Material compuesto constituido por una matriz metálica en la cual están repartidas nanopartículas filosilicatadas laminares sintéticas.

Material compuesto que comprende una matriz metálica en cuyo seno están repartidas partículas minerales filosilicatadas laminares,

caracterizado por el hecho de que las partículas minerales filosilicatadas laminares son partículas llamadas nanopartículas filosilicatadas sintéticas, minerales silico/germano-metálicas laminares sintéticas hidrofílicas que presentan una dimensión media comprendida entre 10 nm y 1 μm.

Material compuesto constituido por una matriz metálica en la cual están repartidas nanopartículas filosilicatadas laminares sintéticas [0001] La invención se refiere a un material compuesto, a su utilización como revestimiento metálico lubricante, y a un procedimiento para su elaboración.

En numerosos terrenos industriales tales como, por ejemplo, el transporte, la conéctica o el armamento, se utilizan conjuntos mecánicos en los cuales hay piezas en contacto que están en movimiento unas con respecto a otras. En muchos casos es deseable tratar las superficies de las piezas que están en contacto a fin de conferirles, además de sus propiedades de base, propiedades lubricantes estables a las temperaturas elevadas, a fin de aumentar la longevidad y la fiabilidad de los conjuntos mecánicos en los cuales hay superficies en contacto.

Es conocida la técnica de depositar revestimientos compuestos lubricantes por procedimientos electrolíticos, ya sea por vía química (procedimiento “electroless”) (“electroless” = “no eléctrico”) o bien por vía electroquímica. Un procedimiento de codeposición llamado “electroless” sobre un sustrato es un procedimiento que consiste en incorporar

partículas a lo largo del proceso de crecimiento de un metal o de una aleación por oxidorreducción catalizada. Un procedimiento de codeposición por vía electroquímica consiste en incorporar partículas a lo largo del proceso de crecimiento de un metal o de una aleación sobre un sustrato a revestir, a partir de un electrólito en una célula de electrólisis.

Por ejemplo es conocida por X. Hu et al. (Plating and surface finishing, marzo de 1997) la deposición de un revestimiento lubricante de PTFE en una matriz metálica a base de níquel por un procedimiento “electroless” a partir de una suspensión de PTFE en una solución de precursor de níquel. Pero los revestimientos de esta naturaleza no son estables, siendo el PTFE destruido a temperaturas superiores a 300ºC. La elaboración de depósitos antifricción de NiP que incorporan nanopartículas minerales de fullereno-WS2 por un procedimiento “electroless” está descrita en particular por W. X. Chen et al. [Advanced Engineering Materials, vol. 4, Nº 9, septiembre de 2002]. Mediante la técnica “electroless” pueden asimismo depositarse revestimientos lubricantes de NiP-B4C [véase J. P. Ge et al., Plating and surface finishing, octubre de 1998].

Además, están descritos por M. Pushpavanam et al., [ (Metal Finishing, junio de 1995) ] revestimientos de Ni-BNh, y están descritos por Yu-Chi Chang et al., [Electrochimica Acta, vol. 43, ediciones 3-4, 1998, pp. 315-324] revestimientos compuestos de níquel cargado con NoS2. En los dos casos los revestimientos pueden ser obtenidos por vía electroquímica. Sin embargo, los nitruros de boro tienen muy escasas resistencias químicas en medio ácido y básico.

Por otro lado, la WO 2004/063428 describe un material compuesto que comprende una matriz metálica en cuyo seno están repartidas partículas de talco natural que tienen una dimensión media inferior a 15 μm y llevan en su superficie un compuesto derivado de celulosa, fijado por sustitución de la totalidad o parte de los grupos hidroxilo, para así conferirle propiedades hidrofílicas al talco (que de manera natural es marcadamente hidrofóbico) , permitiendo la formación de una suspensión sin precaución en un medio acuoso que forma un electrólito.

Sin embargo, se comprueba que este material compuesto presenta diversos inconvenientes.

