ES2683211T3 - Artículos composite de densidad variable y procedimiento - Google Patents

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Abstract

Un artículo composite de matriz metálica, que comprende: un cuerpo fundido reforzado, comprendiendo el cuerpo una primera región y una segunda región, teniendo la primera región más refuerzo que la segunda región; un primer componente de refuerzo; un segundo componente de refuerzo; un material composite de matriz metálica que ocupa la segunda región del cuerpo y que comprende un material de matriz metálica y el segundo componente de refuerzo; una preforma colocada en la primera región del cuerpo e infiltrada por al menos el material de matriz metálica del material composite de matriz metálica, comprendiendo la preforma un primer extremo, un segundo extremo, una superficie exterior, el primer componente de refuerzo, comprendiendo el primer componente de refuerzo una densidad que aumenta entre el primer extremo de la preforma y el segundo extremo de la preforma según un primer gradiente, y una estructura porosa configurada para permitir el paso del material de matriz metálica en la preforma y para bloquear o reducir el paso del primer componente de refuerzo en la preforma; y una región de transición del cuerpo situada cerca de la superficie exterior de la preforma, comprendiendo la región de transición una distribución del segundo componente de refuerzo adyacente a la superficie exterior de la preforma, comprendiendo la distribución del segundo componente de refuerzo una densidad que aumenta según un segundo gradiente en una dirección hacia la superficie exterior de la preforma.

Description

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DESCRIPCION
Artfculos composite de densidad variable y procedimiento Referencias cruzadas
Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos N.° 61/802.277, presentada el 15 de marzo de 2013.
Campo
Esta divulgacion se refiere en general a artfculos composite y piezas fundidas que tienen diversos grados de refuerzo, y se refiere mas particularmente a preformas de fundicion, artfculos de fundicion que contienen tales preformas infiltradas con un material de matriz, y a procedimientos para fabricar las mismas.
Antecedentes
Los materiales tradicionales (por ejemplo, metales, plasticos, ceramicas, resinas, hormigon, etc.) no siempre proporcionan componentes con todas las propiedades requeridas suficientes para un rendimiento adecuado en condiciones de servicio de campo. Como es bien sabido, una manera de modificar y/o mejorar las propiedades finales de un componente es reforzar el material primario que compone el componente con uno o mas materiales adicionales. Una clase de materiales reforzados son los materiales composite de matriz, que generalmente se forman a partir de materiales tradicionales (por ejemplo, un material de matriz) que incluyen uno o mas constituyentes de refuerzo discretos (por ejemplo, un material o componente de refuerzo) distribuidos dentro de una fase continua del material de matriz. Dichos materiales composite de matriz exhiben caractensticas funcionales y estructurales que dependen, por ejemplo, de las propiedades del constituyente o constituyentes de refuerzo, la forma arquitectonica y la geometna de dicho constituyente o constituyentes, y las propiedades de las interfaces entre el mismo y entre los diferentes constituyentes y el material de matriz.
Los materiales composite generalmente incluyen uno o mas tipos diferentes de materiales de refuerzo. El refuerzo de partfculas a menudo incluye partfculas no metalicas, y comunmente ceramicas (por ejemplo, SiC, AhO3, etc.), pero puede incluir una variedad de partfculas y materiales que proporcionan ventajas o refuerzo para una o mas propiedades del material composite de matriz. El refuerzo del material de la matriz con fibras, que incluyen fibras continuas, monofilamento y/o fibras cortas tambien es conocido en la tecnica. Generalmente, diferentes tipos de materiales composite de matriz requieren o estan generalmente asociados con diferentes rutas/procedimientos de procesamiento primario. Ejemplos de diferentes procedimientos para formar materiales composite de matriz incluyen, aunque no estan limitados a, procedimientos reactivos in situ, union por difusion, mezcla y consolidacion, deposicion de vapor y consolidacion, procesamiento en estado lfquido, mezcla y colada en lfquido/colada de lechada, colada centnfuga y procedimientos de infiltracion que implican la infiltracion del material de la matriz en preformas porosas.
Algunos procedimientos de fabricacion y conformacion existentes estan disenados para proporcionar distribuciones de un material de refuerzo dentro de un material de matriz. En algunos casos, el material de refuerzo puede distribuirse uniformemente en un area, mientras que en otros casos la distribucion puede ser no uniforme. Sin embargo, en muchos casos, las limitaciones con las tecnicas anteriores han conducido a resultados poco deseables, dando como resultado una busqueda continua de procedimientos de conformacion, y de los materiales composite correspondientes que exhiban las propiedades estructurales y/o funcionales deseadas.
