Un método para producir un componente metálico a partir de una composición de aleación metálica líquida,

que comprende:

formar una composición de aleación metálica líquida que esté exenta de material sólido;

poner una cantidad de la composición de aleación metálica líquida en un vaso (12) de termotratamiento;

insertar un agitador (14) de grafito en la composición de aleación metálica líquida en el vaso de termotratamiento;

agitar la composición de aleación metálica líquida con el agitador de grafito mientras que se enfría la composición de aleación metálica para iniciar la solidificación y formar una suspensión (18) semisólida, no dendrítica;

cesar la agitación y retirar el agitador de grafito de la suspensión semisólida, no dendrítica, después de que el contenido de sólidos de la suspensión se haya elevado hasta un valor del 1% al 20% en peso;

enfriar la suspensión semisólida, no dendrítica, sin agitación hasta que el contenido de sólidos se haya elevado hasta un valor del 10% al 65%; y

transferir la suspensión semisólida, no dendrítica, que tiene un contenido de sólidos del 10% al 65% a un aparato para conformar un componente y dar forma al material transferido en el componente metálico deseado

Procedimiento y aparato para preparar una aleación metálica.

Referencia cruzada a las solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad, de conformidad con 35 U.S.C. NAK 119(e), sobre la solicitud provisional Nº 60/451.748, titulada PROCESS AND APPARATUS FOR PREPARING A METAL ALLOY (Procedimiento y aparato para preparar una aleación metálica), presentada el 4 de marzo de 2003 por James A. Yurko y colaboradores, cuya descripción completa se incorpora aquí por referencia, y reivindica la prioridad, de conformidad con 35 U.S.C. NAK 119(e), sobre la solicitud provisional Nº 60/476.438, titulada PROCESS AND APPARATUS FOR PREPARING A METAL ALLOY (Procedimiento y aparato para preparar una aleación metálica), presentada el 6 de junio de 2003 por James A. Yurko y colaboradores, cuya descripción completa se incorpora aquí por referencia.

Campo de la invención

Esta invención se refiere al conformado industrial de metales, y más concretamente a un aparato y a un procedimiento para conformar componentes metálicos a partir de suspensiones metálicas, semisólidas, no dendríticas.

Antecedentes de la invención

Es bien reconocido que la mayoría de las composiciones de aleaciones metálicas solidifican dendríticamente. Es decir, las partículas dendríticas, o en forma de árbol, crecen a partir de núcleos a medida que la composición de aleación se enfría por debajo de la temperatura de liquidus. Es también bien conocido que se proporcionan ciertas ventajas fragmentando las partículas dendríticas o evitando el crecimiento dendrítico durante la solidificación, para formar partículas no dendríticas o dendríticas degeneradas que tengan, por lo general, forma elipsoidal o esferoidal. Más específicamente, se ha descubierto que se pueden conseguir diversas ventajas en el tratamiento y en las propiedades físicas colando o conformando de otra manera componentes metálicos a partir de suspensiones metálicas, semisólidas, no dendríticas. Las partículas metálicas no dendríticas de la suspensión semisólida, proporcionan una viscosidad sustancialmente reducida para una fracción de sólidos dada, comparada con una composición de aleación metálica que contenga partículas dendríticas. Con frecuencia, la diferencia en la viscosidad es de varios órdenes de magnitud.

Los beneficios resultantes del conformado con metal semisólido, no dendrítico, incluyen el conformado de piezas a velocidad más alta, la colada continua a alta velocidad, una erosión más baja del molde, un consumo más bajo de energía, el llenado mejorado del molde, unos óxidos reducidos que proporcionan una maquinabilidad mejorada en los componentes metálicos acabados, y menos oclusión de gases que da como resultado una porosidad reducida. Otras ventajas de colar o de conformar de otra manera los componentes metálicos, a partir de suspensiones semisólidas, incluyen menos contracción durante el conformado de los componentes metálicos, menos espacios vacíos y porosidad más baja en los componentes metálicos conformados, menos macrosegregación, y propiedades mecánicas (por ejemplo, resistencia) más uniformes. También es posible conformar piezas más intrincadas usando composiciones de aleación semisólidas, no dendríticas, durante la colada u otras técnicas de conformado. Por ejemplo, son posibles piezas que tengan paredes más delgadas con resistencia mejorada.

Se han preparado suspensiones semisólidas, no dendríticas, para colada industrial y otros procedimientos de conformado de metales usando un mezclado mecánico durante el enfriamiento de la composición de aleación metálica líquida por debajo de la temperatura de liquidus de la composición de aleación. Otras técnicas que se han utilizado incluyen la agitación electromagnética durante el enfriamiento (normalmente para procedimientos de colada continua), el enfriamiento de una composición metálica líquida mientras que pasa a través de un canal tortuoso, largos tratamientos térmicos en la región de temperaturas de los semisólidos, y otros. Estas técnicas son bien conocidas y se han empleado de forma ventajosa en diversas aplicaciones comercialmente importantes.

Más recientemente, se han creado suspensiones semisólidas, no dendríticas, contando con el vertido de la aleación fundida poco sobrecalentada en recipientes relativamente fríos (por ejemplo, un crisol o la cámara fría de una máquina para fundir a presión). Estos procedimientos cuentan con el enfriamiento de la composición de aleación desde por encima de la temperatura de liquidus hasta por debajo de la temperatura de liquidus durante la acción del vertido, a medida que la aleación entra en contacto con las paredes del vaso. El procedimiento es eficaz en la creación de suspensiones semisólidas, no dendríticas; sin embargo hay limitaciones del procedimiento. En primer lugar, el procedimiento depende de la extracción de calor de las paredes del vaso. Es difícil controlar la retirada del calor usando esta técnica debido al cambio de temperatura de las paredes y a la discreta superficie específica del cilindro. En segundo lugar, se crea convección por el vertido; por lo tanto, si se introduce la aleación a una temperatura demasiado alta, las fuerzas de convección se disipan antes de que la aleación se enfríe a través del liquidus, impidiendo la formación de suspensiones no dendríticas.

