ES2342009T3 - Potenciacion de la estabilidad termica de cuerpos porosos compuestos por acero inoxidable o una aleacion. - Google Patents

Abstract

Un método para tratar un artículo poroso (20) construido de acero inoxidable en polvo o aleación metálica en polvo que forma un óxido superficial tras la oxidación, comprendiendo el método las etapas de: precalentar el artículo poroso en una atmósfera oxidante a una temperatura de entre 700ºC y 900ºC de manera que se forme una capa de óxido sobre las superficies del acero inoxidable o la aleación metálica en polvo del artículo poroso; y sinterizar el artículo en una atmósfera inerte o reductora a una temperatura que se aproxima a la temperatura de fusión del material que comprende el artículo.

Description

Potenciación de la estabilidad térmica de cuerpos porosos compuestos por acero inoxidable o una aleación.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere, en general, a artículos hechos a partir de polvos metálicos y se refiere, más particularmente, a la formación y tratamiento de artículos porosos compuestos por acero inoxidable en polvo o cualquiera aleación que forme una superficie de óxido, tal como óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación.

Los artículos porosos construidos de metales en polvo y con los que está relacionada esta invención se utilizan habitualmente en aplicaciones que dependen de la naturaleza porosa del artículo para que el artículo funcione de la manera pretendida. Dichos artículos pueden incluir, por ejemplo, filtros, soportes o sustratos de membrana y soportes de celda de combustible y pueden formarse con procesos que implican moldeo, extrusión, colada o compresión isostática. Hasta ahora, sin embargo, cuando dicho artículo se usa o se somete a un procesamiento a temperaturas relativamente altas, es decir, a 200 y 300ºC de la temperatura de fusión del material que comprende el artículo, el artículo se hace no poroso (o su porosidad se cierra, es decir, ya no está más interconectada) y posteriormente no puede funcionar de la manera pretendida o continua siendo procesado. Dicha pérdida de porosidad en el artículo se debe, al menos en parte, a la exposición de las áreas superficiales relativamente grandes que posee el artículo a las temperaturas relativamente altas.

Algunos aceros inoxidables y, en particular, los aceros inoxidables de la serie 400, tienen temperaturas de fusión dentro del intervalo de entre aproximadamente 1370ºC y 1530ºC, dependiendo de la composición específica del acero en esta clase. Por lo tanto, es probable que un artículo formado con un acero inoxidable de esta clase procesado convencionalmente experimente una pérdida en la porosidad cuando se expone a una temperatura tan baja como 1200ºC.

En el documento EP 0351056, se ha encontrado que sinterizando el polvo metálico en una atmósfera inerte y/o reductora da como resultado una estructura de metal poroso dura sin el uso de adyuvantes de sinterización. La resistencia a oxidación de la estructura puede potenciarse mediante el proceso de calcinación compuesto por las siguientes etapas: (1) calcinación en condiciones oxidantes a aproximadamente 500ºC, (2) reducción para reducir cualquier óxido formado por calcinación en hidrógeno a aproximadamente 600-650ºC, y (3) sinterización en gas inerte entre 1275 y 1400ºC.

En el documento US 2003/0100448 se proporcionan sustratos de catalizador metálico monolítico que ofrecen conductividad térmica mejorada a partir de lotes de extrusión de polvo metálico, de cobre, estaño, cinc, aluminio, hierro, plata, níquel y mezclas y aleaciones de los mismos por extrusión a través de un troquel de extrusión de panal de abejas seguido de secado y calcinación en un proceso de calcinación en dos etapas para oxidar los componentes del lote de extrusión orgánico entre 350 y 700ºC, para retirar los óxidos residuales de la estructura de pared porosa, y consolidar los polvos metálicos en estructuras de soporte de panal de abejas integrales, fuertes, por sinterización a 600-700ºC.

El documento US 3.053.967 describe un método para preparar un metal poroso que comprende: mezclar partículas orgánicas huecas de tamaño clasificado con polvo metálico y un aglutinante orgánico endurecible; curar la mezcla para producir una forma endurecida; calentar la forma en una atmósfera no oxidante para descomponer las partículas orgánicas y el aglutinante orgánico, enlazando conjuntamente de forma preliminar dicho calentamiento el polvo metálico a través de los productos de descomposición; calentar la forma en una atmósfera oxidante para oxidar y retirar los productos restantes de la descomposición; y después calentar la forma a una temperatura de sinterización suficiente para enlazar conjuntamente el polvo metálico.

Por lo tanto, sería deseable proporcionar un método para tratar un cuerpo metálico poroso que potencie la estabilidad térmica del cuerpo cuando se expone a temperaturas que se aproximan a la temperatura de fusión del material que comprende el cuerpo.

Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un método nuevo y mejorado para procesar un artículo metálico poroso que confiere al artículo una estabilidad térmica que evita que el artículo pierda su porosidad cuando se expone a temperaturas que están a aproximadamente 200 y 300ºC de la temperatura de fusión del
artículo.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método tal que posibilite que el artículo procesado retenga muchas de sus propiedades metálicas deseables, tales como su ductilidad, a estas temperaturas relativamente altas, cercanas a la de fusión.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un método tal que sea particularmente muy adecuado para procesar un artículo poroso compuesto por acero inoxidable y, en particular, acero inoxidable de la serie 300 y la serie 400, o una aleación que forma un óxido superficial, tal como óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un método tal que no sea complicado de realizar, aunque de funcionamiento eficaz.

Sumario de la invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para tratar un artículo poroso construido de acero inoxidable en polvo o de aleación metálica en polvo que forma un óxido superficial tras la oxidación, de acuerdo con la reivindicación 1.

Esta invención se refiere a un método para tratar un artículo poroso construido de acero inoxidable en polvo o de una aleación metálica en polvo que forma un óxido superficial, tal como óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación.

El método incluye las etapas de precalentar el artículo poroso en una atmósfera oxidante de manera que se forma una capa de óxido sobre las superficies del artículo poroso y después sinterizar el cuerpo en una atmósfera inerte o reductora.

En el método, la etapa de precalentamiento precalienta el artículo poroso a una temperatura de entre aproximadamente 700ºC y 900ºC y la etapa de sinterización se realiza a una temperatura que se aproxima a la temperatura de fusión del material que constituye al artículo.

Breve descripción del dibujo

La figura 1 es una vista en perspectiva de un artículo que se ha construido y tratado de acuerdo con una realización del método de la presente invención.

Descripción detallada de una realización ilustrativa

Volviendo ahora a los dibujos con mayor detalle y considerando en primer lugar la Figura 1, se ilustra un artículo poroso, indicado de forma general como 20, que se ha tratado de acuerdo con una realización del método de la presente invención para hacer al artículo 20 térmicamente estable a temperaturas que se aproximan a la temperatura de fusión del artículo 20.

El artículo 20 representado está compuesto por un cuerpo poroso de material de acero inoxidable de la serie 400 que puede construirse por cualquier número de métodos. Por ejemplo, el artículo 20 puede construirse inicialmente con una mezcla de acero inoxidable en polvo (que posee los constituyentes del material de acero inoxidable de la serie 400) y aglutinante y que posteriormente se forma en un cuerpo que tiene una forma que se adapta a la forma del artículo 20 deseado. Dicha etapa de formación puede efectuarse, por ejemplo, en una operación de moldeo, un proceso de extrusión, una operación de colada o por compresión isostática. Una vez que la mezcla de polvo y aglutinante se forma con la forma deseada, el aglutinante se volatiliza de una manera que se conoce bien en la técnica para dar el cuerpo compuesto principalmente por material de acero inoxidable y hacer al cuerpo poroso. Dicha volatilización del aglutinante puede tener lugar, por ejemplo, en aire y a una temperatura baja. Tras completarse la volatilización del aglutinante, el cuerpo está en condiciones de ser tratado de acuerdo con el método de la invención.

Para este fin, el cuerpo se precalienta para formar un recubrimiento superficial sobre el cuerpo. Para este fin, el cuerpo se sitúa dentro de un entorno controlado, tal como horno de tubo o un horno de mufla y después se precalienta en una atmósfera oxidante. Dicha atmósfera oxidante puede ser aire y, en los experimentos realizados hasta la fecha, la temperatura de esta etapa de precalentamiento ha variado entre aproximadamente 700ºC y 900ºC.

Los solicitantes han encontrado que cuanto mayor sea la temperatura de precalentamiento, más gruesa será la capa de óxido que es probable que se acumule sobre las superficies del cuerpo poroso. Con esto en mente, la capa de óxido que se acumula sobre las superficies del cuerpo no debería ser tan gruesa como para que el artículo procesado no funcione de la manera en la que se pretende que lo haga. Por consiguiente, es preferible que la capa de óxido tenga un espesor limitado (limitando la temperatura de precalentamiento a un valor cerca del extremo inferior del intervalo entre 700 y 900ºC o limitando el tiempo de exposición del cuerpo a la atmósfera oxidante) de manera que la capa de óxido no se haga tan gruesa que el artículo procesado finalmente 20 falle a la hora de funcionar de la manera pretendida.