Se proporcionara una breve descripcion general de algunos procedimientos que se han utilizado para formar materiales composite. Los procedimientos de refuerzo selectivo in situ implican colocar y posicionar un elemento de material de refuerzo precolada (a veces denominado 'preforma') en moldes de fundicion de forma aproximada. El material de matriz se cuela alrededor del miembro de refuerzo para formar el material composite. Aunque la cantidad y/o densidad del material de refuerzo precolada puede variarse como se desee, el material constituyente de los miembros de refuerzo no se integra (por ejemplo, se mezcla o infiltra) con el material de la matriz, excepto tal vez en una medida limitada en los lfmites interfaciales entre el miembro de refuerzo y el material de matriz no reforzado. Por lo tanto, tales procedimientos in situ se ven obstaculizados por diferentes coeficientes de expansion termica ('CET') abruptos y problematicos entre el material de la matriz y el miembro de refuerzo. Dichas transiciones abruptas en los CET en los lfmites de la interfaz de refuerzo de la matriz pueden dar lugar a tensiones residuales durante el procedimiento de conformacion (por ejemplo, concentracion de tensiones residuales) y tambien se manifiestan en fracturas por tension durante el ciclo termico de los componentes reforzados durante el servicio.
Otro ejemplo de refuerzo selectivo in situ implica la fundicion por infiltracion del material de la matriz en preformas porosas colocadas en moldes de fundicion de forma aproximada. La estructura de la preforma porosa incluye un constituyente de refuerzo, que puede ser uniforme o no uniforme. Una ventaja de la fundicion por infiltracion de preformas es que el procedimiento es relativamente rapido, lo que da como resultado una preforma infiltrada mas integrada con sustancialmente mas area de contacto entre el refuerzo y los materiales de la matriz. Aun asf, los materiales todavfa exhiben transiciones abruptas de los CET en la interfaz/lfmites entre la preforma y el material de matriz no reforzado que pueden crear los problemas de tension indicados anteriormente. Ademas, existen lfmites
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practicos para la cantidad y densidad del material de refuerzo que puede colocarse dentro de una preforma porosa, porque la resistencia a la fundicion por infiltracion aumenta sustancialmente con niveles de refuerzo elevados (por ejemplo, mas del 15 % al 20 % de material en la preforma). Ademas, el espesor y el area de la seccion transversal de dichas preformas debe limitarse para permitir la infiltracion completa antes del enfriamiento del material de la matriz.
Las tecnicas de colada centnfuga se han usado para reforzar selectivamente los materiales composite colocando o distribuyendo favorablemente el material de refuerzo para formar distribuciones en gradiente o en capas del material de refuerzo dentro del material de la matriz. Mientras que las transiciones abruptas en el coeficiente de expansion termica (“CET”) en los lfmites de la interfaz de refuerzo de la matriz pueden reducirse en realizaciones centnfugas donde se forman gradientes de partfculas continuos dentro del material de la matriz, tales procedimientos aun exhiben efectos diferenciales en cuanto a los CET en rentabilidad en las realizaciones que comprenden partfculas de refuerzo estratificadas. Ademas, en los procedimientos centnfugos, las variaciones alcanzables de las distribuciones de partfculas estan limitadas a bandas o capas y/o gradientes continuos, y si se usan simultaneamente diferentes tipos de partfculas de refuerzo que tienen densidades diferentes, puede ser imposible obtener distribuciones de gradientes de partfculas adecuadamente coordinadas (colocalizadas) o conseguir los diferentes tipos de partfculas que se necesitan y en el patron deseado.
En ejemplos adicionales, otro tipo de refuerzo selectivo implica la deposicion o pulverizacion (por ejemplo, mediante tecnicas de pulverizacion a baja o alta velocidad) de partfculas de refuerzo sobre la superficie de piezas fundidas de material de matriz de forma aproximada. Una desventaja de tales procedimientos para estas aplicaciones es que la pulverizacion o deposicion es superficial, porque se aplica a la superficie de las coladas de material de matriz solida, y no penetra sustancialmente mas alla de la superficie. Ademas, tales revestimientos superficiales de refuerzo generalmente se deben mecanizar de manera significativa antes de poner en servicio la colada reforzada. Ademas, al no modificar la superficie con mas refuerzo, la vida util efectiva de tales piezas fundidas termina una vez que la capa de refuerzo superficial se desgasta y/o se degrada de otra manera. Ademas, en tales aplicaciones de refuerzo superficial, la union e integracion del refuerzo rociado/depositado con el material de la matriz es limitado, incluso con los procedimientos de pulverizacion/deposicion mas optimos.