En primer lugar, las partículas de talco natural modificadas están en forma general de copos que presentan zonas hidrofílicas situadas esencialmente al nivel de los cantos periféricos de las partículas, conservando propiedades hidrofóbicas las caras principales de estas partículas. En consecuencia, al realizarse la elaboración del material compuesto mediante deposición electrolítica (química o electroquímica) , las partículas de talco se orientan de manera espontánea principalmente con sus caras principales extendiéndose según las direcciones normales a la superficie del sustrato a revestir. Esta orientación es desfavorable con vistas a las propiedades de lubricación que se persiguen, para las cuales sería por el contrario deseable que las hojas se orientasen sobre todo paralelamente a la superficie del sustrato. Además, dicha orientación trae consigo, junto con el segundo inconveniente que se menciona más adelante, una gran rugosidad superficial que es generalmente incompatible con las aplicaciones en las cuales se busca un revestimiento metálico lubricante con superficies en contacto susceptibles de deslizarse unas sobre otras. Para poner remedio a esta rugosidad, es pues necesario proceder posteriormente a una etapa de rodaje del revestimiento metálico realizado. Pero, además de que esta etapa es costosa, la misma tiene asimismo la consecuencia de generar defectos en el seno del material compuesto que constituye el revestimiento, y en particular en la superficie de la matriz metálica, en particular al ocasionar un desplazamiento o una eliminación de las partículas de talco salientes.

Además, la granulometría (la finura y la distribución granulométrica de las partículas pulverulentas) de un talco natural depende esencialmente de las técnicas de molienda mecánica y del material que se empleen. A partir de un talco natural, los polvos obtenidos por molienda mecánica tienen generalmente una granulometría del orden de varias micras a varias centenas de micras.

Además de una no despreciable fluctuación de la distribución granulométrica de las partículas, la molienda mecánica ocasiona un progresivo y significativo deterioro estructural del talco y la aparición de numerosos defectos en su estructura cristalina. Cuanto más fina es la molienda, tanto más alterada se ve la estructura cristalina inicial.

Así, las partículas de talco natural laminar más finas que pueden ser obtenidas tienen una dimensión media que es siempre superior a 1 μm y presentan una distribución granulométrica mal controlada, a menudo polimodal, no simétrica y de fuerte dispersión. En consecuencia, el material compuesto incluye partículas de talco natural de tamaño relativamente considerable, en todo caso del mismo orden dimensional como o bien de un orden dimensional superior al de los granos metálicos que se forman a medida que se realiza la deposición electrolítica. Estas partículas de talco relativamente grandes afectan de manera sensible al crecimiento del depósito metálico y a los fenómenos de oxidorreducción y/o electroquímicos que se producen a lo largo de la deposición.

Además, las composiciones de talco natural no son puras al 100%. En efecto, actualmente no existe ninguna composición sólida dividida de talco natural que sea pura al 100%; las partículas de talco natural no responden todas a la fórmula química Si4Mg3O10 (OH) 2, que así no es más que muy teórica. El grado de pureza (ausencia de asociación mineralógica con otros minerales tales como calcita, clorita, pirita, …) y la naturaleza de las impurezas (contenidos más o menos importante de Fe, Al y F y trazas de Mn, Ti, Cr, Ni, Ca, Na y/o K) de un talco natural es función del yacimiento de origen.

Resulta de ello en la práctica una insuficiente calidad del material compuesto obtenido, sobre todo para poder ser utilizado a título de revestimiento metálico lubricante.

Hay que señalar que han sido descritas ciertas composiciones de talco natural de dimensión media más pequeña y que presenta una distribución granulométrica mejorada. Sin embargo, cuando se muelen partículas de talco natural hasta una dimensión inferior a 1 μm, las mismas pierden sus propiedades ligadas a su carácter laminar, que desaparece. En efecto, por debajo de esta dimensión la molienda induce probablemente tanto una separación de las hojas como una disminución de la dimensión radial media de las partículas. En consecuencia, tales partículas nanométricas de talco natural ya no son laminares, y no son por lo tanto apropiadas para la realización de un material compuesto que presente propiedades lubricantes. Por añadidura plantea problemas la puesta en ejecución del procedimiento de injerto de un derivado de celulosa en tales partículas de talco natural.

La invención pretende remediar estos inconvenientes proponiendo un material compuesto que presente las ventajas del material compuesto descrito por la WO 2004/063428, sin presentar los inconvenientes anteriormente mencionados.

Así, la invención pretende aportar un material compuesto que sea apto para formar un revestimiento metálico lubricante que... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto que comprende una matriz metálica en cuyo seno están repartidas partículas minerales filosilicatadas laminares, caracterizado por el hecho de que las partículas minerales filosilicatadas laminares son partículas llamadas nanopartículas filosilicatadas sintéticas, minerales silico/germano-metálicas laminares sintéticas hidrofílicas que presentan una dimensión media comprendida entre 10 nm y 1 μm.