Tras completarse la etapa de precalentamiento, el cuerpo se sinteriza entonces en una atmósfera inerte o reductora a una temperatura relativamente alta (por ejemplo, dentro del intervalo de entre aproximadamente 1250ºC y 1500ºC). Para este fin, el entorno controlado dentro del que se sitúa el cuerpo se evacua de la atmósfera oxidante (por ejemplo, aire) y una sustancia inerte, tal como argón, o una sustancia reductora, tal como hidrógeno, o una mezcla argón-hidrógeno se introduce en la atmósfera controlada, y el cuerpo se calienta a una temperatura a la que las partículas en contacto del acero inoxidable en polvo se enlazan juntas. Preferiblemente, la temperatura a la que se sinteriza el cuerpo se aproxima, aunque no supera, la temperatura de fusión del acero inoxidable que comprende el cuerpo. Se entenderá, sin embargo, que diversos factores tales como el tamaño de partícula del acero inoxidable en polvo que comprende el cuerpo y la extensión de la oxidación desde la etapa de precalentamiento (es decir, la pre-oxidación) pueden afectar a la temperatura de fusión del cuerpo.

A medida que el cuerpo se expone a las temperaturas relativamente altas de la etapa de sinterización, la capa de óxido que se forma sobre la superficie del cuerpo durante la etapa de precalentamiento ayuda a evitar que el cuerpo pierda su porosidad. Tras completarse la etapa de sinterización, el método de la invención se considera completo aunque puede desearse que el producto resultante, o artículo 20, experimente etapas de procesamiento adicionales antes de que se use de la manera pretendida.

El método de esta invención da como resultado la potenciación de la estabilidad térmica del artículo 20. Más específicamente, el método potencia la estabilidad térmica del artículo 20 de manera que cuando el artículo 20 se expone a, se usa en o se procesa a altas temperaturas que se aproximan a la temperatura de fusión del material que comprende el artículo 20, el artículo 20 no pierde su porosidad ni su porosidad se cierra o se desconecta.

Resultados de ensayo

Los solicitantes han formado discos porosos a partir de acero inoxidable de tipo 410 y los han sintetizado en condiciones variables, es decir, las condiciones indicadas en la Tabla 1 a continuación:

TABLA 1

1

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Los discos se mantuvieron en primer lugar en aire a temperaturas que variaban de aproximadamente 530ºC a aproximadamente 800ºC durante una hora y después se llevaron hasta las temperaturas de sinterización finales de aproximadamente 1320ºC en argón. La muestra que se oxidó en aire a 530ºC tenía muy poca porosidad y no tenía permeabilidad medible. Por comparación, las muestras que se oxidaron al aire a 800ºC indicaron que el aumento del tiempo se exposición a la temperatura final (sinterización) tenía poco efecto sobre las propiedades de la muestra.

De lo anterior se deduce que se ha descrito un método para potenciar la estabilidad térmica de un cuerpo poroso compuesto por metal capaz de oxidarse. Para ello, el artículo poroso se precalienta en una atmósfera oxidante de manera que se forma una capa oxidante sobre las superficies del artículo poroso y después el cuerpo se sinteriza en una atmósfera inerte o reductora.

Se entenderá que pueden hacerse numerosas modificaciones y sustituciones a la realización descrita anteriormente sin alejarse del espíritu de la invención. Por ejemplo, aunque la realización descrita anteriormente se ha mostrado y descrito como que implica un material de acero inoxidable de la serie 400, el método puede realizarse sobre otros materiales, tales como acero inoxidable de la serie 300 y cualquier aleación metálica que forme un óxido superficial, tal como óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación. Por consiguiente, los principios de la presente invención pueden aplicarse de forma variada y la realización descrita anteriormente tiene propósito de ilustración y no de limitación.

Claims (7)

1. Un método para tratar un artículo poroso (20) construido de acero inoxidable en polvo o aleación metálica en polvo que forma un óxido superficial tras la oxidación, comprendiendo el método las etapas de:

precalentar el artículo poroso en una atmósfera oxidante a una temperatura de entre 700ºC y 900ºC de manera que se forme una capa de óxido sobre las superficies del acero inoxidable o la aleación metálica en polvo del artículo poroso; y sinterizar el artículo en una atmósfera inerte o reductora a una temperatura que se aproxima a la temperatura de fusión del material que comprende el artículo.

2. El método de la reivindicación 1 en el que la etapa de sinterización se realiza en una atmósfera de argón.

3. El método de la reivindicación 1 en el que la etapa de sinterización se realiza en una atmósfera de hidrógeno.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el acero inoxidable en polvo se construye de acero inoxidable en polvo de la serie 300 ó 400.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la etapa de sinterización se realiza en un entorno controlado.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que dicho óxido superficial es óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio.

7. El método de la reivindicación 1 en el que:

dicho acero inoxidable en polvo se construye de acero inoxidable de tipo 410;

la etapa de precalentamiento se realiza a una temperatura de aproximadamente 800ºC en una atmósfera oxidante de manera que se forma una capa de óxido sobre las superficies del acero inoxidable; y

la etapa de sinterización se realiza a una temperatura de aproximadamente 1320ºC en una atmósfera de argón para obtener una porosidad de aproximadamente el 34 por ciento.