Los procedimientos de colado de gel son otra forma de hacer preformas que tienen materiales de gradiente funcional. En el colado de gel, las preformas reforzadas con gradiente se pueden formar usando fuerzas gravitacionales o centnfugas para lograr un gradiente de composicion vertical en lodos moldeados. Las preformas pueden ser posteriormente infiltradas. Al igual que sucede con las realizaciones de colada centnfuga, las variaciones que se pueden conseguir en las distribuciones de partfculas para los procedimientos de colado de gel de preformas estan limitadas a capas y/o gradientes continuos. Si se desean/utilizan simultaneamente diferentes tipos de partfculas de refuerzo con diferentes densidades, puede ser imposible obtener distribuciones adecuadas de gradiente de partfculas coordinadas (colocalizadas) para los tipos de partfculas divergentes, o para obtener los diferentes tipos de partfculas donde se necesitan, y en el patron deseado. Adicionalmente, las preformas fabricadas mediante tales procedimientos de colado de gel son problematicas debido a la deformacion excesiva y la contraccion anisotropica que se produce durante la etapa de sinterizacion debido a la cinetica de sinterizacion diferente para los componentes del material.
Por consiguiente, existen metodos y procedimientos para formar materiales composite, asf como materiales composite que tienen densidades de material variables tales como gradientes de material de refuerzo y otras distribuciones, tanto no uniformes como uniformes. Como se discutio anteriormente, sin embargo, las limitaciones de las tecnicas anteriores han conducido a una busqueda continua de procedimientos mejorados para formar materiales composite, y materiales composite y los artfculos correspondientes que exhiban propiedades estructurales y/o funcionales mejoradas y/o deseadas.
Sumario
Una realizacion incluye un artfculo composite de matriz metalica, que comprende un cuerpo reforzado fundido. El cuerpo tiene una primera region y una segunda region con la primera region que tiene mas refuerzo que la segunda region. El artfculo tambien incluye un primer material de refuerzo, un segundo material de refuerzo, un material composite de matriz metalica que ocupa la segunda region del cuerpo y una preforma colocada en la primera region del cuerpo. El material composite de matriz metalica comprende un material de matriz metalica y el segundo componente de refuerzo. La preforma esta infiltrada por al menos el material de matriz metalica del material composite de matriz metalica y ademas comprende un primer extremo, un segundo extremo, una superficie exterior, el primer componente de refuerzo y una estructura porosa configurada para permitir el paso del material de matriz metalica en la preforma y para bloquear o reducir el paso del primer componente de refuerzo en la preforma. El primer componente de refuerzo comprende una densidad que aumenta entre el primer extremo de la preforma y el segundo extremo de la preforma de acuerdo con un primer gradiente. El artfculo incluye ademas una region de transicion del cuerpo situado cerca de la superficie exterior de la preforma que incluye una distribucion del segundo componente de refuerzo adyacente a la superficie exterior de la preforma, comprendiendo la distribucion del segundo componente de refuerzo una densidad que aumenta de acuerdo con un segundo gradiente en una direccion hacia la superficie exterior de la preforma.
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Estas y varias otras caractensticas y ventajas seran evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripcion detallada
Breve descripcion de los dibujos
Los siguientes dibujos ilustran algunas realizaciones particulares de la presente invencion y, por lo tanto, no limitan el alcance de la invencion. Los dibujos no estan a escala (a menos que asf se indique) y estan destinados a ser utilizados en conjunto con las explicaciones en la siguiente descripcion detallada. Algunas realizaciones se describiran a continuacion conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los que los mismos numeros indican elementos similares.
La Figura 1 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de llenado de cavidades y preformas de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 2 es una representacion de un gradiente de refuerzo funcional de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 3 es una porcion ampliada del gradiente de refuerzo funcional de la Figura 2 de acuerdo con una realizacion de la invencion.
Las Figuras 4A-4C son vistas ampliadas del gradiente de refuerzo funcional de la Figura 2 de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 5 es una vista en perspectiva de un conjunto de freno de acuerdo con una realizacion.
La Figura 6 es una vista en seccion de un rotor de freno de acuerdo con una realizacion.
La Figura 7 es una vista en seccion de un rotor de freno de acuerdo con una realizacion.
Las Figuras 8A-8E ilustran un procedimiento para fabricar un rotor de freno composite de matriz metalica de acuerdo con una realizacion.
La Figura 9 ilustra un procedimiento para fabricar un tambor de freno composite de matriz metalica de acuerdo con una realizacion.
La Figura 10 ilustra una vista de vistas en primer plano de un gradiente de refuerzo funcional formado por un procedimiento de deposicion de una suspension de preforma de acuerdo con una realizacion.
Las Figuras 11A-11D ilustran un procedimiento para fabricar una preforma de densidad variable de acuerdo con una realizacion.
La Figura 12 ilustra un procedimiento para fabricar una preforma de densidad variable de acuerdo con una realizacion.
Las Figuras 13 y 14 ilustran superficies de trabajo para fabricar una preforma de densidad variable de acuerdo con las realizaciones.
