ES2403369T3

ES2403369T3 - Method of preparing a suitable metal structure for semi-solid metal processing

Info

Publication number: ES2403369T3
Application number: ES07763446T
Authority: ES
Inventors: Jessada Wannasin; Raul A. Martinez; Merton C. Flemmings
Original assignee: National Science and Technology Development Agency
Current assignee: National Science and Technology Development Agency
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2013-05-17
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: DK1981668T3; WO2007092203A2; EP1981668A4; EP1981668B1; JP5242416B2; WO2007092203A3; JP2009525192A; WO2007092203B1; EP1981668A2

Abstract

Método para la formación de un metal o aleación semisólidos que tiene estructuras de granos no dendríticos, queutiliza burbujas de gas, que comprende: una primera etapa de calentamiento del metal o la aleación por encima de la temperatura de fusión de las mismaspara disponer de un metal o aleación líquidos; una segunda etapa de circulación de burbujas de gas a través, como mínimo, de un medio sólido insertado en dichometal o aleación líquidos o dispuesto en los mismos, enfriando de este modo dicho metal o aleación líquidos hastauna temperatura por debajo de dicha temperatura de fusión de los mismos, mientras se agita dicho metal o aleaciónlíquidos con las burbujas de gas y se forman fracciones sólidas en las mismas; y una tercera etapa de interrupción de la circulación de dichas burbujas de gas cuando la fracción sólida de dichometal o aleación líquidos alcanza un intervalo de 0,01-0,5 en peso, de manera preferente un intervalo de 0,01-0,2 enpeso, proporcionando de este modo el metal o aleación semisólidos con estructuras en granos no dendríticos.Method for forming a semi-solid metal or alloy having non-dendritic grain structures, using gas bubbles, comprising: a first stage of heating the metal or alloy above their melting temperature to provide a metal or liquid alloy; a second step of circulating gas bubbles through at least one solid medium inserted into or disposed in said liquid metal or alloy, thereby cooling said liquid metal or alloy to a temperature below said melting temperature of the same, while stirring said liquid metal or alloy with the gas bubbles and forming solid fractions therein; and a third stage of interruption of the circulation of said gas bubbles when the solid fraction of said liquid metal or alloy reaches a range of 0.01-0.5 by weight, preferably a range of 0.01-0.2 by weight, thereby providing the semi-solid metal or alloy with non-dendritic grain structures.

Description

Método de preparación de una estructura metálica adecuada para el procesamiento de metal semisólido. Method of preparing a suitable metal structure for semi-solid metal processing.

La presente invención se refiere a un método de preparación de mezclas semisólidas no dendríticas de metales para el moldeo y la formación de semisólidos. En particular, en la presente invención se hacen circular burbujas de gas a través, como mínimo, de un medio sólido insertado en el metal o la aleación líquidos o que se dispone en los mismos, enfriando, de este modo, el metal o la aleación líquidos hasta una temperatura por debajo de la temperatura de fusión de los mismos, mientras se agita el metal o la aleación líquidos con las burbujas de gas y se forman fracciones de sólido en las mismas. The present invention relates to a method of preparing non-dendritic semi-solid mixtures of metals for molding and forming semi-solids. In particular, gas bubbles are circulated in the present invention through at least a solid medium inserted into or disposed of in the liquid metal or alloy, thereby cooling the metal or alloy liquids up to a temperature below the melting temperature thereof, while stirring the liquid metal or alloy with the gas bubbles and solid fractions are formed therein.

La estructura metálica adecuada para el procesamiento de metales semisólidos (SSM) fue dada a conocer por primera vez a principios de los años 70 en una tesis doctoral de D.B. Spencer titulada "Rheology of Liquid-Solid Mixtures of Lead Tin," (Reología de mezclas sólido-líquidas de plomo y estaño), M.C. Flemings como asesor, Massachusetts Institute of Technology (junio de 1971). Los autores agitaban de manera mecánica una aleación en solidificación en el intervalo de temperaturas de sólido-líquido y hallaron que la fase sólida no estaba en forma de dendritas, sino en forma de partículas esferoidales. La naturaleza no dendrítica de la fase sólida proporcionó a estas “mezclas” de metales unas propiedades de fluidez únicas. Una mezcla de metales que contiene hasta el 50% de fase sólida circula de manera homogénea con órdenes de magnitud de la “viscosidad eficaz” superiores a las de la aleación líquida. Si las mezclas de metales se conforman en piezas, una mayor viscosidad conducirá a un llenado menor del molde, produciendo, de este modo, piezas de calidad elevada al minimizar la retención de aire y las inclusiones. The appropriate metal structure for the processing of semi-solid metals (SSM) was first disclosed in the early 1970s in a doctoral thesis of D.B. Spencer entitled "Rheology of Liquid-Solid Mixtures of Lead Tin," M.C. Flemings as an advisor, Massachusetts Institute of Technology (June 1971). The authors mechanically stirred a solidifying alloy in the solid-liquid temperature range and found that the solid phase was not in the form of dendrites, but in the form of spheroidal particles. The non-dendritic nature of the solid phase gave these "mixtures" of metals unique fluidity properties. A mixture of metals containing up to 50% solid phase circulates in a homogeneous manner with orders of magnitude of the "effective viscosity" higher than those of the liquid alloy. If metal mixtures are formed into pieces, a higher viscosity will lead to less filling of the mold, thus producing high quality parts by minimizing air retention and inclusions.

