DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE UTILIZACIÓN DEL MISMO PARA LA INFILTRACIÓN DE PREFORMAS POROSAS CON METALES LÍQUIDOS DE ALTA PRESIÓN DE VAPOR.

Dispositivo y procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor,

siendo ésta superior a 10-3 mm Hg, que se monta en el interior de una cámara de infiltración convencional y comprende una preforma porosa, un crisol de infiltración que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infiltrado en la misma mediante presurización por gas, un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando así el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201132061.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE ALICANTE.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: LOUIS CERECEDA, ENRIQUE, NARCISO ROMERO,FRANCISCO JAVIER, MOLINA JORDA,JOSE MIGUEL, PRIETO ALFONZO,Richard José.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B22D19/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B22 FUNDICION; METALURGIA DE POLVOS METALICOS.B22D COLADA DE METALES; COLADA DE OTRAS MATERIAS POR LOS MISMOS PROCEDIMIENTOS O CON LOS MISMOS DISPOSITIVOS (trabajo de materias plásticas o sustancias en estado plástico B29C; tratamientos metalúrgicos, empleo de sustancias específicas que se añaden al metal C21, C22). › Colada en, sobre o alrededor de objetos que forman parte del producto final (B22D 23/04 tiene prioridad; soldadura aluminotérmica B23K 23/00; revestimiento por colada de material fundido sobre un sustrato C23C 6/00).
  • C04B41/51 QUIMICA; METALURGIA.C04 CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS; REFRACTARIOS.C04B LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES, p. ej. MORTEROS, HORMIGON O MATERIALES DE CONSTRUCCION SIMILARES; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS (vitrocerámicas desvitrificadas C03C 10/00 ); REFRACTARIOS (aleaciones basadas en metales refractarios C22C ); TRATAMIENTO DE LA PIEDRA NATURAL. › C04B 41/00 Postratamiento de morteros, hormigón, piedra artificial; Tratamiento de la piedra natural (vidriados distintos a los vidirados en frio C03C 8/00). › Metalización.
  • C22C1/10 C […] › C22 METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO DE ALEACIONES O METALES NO FERROSOS.C22C ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F). › C22C 1/00 Fabricación de aleaciones no ferrosas (por electrotermia C22B 4/00; por electrólisis C25C). › Aleaciones que contienen elementos no metálicos (C22C 1/08 tienen prioridad).
DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE UTILIZACIÓN DEL MISMO PARA LA INFILTRACIÓN DE PREFORMAS POROSAS CON METALES LÍQUIDOS DE ALTA PRESIÓN DE VAPOR.

Fragmento de la descripción:

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE UTILIZACIÓN DEL MISMO PARA LA INFILTRACIÓN DE PREFORMAS POROSAS CON METALES LÍQUIDOS DE ALTA PRESIÓN DE VAPOR

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se engloba en el campo de los materiales compuestos de matriz metálica.

Dicha invención es un dispositivo y el procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg, que se monta en el interior de una cámara de infiltración convencional y comprende una preforma porosa, un crisol de infiltración que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infi·ltrado en la misma mediante presurización por gas, un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando así el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los materiales compuestos de matriz metálica se conocen desde hace más de 4 O años. Desde entonces han sido muchos los materiales fabricados, así como también han ido en creciente desarrollo las tecnologías para fabricarlos.

Las tecnologías que se han desarrollado se han adaptado a las características del material que se pretendía fabricar, en función del tipo de matriz y refuerzo, fracción y morfología del refuerzo, compatibilidad físico-química de los componentes, etc.

En la patente US3547180 se expone un dispositivo para fabricar materiales compuestos por infiltración de gas. Otras descripciones generales de distintos dispositivos se pueden encontrar en la siguiente documentación:

D. Hull, T.W. Clyne, "An Introduction to Composite Materials" Cambridge Universty Press, segunda edición, 280 (1996) ; K.K. Chawla, "Composite Materials" Springer, segunda edición, 168 (1998) ; R. Asthana, "Solidification Processing of Reinforced Metals" Trans. Tech. Publications, 6 (1998) .

La gran variedad de tecnologías desarrolladas se basa en los distintos métodos en los que un refuerzo discreto, por ej emplo partículas, fibras, etc., puede combinarse con un metal para consolidar un material con propiedades finales modificadas.