Descripcion detallada
La siguiente descripcion detallada es de naturaleza ilustrativa y no pretende limitar el alcance, la aplicabilidad o la configuracion de la invencion de ninguna manera. Por el contrario, la siguiente descripcion proporciona algunas ilustraciones practicas para implementar algunas realizaciones de la presente invencion. Se proporcionan ejemplos de construcciones, materiales, dimensiones y procedimientos de fabricacion para elementos seleccionados, y todos los demas elementos empleados son conocidos por los expertos en el campo de la invencion. Los expertos en la tecnica reconoceran que muchos de los ejemplos senalados tienen una variedad de alternativas adecuadas.
Ciertas realizaciones descritas en esta divulgacion proporcionan y/o se refieren a un rotor de freno de automovil que tiene una composicion de matriz metalica (CMM) ligera que proporciona la capacidad de adaptar la estructura y las propiedades para cumplir con ciertas cargas termicas y mecanicas variables y de corte. Ademas de los atributos termicos y mecanicos, la tecnologfa CMM proporciona un procedimiento rentable para la fabricacion de rotores de freno.
De acuerdo con algunas realizaciones, se pueden fabricar una o mas preformas con uno o mas Gradientes de Refuerzo Funcional (GRF) como se desvela en la patente US-8.075.827 B2 en copropiedad con el Solicitante titulada “Preformas de densidad variable” expedida el 13 de diciembre de 2011, y en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos N.° 13/323.118 en copropiedad con el solicitante titulada “Preformas de densidad variable” presentada el 13 de diciembre de 2011 (ahora Publicacion de Solicitud de Patente de los Estados Unidos N.° 2012/0227624 A1, de fecha 13 de septiembre de2012).
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Brevemente, de acuerdo con una realizacion de la invencion, se forman uno o mas GRF en una preforma estableciendo un flujo de suspension ceramica en un molde y luego filtrando la suspension para extraer y eliminar el Ifquido, creando (o dejando atras) un gradiente funcional de los medios ceramicos contenidos en la suspension. En algunas realizaciones, tales procedimientos pueden producir un GRF de aproximadamente 30 % a 45 % en volumen en la superficie de friccion.
La presente solicitud desvela realizaciones en las que la fraccion volumetrica puede variar desde este alto nivel de refuerzo encontrado en la superficie de friccion hasta un nivel de refuerzo muy bajo o aproximadamente 0 % requerido en otras areas. Las realizaciones desveladas son muy adecuadas para, entre otras, aplicaciones en automoviles y aviones, incluyendo sistemas de freno de rotor para camiones pesados y/o remolques. Las realizaciones desveladas en este documento proporcionan una o mas ventajas o caractensticas sobre las practicas anteriores. Por ejemplo, en la industria se han utilizado hasta la fecha rotores de dos piezas (por ejemplo, Brembo, Performance Friction) porque es extremadamente diffcil mantener la planicidad del rotor durante un evento de frenado transitorio. La presente solicitud desvela realizaciones que superan esta y/u otras deficiencias. En un ejemplo, el uso de un gradiente reforzado funcional puede ayudar a superar este tipo de problemas.
Como se conoce generalmente en la tecnica, cuando se usa un freno para desacelerar y/o parar un objeto en movimiento, el movimiento del objeto se transforma en calor y se transfiere al disco de freno para detener el vefnculo en movimiento. Al aplicar el actuador de freno, el disco queda sujeto entre las pastillas de freno y se crea un arrastre rotativo. Este pinzamiento provoca la transformacion de energfa y se genera calor. En ciertas condiciones de funcionamiento, la energfa termica no se transfiere al disco uniformemente en toda la superficie debido a las diferencias en las velocidades tangenciales (o lineales) a lo largo del radio de la interfaz de la pastilla de freno. La velocidad tangencial del rotor del freno a cualquier distancia radial, r, desde el centro del rotor se define como el producto de 2nr y la velocidad de rotacion (es decir, ((2nr) x (RPM)). Como sera evidente, la mayor velocidad encontrada en las posiciones externas corresponde a un estado de energfa termica mas alto (es decir, temperaturas mas altas). Por lo tanto, las capacidades de transporte de carga termica del rotor en las localizaciones externas necesitan manejar la mayor energfa termica generada allf
De acuerdo con una realizacion, se puede lograr una mayor capacidad/manipulacion de calor mediante la utilizacion de una concentracion mas alta de material ceramico a temperatura ultraalta en ubicaciones espedficas del rotor. En algunas realizaciones, el coeficiente de expansion termica (CET) se adapta al cambio del componente ceramico en el contenido de CMM de manera que el rotor se expandira y se contraera mientras permanezca en el plano. El control de la expansion y contraccion no es posible si se utiliza un material monolttico como el hierro fundido en un rotor de freno. Esta es una de las razones por las cuales se nota la “inestabilidad del freno” en un sistema de frenado automotriz de hierro fundido monolttico.