Desde la invención de los procesos SSM, la industria ha crecido cada vez más consciente de su potencial. Actualmente, la investigación de los SSM se realiza a nivel académico e industrial por todo el mundo. Sin embargo, la proliferación de aplicaciones de los SSM en la industria se encuentra aún en sus fases iniciales. Las aplicaciones en la automoción de aleaciones de aluminio han sido el foco principal del interés industrial en los SSM. La preocupación sobre la eficacia del combustible y sobre el medio ambiente ha dado lugar a un impulso hacia vehículos más ligeros. Esto ha conducido a un incremento continuo en la utilización de fundiciones de aluminio en vehículos y una necesidad creciente por procesos del tipo SSM que puedan producir piezas de aluminio de calidad elevada. Algunas de las piezas de los automóviles que se consideran para los SSM de aluminio son los componentes de la suspensión, los compresores del aire acondicionado, y los cilindros del freno principal, tal como se dan a conocer por S.P. Midson y K. Brissing en un artículo titulado "Semi-Solid Casting of Aluminum Alloys: A Status Report" (Moldeo semisólido de aleaciones de aluminio: Informe sobre la situación) (Modern Casting, Febrero, 1997, pág. 41-43). Un fabricante de automóviles utilizaba un proceso de “fundición reológica” para fabricar los bloques de cilindros para la siguiente línea de motores turbo diésel. Véase M. Yamazaki y otros, Development of a High-Strength Aluminum Cylinder Block for Diesel Engine Employing a New Production Process (“Desarrollo de bloques de cilindros de aluminio de alta resistencia para motores diesel utilizando un nuevo proceso de producción”), SAE International, Publicación 20. Since the invention of SSM processes, the industry has grown increasingly aware of its potential. Currently, the research of the SSM is carried out at an academic and industrial level worldwide. However, the proliferation of SSM applications in the industry is still in its early stages. Applications in the automotive aluminum alloy have been the main focus of industrial interest in SSMs. Concern about fuel efficiency and the environment has given rise to a drive towards lighter vehicles. This has led to a continuous increase in the use of aluminum foundries in vehicles and a growing need for processes of the SSM type that can produce high quality aluminum parts. Some of the car parts that are considered for aluminum SSMs are the suspension components, air conditioning compressors, and main brake cylinders, as disclosed by S.P. Midson and K. Brissing in an article entitled "Semi-Solid Casting of Aluminum Alloys: A Status Report" (Modern Casting, February, 1997, p. 41-43). An automobile manufacturer used a “rheological casting” process to manufacture the cylinder blocks for the next line of turbo diesel engines. See M. Yamazaki et al., Development of a High-Strength Aluminum Cylinder Block for Diesel Engine Employing a New Production Process (SAE International, SAE International , Publication 20.

Dos rutas de procesamiento de metales semisólidos son factibles industrialmente: "fundición tixotrópica" y "fundición reológica". La “fundición tixotrópica” es un proceso en el que se obtiene una estructura no dendrítica mediante el recalentamiento de un lingote completamente solidificado hasta el intervalo de temperaturas de sólido-líquido, conformándolo a continuación en una pieza. La “fundición reológica” es un proceso en el que se crea una mezcla con estructura no dendrítica a partir de una aleación líquida y, a continuación, se conforma en una pieza. Two semi-solid metal processing routes are industrially feasible: "thixotropic smelter" and "rheological smelter". "Thixotropic smelting" is a process in which a non-dendritic structure is obtained by reheating a completely solidified ingot to the solid-liquid temperature range, then forming it into a piece. "Rheological casting" is a process in which a mixture with a non-dendritic structure is created from a liquid alloy and then formed into a piece.

Durante los últimos 30 años, la ruta de procesamiento SSM utilizado en la industria se ha realizado mediante fundición tixotrópica tal como se presenta por M.C. Flemings y W.L. Johnson en un artículo titulado "High Viscosity Liquid and Semi-Solid Metal Casting: Processes and Products" (“Fundición de líquidos de viscosidad elevada y metales semisólidos: procesos y productos”) en la Conferencia mundial de la fundición celebrada en KynogJu, Corea, Octubre 20-24, 2002. Se produce un lingote agitado de manera electromagnética mediante agitadores continuos tal como se describe por C. Vives en un artículo titulado "Elaboration of Semisolid Alloys by Means of New Electromagnetic Rheocasting" (“Elaboración de aleaciones semisólidas mediante nueva fundición reológica electromagnética”) (Processes, Metallurgical Transactions B, (23b), Abril, 1992, pág 189-206). El fundidor tixotrópico adquiriría estos lingotes, los recalentaría en el intervalo de temperaturas de sólido-líquido y los conformaría en piezas. Aunque se obtienen piezas de aluminio de calidad elevada, aspectos, tales como el coste de la operación y el control del proceso, han evitado la adopción extendida de la fundición tixotrópica. En el año 2000, se estimó que el proceso de fundición tixotrópica representaba únicamente aproximadamente el 1% de los 2,5 millones de toneladas de fundiciones de aluminio en America del norte, Europa y Japón (o aproximadamente 25.000 toneladas) en un artículo de P. Kapranos y otros, titulado "Near net shaping by semi-solid metal processing" (Conformación casi final mediante el procesamiento de metales semisólidos”) (Materials and Design, (21), 2000, pág. 387-394). During the last 30 years, the SSM processing route used in the industry has been carried out by thixotropic smelting as presented by M.C. Flemings and W.L. Johnson in an article entitled "High Viscosity Liquid and Semi-Solid Metal Casting: Processes and Products" at the World Foundry Conference held in KynogJu, Korea, October 20-24, 2002. Electromagnetic agitated ingot is produced by continuous agitators as described by C. Vives in an article entitled "Elaboration of Semisolid Alloys by Means of New Electromagnetic Rheocasting" electromagnetic rheological casting ”) (Processes, Metallurgical Transactions B, (23b), April, 1992, p 189-206). The thixotropic smelter would acquire these ingots, reheat them in the solid-liquid temperature range and make them into pieces. Although high quality aluminum parts are obtained, aspects, such as the cost of operation and process control, have prevented the widespread adoption of thixotropic cast iron. In the year 2000, it was estimated that the thixotropic smelting process represented only approximately 1% of the 2.5 million tons of aluminum smelters in North America, Europe and Japan (or approximately 25,000 tons) in an article of P Kapranos et al., Entitled "Near net shaping by semi-solid metal processing" (Materials and Design, (21), 2000, p. 387-394).

