Método para la fabricación pulvimetalúrgica de imanes.

La presente patente tiene por objeto presentar un nuevo método para la fabricación pulvimetalúrgica de imanes

(aplicable especialmente a la fabricación de imanes que contienen tierras raras). Lo novedoso del método reside en el empleo de alguna modalidad de consolidación eléctrica (como la denominada sinterización por resistencia eléctrica, S.R.E., o la denominada consolidación por descarga eléctrica, C.D.E., pero no necesariamente una de éstas) en sustitución de la ruta convencional de prensado en frío + sinterizado, empleada habitualmente. Se logra con ello: (1) aunar las etapas de compactación/sinterizado, acortando significativamente su duración y reduciendo la magnitud de las presiones de trabajo, (2) llevar a cabo las etapas de alineamiento magnético, prensado/sinterizado, tratamiento térmico y magnetización en una misma matriz, y (3) hacer innecesario el empleo de atmósferas protectoras durante el proceso de sinterizado.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201400015.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE SEVILLA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: MONTES MARTOS,JUAN MANUEL, CINTAS FISICO,JESUS, GOMEZ CUEVAS,FRANCISCO, TERNERO FERNÁNDEZ,Fatima.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > FUNDICION; METALURGIA DE POLVOS METALICOS > TRABAJO DE POLVOS METALICOS; FABRICACION DE OBJETOS... > B22F3/00 (Fabricación de piezas a partir de polvos metálicos, caracterizada por el modo de compactado o sinterizado; Aparatos especialmente concebidos para esta fabricación)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F) > Aleaciones basadas en magnesio > C22C23/02 (con aluminio como constituyente que sigue al que está en mayor proporción)

PDF original: ES-2543652_A1.pdf

 

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Método para la fabricación pulvimetalúrgica de imanes.

Fragmento de la descripción:

MÉTODO PARA LA FABRICACIÓN PULVIMETALÚRGICA DE IMANES OBJETO DE LA INVENCIÓN

Esta invención técnica corresponde al área científico-técnica de la "tecnología de materiales" y el sector de actividad al que se aplicaría es el de la fabricación de imanes permanentes a partir de polvos.

El objeto de esta patente es mostrar un método alternativo de fabricación de imanes, especialmente indicada para los que incluyen en su composición tierras raras, que no modifica los procesos magnéticos, pero sí los relativos al conformado, sustituyendo el método convencional (prensado en frío seguida de sinterizado en horno) por un nuevo método de consolidación consistente en cualquier modalidad rápida de consolidación eléctrica o técnica FAST (Field Assisted Sintering Techniqué), del que se derivan notables ventajas: mayor brevedad, unificación de los procesos de prensado/sinterizado en una única etapa, empleo de presiones bajas, ausencia de atmósferas controladas y posibilidad de realizar los procesos de alineamiento magnético, prensado/sinterizado, tratamiento térmico y magnetización permaneciendo el polvo en una misma matriz. Todo ello concebido para lograr, principalmente, una reducción importante del coste de fabricación del imán.

ESTADO DE LA TÉCNICA

A diferencia de los materiales magnéticos blandos, los ¡manes son materiales magnéticos duros que no se desmagnetizan fácilmente una vez que han sido magnetizados, proporcionando así un campo magnético estable, aprovechable tecnológicamente, que no se ve afectado por campos magnéticos externos. Los imanes se caracterizan por un elevado campo coercitivo (coercitividad) y una elevada inducción remanente (remanencia), lo que se traduce en también un elevado producto energía [J.W. Fiepke, Permanent Magnet Materials, "Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special- Purpose Materlaís", Vol 2, ASM Handbooks, ASM International, 1990, p. 782-803]. Tales características se consiguen con un meticuloso proceso de fabricación. El proceso es más elaborado aún si el imán contiene tierras raras. El desarrollo de este tipo de imanes se inició a principios de la década de 1960, cuando Nesbitt y Wemicke [(E.A. Nesbitt, H.J. Williams, J.H. Wernicke, R.C. Sherwood, J. Appl. Phys., Vol 32S, 1961, p 342-343); (E.A. Nesbitt, H.J. Williams, J.H. Wernicke, R.C. Sherwood, J. Appl. Phys., Vol 33, 1962, p 1674-1678); (J.H. Wemicke, S. Geller, Acta Cryst., Vol 12, 1959, p 662-665)]

