Método de fabricación de un producto metálico que tiene una parte de capa superficial nanocristalizada.

Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada,

caracterizán-dose dicho método por comprender los pasos de:

(1) someter una capa superficial de un producto de acero a un tratamiento de impacto ultrasónico haciéndola impactar en una pluralidad de diferentes direcciones usando uno o más penetradores ultrasónicos, en el que dicho uno o más penetradores ultrasónicos vibran en una pluralidad de ángulos diferentes, proporcionando dicho tratamiento de impacto ultrasónico, de dicha capa superficial, granos equiaxiales en dicha capa superficial, luego

(2) someter la capa superficial sometida al tratamiento de impacto ultrasónico a tratamiento térmico, de 100ºC a 500ºC, durante 15 minutos, o más, para originar la precipitación de nanocristales.

Método de fabricación de un producto metálico que tiene una parte de capa superficial nanocristalizada.

La presente se invención se refiere a un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada.

Los productos metálicos son superiores en resistencia y coste, en comparación con otros materiales, de forma que se usan en una diversidad de campos tales como estructuras en mar abierto, barcos, puentes, automóviles, maquinaria industrial, electrodomésticos, equipos médicos, etc. Por lo tanto, los productos metálicos juegan importantes papeles en la industria.

Sin embargo, la ultra-alta resistencia, la resistencia a la fatiga, la resistencia al desgaste, y otras características requeridas para los productos metálicos son características importantes no para los productos metálicos como una masa total, sino en particular para las capas superficiales de los productos metálicos. En muchos casos, no hay necesidad de productos como una masa total para tener tales características.

Por lo tanto, se está haciendo un amplio uso del método de controlar la estructura cristalina de la capa superficial del material metálico para impartir al material diversas propiedades superiores. Hasta ahora, se han creado una sucesión de materiales superiores con la introducción de cada nuevo procedimiento para el control de la estructura cristalina. También en el futuro, hay una posibilidad de que se creen materiales mucho más superiores debido a la introducción de nuevos procedimientos.

En los últimos años, se ha hecho posible refinar las estructuras cristalinas de los materiales metálicos hasta un tamaño del nivel de un nanómetro (nm, 10-9 m) (por ejemplo, refinado hasta menos de 100 nm) , es decir, conseguir una estructura de nanocristales para obtener superiores propiedades que no se podían conseguir en el pasado, por ejemplo una ultra-alta resistencia.

Como un método para obtener un material metálico que tenga una estructura nanocristalina, se conoce el método de hacer amorfo antes el material metálico y luego convertirlo desde un estado amorfo a un estado cristalino para obtener una estructura nanocristalina.

Como método de hacer amorfo un material metálico, se puede usar el método de enfriamiento rápido, a alta velocidad, de la masa fundida de los materiales metálicos, la deposición por bombardeo iónico, u otros métodos.

Si al hacer la configuración atómica de un material metálico amorfo se obtienen propiedades únicas, no obtenibles por un metal cristalino, se puede obtener un material metálico que tenga alta resistencia, resistencia a la corrosión, alta permeablidad magnética, y otras propiedades superiores.

Tratando térmicamente semejante material metálico amorfo a una baja temperatura, es posible hacer que precipiten cristales finos de tamaño del orden de nanómetros (nm, 10-9 m) , o sea, nanocristales. Además, es posible obtener un material metálico que exhiba propiedades superiores a las de un metal amorfo, por ejemplo, un material metálico que exhiba ultra-alta resistencia o un material metálico superior en características magnéticas (por ejemplo, véase el documento JP-A-1-110707 o la Patente japonesa Nº 1944370) .

El método de hacer amorfo un material metálico y luego tratarlo térmicamente a una baja temperatura para originar que los nanocristales precipiten de esta forma, se tomará nota de que constituye un método para impartir a un material metálico propiedades superiores y funciones que no se pueden conseguir con métodos convencionales.

Sin embargo, al proporcionar materiales metálicos haciendo uso de este método para su uso real, se han presentado los problemas explicados a continuación.

En primer lugar, como métodos para obtener materiales metálicos en estado amorfo, está el método de enfriamiento rápido, a alta velocidad, de la masa fundida del material metálico y el método de deposición por bombardeo iónico, pero estos métodos implican deposición o enfriamiento rápido a alta velocidad, de forma que hay restricciones muy importantes sobre la forma y las dimensiones, y ha sido difícil la aplicación a la producción de artículos conformados, estructuras y productos metálicos de formas generales.

Además, el método de hacer amorfo un material metálico y originar que precipiten nanocristales, además de los métodos anteriormente mencionados, se conoce el siguiente método.

O sea, es posible tratar un polvo de un material metálico mediante un molino de bolas, etc., luego endurecer por acritud la superficie del material para hacer amorfo el material, luego tratar térmicamente el material para obtener un material metálico con nanocristales precipitados.

El polvo metálico así producido se puede usar no solamente como un polvo de aleación de un metal amorfo como tal, sino que también se puede conformar bajo presión y usarse como artículos con formas determinadas, estructuras, y productos metálicos de formas generales.