Por lo tanto, la tendencia actual en el procesamiento de metales semisólidos es avanzar hacia la ruta de la “fundición reológica”. La “fundición reológica” presenta sobre la fundición tixotrópica ventajas inmediatas de costes, ya que se puede formar una aleación líquida en una mezcla no dendrítica de metales en el lugar de producción y los metales de desecho se pueden reciclar internamente. Actualmente, existen varios procesos paras crear estructuras no Therefore, the current trend in semi-solid metal processing is to move towards the “rheological casting” route. "Rheological smelting" has immediate cost advantages over thixotropic smelting, since a liquid alloy can be formed in a non-dendritic mixture of metals at the place of production and waste metals can be recycled internally. Currently, there are several processes to create structures not

dendríticas a partir de aleaciones líquidas. La primera estrategia utilizada fue la agitación mecánica del metal en el intervalo de temperaturas de sólido-líquido. Varios documentos de patente, que incluyen las patentes de Estados Unidos No. 5.555.926, 5.887.640 y 5.983.978, da a conocer el equipo diseñado para crear mezclas de metales mediante agitación mecánica. Véase también S. Ji, Z. Fan, M.J. Bevis. Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomoulding process (Procesamiento de semisólidos en el diseño de aleaciones mediante un prceso de moldeo reológico con doble husillo”), Materials Science and Engineering A, (299A), 2001, pág. 210-217. Sin embargo, la falta de materiales de agitación resistentes capaces de soportar la exposición a aluminio fundido durante periodos largos de tiempo, ha limitado la utilización de los métodos de agitación mecánica en la industria. dendritic from liquid alloys. The first strategy used was the mechanical agitation of the metal in the solid-liquid temperature range. Several patent documents, which include U.S. Patents No. 5,555,926, 5,887,640 and 5,983,978, disclose equipment designed to create mixtures of metals by mechanical agitation. See also S. Ji, Z. Fan, M.J. Bevis Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomoulding process (Semi-solid processing in the design of alloys by means of a rheological molding process with double spindle ”), Materials Science and Engineering A, (299A), 2001, p. 210-217. However, the lack of resistant agitation materials capable of withstanding exposure to molten aluminum for long periods of time has limited the use of mechanical agitation methods in the industry.

Hasta ahora, el desafío de la fundición reológica ha sido el conocimiento limitado de cómo procesar de manera eficaz aleaciones líquidas para crear mezclas no dendríticas de metales. Actualmente se sabe que mediante el control de las condiciones presentes durante las etapas iniciales de solidificación (la formación de solamente los primeros porcentajes de fase sólida), se pueden formar fácilmente estructuras no dendríticas. Mediante la combinación de un enfriado rápido localizado y una agitación vigorosa en el caldo de fusión, de manera que la temperatura disminuya desde junto por encima a justo por debajo la temperatura del líquido, se puede conseguir una estructura no dendrítica en cuestión de segundos, tal como se describe por R.A. Martínez en su tesis de máster titulada "A New Technique for the Formation of Semisolid Structures" (“Una nueva técnica para la formación de estructuras semisólidas”) (junio del 2001) y en su tesis doctoral titulada "Formation and Processing of Rheocast Microstructures" (“Formación y procesamiento de microestructuras por fundición reológica”) (junio del 2004), profesor Until now, the challenge of rheological casting has been limited knowledge of how to effectively process liquid alloys to create non-dendritic mixtures of metals. It is currently known that by controlling the conditions present during the initial stages of solidification (the formation of only the first solid phase percentages), non-dendritic structures can be easily formed. By combining a localized rapid cooling and vigorous stirring in the melting broth, so that the temperature decreases from together above to just below the temperature of the liquid, a non-dendritic structure can be achieved in a matter of seconds, such as described by RA Martínez in his master thesis entitled "A New Technique for the Formation of Semisolid Structures" (June 2001) and in his doctoral thesis entitled "Formation and Processing of Rheocast Microstructures" ("Formation and processing of microstructures by rheological casting") (June 2004), professor

M.C. Flemings como asesor, Massachusetts Institute of Technology. M.C. Flemings as an advisor, Massachusetts Institute of Technology.

La patente de Estados Unidos 6.645.322 se refiere a un método que funde reológicamente y de manera eficaz una aleación con partículas esferoidales mediante la inmersión de una varilla giratoria fría en un caldo de fusión mantenido por encima de la temperatura de líquido. La inmersión de la varilla giratoria crea de manera simultánea una región de enfriamiento local elevado, proporciona una convección vigorosa y disminuye la temperatura de fusión global por debajo de la temperatura de líquido. El proceso puede crear una mezcla a partir del metal líquido con una amplia variabilidad en el sobrecalentamiento, haciéndolo un método fiable y eficaz para producir mezclas de aleaciones de aluminio. Sin embargo, dado que el método requiere un medio sólido en movimiento, se pueden anticipar algunas cuestiones. En primer lugar, puede no ser simple la aplicación de un sistema de enfriamiento de agua a la varilla de forma continua mientras la varilla va girando. Puede no ser simple unir los sensores, tales como los sensores de temperatura, en el interior de la varilla para medir las temperaturas. Además, mientras la varilla va girando, existe la posibilidad de que se forme un remolino. La formación de un remolino puede dar lugar a una oxidación incrementada del metal. US Patent 6,645,322 refers to a method that rheologically and efficiently melts an alloy with spheroidal particles by immersing a cold rotating rod in a melting broth maintained above the liquid temperature. The immersion of the rotating rod simultaneously creates a high local cooling region, provides vigorous convection and lowers the overall melting temperature below the liquid temperature. The process can create a mixture from liquid metal with a wide variability in overheating, making it a reliable and efficient method to produce mixtures of aluminum alloys. However, since the method requires a solid medium in motion, some issues can be anticipated. First, it may not be simple to apply a water cooling system to the rod continuously while the rod is rotating. It may not be simple to join the sensors, such as temperature sensors, inside the rod to measure temperatures. In addition, while the rod is rotating, there is a possibility that a swirl will form. Swirling can lead to increased oxidation of the metal.

