HILOS FERROMAGNETICOS CON MEMORIA DE FORMA, SU PROCEDIMIENTO DE OBTENCION Y SUS APLICACIONES.

Hilos ferromagnéticos con memoria de forma, su procedimiento de obtención y sus aplicaciones.

La presente invención se refiere a la fabricación de hilos ferromagnéticos con memoria de forma, con composiciones caracterizadas por presentar la transformación martensítica y el efecto magnetostrictivo asociado con la reorientación de variantes bajo campo magnético. Estos hilos ferromagnéticos pueden presentar una estructura cristalográfica de tipo Heusler, con composición estequiométrica X{sub,2}YZ o próximas a ésta, como por ejemplo, Ni{sub,2.10}Mn{sub,0.98}Ga{sub,0.92}. Estos hilos ferromagnéticos con efecto de memoria de forma se pueden usar en dispositivos que bajo la aplicación de campo magnético son capaces de producir un efecto mecánico como actuadores mecánicos

Hilos ferromagnéticos con memoria de forma, su procedimiento de obtención y sus aplicaciones.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere al campo de materiales magnéticos, en concreto hilos ferromagnéticos con memoria de forma y su método de producción. La presente invención se encuadra dentro del sector de Materiales (Metalurgia y fabricación de productos metálicos) y su principal aplicación se encuentra en el sector de Material y equipo electrónico, preferentemente el diseño de dispositivos actuadores.

Estado de la técnica

Las aleaciones con memoria de forma ferromagnéticas (FSMA) se caracterizan por presentar grandes deformaciones bajo campo magnético aplicado (efecto magnetostrictivo). Esta propiedad resulta de gran interés tecnológico pues la deformación del material permite ejercer fuerza o producir movimiento en determinadas aplicaciones, y por tanto, diseñar nuevos actuadores magnetostrictivos, es decir, dispositivos que bajo la aplicación de campo magnético son capaces de producir un efecto mecánico (conversión de la energía magnética en energía mecánica). Entre estas aplicaciones destacan su empleo en motores lineales y válvulas proporcionales. La primera referencia bibliográfica de la observación experimental del efecto data de hace aproximadamente una década [K. Ullakko, J.K. Huang C. Kantner, R.C. O'Handley, V.V. Kokorin, Large magnetic-field induced strains in Ni₂MnGa single crystals, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1966-1968; K. Ullakko, J.K. Huang, V.V. Kokorin and R.C. O'Handley, Magnetically controlled shape memory effect in Ni₂MnGa, Scr. Mater. 36 (1997) 1133-1138] y desde entonces una gran parte de la investigación en este tipo de aleaciones se ha dedicado a la optimización de su respuesta magnetostrictiva con fines aplicados [O. Soderberg, A. Sozinov, V.K. Lindroos, Giant magnetostrictive materials, The Enciclopedia of Materials: Science and Technology, ed. K.H.J. Buschow et al., 2005 (Amsterdam: Elsevier Science); I.Suorsa, J. Tellinen, E. Pagounis, I. Aaltio and K. Ullakko, Applications of magnetic memory shape actuators, Proc. 8^th Int. Conf. on new Actuators, Actuator 2002 ed. H. Borgmann (Bremen, Alemania); I. Soursa, J. Teillen, K. Ullakko, E. Pagounis, Voltage generation induced by mechanical straining in magnetic shape memory materials, J. Appl. Phys. 95 (2004) 8054-8058].

