ALEACIONES DE TITANIO DE BAJO COSTE Y METODO PARA LA PREPARACION DE LAS MISMAS.
La invención define una aleación de titanio de bajo coste que comprende hierro y cromo como elementos aleantes mayoritarios de composiciónTi-xFe-yCr,
en la que x = 1-9% e y = 0,2-3%, porcentajes expresados en peso respecto al peso total de aleación. Dicha aleación, que se obtiene por pulvimetalurgia a partir de mezcla de polvos de titanio con polvos de aceros inoxidables, presenta menores costes de procesado y de materiales de partida y mantiene unas propiedades mecánicas similares a las obtenidas en las aleaciones estándar de titanio. Asimismo, la invención define un método para obtener dicha aleación de titanio de bajo coste
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200802403.
Solicitante: UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: MADRID.
Inventor/es: GORDO ODERIZ,ELENA, GARCIA ESTEBAN,PABLO, RUIZ NAVAS,ELISA MARIA, BOLZONI,LEANDRO.
Fecha de Solicitud: 8 de Agosto de 2008.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 20 de Abril de 2011.
Clasificación Internacional de Patentes:
- C22C1/04B
- C22C14/00 QUIMICA; METALURGIA. › C22 METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO DE ALEACIONES O METALES NO FERROSOS. › C22C ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F). › Aleaciones basadas en titanio.
Clasificación PCT:
PDF original: ES-2341162_B1.pdf
Fragmento de la descripción:
Aleaciones de titanio de bajo coste y método para la preparación de las mismas.
Campo de la invención
La invención se refiere al campo de conocimiento y técnicas correspondientes a la Ciencia e Ingeniería de Materiales, con aplicación directa en productos fabricados por la industria de consumo. En particular, la invención se refiere a una aleación de titanio de bajo coste con un contenido particular de hierro y cromo que se obtiene mediante pulvimetalurgia empleando acero inoxidable como polvo aleante. Dicha aleación presenta, además de bajos costes de material y procesado, buenas propiedades de resistencia mecánica y de resistencia a la corrosión.
Antecedentes de la invención
Como es bien conocido en el estado de la técnica, las aleaciones de titanio tienen un alto coste debido fundamentalmente al coste del material base y al coste de procesado. La aleación de titanio más empleada es la Ti-6Al-4V, que tiene un 10% en peso de elementos aleantes. El vanadio es el elemento de aleación betágeno isomorfo más ligero, por lo que es una buena elección para estabilizar la fase beta del titanio mientras se mantiene baja la densidad de la aleación. Sin embargo el vanadio es un elemento caro, incluso más que el titanio, por lo que su introducción incrementa el coste final de la aleación.
En el diseño de una aleación de titanio de bajo coste debe tenerse en cuenta en primer lugar el coste de los elementos de aleación. En general, se distinguen tres grupos de materiales dependiendo de su coste: (a) los materiales dé muy. alto coste tal como el tantalio y el molibdéno de alta pureza, ferro-molibdeno o aleaciones de vanadio-hierro, por ejemplo; (b) los materiales de alto coste tal como níquel, cobalto, esponja de titanio o pentóxido de vanadio, por ejemplo; y (c) materiales de bajo coste tal como aluminio, manganeso, acero, silicio y hierro, por ejemplo.
El grupo de materiales base de bajo coste viene delimitado por el precio del aluminio y es el más adecuado para la selección de elementos de aleación en aleaciones de titanio de bajo coste. Aunque los elementos de aleación representan un porcentaje muy bajo del peso de la aleación, el precio de la aleación final se ve sensiblemente afectado si éstos tienen precios muy elevados. Por ejemplo una aleación Ti-6Al-4V tiene un contenido en peso del 4% de vanadio, pero este contenido contribuye a aumentar el coste de la aleación en torno a un 10%. Los elementos de bajo coste sin embargo tienen un coste menor que el titanio, por lo que su introducción contribuye a disminuir el precio de la aleación final. En términos de coste de materiales base, la sustitución de un 4% de vanadio por un 4% de hierro, por ejemplo, contribuiría a disminuir el coste de la aleación en torno a un 15%.
Así, se ha propuesto la modificación de aleaciones estándar de titanio, aluminio y vanadio (Ti-Al-V) añadiendo hierro, cobre o niquel (Smugeresky, J.E. and D.B. Dawson, New titanium alloys for blended elemental powder processing, Powder Technology, 1981. 30(1): p. 87-94).
Asimismo, se han propuesto aleaciones de titanio alternativas en las que parte del vanadio se ha sustituido por materiales de menor coste tales como hierro o cromo, y en ocasiones empleando materiales de alto coste, como el molibdeno, pero añadido en forma de ferroaleación, que disminuye el coste de la adición (WO 85/03190, EP 1302555 A1, US 2006/039819 A1, EP 1783235 A1).