Según el documento US 2001/020759 A1, un recipiente de metal fundido incluye una primera cámara para contener el metal fundido, tal como aluminio fundido en el mismo, una cámara de filtración en la que se eliminan las impurezas contenidas en el metal fundido, y una segunda cámara para conservar el metal fundido limpio para suministrar a un molde de fundición. El metal fundido circula desde la primera cámara a la segunda cámara a través de la cámara de filtración. En la cámara de filtración se disponen una pareja de filtros, de manera preferente una pareja de filtros cilíndricos, de manera que se pueden filtrar dos veces las impurezas contenidas en el metal fundido. Los filtros están unidos a la base de la cámara de filtración, en la que apenas se desarrollan óxidos de metal fundido, de manera que los filtros se sustituyen fácilmente por nuevos para fines de mantenimiento. En los filtros cilíndricos puede disponerse un calentador en forma de varilla para mantener la temperatura del metal fundido en un intervalo estrictamente controlado. De este modo, las impurezas se eliminan de manera eficaz del metal fundido a través de los filtros que son fácilmente sustituibles. According to US 2001/020759 A1, a molten metal container includes a first chamber to contain the molten metal, such as molten aluminum therein, a filtration chamber in which the impurities contained in the molten metal are removed, and a second chamber to keep the molten metal clean for supply to a foundry mold. The molten metal circulates from the first chamber to the second chamber through the filtration chamber. In the filtration chamber a pair of filters are arranged, preferably a pair of cylindrical filters, so that impurities contained in the molten metal can be filtered twice. The filters are attached to the base of the filtration chamber, in which hardly molten metal oxides are developed, so that the filters are easily replaced with new ones for maintenance purposes. In the cylindrical filters a rod-shaped heater can be arranged to maintain the temperature of the molten metal in a strictly controlled range. In this way, impurities are effectively removed from molten metal through filters that are easily replaceable.

En la patente de Estados Unidos 6.521.015 B1, se da a conocer un método para filtrar aluminio fundido que contiene partículas suspendidas utilizando un medio de filtración mejorado, comprendiendo el método las etapas de disponer una fuente de aluminio fundido y disponer de un medio que tiene un recubrimiento sobre el mismo, teniendo el recubrimiento un punto de ablandamiento a las temperaturas del aluminio fundido para proporcionar propiedades adhesivas y unir las partículas suspendidas en el aluminio fundido al mismo. El medio de filtración está en contacto con el aluminio fundido y las partículas suspendidas están unidas de manera adhesiva al mismo para proporcionar un aluminio fundido que tiene partículas suspendidas eliminadas del mismo. In US Patent 6,521,015 B1, a method for filtering molten aluminum containing suspended particles using an improved filtration medium is disclosed, the method comprising the steps of arranging a source of molten aluminum and having a means that It has a coating on it, the coating having a softening point at the temperatures of the molten aluminum to provide adhesive properties and bond the suspended particles in the molten aluminum thereto. The filtration medium is in contact with the molten aluminum and the suspended particles are adhesively bonded thereto to provide a molten aluminum having suspended particles removed therefrom.

La patente de Estados Unidos 5.846.481 A se refiere a un aparato mejorado de refino de aluminio fundido en el que el conducto del gas refinador está definido por una ranura helicoidal en la varilla del rotor y el manguito para calentar un gas mediante el contacto con el manguito a medida que circula hacia el rotor hasta, en general, la temperatura del caldo de fusión; que comprende un estator que rodea el manguito y que ocupa una parte de la superficie del aluminio fundido, y en el que el recipiente comprende paredes laterales que divergen en sentido ascendente en un ángulo desde aproximadamente 5 grados hasta aproximadamente 16 grados para permitir que las burbujas de gas se expandan sin una coalescencia sustancial a medida que las burbujas se mueven en sentido ascendente en el caldo de fusión, reduciendo la presión metalostática en las burbujas respectivas. US Patent 5,846,481 A refers to an improved apparatus for refining molten aluminum in which the refining gas conduit is defined by a helical groove in the rotor rod and the sleeve for heating a gas through contact with the sleeve as it circulates towards the rotor up to, in general, the temperature of the melting broth; comprising a stator surrounding the sleeve and occupying a part of the surface of the molten aluminum, and wherein the container comprises side walls that diverge upward at an angle from about 5 degrees to about 16 degrees to allow bubbles of gas expand without substantial coalescence as the bubbles move upward in the melting broth, reducing the metastatic pressure in the respective bubbles.

El documento de la patente de Estados Unidos 4.154.689 da a conocer una mejora en la filtración de metal fundido, de manera especial aluminio, utilizando una placa de filtro extraíble dispuesta de manera vertical y, como mínimo, una entrada de gas de circulación situada de tal manera que se introduce el gas de circulación en la placa de filtro. US Patent 4,154,689 discloses an improvement in the filtration of molten metal, especially aluminum, using a removable filter plate arranged vertically and at least one circulating gas inlet located in such a way that the circulation gas is introduced into the filter plate.

La placa de filtro está dispuesta con una superficie periférica biselada que se aparea con una superficie de tipo biselada en una cámara de filtro, de manera que la placa de filtro se puede insertar de manera conveniente en la cámara y se puede extraer de la misma. El gas de circulación se provee al caldo de fusión a través de la entrada y circula a través de la placa de filtro para asegurar un contacto amplio con el caldo de fusión. De este modo, se apartan y se extraen los gases disueltos y las inclusiones no metálicas. The filter plate is arranged with a beveled peripheral surface that pairs with a beveled type surface in a filter chamber, so that the filter plate can be conveniently inserted into the chamber and can be removed therefrom. Circulation gas is supplied to the fusion broth through the inlet and circulates through the filter plate to ensure wide contact with the fusion broth. In this way, dissolved gases and non-metallic inclusions are removed and extracted.

