ARTÍCULO QUE COMPRENDE UN MATERIAL METÁLICO DE GRANO FINO Y UN MATERIAL POLIMÉRICO.

Un artículo que comprende: a) un sustrato permanente que comprende un material polimérico;

y b) un recubrimiento de material metálico de grano fino que tiene un tamaño medio de grano entre 2 nm y 750 nm, un espesor entre 25 micrones y 5 mm, una dureza entre 200 VHN y 3.000 VHN, cubriendo dicho material metálico de grano fino por lo menos una parte de dicho sustrato permanente.

Artículo que comprende un material metálico de grano fino y un material polimérico.

Referencia cruzada a la solicitud relacionada Ésta es una continuación en parte de la solicitud U.S. nº 11/013.456, depositada el 17 de diciembre de 2004.

Campo de la invención Esta invención se refiere a la aplicación de composites de matriz de metal, aleaciones de metales o metales de grano fino (promedio de tamaño de grano 2 nm a 750 nm) gruesos (>25 µm) , con gran resistencia específica, dureza y resiliencia (>0, 25 MPa) a sustratos poliméricos para lograr una carcasa estructural. Artículos hechos según la invención encuentran uso en una variedad de aplicaciones donde el uso de la carcasa estructural de alta resistencia en un polímero o sustrato composite permite un ahorro de peso considerable. Las aplicaciones incluyen componentes de automóvil, piezas aeroespaciales, piezas de defensa, productos de consumo, componentes médicos y artículos deportivos. Piezas industriales adecuadas incluyen, entre otros, tubos o ejes utilizados, p. ej., en artículos deportivos como bastones de esquí y senderismo, cañas de pescar, ejes de palos de golf, palos de hockey, palos de lacrosse, bates de softbol/béisbol, cuadros de bicicleta, cuchillas de patines, snowboards; placas como placas frontales de la cabeza del palo de golf; así como formas complejas como raquetas de deporte (tenis, racquetball, squash y similares) , cabezas de palos de golf, los parachoques del automóvil; pedales de freno, acelerador o embrague; distribuidores de combustible; estribos; spoilers; puntas de silenciador, ruedas, chasis de vehículo, soportes estructurales y similares. Las piezas están por lo menos parcialmente recubiertas con dichos materiales metálicos de grano fino.

La invención también se refiere a la deposición de materiales metálicos de grano fino directamente sobre sustratos adecuados como ejes cilíndricos, cónicos o ahusados. De manera alternativa, las láminas o placas metálicas de grano fino y similares pueden conformarse y posteriormente aplicarse utilizando adhesivos a sustratos adecuados para producir componentes fuertes, dúctiles y ligeros que requieren un alto módulo de resiliencia, un alto coeficiente de restitución y una gran rigidez a la torsión.

Antecedentes de la Invención Una variedad de aplicaciones requieren que los artículos sean fuertes, resistentes al desgaste, ligeros y que muestren alta resistencia específica, alta resistencia al impacto y gran rigidez a la flexión mientras siguen fabricándose mediante un procedimiento conveniente y rentable.

(2: PROCESOS DE RECUBRIMIENTO METÁLICO)

Se conocen una serie de técnicas de deposición metálica que incluyen procesos electrolíticos, de deposición no electrolítica y de pintura en polvo para aplicar recubrimientos metálicos a superficies de diversos artículos como artículos deportivos, artículos para automóviles y similares.

(2.1. RECUBRIMIENTO NO ELECTROLÍTICO)

Los procesos de recubrimiento no electrolítico se utilizan comercialmente en especial para el Ni, Cu y Ag. Las velocidades de deposición por recubrimiento no electrolítico son bajas, por lo general 0, 25 mil/h (6, 35 µm/h) a 0, 5 mil/h (12, 7 µm/h) y producen una microestructura amorfa. Los valores de espesor del recubrimiento típicos para los procesos de deposición no electrolítica son mucho menores que 1 mil (25 µm) y se aplican principalmente para mejorar la apariencia, o mejorar la resistencia a la corrosión y al rayado. Leibowitz en US 3.597.266 (1971) describe un proceso de niquelado químico popular.