El mecanismo responsable del efecto asociado con la deformación consiste en la reorientación de las variantes del material (regiones en el material con diferentes orientaciones cristalográficas) bajo la aplicación de campo magnético [R.C. O'Handley, Model of strain and magnetization in shape-memory-alloys, J. Appl. Phys. 83 (1998) 3263-3270]. Este mecanismo es diferente al de la magnetostricción ordinaria y requiere la existencia en el material de una microestructura particular (variantes). La aparición de esta microestructura es consecuencia de una transformación martensítica, transformación sin difusión y con distorsión de red entre una fase de alta temperatura y alta simetría (austenita) a una fase de baja temperatura y menor simetría (martensita). Como consecuencia de esta menor simetría aparecen las estructuras denominadas variantes para acomodar el nuevo estado [C. Seguí, V.A. Chernenko, J. Pons, E. Cesari, Two-step martensitic transformation in Ni-Mn-Ga alloys, J. Physique Coll. IV 12 (2003) 903-906]. De este modo, en concreto en monocristales de Ni₂MnGa en fase martensita, se han alcanzado deformaciones del orden del 6 al 10% bajo la aplicación de campo magnético [S.J. Murrai, M. Marioni, S.M. Allen, R.C. O'Handely, T.A. Lograsso, 6% magnetic-field-induced strain by twin-boundary motion in ferromagnetic Ni-Mn-Ga, Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 886-888; A. Sozinov, A.A. Likhachev, N. Lanska, K. Ullakko, Giant magnetic-field-induced strain in NiMnGa seven layered martensitic phase, Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 1746-1748; A. Malla, M.J. Dapino, T.A. Lograsso, D.L. Schlagel, Large magnetically induced strains in Ni₅₀Mn_{28 . 7}Ga_{21 . 3} driven with collinear field and stress, J. Appl. Phys. 99 (2006) 063903-1/9].

Este tipo de transformación martensítica tiene asociado el efecto de memoria de forma, observado por primera vez en aleaciones no magnéticas de oro y cobre [L.C. Chang, T.A. Read, Plastic deformation and difussionless phase changes in metals - The gold-cadmium beta phase, Trans. Amer. Inst. Mining and Metallurg. Eng. 191 (1951) 47 - 52], donde la aleación previamente deformada (martensita) recupera su forma al calentarla (austenita). En fase martensita la aleación puede fácilmente deformarse bajo tensión aplicada debido a la alta movilidad de las variantes. A medida que se calienta la aleación pasa a su fase austenita y recupera su forma de alta temperatura bien definida. Entre las aleaciones con memoria de forma no magnética, las aleaciones de NiTi destacan por sus propiedades optimizadas [H. Funakubo, Ed., Shape Memory Alloys, New York: Gordon and Breach, 1987] y son ampliamente utilizadas en una gran variedad de aplicaciones [Boylan John F, Lin Zhicheng, Stalker Kent C.B., Nitinol alloy design for improved mechanical stability and broader superelastic operating window, patent WO2006081011 (agosto, 2006); E.I. Rivin, G. Sayal, P.R.S. Johal, Giant Superelasticity Effect in NiTi Superelastic Materials and Its Applications, Mat. in Civ. Engrs., 18 (2006) 851-857].

El interés de las aleaciones en que se basa la patente radica en que además de tener un efecto de memoria de forma, presentan una deformación bajo campo magnético que es dos órdenes de magnitud superior a los valores de máxima deformación encontrados en los materiales actualmente empleados en sistemas de actuación y control: piezoeléctricos (PZT), 0.03-0.125% [M-S. Ha, S-J. Jeong, J-H. Koh, H-B. Choi, J-S. Song, Piezoelectric response of compressive loaded multiplayer ceramic actuator, Chem. Phys. 98 (2006) 9-13] y magnetostrictivos (Terfenol-D), 0.2% [F. Claeyssen, N. Lhermet, R. Le Lett, P. Bouchilloux, Actuators, transducers and motors based on giant magnetostrictive materials, J. Alloys & Comp., 258 (1997) 61-73]. Sin embargo, a pesar de las excelentes propiedades magnetostrictivas, la aplicación comercial de este tipo de materiales FSMA es muy reducida y en la actualidad existe únicamente una empresa que comercializa este tipo de aleaciones (Ni₂MnGa), así como dispositivos (actuadores) basados en estas aleaciones: www.adpatmat.com, Adaptamat Ltd., Yrityspiha 5, FIN-00390 Helsinki (Finlandia) [Ullakko Kari Martti, Actuators and Apparatus, patent WO9945631 (septiembre 1999); Ullakko Kari Martti, A method for producing motion and force by controlling the twin structure orientation of a material and its uses, patent SI838095T (diciembre, 2001); Ullakko Kari Martti, Tellinen Juhani, A damping and actuating apparatus comprising magnetostrictive material, a vibration dampening device and use of said apparatus, patent WO2004078367 (septiembre 2004)]. El principal inconveniente que presentan estas aleaciones de cara a su utilización comercial es su extrema fragilidad que impide la moldeabilidad posterior de la aleación (inducción de texturas mediante tratamiento termomecánicos, conformación bajo diferentes formas geométricas). El deterioro de sus propiedades mecánicas asociado con el desplazamiento de las variantes en el material, limita asimismo su aplicabilidad reduciendo notablemente el número de ciclos de operación respecto a otros actuadores comerciales (piezoeléctricos y magnetostrictivos).