Según el documento EP 1004682 A1, se da a conocer un difusor de gas monolítico de cerámica cocida para inyectar gas en un baño de metal fundido, que incluye una primera pieza, una segunda pieza integrada con la primera pieza, y una perforación que pasa a través de la primera pieza y que comunica con la segunda pieza para suministrar gas a la segunda pieza, en el que, como mínimo, la segunda pieza tiene una red de poros interconectados que proporciona un flujo preferente de gas desde la perforación a través de la segunda pieza para inyectar gas en el baño de metal fundido. According to EP 1004682 A1, a baked ceramic monolithic gas diffuser for injecting gas into a molten metal bath is disclosed, including a first piece, a second part integrated with the first piece, and a perforation that passes through the first piece and communicating with the second piece to supply gas to the second piece, in which at least the second piece has a network of interconnected pores that provides a preferential flow of gas from the perforation through the second piece to inject gas into the molten metal bath.

El documento EP 1561529 A1 da a conocer un aparato de conformación reológica que asegura la fabricación de productos con partículas esféricas pequeñas y uniformes con mejoras en la eficacia de la energía y las propiedades mecánicas de los productos, una reducción de costes, la conveniencia de la conformación y una duración más corta del proceso. El aparato incluye un primer manguito, un extremo del cual está formado con un puerto de salida de la mezcla para liberar la mezcla, un segundo manguito para retener el metal fundido, un extremo del cual se comunica con el primer manguito, un elemento de sellado para abrir y cerrar el extremo del segundo manguito, una unidad de agitación para aplicar un campo electromagnético al segundo manguito, y un émbolo, que se inserta de manera deslizante en el otro extremo del segundo manguito para presionar la mezcla producida en el segundo manguito. EP 1561529 A1 discloses a rheological shaping apparatus that ensures the manufacture of products with small and uniform spherical particles with improvements in the energy efficiency and mechanical properties of the products, a cost reduction, the convenience of conformation and a shorter duration of the process. The apparatus includes a first sleeve, one end of which is formed with an outlet port of the mixture to release the mixture, a second sleeve to retain molten metal, an end of which communicates with the first sleeve, a sealing element to open and close the end of the second sleeve, a stirring unit to apply an electromagnetic field to the second sleeve, and a plunger, which is slidably inserted into the other end of the second sleeve to press the mixture produced in the second sleeve.

En la patente de Estados Unidos 4.108.643 A, una composición metálica se caracteriza por más del 65 por ciento en peso de partículas sólidas discretas primarias dendríticas o nodulares degeneradas suspendidas en una fase secundaria que tiene un punto de fusión inferior que las partículas primarias y cuya fase secundaria puede ser sólida In U.S. Patent 4,108,643 A, a metal composition is characterized by more than 65 percent by weight of degenerate primary dendritic or nodular discrete solid particles suspended in a secondary phase that has a lower melting point than the primary particles and whose secondary phase can be solid

o líquida. El método implica el aumento de la temperatura de una aleación metálica hasta un valor en el que la aleación está de manera amplia o completa en estado fundido. A continuación, el caldo de fusión se somete a agitación vigorosa en un aparato que tiene una superficie interna que contacta el líquido y la composición sólida primaria que no está humedecida por la composición y se extrae el calor para incrementar la parte de la mezcla que está en forma sólida degenerada de dendrita o nodular en más de aproximadamente el sesenta y cinco por ciento mientras continúa la agitación. or liquid The method involves increasing the temperature of a metal alloy to a value at which the alloy is broadly or completely in the molten state. Next, the melting broth is subjected to vigorous stirring in an apparatus that has an internal surface that contacts the liquid and the primary solid composition that is not moistened by the composition and the heat is extracted to increase the part of the mixture that is in a degenerate solid form of dendrite or nodular in more than about sixty-five percent while stirring continues.

En vista de lo anterior, sería deseable tener un método que no requiera un medio sólido para girar para evitar las desventajas mencionadas anteriormente. In view of the foregoing, it would be desirable to have a method that does not require a solid means to rotate to avoid the above-mentioned disadvantages.

Esto se consigue mediante el método de la reivindicación 1. This is achieved by the method of claim 1.

Las realizaciones preferentes de la presente invención se caracterizan en las reivindicaciones dependientes. Preferred embodiments of the present invention are characterized in the dependent claims.

La presente invención utiliza el principio presentado por Martínez y Flemings que si se aplica una combinación de frío localizado con convección vigorosa a un caldo de fusión mantenido justo por encima de su temperatura de líquido, se puede formar una estructura no dendrítica en cuestión de segundos después de que empiece la solidificación. En la presente invención, se ha descubierto que mediante la circulación de burbujas de gas a través de un objeto sólido en una aleación metálica fundida mantenida a una temperatura por encima de la temperatura de líquido, se obtiene una mezcla no dendrítica de metales semisólidos. En la presente invención, las burbujas de gas proporcionan una convención vigorosa a la vez que proporciona también algo de frío localizado. El frío localizado también se consigue a través de la utilización de un objeto sólido. A diferencia de las invenciones previas, la presente invención utiliza burbujas de gas como el medio para proporcionar agitación, no objetos sólidos, tales como impulsores o varillas cilíndricas como en la técnica anterior. The present invention uses the principle presented by Martínez and Flemings that if a combination of localized cold with vigorous convection is applied to a melting broth maintained just above its liquid temperature, a non-dendritic structure can be formed within seconds after Let solidification begin. In the present invention, it has been discovered that by circulating gas bubbles through a solid object in a molten metal alloy maintained at a temperature above the liquid temperature, a non-dendritic mixture of semi-solid metals is obtained. In the present invention, gas bubbles provide a vigorous convention while also providing some localized cold. Localized cold is also achieved through the use of a solid object. Unlike previous inventions, the present invention uses gas bubbles as the means to provide agitation, not solid objects, such as impellers or cylindrical rods as in the prior art.