(2.2. ELECTRODEPOSICIÓN CONVENCIONAL)

Se conocen una variedad de procesos de electrodeposición para depositar recubrimientos metálicos de grano grueso convencionales sobre sustratos a velocidades de deposición que por lo general superan 1 mil/h (25 µm/h) y están comercialmente disponibles para una serie de elementos químicos que incluyen Cu, Co, Ni, Cr, Sn, Zn. En el caso de recubrimientos galvánicos es bien conocido que después de haber hecho crecer la capa hasta un espesor de aproximadamente 5-10 µm, ésta tiende a volverse altamente granulosa y crece de manera que los granos columnares alargados y anisótropos predominan con anchos de grano típicos de unos pocos micrones y unas longitudes de grano de decenas de micrones. Recubrimientos finos de la técnica anterior aplicados por procesos de electrodeposición convencionales presentan tamaños de grano medio convencionales (≥ 10 µm) y no mejorar significativamente las propiedades mecánicas globales del artículo recubierto, por lo que no proporcionan una carcasa estructural.

Donovan en US 6.468.672 (2002) divulga un proceso para formar un cromado decorativo con buenas características de ciclado térmico y de resistencia a la corrosión en un sustrato de plástico depositando en primer lugar un recubrimiento eléctricamente conductor en el sustrato de plástico seguido de electrodeposición de una capa de niquelado semibrillante de alta nivelación, seguido de electrodeposición de una capa de niquelado brillante, y finalmente seguido de electrodeposición de una capa de cromo.

(2.3: ELECTRODEPOSICIÓN DE GRANO FINO)

Recientemente se ha reconocido que una reducción sustantiva del tamaño medio de grano mejora mucho las propiedades físicas, químicas y mecánicas seleccionadas de los materiales metálicos. Por ejemplo, en el caso del níquel, la resistencia máxima a la tracción aumenta de 400 MPa (para tamaños de grano convencionales superiores a 5 µm) a 1.000 MPa (tamaño de grano de 100 nm) y finalmente a más de 2.000 MPa (tamaño de grano de 10 nm) . De manera similar, la dureza del níquel aumenta de 140 VHN (para tamaños de grano convencionales superiores a 5 µm) a 300 VHN (tamaño de grano de 100 nm) y finalmente a 650 VHN (tamaño de grano de 10 nm) . En la técnica anterior se conocen materiales metálicos de grano fino depositados electrolíticamente con características mejoradas de durabilidad y rendimiento que incluyen:

Erb en US 5.352.266 (1994) , y US 5.433.797 (1995) , cedidas al solicitante de esta solicitud, describe un proceso para producir materiales metálicos nanocristalinos, concretamente níquel nanocristalino con un tamaño medio de grano inferior a 100 nm utilizando electrodeposición por impulsos y una célula electrolítica acuosa. Productos de la invención incluyen materiales magnéticos y recubrimientos resistentes al desgaste.

Palumbo DE 10.288.323 (2005) (= WO2004/00110 A1 2002) también cedida al solicitante de esta solicitud, describe un proceso para la formación de recubrimientos o depósitos independientes de composites de matriz de metal, aleaciones de metales o metales nanocristalinos. El proceso emplea procesos en tanque, tambor o de electrodeposición selectiva. También se describen microcomponentes y composites de matriz de metal nanocristalinos novedosos.

J.L. McCrea et al. en Rev. Adv. Mater. Sci. 5 (2003) 252-258 describe las propiedades y aplicaciones de aleaciones de Fe-Ni nanocristalinas electrodepositadas. El documento trata del uso de aleaciones de Fe-Ni nanoestructuradas como materiales de recubrimiento para proporcionar mayor solidez y resistencia al desgaste así como buenas propiedades magnéticas suaves de la aleación sin detrimento del coeficiente de dilatación térmica. Este compromiso es especialmente importante en electrónica y en aplicaciones en las que las propiedades magnéticas de los materiales son esenciales en combinación con la durabilidad y la resistencia superficial.