establecieron la estructura, momento magnético y temperatura de Curie de los compuestos intermetálicos de cobalto/tierras-raras.

El proceso convencional para la fabricación de imanes (por ejemplo, de aquellos que contienen tierras raras) parte de un polvo de una elevada anisotropía cristalina intrínseca (por ejemplo, debida a una estructura cristalina con celdilla hexagonal), composición muy específica y granulometría muy concreta (el tamaño medio de las partículas debe ser comparable al diámetro crítico de una partícula monodominio, entre 1 y 10 p.m, y, además, la distribución de tamaños debe ser muy estrecha [(K.H. Moyer, Magnetic Materials and Properties for Powder Metallurgy Part Applications, "Powder Metal Technologies and Applications", Vol 7, ASM Handbook, ASM International, 1998, 1006-1020); (N.A. Spaldin, "Magnetic Materials: Fundamentáis and Applications", 2nd edition, Cambridge University Press, 2011, USA, 3-144].

Este polvo, o una mezcla de diferentes tipos de ellos, es expuesto a un fuerte campo magnético (~2 - 5 MA/m) con objeto de forzar el alineamiento magnético de las partículas que lo constituyen (forzando, por ejemplo, que preferentemente el eje c de las celdillas hexagonales de las partículas monocristalinas sea paralelo a la dirección del campo aplicado); con ello se consigue que la magnetización de la pieza final pueda ser la más alta posible [F.V. Lenel, "Powder Metallurgy: Principies and Applications", Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ, 1980, p. 531-548)].

Tras este proceso de alineamiento magnético, el polvo alineado es sometido a compresión en frío (con presiones que oscilan entre 700 y 1500 MPa) con objeto de compactarlo. Este proceso de compactación puede hacerse de diferentes modos: por prensado en matriz (en inglés, Coid Die Pressing, CDP) o por prensado isostático en frío (Coid Isostatic Pressing, CIP). Cuando el prensado se realiza en matriz, el polvo puede permanecer confinado en la misma matriz durante las etapas de alineamiento y de compactación. Cuando el prensado es isostático, el sistema de compresión impone limitaciones que obligan a que el alineamiento deba realizarse previamente a la introducción en la prensa, confinándolo normalmente en un envase de plástico. Aunque en teoría, si la modalidad elegida es la de prensado en matriz, el alineamiento magnético puede realizarse en la misma matriz de compactación, las elevadas presiones empleadas hace necesarias matrices muy grandes, que alejan la bobina de magnetización del polvo, aminorando el campo magnético aplicado. Si el alineamiento es realizado de forma independiente, la bobina puede estar más próxima al polvo y aplicar campos mayores que mejoran el grado de alineamiento de las partículas, y con ello, las propiedades magnéticas de las piezas finales. Es por ello, que generalmente el alineamiento y el prensado se desarrollan en matrices diferentes [(J.W. Fiepke, Permanent Magnet

Materials, "Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", Vol 2, ASM Handbooks, ASM International, 1990, p. 782-803); (K.H. Moyer, Magnetic Materials and Properties for Powder Metallurgy Part Applications, "Powder Metal Technologies and Applications", Vol 7, ASM Handbook, ASM International, 1998, 1006- 1020); F.V. Lenel, "Powder Metallurgy: Principies and Applications", Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ, 1980, p. 531-548)].