La optimización de la respuesta de estas aleaciones se está abordando desde diferentes vías:

(a) Búsqueda de nuevas composiciones susceptibles de presentar el efecto magnetostrictivo deseado: Aleaciones Ni-Fe-Ga [H. Morito, A. Fujita, K. Fukamichi, R. Kainuma, K. Ishida, K. Oikawa, Magnetic-field-induced strain of Fe-Ni-Ga in single-variant state, J. Appl. Phys. Lett, 83 (2001) 4993-4995; Ishida Kiyohito, Kainuma Ryosuke, Oikawa Masanari, Ferromagnetic shape-memory alloy used for magnetic-field responding actuator or magnetism-utilizing sensor, patent JP2004052109 (febrero 2004); Aleaciones Co-Ni-Al [C. Efstathiou, H. Sehitoglu, A.J. Wagoner Johnson, R.F. Hamilton, H.J. Maier, Y. Chumlyakov, Large reduction in critical stress in Co-Ni-Al upon repeated transformation, Script. Mater. 51 (2004) 979-985; Oikawa Masanari; Ishida Kiyohito,...

1. Hilo continuo de aleación ferromagnética que presenta efecto de memoria de forma caracterizado porque la aleación ferromagnética presenta una estructura cristalográfica tipo Heusler, un compuesto,intermetálico ternario con elementos, X, Y y Z, en el que la composición estequiométrica X₂YZ y composiciones próximas a ésta, presentan una estructura cristalográfica cúbica centrada en las caras, y refiriéndose los elementos X, Y y Z de la aleación a elementos metálicos pertenecientes, los X e Y a metales de transición (grupos VIIB y VIII de la tabla periódica), y Z. a los grupos IIIA o IVA.

2. Hilo según reivindicación 1 caracterizado porque el, diámetro está comprendido entre 20 y 250 μm, preferentemente entre 150 y 250 μm y, más preferentemente, entre 150 y 200 μm.

3. Hilo según reivindicación 1 caracterizado porque la composición de la aleación ferromagnética es la siguiente: X=Ni, Y=Mn y Z=Ga.

4. Procedimiento de obtención del hilo descrito en las reivindicaciones 1 a la 3 caracterizado porque se basa en la técnica de solidificación rápida que comprende las etapas de:

(a) aleado de los elementos químicos que constituyen la aleación policristalina mediante fusión,

(b) fundición de la aleación policristalina,

(c) inyección de la aleación fundida sobre un flujo de agua que se encuentra girando en el interior de un tambor en rotación, en las siguientes condiciones: diámetro del orificio del crisol comprendido entre 160 y 230 μm, distancia entre la punta del crisol y la superficie refrigerante de entre 3 y 4 mm, ángulo de expulsión entre 45 y 60º, y profundidad de la capa refrigerante de aproximadamente 20 mm., y

(d) tratamiento térmico posterior de homogeneización, a alta temperatura y en atmósfera controlada, de las aleaciones ferromagnéticas con estructura cristalina, en las siguientes condiciones: la atmósfera controlada consiste en vacío o atmósfera de Argón, y la alta temperatura es inferior a la de fusión de la aleación, y preferiblemente en torno a 800ºC.

5. Uso de los hilos ferromagnéticos con efecto de memoria de forma según reivindicaciones 1 a 3 en dispositivos que bajo la aplicación de campo magnético son capaces de, producir un efecto mecánico.

6. Uso de los hilos ferromagnéticos con efecto de memoria de forma según reivindicación 5 en motores lineales.

7. Uso de los hilos ferromagnéticos con efecto de memoria de forma según reivindicación 6 en dispositivos basados en el efecto combinado de su respuesta ferromagnética y el efecto de memoria de forma.