Por consiguiente, algunas realizaciones desveladas en este documento proporcionan la capacidad de controlar la expansion y contraccion del rotor durante el frenado (por ejemplo, debido al calentamiento y enfriamiento), permitiendo que las realizaciones del rotor o rotores de la invencion desveladas en la presente divulgacion se 'monten fuertemente' en el cubo. Aunque otras opciones de material pueden contener mejores propiedades de materiales en terminos de temperaturas maximas de operacion, la capacidad de adaptar (o personalizar) las propiedades del material GRF como se ensena en el presente documento permite un montaje efectivo de las superficies de friccion directamente en la seccion del cubo del rotor y un control termico mas efectivo para evitar el desvanecimiento del freno (es decir, reduccion de la capacidad de frenado).
Ejemplos de realizaciones
De acuerdo con algunas realizaciones de la invencion, la fraccion volumetrica de ceramica en el rotor de freno cambia a traves de la superficie de frenado que se extiende entre los diametros interior y exterior del rotor. Por ejemplo, en un ejemplo de realizacion no limitativa, una ubicacion o seccion proxima a la extension mas externa (por ejemplo, proxima a la circunferencia) del disco de freno puede incluir aproximadamente 40 % a 45 % en volumen de refuerzo ceramico y aproximadamente 55 % a 60 % en volumen de una o mas aleaciones ligeras; mientras que en algun lugar que no sea la extension mas externa, por ejemplo, cerca del cubo o en una seccion o ubicacion entre el cubo y la circunferencia, el disco de freno puede incluir aproximadamente de 30 % a 35 % en volumen de refuerzo ceramico y aproximadamente de 65 % a 70 % en volumen de una o mas aleaciones ligeras. Un procedimiento para hacer tales cambios en la fraccion volumetrica es ensenado por la patente US-8.075.827 B2, otorgada al Solicitante y titulada “Preformas de densidad variable” expedida el 13 de diciembre de 2011.
En algunos casos, se proporcionan distintas zonas e interfaces entre zonas. Por ejemplo, ciertas realizaciones de rotores de freno incluyen al menos tres zonas funcionales, a saber, a) interfaz de friccion (zona de calentamiento), b) ventilacion (zona de enfriamiento) y) cubo de soporte (zona de transferencia del par). En algunos casos, estas zonas debenan o deben tener atributos espedficos de los materiales para que el rotor, en su conjunto, funcione correctamente. Tambien deben tener las interfaces adecuadas entre las zonas. Un alto contenido de material ceramico en la superficie de frenada del rotor, por ejemplo, proxima a la extension mas exterior, debe equilibrarse con un contenido de material ceramico inferior en la direccion radial que se extiende entre la circunferencia y el cubo, y a traves del espesor hacia la ventilacion interna.
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En algunos casos, un diseno ilustrativo de acuerdo con algunas realizaciones implica el uso de dos preformas para moldear un artfculo tal como una cuchilla o rotor de freno. En algunos casos, las dos preformas estan funcionalmente graduadas en la direccion radial. En algunas realizaciones, las palas se infiltran durante el procedimiento de colada que crea toda la geometna del rotor tal como, pero sin limitarse a, el cubo, la ventilacion y la seccion de la pala, etc.
En ciertas realizaciones, el efluente (o suspension espesa) puede ser, pero no se limita a, una aleacion de aluminio o magnesio que contiene partfculas y/o fibras ceramicas.
En algunas realizaciones, el al menos un extremo u orificio de salida puede ser, pero no esta limitado a, una preforma porosa de gradiente funcional.
En ciertas realizaciones, se puede desarrollar un gradiente secundario en la interfaz de la preforma de metal de un artfculo fundido.
En algunas realizaciones, el gradiente funcional en las regiones de interfaz puede servir, pero no se limita a, uno o mas de los siguientes: (1) proporcionar una estructura ceramica continuamente cambiante para minimizar el aumento de tension en la interfaz desde la carga mecanica y/o (2) calificar las diferencias en el CET en la interfaz para reducir las tensiones termicas desarrolladas en la interfaz. En un evento de frenado, la carga termica es tan importante, e incluso mas, que la carga mecanica.
En algunas realizaciones de la invencion, el grosor del GRF puede alterarse cambiando una o mas de la densidad o el grosor o la composicion de la preforma en la cavidad de la matriz. En ciertas realizaciones, la preforma y el aluminio portador del material ceramico entrante se pueden adaptar de manera que se consiga un GRF predeterminado en la una o mas interfaces. En algunas realizaciones, la fraccion de la combinacion de fibra y/o partfcula puede alterarse para aumentar o disminuir el grosor de la region de transicion.
Por consiguiente, en algunas realizaciones, la preforma puede contener partfculas ceramicas o fibras ceramicas continuas o fibras ceramicas discontinuas o cualquier combinacion de las mismas en una cantidad que vana entre aproximadamente el 5 % y aproximadamente el 70 % en volumen. En ciertas realizaciones, la aleacion o suspension entrante puede incluir partfculas ceramicas y/o fibras ceramicas en una cantidad que vana entre aproximadamente 5 % a 40 % en volumen. En algunas realizaciones, se puede inducir la vibracion durante el procedimiento de moldeo para iniciar y/o mejorar la dispersion del material ceramico para proporcionar un gradiente predeterminado.
