40 \muohm-cm.

16. Aleación según la reivindicación 1, donde la aleación exhibe un aumento de peso de 1 mg/cm^{2} o menos cuando está expuesto al aire durante 200 horas a 600ºC.

17. Proceso para la preparación de una hoja de la aleación según la reivindicación 1, donde la hoja es preparada mediante fundición, forjado, laminación en caliente, laminación en frío y envejecimiento.

18. Proceso para la preparación de una hoja de la aleación según la reivindicación 1, donde la placa es preparada mediante la formación de la aleación en polvo, la mezcla del polvo con un aglutinante, la formación de la mezcla de polvo en una hoja, el calentamiento de la hoja para eliminar el aglutinante y la sinterización del polvo de aleación, por laminación en frío de la hoja sinterizada, y el tratamiento con calor de la hoja laminada.

19. Proceso para la preparación de una hoja de la aleación según la reivindicación 1, donde la aleación está formada en polvo, el polvo es pulverizado por plasma en una hoja, la hoja es laminada en frío y la hoja laminada en frío es tratada en caliente.

20. Proceso para la preparación de una hoja de la aleación según la reivindicación 1, donde la aleación está en forma de polvo, el polvo es aleado mecánicamente con partículas de óxido, el polvo aleado mecánicamente está en forma de hoja, la hoja es laminada en frío y la hoja laminada en frío es endurecida por precipitación.

21. Proceso según la reivindicación 20, donde la hoja posee un contenido de dispersoides de óxido de 0,5 a 2% en peso y/o un tamaño medio de grano de 1 a 30 \muM.

22. Proceso de formación de un estator o rotor laminado de un iniciador/generador para un turborreactor de avión donde la aleación según la reivindicación 1 está en forma de hoja con un revestimiento aislante por encima y las placas revestidas son superpuestas.

23. Proceso de formación de una suspensión magnética por fundición de la aleación según la reivindicación 1 en polvos de sinterización de la aleación.

24. Parte de un transformador de alto rendimiento, parte laminada de un generador eléctrico, extremidad polar de un imán de alta energía, accionador accionado magnéticamente de un dispositivo tal como una impresora de impacto, diafragma de un auricular de teléfono, electroválvula de un sistema de armadura-culata de un motor de inyección diésel, transductor magnetoestrictivo, tubo de entrada o de escape controlada electromagnéticamente, pieza para guiar corrientes de un contador de velocidad inductivo de un sistema de frenado antibloqueo, lente magnética, núcleo de solenoide de un interruptor magnético o parte de un circuito excitado magnéticamente comprendiendo la aleación según la reivindicación 1.