Así, las diferentes tecnologías hacen uso de las

técnicas de infiltración, "compo-casting", "spray depo

sition", etc. De todas las tecnologías desarrolladas,

sólo la infiltración ha adquirido importancia indus

trial.

Las técnicas para la infiltración son también muy variadas: infiltración por presión de gas, infiltración por presión mecánica, la técnica conocida como "drain casting", etc.

En particular, la infiltración a baja presión o presión de gas presenta muchas ventajas con respecto al

resto y es por ello que ha sido objeto, con mucha dife

rencia, de un desarrollo extraordinario en los últimos

años.

5 La mayoría de las diversas tecnologías desarro

lladas y patentadas por empresas y laboratorios durante

los 25 últimos años se han basado en la técnica de

infiltración por gas a baja presión.

10 En todas ellas participan los siguientes elemen

tos comunes:

a) preforma porosa que será infiltrada por el

metal y que puede fabricarse de muy distintas maneras;

b) contenedor con el metal líquido;

15 c) recipiente a presión donde se colocan la pre

forma porosa y el metal líquido, produciéndose la infil

tración por entrada de gas presurizado.

La disposición de los componentes y la realiza

2 O ción del proceso de infiltración han sido y son obj eto

de distintas patentes.

El método más habitual de realizar el proceso de

infiltración es el siguiente:

25 a) se hace vacío a la preforma; en algunos casos

cuando se hace vacío a la preforma también se realiza en

todo el conjunto;

b) se calienta tanto la preforma corno el metal;

en algunos casos ambas se encuentran a la misma tempera

30 tura y en otros la preforma se encuentra a una tempera

tura inferior a la del metal;

c) se funde el metal y se pone en contacto con

la preforma; en algunos dispositivos el metal fluye por

sí solo hasta hacer contacto con la preforma y en otros

35 dispositivos el metal necesita de un esfuerzo mecánico o

hidráulico hasta llegar al receptáculo donde se encuen

tra la preforma;

d) se aplica presión al metal líquido para que

éste penetre en la estructura porosa de la preforma y

5 luego se enfría de manera direccional o multidireccional

el crisol que contiene el material compuesto así fabri

cado.

Las distintas patentes que protegen estos desa

lO rrollos tecnológicos cubren diferentes dispositivos

experimentales y métodos para la fabricación de materia

les compuestos de matriz metálica en los que el metal se

ha elegido de entre los más comúnmente utilizados en

industria para fines diversos.

15

Así, por ejemplo, se tiene que la patente de

US3547180 cubre exclusivamente el metal aluminio (Al) .

Sin embargo, debido al creciente número de apli

20 caciones que se han derivado de los materiales compues

tos se ha visto la necesidad de proteger metales como

plata (Ag) , cobre (Cu) o magnesio (Mg) , como se cita en

las patentes PCT/ES2008/000146, US20080050589,

US6355340, US5511603, US6599466 y US5672433.

25

En particular el Mg ha adquirido una gran rele

vancia debido a su baj a densidad y a sus propiedades

mecánicas y termomecánicas. En todas estas patentes la

variedad de refuerzos protegidos es notable; si bien en

30 todos los casos citados se utiliza el Mg y la técnica de

infiltración son muy pocos los casos en los que se

aporta un ejemplo de fabricación de un material compues

to con este metal.

35 Esto es debido a que los dispositivos protegidos

están adaptados a la fabricación de materiales compuestos con Al pero no tienen en cuenta las particularidades del Mg que hacen que su fabricación mediante la técnica de infiltración con estos dispositivos sea impracticable.

El Mg, así como otros muchos metales, tiene la peculiaridad de tener una elevada presión de vapor. Además, en estado líquido adquiere una elevada reactividad, pudiendo reaccionar violentamente con el oxígeno y el vapor de agua del ambiente. Estas características hacen que el Mg y los metales con propiedades similares no puedan ser procesados en atmósferas oxidantes o de vacío y necesitan tecnologías específicamente adaptadas.

Estas consideraciones han sido en muchos casos directamente obviadas, pudiéndose demostrar que experimentalmente es imposible la fabricación de materiales compuestos de matriz de Mg (y por extensión, de metales con elevada presión de vapor y/o con elevada afinidad por el oxígeno en estado líquido) con las tecnologías patentadas.