En un aspecto, la presente invención da a conocer un método para preparar mezclas no dendríticas semisólidas mediante la introducción de burbujas de gas a través de un objeto sólido en una aleación metálica fundida mantenida a una temperatura por encima de la temperatura de líquido. En la presente invención, dado que el objeto sólido no es giratorio, se pueden anticipar varias ventajas. Sin piezas giratorias, se pueden aplicar un sistema de enfriamiento y sistemas sensoriales con diseños simples. Dado que no se forma un remolino en la aleación metálica fundida, se evita la oxidación metálica incrementada debida al remolino. Si se utiliza un objeto sólido poroso para proporcionar burbujas de gas, se evitan a humectación y la reacción entre la aleación metálica fundida y el medio sumergido, ya que la circulación de las burbujas de gas fuera de los poros en el medio sólido actúa como una capa protectora entre la aleación metálica fundida y las superficies del medio. Además, la circulación de las burbujas de gas en el interior de la aleación metálica fundida ayuda a eliminar la escoria, los gases disueltos y cualquier impureza de la aleación metálica fundida, estos procesos utilizados ampliamente son conocidos como procesos desgasificantes o de desescorificación. In one aspect, the present invention discloses a method for preparing semi-solid non-dendritic mixtures by introducing gas bubbles through a solid object in a molten metal alloy maintained at a temperature above the liquid temperature. In the present invention, since the solid object is not rotatable, several advantages can be anticipated. Without rotating parts, a cooling system and sensory systems with simple designs can be applied. Since a swirl is not formed in the molten metal alloy, increased metal oxidation due to the swirl is avoided. If a porous solid object is used to provide gas bubbles, they are prevented from wetting and the reaction between the molten metal alloy and the submerged medium, since the circulation of the gas bubbles out of the pores in the solid medium acts as a protective layer between molten metal alloy and medium surfaces. In addition, the circulation of gas bubbles inside the molten metal alloy helps eliminate slag, dissolved gases and any impurity of the molten metal alloy, these widely used processes are known as degassing or de-scoring processes.

Los rasgos y características anteriores y adicionales de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada considerada en referencia a los dibujos que se acompañan en los que los números de referencia iguales designan elementos iguales y en los que: The foregoing and additional features and features of the present invention will be more apparent from the following detailed description considered in reference to the accompanying drawings in which the same reference numbers designate equal elements and in which:

La figura 1 muestra la primera realización de un aparato para preparar mezclas no dendríticas de metales semisólidos según la presente invención. Figure 1 shows the first embodiment of an apparatus for preparing non-dendritic mixtures of semi-solid metals according to the present invention.

La figura 2 muestra la segunda realización de un aparato para preparar mezclas no dendríticas de metales semisólidos según la presente invención. Figure 2 shows the second embodiment of an apparatus for preparing non-dendritic mixtures of semi-solid metals according to the present invention.

La figura 3 muestra la tercera realización de un aparato para preparar mezclas no dendríticas de metales semisólidos según la presente invención. Figure 3 shows the third embodiment of an apparatus for preparing non-dendritic mixtures of semi-solid metals according to the present invention.

La figura 4 muestra la cuarta realización de un aparato para preparar mezclas no dendríticas de metales semisólidos según la presente invención. Figure 4 shows the fourth embodiment of an apparatus for preparing non-dendritic mixtures of semi-solid metals according to the present invention.

La figura 5 muestra una micrografía representativa de una microestructura dendrítica proporcionada sin aplicar la presente invención. Figure 5 shows a representative micrograph of a dendritic microstructure provided without applying the present invention.

La figura 6 muestra una micrografía representativa de una estructura no dendrítica proporcionada según la presente invención. Figure 6 shows a representative micrograph of a non-dendritic structure provided according to the present invention.

La figura 7 muestra una micrografía representativa de otra microestructura proporcionada según la presente invención. Figure 7 shows a representative micrograph of another microstructure provided according to the present invention.

En la figura 1 se muestra un aparato para la preparación de mezclas no dendríticas de metales semisólidos según una realización de la presente invención. El aparato incluye un recipiente de soporte para recibir y contener una aleación metálica fundida, una lanza (un tubo cilíndrico hueco) para proporcionar burbujas de gas inerte, y un objeto sólido para proporcionar un enfriamiento más localizado. En un proceso, la lanza se sumerge en la aleación metálica fundida que se mantiene a una temperatura por encima de la temperatura del líquido. A continuación, se hace circular el gas inerte por la lanza creando burbujas de gas, mientras se introduce el objeto sólido en la aleación metálica fundida. El gas se selecciona del grupo que comprende nitrógeno, argón, dióxido de carbono y una mezcla de estos gases. La aleación metálica se selecciona del grupo que comprende aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio, aleaciones de cobre, aleaciones de hierro, aleaciones de zinc, aleaciones de níquel y aleaciones de titanio. Figure 1 shows an apparatus for the preparation of non-dendritic mixtures of semi-solid metals according to an embodiment of the present invention. The apparatus includes a support vessel for receiving and containing a molten metal alloy, a lance (a hollow cylindrical tube) to provide inert gas bubbles, and a solid object to provide more localized cooling. In one process, the lance is immersed in the molten metal alloy that is maintained at a temperature above the temperature of the liquid. The inert gas is then circulated through the lance creating gas bubbles, while the solid object is introduced into the molten metal alloy. The gas is selected from the group comprising nitrogen, argon, carbon dioxide and a mixture of these gases. The metal alloy is selected from the group comprising aluminum alloys, magnesium alloys, copper alloys, iron alloys, zinc alloys, nickel alloys and titanium alloys.