Como es bien conocido en la tecnica, los diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de expansion termica (CET) y, por lo tanto, cada uno se expande a una velocidad diferente cuando se calientan. En consecuencia, si se unen entre sf materiales diferentes que tienen diferentes CET, la tension termica en la interfaz y en las proximidades de la misma puede ser sustancialmente, y en algunos casos significativamente, alta cuando se calienta. En consecuencia, proporcionar o crear un GRF puede reducir, minimizar y/o eliminar las tensiones termicas que puedan surgir debido a las diferencias (o falta de correspondencia) en el CET del material utilizado en el rotor.
El estres termico en un material restringido se define por a = aEAT donde a es el estres termico, a es el coeficiente de expansion termica (CET) del material, E es el modulo de Young del material y AT es el cambio de temperatura. El CET (a) de aluminio no reforzado es de aproximadamente 22,9 pm/m - °C (en el intervalo de temperatura de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 300 °C); mientras que para un 40 % de aluminio reforzado con partfculas de SiC, el CET (a) es aproximadamente 11 pm/m - °C. En consecuencia, a aproximadamente 300 °C, la tension en el aluminio y en la interfaz entre el aluminio y la CMM, respectivamente, sena
<Jai-mmc = ((22,9 - 11 ura/m — °C) * 124E9 N/m2 * 300°C) =443,39 MPa
<jAi = ((22,9 - 11 |im/m - °C) * 69E9 N/m2 * 300°C) = 246,33 MPa
Esto indica que se producina un fallo en la CMM ya que la tension en cada material esta en el lfmite elastico de muchas aleaciones a temperatura ambiente y excede el rendimiento de casi todas las aleaciones de aluminio reforzadas y no reforzadas a 300 °C. Esta es la razon por la cual un gradiente funcional puede ser deseable en esta interfaz en algunos casos. Si se implementa un cambio incremental en la fraccion volumetrica, la tension termica se puede controlar eficazmente.
Considerando el mismo cambio de temperatura que el anterior, pero con una diferencia CET incremental (directamente relacionada con la fraccion volumetrica de material ceramico en la CMM por la regla de las mezclas), el esfuerzo en la interfaz se calcula como:
aAl = ((22,9 - 20 pm/m - °C) * 69£9 N/m2 * 300°C) = 60 MPa Oai-mmc = ((22,9 - 20 pm/m - °C) * 124£9 N/m2 * 300°C) = 108 MPa
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El estres termico resultante es mas manejable en ambos materiales y, por lo tanto, sera capaz de manejar las cargas repetidas que experimental durante los eventos de frenado.
Por consiguiente, en una realizacion que tiene la modificacion de la interfaz de acuerdo con una realizacion de la invencion, el elevado refuerzo de fraccion volumetrica puede graduarse facilmente sin demasiada fuerza o sin refuerzo.
Atributos de mecanizado: se sabe que las aleaciones reforzadas con SiC son muy diffciles de taladrar y roscar. La capacidad de introducir altos niveles de refuerzo solo en la superficie de frenado ayuda a reducir el tiempo y el costo de mecanizado. Historicamente, los rotores que han estado en produccion en aplicaciones automotrices se han reforzado completamente hasta el cubo.
En algunas realizaciones, la cara de friccion puede contener hasta aproximadamente un 45 % de material ceramico mientras que el cubo del rotor tiene aproximadamente un 5 % de material ceramico.
Los ejemplos de productos no limitantes en los que las realizaciones de la invencion desvelada en este documento pueden implementarse incluyen, pero no se limitan a, uno o mas de los ilustrados y descritos a continuacion:
Algunos productos que cubre esta tecnologfa incluyen los siguientes: rotores para automoviles, vefnculos militares, camiones comerciales y remolques: cada cara de friccion se refuerza con una CMM a base de preformas y se anade un gradiente funcional entre las areas de las preformas y las areas no reforzadas.
Un ejemplo de procedimiento en algunas realizaciones significa que el efluente pasa a traves de un medio poroso para crear un gradiente funcional en la interfaz de la preforma. En una realizacion ilustrativa no limitativa, el efluente en este caso es una aleacion ligera (aluminio, magnesio o silicio) que contiene algun porcentaje de medio ceramico. Por ejemplo, Duralcan (10 % de partfculas de SiC). De acuerdo con una realizacion de la invencion, la preforma puede usarse como una matriz en la que el efluente pasa a traves de ella pero las partfculas no pasan (o se retienen) para acumularse (o quedar retenidas).