Por ejemplo, el dispositivo de molde abierto que se propone en U85672433 para el trabajo con Mg resulta inviable tal y como está protegido, ya que no evita que el Mg en estado líquido esté en contacto con el aire. En otros casos, estos problemas han sido minimizados al proponerse la manipulación de la atmósfera de infiltración en dos etapas:

i) en una primera etapa se hace vacío y se mantiene hasta la fusión del metal;

ii) en una segunda etapa se aplica una presión determinada con un gas inerte o protector, cuyo uso en muchos casos está regulado debido a que están clasifica

dos como gases de efecto invernadero.

El problema que presenta este método es que es imposible evitar una evaporación considerable de los metales de elevada presión de vapor durante el tiempo que transcurre entre su fusión y la aplicación del gas

inerte. Una consecuencia de esto es la pérdida de un

volumen importante de metal (lo cual imposibilita su

infiltración) y los graves deterioros que ocasiona su

deposición en las partes más frías del equipo de infiltración.

El uso de los dispositivos anteriores para la infiltración de aleaciones que contienen elementos aleantes de elevada presión de vapor presenta los mismos problemas. En estos casos son las especies más volátiles las que más rápidamente se vaporizan y depositan en los componentes de los dispositivos que trabaj an a menor temperatura. Por poner un ej emplo, es común cuando se trabaja con aleaciones de Al-Mg encontrar depósitos metálicos ricos en Mg en las paredes de la cámara de infiltración, tubos de aplicación de vacío y terminales eléctricos.

...

 


Reivindicaciones:

l. Dispositivo (1) para la infiltración de pre

formas porosas con metales líquidos de alta presión de

vapor, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg, que comprende

distintos elementos: una preforma porosa (2) , un crisol de infiltración (3) que alberga a su vez dicha preforma porosa (2) y el metal líquido (4) que será infiltrado en la misma produciéndose la infiltración mediante gas presurizado caracterizado porque comprende un crisol de saturación (5) dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración (3) cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada (6) .

2. - Dispositivo según la reivindicación 1 en el que cubriendo al crisol de saturación (5) se dispone una capucha de aislamiento térmico.

3. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el material del que está hecho el crisol de infiltración (3) está seleccionado del siguiente grupo: acero comercial, grafito, cerámica de alta densidad del tipo A1203 o Si02.

4. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el material del que está hecho el crisol de saturación (5) está seleccionado del siguiente grupo: acero comercial, grafito, cerámica de alta densidad del tipo A1203 o Si02.

5. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el material de que está hecha la capucha de aislamiento térmico está seleccionado del siguiente grupo: cerámica de alta o baja densidad del tipo A1203 o Si02, cerámica de base A1203 o Si02 de textu

ra porosa y de alta capacidad de mecanizado.

6. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que los metales líquidos de alta presión de

7. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el crisol de infiltración (3) es de base plana.

8. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el crisol de saturación (5) es de base plana o semiesférica.

9. - Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el crisol de saturación (5) tiene un contorno preferentemente adaptable en ±O. 1mm al crisol de infiltración (3) .

vapor se seleccionan del siguiente grupo de metales

puros o aleaciones que los pueden contener: Sr, Ca, Pb,

Zn, Mg, Mn y Cr.

10. Procedimiento de utilización del dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a. disposición de la preforma porosa (2) en el interior del crisol de infiltración (3) , y del metal líquido infiltrante (4) en su parte superior por encima de dicha preforma porosa

(2) ,

b. disposición del crisol de saturación (5) invertido cubriendo el crisol de infiltración

(3) con la función de crear una cámara de saturación cerrada (6) para lograr la saturación del vapor metálico,

c. aplicación de vacío a dicho dispositivo (1)

hasta un valor por debajo de 50 mbar,

d. aumento de la temperatura del dispositivo (1) hasta al menos la temperatura de fusión del metal,

e. aumento de la presión interior de la cámara de saturación cerrada (6) del dispositivo (1) mediante la aplicación de gas presurizado a la máquina de infiltración donde esté instalado el dispositivo (1) para forzar al metal líqui

do a infiltrar en el interior de la preforma porosa (2) ,

f. solidificación del metal líquido.

11. Procedimiento, según la reivindicación 10 en el que entre las etapas c y d se añade otra etapa que consiste en la aplicación de un gas inerte en la cámara de saturación cerrada (6) hasta una presión inferior a la de infiltración del medio poroso con objeto de evitar la posterior evaporación del metal por efecto del vacío.

1~ 3

Fig.1


 

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