A medida que la temperatura del metal disminuye por debajo de la temperatura de líquido, se forma la mezcla no dendrítica de metales semisólidos. Cuando la mezcla de metales presenta un contenido en sólidos de aproximadamente el 1% a aproximadamente el 50% en peso, se extrae el objeto sólido y se detiene la circulación de gas. As the metal temperature decreases below the liquid temperature, the non-dendritic mixture of semi-solid metals is formed. When the metal mixture has a solids content of about 1% to about 50% by weight, the solid object is removed and gas circulation is stopped.

Son posibles otras variaciones de la presente invención, tales como un conducto, un impulsor, una varilla o un recipiente. Algunos de ellos se muestran en las figuras 2-4. La figura 2 muestra otra realización. En este proceso, el gas inerte circula a través de una tobera de un objeto sólido. En otra realización, la figura 3, el gas inerte circula a través de un objeto sólido poroso. En este caso, se obtienen burbujas pequeñas y uniformes. La figura 4 muestra otra realización. En un proceso, se hace circular gas inerte a través de un sólido poroso situado en la pared. Se pueden introducir burbujas pequeñas de gas en todas las superficies de la pared y las superficies de la base o sólo partes de las superficies. El objeto sólido puede estar fabricado de grafito, cerámica, metales o compuestos de estos materiales. Other variations of the present invention are possible, such as a conduit, an impeller, a rod or a container. Some of them are shown in Figures 2-4. Figure 2 shows another embodiment. In this process, the inert gas circulates through a nozzle of a solid object. In another embodiment, Figure 3, the inert gas circulates through a porous solid object. In this case, small and uniform bubbles are obtained. Figure 4 shows another embodiment. In one process, inert gas is circulated through a porous solid located in the wall. Small bubbles of gas can be introduced into all wall surfaces and base surfaces or only parts of the surfaces. The solid object may be made of graphite, ceramic, metals or compounds of these materials.

El metal o la aleación fundidos se enfrían mediante la circulación de burbujas de gas en los mismos y mediante el contacto con el objeto sólido. Dado que se puede utilizar de manera simultánea más de un objeto sólido descrito anteriormente, el metal o la aleación fundidos se pueden enfriar mediante el contacto con múltiples objetos sólidos. Además, el objeto sólido se enfría mediante la circulación de aire, agua o cualquier fluido de enfriamiento a través del mismo. The molten metal or alloy is cooled by the circulation of gas bubbles therein and by contact with the solid object. Since more than one solid object described above can be used simultaneously, the molten metal or alloy can be cooled by contact with multiple solid objects. In addition, the solid object is cooled by the circulation of air, water or any cooling fluid therethrough.

Además de las funciones de enfriamiento y agitación, las burbujas de gas también protegen el objeto sólido de la reacción con el metal o la aleación y eliminan la escoria, los gases disueltos, o las impurezas del metal o la aleación. In addition to the cooling and stirring functions, gas bubbles also protect the solid object from the reaction with the metal or alloy and eliminate slag, dissolved gases, or impurities from the metal or alloy.

Otras realizaciones de la presente invención serán evidentes para los expertos en la materia a partir de la consideración de la memoria o la práctica de la invención dada a conocer en el presente documento. Other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the memory or practice of the invention disclosed herein.

Ejemplo 1 Example 1

Aleación A357 procesada utilizando un difusor de grafito poroso A357 alloy processed using a porous graphite diffuser

A continuación, se proporciona una descripción detallada de un método para la preparación de mezclas no dendríticas semisólidas de la aleación A357, con referencia a la figura 3. A detailed description of a method for the preparation of semi-solid non-dendritic mixtures of the A357 alloy is given below, with reference to Figure 3.

Se fundieron aproximadamente 520 g de aleación de aluminio A357 (Al 7,0% en peso - Si 0,5% en peso - Mg) en un crisol de acero inoxidable recubierto con nitruro de boro en un horno eléctrico. Se mecanizó una varilla de grafito poroso (2,54 cm de diámetro externo, 1,5 cm de diámetro externo, 15,24 cm de largo, 2,6 g/cm3) para formar un difusor. La pared del difusor de grafito tenía una porosidad de aberturas de aproximadamente el 10%. A continuación, se conectó el difusor de grafito a un cilindro con gas argón equipado con un caudalímetro de gas para proporcionar burbujas pequeñas de gas en el caldo de fusión. La aleación se fundió y se calentó hasta 630ºC. El caldo de fusión se enfrió lentamente hasta 625ºC con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 1ºC/minuto y el difusor se sumergió rápidamente introduciendo burbujas pequeñas de gas argón con el caudal volumétrico de aproximadamente 2 litros/min. El proceso de burbujeo se llevó a cabo hasta que se consiguió una fase sólida de aproximadamente el 10% en el caldo de fusión antes de que el difusor se extrajera rápidamente y se dejara enfriar lentamente el caldo de fusión. Cuando la temperatura del metal alcanzó los 580ºC (fracción sólida de aproximadamente el 45%), se extrajo una tira del metal del crisol y se enfrió con agua. Approximately 520 g of A357 aluminum alloy (7.0% by weight - Si 0.5% by weight - Mg) was melted in a stainless steel crucible coated with boron nitride in an electric oven. A porous graphite rod (2.54 cm external diameter, 1.5 cm external diameter, 15.24 cm long, 2.6 g / cm3) was machined to form a diffuser. The graphite diffuser wall had a porosity of openings of approximately 10%. Next, the graphite diffuser was connected to a cylinder with argon gas equipped with a gas flow meter to provide small gas bubbles in the melting broth. The alloy was melted and heated to 630 ° C. The melting broth was cooled slowly to 625 ° C with a cooling rate of approximately 1 ° C / minute and the diffuser was rapidly submerged by introducing small argon gas bubbles with the volumetric flow rate of approximately 2 liters / min. The bubbling process was carried out until a solid phase of approximately 10% was achieved in the melting broth before the diffuser was quickly removed and the melting broth was allowed to cool slowly. When the metal temperature reached 580 ° C (solid fraction of approximately 45%), a strip of metal was removed from the crucible and cooled with water.