Se hace necesario conformar bajo presión este polvo, a una temperatura elevada, para obtener un artículo con una determinada forma que tenga suficiente resistencia para este fin, o soldar tales artículos con una determinada forma para fabricar una estructura deseada.

Sin embargo, si el polvo de aleación de un metal amorfo experimenta un proceso a temperatura elevada, el polvo perderá su estructura nanocristalina y cambiará a una estructura de cristales grandes. Por lo tanto, no era posible obtener un artículo con una determinada forma, estructura, o producto metálico, haciendo uso de las características de una estructura nanaocristalina a partir de un polvo metálico con nanocristales precipitados.

Hay que indicar que, por ejemplo, la memoria descriptiva de la Patente de EE.UU. Nº 6.171.415 describe un método para hacer una modificación de la resistencia a la fatiga aplicando vibración por ultrasonidos en la zona de la unión soldada, pero no describe la aplicación de vibración por ultrasonidos a la capa superficial de un producto metálico para hacerla nanocristalina.

El documento WO 02/10462 A1 describe un método para la nanocristalización de la superficie mediante granallado ultrasónico que comprende los pasos de proyectar una determinada cantidad de bolas perfectamente esféricas de determinadas dimensiones mientras que se vuelven a usar constantemente las bolas en el transcurso de un determinado tiempo, con una velocidad determinada, a una distancia determinada y bajo un ángulo de incidencia variable en el mismo punto de impacto, con o sin calentamiento.

N.R. Tao y colaboradores, “Surface nanocr y stallization of iron induced by ultrasonic shot peening” (nanocristalización superficial del hierro inducido por granallado ultrasónico) , Nanostructured Materials, vol. 11, Nº 4, páginas 433-440, describe un método de realizar la nanocristalización superficial mediante granallado ultrasónico.

La presente invención tiene como su objeto resolver los problemas anteriormente mencionados de la técnica anterior y proporcionar un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada.

La presente invención se hizo como resultado del intenso estudio para resolver los anteriores problemas y proporciona un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, hecha nanocristalina sometiendo la capa superficial del producto de acero a un tratamiento de impacto ultrasónico, impactando mediante un penetrador ulrasónico para endurecer por acritud la capa superficial, tratando luego ésta térmicamente a baja temperatura.

El objeto anterior se puede conseguir mediante las características definidas en las reivindicaciones.

En la presente invención, el “producto de acero” incluye no solo puentes, edificios, y otras denominadas estructuras de acero, sino también, placas de acero

Además, “nanocristal” quiere decir cristales finos, de un tamaño del orden de nanómetros, o ser un tamaño de 10-9

m. El intervalo del tamaño de grano es, a partir de las propiedades mostradas, un tamaño medio de grano de 1 a 100 nm, más preferible de 3 a 30 nm,

La invención se describe con detalle junto con los dibujos, en los que:

La Figura 1 es una vista de una primera realización... [Seguir leyendo]

1. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, caracterizándose dicho método por comprender los pasos de:

(1) someter una capa superficial de un producto de acero a un tratamiento de impacto ultrasónico haciéndola impactar en una pluralidad de diferentes direcciones usando uno o más penetradores ultrasónicos, en el que dicho uno o más penetradores ultrasónicos vibran en una pluralidad de ángulos diferentes, proporcionando dicho tratamiento de impacto ultrasónico, de dicha capa superficial, granos equiaxiales en dicha capa superficial, luego

(2) someter la capa superficial sometida al tratamiento de impacto ultrasónico a tratamiento térmico, de 100ºC a 500ºC, durante 15 minutos, o más, para originar la precipitación de nanocristales.

2. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en la reivindicación 1, caracterizado porque dicho tratamiento de impacto ultrasónico produce un estado amorfo en dicha capa superficial.

3. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dicho tratamiento de impacto ultrasónico va acompañado de la formación mecánica de una aleación.

4. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por hacer que estén presentes a la vez una fase amoría y una fase nanocristalina en la precipitación de dichos nanocristales.

5. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por proteger del aire los alrededores en el momento de dicho tratamiento de impacto ultrasónico.

6. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho uno o más penetradores comprende tres penetradores ultrasónicos, y al menos uno de los penetradores está dispuesto para proporcionar un ángulo incidente con respecto a la capa superficial del producto de acero de 30 grados o más.

7. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho uno o más penetradores comprende tres penetradores ultrasónicos, y en el que los tres penetradores ultrasónicos estas dispuestos a 120 grados uno del otro.

8. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en las reivindicaciones 6 ó 7, en el que las ondas de vibración de los penetradores están desplazadas 1/3 de periodo una de otra.

9. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que se hace vibrar simultáneamente uno o más de los penetradores en la dirección vertical o en la horizontal.

10. Un método de producción de un producto de acero con una capa superficial nanocristalizada, como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho tratamiento de impacto ultrasónico consiste en hacer impactar sobre dicha superficie en una pluralidad de diferentes direcciones usando un penetrador para girar o sacudir.

11. Un método de producción de un producto de acero, con una capa superficial nanocristalizada como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que se hace que la temperatura del tratamiento de impacto ultrasónico sea una temperatura inferior a la temperatura de recristalización del producto de acero.