Tras el proceso de compactación las piezas obtenidas pueden alcanzar una densidad relativa del orden del 80%. Estos compactos en verde son entonces sinterizados en horno, en atmósfera apropiada (usualmente, argón) a temperaturas que rondan los 1100 °C. Tras el sinterizado, la densidad relativa puede aumentar hasta aproximadamente el 90%.

Aunque menos habitual, los polvos pueden también ser conformados en caliente mediante la técnica de prensado isostático en caliente, Hot Isostatic Pressing, HIP. Se aúnan con ello la etapa de prensado y sinterización, pero no el proceso de alineamiento, que debe seguir haciéndose de modo independiente [J.W. Fiepke, Permanent Magnet Materials, "Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", Vol 2, ASM Handbooks, ASM International, 1990, p. 782-803]. El principal inconveniente de esta técnica, es su elevado coste y su bajo nivel de producción.

Tras el sinterizado, es habitual la aplicación de algún tratamiento térmico (en tomo a los 900 °C) destinado a mejorar la coercitividad del material. Dichos tratamientos térmicos persiguen, en general, la nucleación, fijación y anclaje de las paredes de los dominios magnéticos en las superficies y límites de grano del material, lo que aumenta sustancialmente la fuerza coercitiva [K.H. Moyer, Magnetic Materials and Properties for Powder Metallurgy Part Applications, "Powder Metal Technologies and Applications", Vol 7, ASM Handbook, ASM International, 1998, 1006-1020].

Finalmente, las piezas son magnetizadas aplicando nuevamente un campo magnético intenso (de unos 5 MA/m). Debido a la alta remanencia y alta coercitividad de algunos tipos de imanes así procesados, el proceso de magnetización puede llegar a ser bastante difícil. A menudo resulta más eficiente magnetizar mediante la aplicación de pulsos de corta duración, pero más intensos, lo que se ha revelado como una técnica eficaz... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para la fabricación pulvimetalúrgica de imanes que comprende como etapa inicial la introducción de un material pulverulento que contiene al menos un elemento

magnético seleccionado entre Fe, Co, Ni en una matriz, caracterizado porque una vez introducido el material pulverulento en la matriz se somete secuencialmente y siempre en la misma matriz a:

- alineamiento magnético

- proceso de consolidación eléctrica.

- tratamiento térmico

- refrigeración y

- magnetización

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el material pulverulento

contiene adicionalmente al menos un elemento de los denominados tierras raras.

3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque antes de la introducción en la matriz, el material pulverulento se mezcla con al menos un segundo material pulverulento de composición diferente y que comprende al

menos un primer elemento que se selecciona entre Fe, Co, Ni.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque el segundo material pulverulento comprende al menos un segundo elemento que se selecciona entre los denominados tierras raras.

5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la etapa de alineamiento magnético se realiza exponiendo el material pulverulento a la acción de un campo magnético.

6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el

proceso de consolidación eléctrica se realiza mediante la técnica de sinterización por resistencia eléctrica. 7

7. Método según la reivindicación 6, caracterizado porque el proceso de consolidación

eléctrica se realiza mediante la técnica de sinterización por resistencia eléctrica de media frecuencia.

8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el proceso de consolidación eléctrica se realiza mediante la técnica de consolidación por descarga eléctrica.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el proceso de consolidación eléctrica se realiza mediante la aplicación secuencial de las técnicas de consolidación por descarga eléctrica y sinterización por resistencia eléctrica.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el tratamiento térmico del material posterior a la consolidación eléctrica se realiza mediante el paso de corriente eléctrica a través del material.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la refrigeración del material tras la etapa de tratamiento térmico se lleva a cabo por contacto con los electrodos enfriados mediante un líquido refrigerante.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la etapa de magnetización del material se efectúa por acción de un campo magnético que permita alcanzar la saturación magnética del material.

13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las etapas se realizan en condiciones de atmósfera controlada.

14. Método según la reivindicación 13, caracterizado porque las etapas se realizan en atmósfera de gas inerte o en vacío.