De esta manera, se está investigando el uso exclusivo de materiales de menor coste para obtener aleaciones de titanio de bajo coste. Así, el empleo de elementos de aleación tales como el hierro y el cromo ha sido propuesto por la industria del titanio y por algunos estudios para diseñar aleaciones de titanio de bajo coste (O. M. Ivasishin, Cost-effective manufacturing of titanium parts with powder metallurgy approach, Materials Forum 2005, 29: p. 1-8; Lee, D.B., et al., Mechanical and oxidation properties of Ti-xFe-ySi alloys, Materials Science and Engineering A, 2002, 328(1-2): p. 161-168; Liu, Y., et al., Design of powder metallurgy titanium alloys and composites, Materials Science and Engineering: A, 2006. 418(1-2): p. 25-35). Del mismo modo, son conocidas en el estado de la técnica una serie de aleaciones comerciales de titanio de bajo coste. Entre ellas, una de las más conocidas es la desarrollada actualmente por la compañía TIMET denominada LCB (low-cost beta) que emplea hierro y molibdeno en su composición, por lo que aún siendo una aleación de bajo coste, emplea un elemento de aleación que encarece su composición. Otras aleaciones comerciales de titanio de bajo coste con algún contenido de hierro o cromo se detallan a continuación (Rodney Boyer, G.W., E.W. Collings, ed. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, Second ed., ed. ASM-International, 1998):
Recientemente, los presentes autores han estudiado diversas aleaciones de titanio de bajo coste obtenidas mediante pulvimetalurgia, realizadas mediante adiciones de hierro para introducir los elementos de aleación de bajo coste (P.G Esteban, L. Bolzoni, E.M. Ruiz-Navas, E.Gordo, Ensayos de Tracción en aleaciones de titanio pulvimetalúrgicas de bajo coste, Anales de mecánica de la fractura 25, Vol. 1, 2008, pp. 181-186, ISSN: 0213-3725).
Asimismo, los presentes autores han comparado las propiedades de diversas aleaciones de titanio de bajo coste obtenidas a partir de hierro, aleaciones de hierro y titanio y acero inoxidable como materiales aleantes de bajo coste (P.G.Esteban, E.M.Ruiz-Navas, L.Bolzoni, E.Gordo, P/M development of Low-Cost Titanium Alloys by Means of Iron Additions, Proceedings Euro PM2007 - Lightweight & Porous Materials, 2007, pp. 353-358), concluyendo que el hierro puro en forma de carbonilo de hierro es el que confiere mejores propiedades mecánicas y de densidad, si bien este material es más caro que otras posibles adiciones comerciales de hierro.
Continúa existiendo en el estado de la técnica, por tanto, la necesidad de nuevas aleaciones de titanio de bajo coste con propiedades mecánicas mejoradas.
Los presentes autores proponen la adición de aceros inoxidables como método de adición de elementos de aleación de bajo coste, que permite obtener, mediante pulvimetalurgia convencional, aleaciones de titanio de bajo coste con buenas propiedades mecánicas. Más en particular, ajustando el contenido de hierro y cromo a aproximadamente un 1-9% y un 0,2-3%, respectivamente, en peso con respecto al peso total de la aleación, se obtienen aleaciones de titanio con microestructuras homogéneas, eliminando las etapas de refusión asociadas a la metalurgia convencional y en la que no se han detectado compuestos intermetálicos. De esta manera se reduce el coste de la aleación con respecto a las obtenidas por técnicas convencionales, alcanzando propiedades mecánicas que la hacen viable para su uso comercial.
Por otro lado, la adición de aceros inoxidables con dichos contenidos de hierro y cromo, y que contienen, además, otros elementos aleantes de interés tal como el níquel, por ejemplo, permite obtener una serie de aleaciones diversas de titanio alternativas que son aptas para; su uso en la industria de consumo con un menor coste final.
Por tanto, la aleación de titanio de la presente invención, que comprende aproximadamente un 1-9% de hierro y un 0,2-3% de cromo en peso con respecto al peso total de la aleación y que se obtiene por pulvimetalurgia a partir de mezcla de polvos de titanio con polvos de aceros inoxidables, presenta menores costes de procesado y de materiales de partida, y mantiene unas propiedades mecánicas similares a las obtenidas en las aleaciones estándar Ti-6Al-4V. Además, al ser obtenida mediante pulvimetalurgia, técnica que proporciona piezas con la forma cercana a la final ("near-neat-shape"), permite el consiguiente ahorro de materia prima y de costes de mecanizado, el cual es... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Aleación de titanio de bajo coste que comprende hierro y cromo como elementos aleantes mayoritarios de composición
caracterizada porque x = 1-9% e y = 0,2-3%, porcentajes expresados en peso respecto al peso total de aleación.
2. Aleación según la reivindicación 1, caracterizada porque la relación en peso Fe/Cr = 1,5-8,5.
3. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque x = 6,4-7% e y = 1-2%, porcentajes expresados en peso respecto al peso total de aleación.
4. Aleación según la reivindicación 3, caracterizada porque comprende los siguientes elementos aleantes en los siguientes porcentajes en peso respecto al peso total de aleación:
5. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende níquel como elemento aleante en una proporción del 0,15%-2% en peso respecto al peso total de aleación.
6. Aleación según la reivindicación 5, caracterizada porque la relación en peso Fe/Ni = 1-20.
7. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizada porque comprende los siguientes aleantes en los siguientes porcentajes en peso respecto al peso total de aleación:
8. Método para la preparación de una aleación de titanio de bajo coste según las reivindicaciones 1-7 mediante pulvimetalurgia, caracterizado porque comprende la etapa de mezclar polvo de titanio con polvo de acero inoxidable en una proporción tal que, en la aleación final, el contenido de hierro sea del 1-9% y el contenido de cromo sea del 0,2-3%, porcentajes expresados en peso respecto al peso total de aleación.
9. Método según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende la etapa de mezclar polvo de titanio con polvo de acero inoxidable en una proporción tal que, en la aleación final, el contenido de hierro sea del 6,4-7% y el contenido de cromo sea del 1-2%, porcentajes expresados en peso respecto al peso total de aleación.
10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 8-9, caracterizado porque comprende la etapa de mezclar polvo de titanio con polvo de acero inoxidable en una proporción tal que, en la aleación final, el contenido de níquel sea del 0,15%-2% en peso respecto al peso total de aleación.
11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque tras la etapa de mezclado del polvo de titanio y del polvo de acero inoxidable comprende las etapas de:
12. Método según la reivindicación 11, caracterizada porque tras la etapa de mezclado del polvo de titanio y del polvo de acero inoxidable comprende las etapas de:
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