A continuación, se pulieron las muestras y se examinaron bajo un microscopio óptico. Para la comparación, se proporciona la figura 5 para mostrar una micrografía representativa de la microestructura dendrítica no procesada. La micrografía muestra la estructura en grano grueso con más de 400 µm de tamaño. En cambio, la figura 6 muestra una micrografía representativa de la estructura no dendrítica semisólida procesada mediante este método. En este método, la estructura en grano es significativamente más pequeña con menos de 200 µm de tamaño The samples were then polished and examined under an optical microscope. For comparison, Figure 5 is provided to show a representative micrograph of the unprocessed dendritic microstructure. The micrograph shows the structure in coarse grains with more than 400 µm in size. Instead, Figure 6 shows a representative micrograph of the semi-solid non-dendritic structure processed by this method. In this method, the grain structure is significantly smaller with less than 200 µm in size

Ejemplo 2 Example 2

Aleación A357 procesada utilizando una lanza Alloy A357 processed using a lance

A continuación, se proporciona una descripción detallada de un método para la preparación de mezclas no dendríticas semisólidas de la aleación A357, con referencia a la figura 1. A detailed description of a method for the preparation of semi-solid non-dendritic mixtures of the A357 alloy is given below, with reference to Figure 1.

Se fundieron aproximadamente 520 g de aleación de aluminio A357 (Al 7,0% en peso - Si 0,5% en peso - Mg) en un crisol de acero inoxidable recubierto con nitruro de boro en un horno eléctrico. Se mecanizó un tubo de acero inoxidable (0,4 cm de diámetro interno, 0,6 cm de diámetro externo) para formar una lanza tal como se muestra en la figura 1. El extremo del tubo ser cerró mecánicamente y se mecanizó una pequeña tobera. La lanza se recubrió con nitruro de boro y, a continuación, se conectó a un cilindro con gas argón equipado con un caudalímetro de gas para proporcionar burbujas pequeñas de gas en el caldo de fusión. La lanza se sumergió en el caldo de fusión, mientras la aleación se calentaba hasta 630ºC. El caldo de fusión se enfrió lentamente hasta 625ºC con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 1ºC/minuto y el cobre sólido frío cubierto con grafito se sumergió rápidamente con las burbujas pequeñas de gas argón que se introducían a la vez a través de la lanza, véase la figura 1. El caudal volumétrico fue de aproximadamente 1,5 litros/min. El proceso de burbujeo se llevó a cabo hasta que se consiguió una fase sólida de aproximadamente el 5% en el caldo de fusión antes de que el cobre sólido frío se extrajera rápidamente y se detuviera la circulación de gas. A continuación, el caldo de fusión se dejó enfriar lentamente. Cuando la temperatura del metal alcanzó los 580ºC (fracción sólida de aproximadamente el 45%), se extrajo una tira del metal del crisol y se enfrió con agua. A continuación, se pulieron las muestras y se examinaron bajo un microscopio óptico. La figura 7 muestra una micrografía representativa de la microestructura. Approximately 520 g of A357 aluminum alloy (7.0% by weight - Si 0.5% by weight - Mg) was melted in a stainless steel crucible coated with boron nitride in an electric oven. A stainless steel tube (0.4 cm internal diameter, 0.6 cm external diameter) was machined to form a lance as shown in Figure 1. The end of the tube was mechanically closed and a small nozzle was machined . The lance was coated with boron nitride and then connected to a cylinder with argon gas equipped with a gas flowmeter to provide small gas bubbles in the melting broth. The lance was submerged in the melting broth, while the alloy was heated to 630 ° C. The melting broth was cooled slowly to 625 ° C with a cooling rate of approximately 1 ° C / minute and the graphite-coated cold solid copper was quickly submerged with the small argon gas bubbles that were introduced simultaneously through the lance, see Figure 1. The volumetric flow rate was approximately 1.5 liters / min. The bubbling process was carried out until a solid phase of approximately 5% was achieved in the melting broth before the cold solid copper was quickly removed and the gas circulation stopped. Then, the melting broth was allowed to cool slowly. When the metal temperature reached 580 ° C (solid fraction of approximately 45%), a strip of metal was removed from the crucible and cooled with water. The samples were then polished and examined under an optical microscope. Figure 7 shows a representative micrograph of the microstructure.

Claims

1. Method for the formation of a semi-solid metal or alloy having non-dendritic grain structures, which uses gas bubbles, comprising:

a first stage of heating the metal or alloy above the melting temperature thereof to have a liquid metal or alloy;

10 a second stage of gas bubble circulation through at least a solid medium inserted in said liquid metal or alloy or disposed therein, thereby cooling said liquid metal or alloy to a temperature below said temperature melting them, while said liquid metal or alloy is stirred with the gas bubbles and solid fractions are formed therein; Y

A third step of interrupting the circulation of said gas bubbles when the solid fraction of said liquid metal or alloy reaches a range of 0.01-0.5 by weight, preferably a range of 0.01-0, 2 by weight, thereby providing semi-solid metal or alloy with structures in non-dendritic grains.

2. A method according to claim 1, wherein cooling is further achieved by contacting said liquid metal or alloy with said solid medium.

3. A method according to claim 1, wherein said step of circulating gas bubbles provides a cooling rate of at least 1 degree Celsius per minute.

Method according to claim 3, wherein cooling is achieved additionally by contacting said liquid metal or alloy with at least one other solid medium that is different from said solid medium.

5. A method according to claim 3, wherein said solid medium is cooled by air circulation or a

cooling fluid through it. 30

6. Method according to claim 1, wherein stirring or rotation of the solid medium is avoided.