Los productos comerciales han incluido diversos componentes de aleación de aluminio y de magnesio para aplicaciones en automóviles, tales como cilindros principales de frenos, y diversos componentes para los sistemas de dirección y de suspensión. Otras aplicaciones reales o potenciales incluyen balancines, pistones de motores, ruedas, componentes de la transmisión, componentes del sistema de combustible, y componentes del sistema de aire acondicionado.

Un problema con las técnicas conocidas para formado una suspensión metálica semisólida, no dendrítica, usando agitación mecánica, es que las superficies del agitador son mojadas por el metal líquido de la suspensión. Como resultado, algo del metal líquido procedente de la suspensión se pega a las superficies del agitador cuando se retira de la suspensión. Cualquier metal líquido que moje o se pegue a las superficies del agitador y/o del vaso, solidifica rápidamente y forma un revestimiento metálico que se debe retirar antes de que el agitador y/o el vaso se puedan volver a usar para la preparación de más suspensión metálica semisólida, no dendrítica. La retirada de depósitos metálicos de las superficies del agitador es habitualmente difícil, necesita tiempo, es caro, y lleva a tasas de producción más bajas. Los materiales que tiene un mojabilidad reducida son habitualmente inadecuados para usarlos en la manipulación de composiciones de aleación metálica líquida (por ejemplo, debido a la falta de propiedades mecánicas adecuadas en las altas temperaturas asociadas con la producción de suspensiones metálicas semisólidas, no dendríticas) y/o no tienen una conductividad térmica suficientemente alta, adecuada para retirar rápidamente el calor de las suspensiones metálicas semisólidas, no dendríticas. Se ha conseguido una mojabilidad reducida aplicando revestimientos de baja mojabilidad a las superficies de los agitadores metálicos. Se han usado revestimientos de nitruro de boro sobre las superficies de los agitadores y/o de los vasos para reducir con éxito la mojabilidad, sin reducir negativamente la conductividad térmica. Sin embargo, los revestimientos de nitruro de boro carecen de resistencia estructural, y requieren su sustitución periódica.

Otro problema con los procedimientos convencionales para preparar composiciones de aleaciones metálicas semisólidas, no dendríticas, que tengan un contenido de sólidos relativamente alto (por ejemplo, superior a aproximadamente el 10%) es que se requiere habitualmente una cantidad considerable de tiempo para enfriar la suspensión al contenido de sólidos deseado. Habitualmente, la agitación de la composición de aleación tiene lugar en un vaso cerámico o en un vaso previamente calentado, con el fin de impedir la nucleación y la formación de sólidos en las paredes del recipiente o del vaso en el que se realiza la agitación. Como resultado, el enfriamiento tiene lugar de forma relativamente lenta, dando como resultado tiempos largos de proceso y una producción reducida. Se puede conseguir un enfriamiento rápido usando un vaso frío que tenga la masa, conductividad térmica y capacidad calorífica adecuadas. Sin embargo, esto puede conducir a gradientes de temperatura inaceptablemente altos que no son conducentes a la formación de suspensiones...

1. Un método para producir un componente metálico a partir de una composición de aleación metálica líquida, que comprende:

formar una composición de aleación metálica líquida que esté exenta de material sólido;

poner una cantidad de la composición de aleación metálica líquida en un vaso (12) de termotratamiento;

insertar un agitador (14) de grafito en la composición de aleación metálica líquida en el vaso de termotratamiento;

agitar la composición de aleación metálica líquida con el agitador de grafito mientras que se enfría la composición de aleación metálica para iniciar la solidificación y formar una suspensión (18) semisólida, no dendrítica;

cesar la agitación y retirar el agitador de grafito de la suspensión semisólida, no dendrítica, después de que el contenido de sólidos de la suspensión se haya elevado hasta un valor del 1% al 20% en peso;

enfriar la suspensión semisólida, no dendrítica, sin agitación hasta que el contenido de sólidos se haya elevado hasta un valor del 10% al 65%; y

transferir la suspensión semisólida, no dendrítica, que tiene un contenido de sólidos del 10% al 65% a un aparato para conformar un componente y dar forma al material transferido en el componente metálico deseado.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el enfriamiento de la suspensión semisólida, no dendrítica, se consigue transfiriendo la suspensión semisólida, no dendrítica, que tiene un contenido de sólidos del 1% al 20%, en peso, a un vaso de enfriamiento, y enfriando la suspensión en el vaso (20) de enfriamiento.

3. El método de la reivindicación 2, en el que el vaso (20) de enfriamiento tiene paredes (22) hechas de un material seleccionado de acero y acero inoxidable.

4. El método de la reivindicación 2, en el que el vaso (20) de enfriamiento tiene paredes (22) hechas de grafito.

5. El método de la reivindicación 2, en el que se sopla aire a lo largo de las paredes (22) del vaso de enfriamiento.

6. El método de la reivindicación 3, en el que las paredes (22) internas del vaso (20) de enfriamiento están provistas de un revestimiento que no se moja, o que se moja de forma reducida.

7. El método de la reivindicación 6, en el que el revestimiento es un revestimiento de nitruro de boro.

8. El método de la reivindicación 1, en el que la composición de aleación metálica líquida se agita durante un tiempo predeterminado basado en la temperatura inicial de la composición de aleación metálica y de la tasa de extracción de calor del agitador (14).