(2.4: PROCESOS ALTERNATIVOS DE RECUBRIMIENTO DE GRANO FINO)

Diversas patentes describen procesos de pulverización en polvo a baja temperatura para la preparación de recubrimientos metálicos.

Alkhimov en US 5.302.414 (1991) describe un procedimiento de pulverización dinámica de gas frío para aplicar un recubrimiento a un artículo introduciendo polvos de metal o de una aleación de metales, polvos de polímero o mezclas mecánicas de los mismos en un flujo de gas. El gas y las partículas (intervalo de tamaño medio de partícula: 1 a 50 micrones) forma un chorro supersónico (velocidad: 300 a 1.200 m/seg) a una temperatura considerablemente inferior a la temperatura de fusión del material en polvo. El chorro se dirige contra un artículo de un metal, una aleación o dieléctrico, recubriendo así el artículo con las partículas.

Tapphorn en US 6.915.964 (2005) describe un proceso de pulverización para formar recubrimientos por deposición en... [Seguir leyendo]

1. Un artículo que comprende:

a) un sustrato permanente que comprende un material polimérico; y b) un recubrimiento de material metálico de grano fino que tiene un tamaño medio de grano entre 2 nm y 750 nm, un espesor entre 25 micrones y 5 mm, una dureza entre 200 VHN y 3.000 VHN, cubriendo dicho material metálico de grano fino por lo menos una parte de dicho sustrato permanente.

2. Un artículo según la reivindicación 1, en el que dicha superficie de dicho sustrato permanente que será cubierto por dicho material metálico de grano fino tiene una rugosidad superficial media en el intervalo de Ra=0, 25µm y Ra=25µm.

3. Un artículo según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho recubrimiento metálico de grano fino se selecciona del grupo de:

i) un metal puro seleccionado del grupo que consiste en Ag, Al, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Sn, Fe, Pt, Ti, W, Zn y Zr, ii) una aleación que contiene por lo menos dos elementos seleccionados de entre Ag, Al, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Sn, Fe, Pt, Ti, W, Zn yZr; iii) un metal puro seleccionado del grupo de Ag, Al, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Sn, Fe, Pt, Ti, W, Zn y Zr y aleaciones que contienen por lo menos dos de ellos, que contiene adicionalmente por lo menos un elemento seleccionado de entre B, C, Mo, Mn, P, S, Si, Pb, Pd, Rh, Ru, Sn y V; iv) cualquiera de (i) , (ii) o (iii) donde dicho recubrimiento metálico también contiene adiciones de partículas en la fracción de volumen entre 0 y 95% en volumen.

4. Un artículo según la reivindicación 3, en el que dicho recubrimiento metálico también contiene adición de partículas y dicha adición de partículas es uno o más materiales seleccionados del grupo de metales (Ag, Al, Cu, In, Mg, Si, Sn, Pt, Ti, V, W, Zn) ; óxidos metálicos (Ag2O, Al2O3, SiO2, SnO2, TiO2, ZnO) ; nitruros de Al, B, Si y Ti, carburos de B, Cr, Bi, Si, Ti, W; MoS2; carbono (nanotubos de carbono, diamante, grafito, fibras de grafito) ; cerámica, vidrio; y materiales polímero (PTFE, PVC, PE, PP, ABS, resinas epoxi) .

5. Un artículo según la reivindicación 1, en el que dicho sustrato permanente es un material polimérico seleccionado del grupo de materiales polímero rellenos o no rellenos seleccionados del grupo de composites de resina epoxi, poliamida, poliamida rellena de vidrio, poliéster, politalamida, polipropileno, policarbonato, cloruro de polivinilo (PVC) , poliolefinas termoplásticas (TPOs) , policarbonato y acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) que contienen opcionalmente rellenos seleccionados del grupo de vidrio, fibras de vidrio, carbono, nanotubos de carbono, grafito, fibras de grafito, metales, aleaciones de metales, cerámica y rellenos minerales como el talco, silicato de calcio, sílice, carbonato de calcio, alúmina, óxido de titanio, ferrita, y silicatos mixtos.