Con referencia a la figura inmediatamente debajo, una realizacion ilustrativa no limitativa incluye aproximadamente 90 % de aluminio y aproximadamente 10 % de fibras cortas de ceramica y/o partfculas. La preforma tiene un promedio de aproximadamente 40 % de refuerzo de ceramica y aproximadamente 60 % de vacfo.
En un ejemplo de realizacion no limitativa, el espesor de la preforma para la superficie de friccion de un rotor se establece en aproximadamente 6 mm de grosor para 6,45 cm2, esto es aproximadamente 3,83 cm3 de volumen de los cuales aproximadamente 2,30 cm3 (aproximadamente 60 %) esta vacfo (23007,43 cm3 = 0.60 * 3834,573 centimetros cubicos). La fraccion volumetrica de la interfaz se creara para igualar la fraccion volumetrica de la preforma que es de aproximadamente 40 % y disminuira linealmente desde la interfaz a medida que la aleacion se presiona desde el material de la mezcla y colada en lfquido a la preforma. La fraccion volumetrica se iguala a la fraccion volumetrica de la mezcla y colada en lfquido de la CMM original (es decir, aproximadamente 10 %). Por lo tanto, la pendiente para determinar el grosor de la zona de transicion en la interfaz esta determinada por el volumen de aleacion perdido en la preforma y la velocidad del chorro.
De acuerdo con una realizacion de la invencion, se puede obtener una estructura de CMM con GRF similar resultante mediante una aplicacion por pulverizacion de la preforma. Un ejemplo de realizacion no limitativa incluye un procedimiento mediante el cual se usa una alta concentracion de partfculas en una suspension de preformas y se pulveriza a traves de una boquilla (por ejemplo, una boquilla Venturi) sobre una superficie o placa calentada sobre la que se aplica vacfo (para eliminar el exceso de agua/efluente). En algunas realizaciones de la invencion, la composicion de suspension puede alterarse despues de la acumulacion deseada de estructura ceramica a una mezcla que contiene mas fibra para crear una estructura ceramica menos densa. En ciertas realizaciones de la invencion, tal acumulacion de un GRF puede proporcionar una estructura similar a la descrita previamente sin la necesidad de fundicion con una aleacion que contiene ceramica. De acuerdo con una realizacion de la invencion, la preforma puede secarse y cocerse, como se describio previamente, para secar la humedad y/o eliminar los aglutinantes organicos y/o sinterizar los aglutinantes inorganicos para producir una preforma lista para fundicion. De acuerdo con una realizacion de la invencion, la estructura puede fundirse a continuacion usando un procedimiento de infiltracion por presion (por ejemplo, fundicion con presion). La figura siguiente ilustra un ejemplo de realizacion no limitativa de una estructura dentro de una pieza fundida fabricada de acuerdo con una realizacion de la invencion.
En algunas realizaciones, la mezcla de la preforma vana desde todo fibras hasta una combinacion con un contenido bajo de fibras y un contenido elevado de partfculas hasta todo partfculas. El area clara, en una realizacion de la invencion, es la aleacion que se ha infiltrado en la mezcla.
En algunas realizaciones, la mezcla de la preforma desde todo fibras hasta una combinacion con un contenido alto de fibras y un contenido bajo de partfculas hasta una combinacion con un contenido bajo de fibras y un contenido elevado de partfculas hasta todo partfculas.
En ciertas realizaciones, el procedimiento de pulverizacion desvelado de la presente invencion podna usarse para pulverizar una preforma existente (por ejemplo, una preforma que tiene un gran volumen de partfculas de SiC) con
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una capa de partfculas de fibra y luego una capa de fibra antes de la fundicion por presion para minimizar las concentraciones de tension que puedan surgir debido a las diferencias, y no limitadas a, CET y la rigidez en una o mas interfaces de los materiales de acoplamiento.
En algunos casos se aplica un procedimiento mediante el cual se usa una alta concentracion de partfculas en una suspension de preformas y se pulveriza o deposita a traves de una boquilla Venturi o se deposita en una superficie o placa calentada o no calentada sobre la que se aplica vado y/o fuerza centnfuga (para eliminar el exceso de agua/efluente). La composicion de la suspension puede alterarse despues de crear la estructura ceramica deseada para obtener una mezcla de densidad que contiene mayor o menor ceramica fibrosa para crear una estructura ceramica menos/o mas o menos densa. Mediante esta creacion de GRF se obtiene una estructura similar a la anterior sin necesidad de colada con una aleacion que contenga ceramica. Esta preforma se seca y se cuece siguiendo la misma practica comun descrita anteriormente en la patente de los autores, pero el procedimiento de secado tambien se puede usar entre cambios de capa de composicion. Mediante este procedimiento de secado se seca la humedad final, se eliminan los aglutinantes organicos y se sinterizan los aglutinantes inorganicos para obtener una preforma lista para fundicion.
Esta estructura puede fundirse seguidamente usando un procedimiento de infiltracion por presion (es decir, fundicion por presion). La estructura final de la pieza fundida se ve a continuacion. La mezcla de preformas vana desde todo fibras hasta un bajo contenido de fibras-alto contenido de partfculas hasta una mezcla con todo partfculas. El area clara es la aleacion en la que se ha infiltrado la mezcla.
Por lo tanto, se desvelan realizaciones de la invencion. Aunque la presente invencion se ha descrito con considerable detalle con referencia a ciertas realizaciones desveladas, las realizaciones desveladas se presentan con fines ilustrativos y no limitativos y son posibles otras realizaciones de la invencion. Un experto en la materia apreciara que pueden realizarse diversos cambios, adaptaciones y modificaciones sin apartarse del alcance de la invencion tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un artreulo composite de matriz metalica, que comprende:
    un cuerpo fundido reforzado, comprendiendo el cuerpo una primera region y una segunda region, teniendo la primera region mas refuerzo que la segunda region; un primer componente de refuerzo; un segundo componente de refuerzo;
    un material composite de matriz metalica que ocupa la segunda region del cuerpo y que comprende un material de matriz metalica y el segundo componente de refuerzo;
    una preforma colocada en la primera region del cuerpo e infiltrada por al menos el material de matriz metalica del material composite de matriz metalica, comprendiendo la preforma
    un primer extremo, un segundo extremo, una superficie exterior,
    el primer componente de refuerzo, comprendiendo el primer componente de refuerzo una densidad que aumenta entre el primer extremo de la preforma y el segundo extremo de la preforma segun un primer gradiente, y
    una estructura porosa configurada para permitir el paso del material de matriz metalica en la preforma y para bloquear o reducir el paso del primer componente de refuerzo en la preforma; y
    una region de transicion del cuerpo situada cerca de la superficie exterior de la preforma, comprendiendo la region de transicion una distribucion del segundo componente de refuerzo adyacente a la superficie exterior de la preforma, comprendiendo la distribucion del segundo componente de refuerzo una densidad que aumenta segun un segundo gradiente en una direccion hacia la superficie exterior de la preforma.
  2. 2. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 1, en el que el material de matriz metalica comprende un metal o una aleacion metalica y en el que el segundo componente de refuerzo comprende un componente de partfculas ceramicas y/o un componente de fibra ceramica.
  3. 3. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 2, en el que el material de matriz metalica comprende aluminio, magnesio o una aleacion de los mismos.
  4. 4. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 1, en el que el primer componente de refuerzo comprende un componente de partreulas ceramicas y/o un componente de fibra ceramica.
  5. 5. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 1, en el que la region de transicion comprende un espesor correspondiente a una cantidad del material de matriz metalica infiltrado en la preforma.
  6. 6. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 1, en el que la distribucion del segundo componente de refuerzo en la superficie exterior de la preforma comprende una primera fraccion volumetrica que coincide con una fraccion volumetrica del primer componente de refuerzo en la superficie exterior de la preforma.
  7. 7. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 6, en el que el material composite de matriz metalica comprende el segundo componente de refuerzo en una fraccion volumetrica minima, y en el que la fraccion volumetrica de la distribucion del segundo componente de refuerzo disminuye linealmente o sustancialmente linealmente desde la primera fraccion volumetrica hasta una fraccion volumetrica minima.
  8. 8. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 1, en el que el artfculo es un rotor de freno de fundicion.
  9. 9. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 8, en el que la primera region comprende una cara de friccion y la segunda region comprende un cubo.
  10. 10. El artfculo composite de matriz metalica de la reivindicacion 8, que comprende ademas una segunda preforma colocada en la primera region del cuerpo adyacente a la primera preforma, estando la segunda preforma infiltrada por al menos el material de matriz metalica del material composite de matriz metalica.
  11. 11. Un procedimiento para fabricar un artfculo composite de matriz metalica, que comprende:
    proporcionar una preforma porosa que comprende un primer extremo, un segundo extremo, una superficie externa y un primer componente de refuerzo, comprendiendo el primer componente de refuerzo una densidad que aumenta entre el primer extremo de la preforma y el segundo extremo de la preforma de acuerdo con un primer gradiente;
    posicionar la preforma dentro de una cavidad de matriz;
    introducir un material composite de matriz metalica fundido en la cavidad de matriz alrededor de la preforma, comprendiendo el material composite de matriz metalica un componente lfquido y un segundo componente de
    refuerzo;
    presurizar asf el material composite de la matriz metalica fundido, infiltrar la preforma con al menos el componente Kquido, y
    formar una distribucion del segundo componente de refuerzo adyacente a la superficie exterior de la preforma, 5 comprendiendo la distribucion del segundo componente de refuerzo una densidad que aumenta en una direccion
    hacia la superficie exterior de la preforma de acuerdo con un segundo gradiente.
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