6. Un artículo según la reivindicación 1, en el que la capa metálica de grano fino se deposita por electrodeposición, deposición física en fase de vapor (PVD) , deposición química en fase de vapor (CVD) y técnicas de pulverización en frío que incluyen la metalización cinética.

7. Un artículo según la reivindicación 1, en el que dicho recubrimiento metálico de grano fino tiene un límite de elasticidad de por lo menos 300 MPa.

8. Un artículo según la reivindicación 1 que contiene una capa conductora intermedia entre dicho material metálico y dicho sustrato polimérico.

9. Un artículo según la reivindicación 8, donde la capa conductora intermedia comprende una capa metálica constituida por Ag, Ni o Cu o una combinación de dos o todos ellos, y donde la capa conductora intermedia se deposita por deposición no electrolítica, pulverización iónica, pulverización térmica, deposición química en fase de vapor, pulverización con reducción química, deposición física en fase de vapor o por dos o más de ellas.

10. Un artículo según la reivindicación 8, donde la capa conductora intermedia comprende un material polimérico con partículas conductores en el mismo.

11. Un artículo según la reivindicación 10, donde la capa conductora intermedia es una pintura conductora o un epoxi conductor.

12. Un artículo según la reivindicación 10, donde las partículas conductoras contienen o están compuestas por Ag, Ni o Cu o grafito u otro carbono conductor o una combinación de dos o más de ellos.

13. Un artículo según la reivindicación 8, que comprende un material adhesivo polimérico.

14. Un artículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que dicho artículo es un componente o una pieza de un automóvil, aeroespacial, equipo deportivo, aplicación de fabricación o industrial.

15. Un artículo según la reivindicación 14 seleccionado del grupo que consiste en ejes de palo de golf y cabezas de palo de golf, cañas de pescar, flechas, palos de hockey, bates de béisbol, raquetas de tenis, cuchillas de patines, snowboards, cuadros de bicicleta, casquillos de munición, parachoques, pedales de freno y estribos.

16. Un eje de palo de golf según la reivindicación 15 hecho de un material polimérico que contiene grafito, en el que dicho material metálico de grano fino contiene por lo menos un metal seleccionado del grupo de Ni, Co y Fe.

17. Un casquillo de munición según la reivindicación 15, en el que dicho material metálico de grano fino contiene por lo menos un metal seleccionado del grupo de Ni, Co y Fe.

18. Un artículo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicho artículo tiene una estructura tubular y dicho material metálico de grano fino se extiende por lo menos sobre parte de la superficie interior o exterior de dicha estructura tubular.

19. Un artículo según la reivindicación 18 seleccionado del grupo de eje del palo de golf, eje de flecha, casquillo de cartucho, bate de béisbol, caña de pescar, bastones de esquí, bastones de senderismo y piezas de bicicleta.

20. Un artículo según la reivindicación 18, en el que dicho sustrato comprende un material polimérico que contiene un relleno seleccionado del grupo que consiste en grafito, fibras de grafito, carbono, fibras de carbono y nanotubos de carbono.

21. Un artículo según la reivindicación 18, que tiene un recubrimiento metálico de grano fino con una dureza superior a 500 VHN y una relación entre el espesor de la pared y el tamaño de grano superior a 10.

22. Un artículo según la reivindicación 1 que tiene un recubrimiento de material metálico de grano fino sobre un sustrato que contiene grafito/fibras de carbono embebidas en epoxi, en el que el peso del material metálico de grano fino está entre el 5 y el 95% del peso total del artículo.

23. Un artículo según la reivindicación 1, en el que dicho material metálico de grano fino es una aleación basada en Ni, Co o Fe y el sustrato comprende grafito/ fibras de carbono embebidas en resina epoxi.

24. Un artículo según la reivindicación 22 ó 23, en el que dicho artículo es un palo de golf, eje de flecha, casquillo de cartucho de munición, bate de béisbol, caña de pescar, un bastón de esquí, un bastón de senderismo; un molde, componente de molde o pieza de mecanizado; o una pieza de automóvil o de bicicleta.