2. Material compuesto según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las nanopartículas filosilicatadas sintéticas son seleccionadas de entre los miembros del grupo que consta de:

1) nanopartículas, llamadas silico/germano-metálicas sintéticas, de fórmula - (SixGe1-x) 4M3O10 (OH) 2 - en la cual:

- M designa al menos a un metal divalente y tiene por fórmula Mg y (1) COy (2) Zny (3) Cuy (4) Mny (5) Fey (6) Niy (7) Cr y (8) ;

siendo cada y (i) un número real del intervalo [0; 1], tal que ,

-siendo x un número real del intervalo [0; 1],

- conduciendo un análisis por difracción de rayos X de dichas nanopartículas minerales silico/germanometálicas sintéticas a la obtención de un difractograma que presenta los picos de difracción característicos siguientes:

- un pico situado a una distancia del orden de 9, 40-9, 68 Å, para un plano (001) ;

- un pico situado a 4, 50-4, 75 Å, para un plano (020) ;

- un pico situado a 3, 10-3, 20 Å, para un plano (003) ;

- un pico situado a 1, 50-1, 55 Å, para un plano (060) .

2) nanopartículas minerales filosilicatadas laminares sintéticas, llamadas nanopartículas de interestratificado T.O.T. T.O.T. inflante, hechas a base de una interestratificación entre:

- al menos una fase mineral no inflante, formada por un apilamiento de hojas elementales tipo filogermanosilicato 2/1 y de fórmula química - (SixGe1-x) 4 M3O10 (OH) 2 -, y

- al menos una fase mineral inflante, formada por un apilamiento de hojas elementales tipo filogermanosilicato 2/1 y por al menos un espacio interfoliar entre dos hojas elementales consecutivas; teniendo dicha fase mineral inflante por fórmula química - (SixGe1-x) 4M3-εO10 (OH) 2, (M2+) ε’ • nH2O-,

y en dichas fórmulas químicas:

- M designa al menos a un metal divalente y tiene por fórmula Mg y (1) COy (2) Zny (3) Cuy (4) Mny (5) Fey (6) Niy (7) Cr y (8) ;

representando cada y (i) un número real del intervalo [0; 1], y tal que ,

-siendo x un número real del intervalo [0; 1],

-correspondiendo ε y ε’ respectivamente al déficit catódico de las hojas elementales de la fase inflante, y a los cationes presentes en el (los) espacio (s) interfoliar (es) ,

- conduciendo un análisis por difracción de rayos X de dichas nanopartículas de interestratificado T.O.T.

T.O.T. inflante a la obtención de un difractograma que presenta los picos de difracción característicos siguientes:

- un plano (001) situado a una distancia del orden de 14-15 Å, representativo de dicha fase mineral inflante,

- planos representativos de dicha fase mineral no inflante:

- un plano (001) situado a una distancia del orden de 0, 60-10, 50 Å;

- un plano (020) situado a 4, 50-4, 60 Å;

- un plano (003) situado a 3, 10-3, 20 Å;

- un plano (060) situado a 1, 50-1, 55 Å.

3. Material compuesto según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dichas nanopartículas silico/germano-metálicas sintéticas presentan un pico de difracción que corresponde al plano (001) y está situado a unadistancia del orden de 9, 55-9, 65 Å.

4. Material compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que las nanopartículas silico/germano-metálicas sintéticas son seleccionadas de entre los miembros del grupo que consta de las nanopartículas de fórmula Si4Mg3O10 (OH) 2 y caracterizado por el hecho de que el análisis por difracción de rayos X de dichas nanopartículas silico/germano-metálicas sintéticas conduce a la obtención de un difractograma que presenta los picos de difracción característicos siguientes:

- un pico situado a 9, 40-9, 68 Å, que corresponde a un plano (001) ;

- un pico situado a 4, 50-4, 60 Å, que corresponde a un plano (020) ;

- un pico situado a 3, 10-3, 20 Å, que corresponde a un plano (003) ;

- un pico situado a 1, 50-1, 55 Å, que corresponde a un plano (060) .

5. Material compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que las nanopartículas filosilicatadas sintéticas tienen una granulometría de distribución unimodal y monodispersa.

6. Material compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que las nanopartículas filosilicatadas sintéticas tienen una dimensión media inferior a 500 nm, y en particular comprendida entre 20 nm y 100 nm.

7. Material según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que las nanopartículas filosilicatadas sintéticas están repartidas de forma tal que se encuentran individualizadas y dispersadas en el seno de la matriz metálica.

8. Material según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que la matriz metálica está constituida por un metal seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu, W, Mo, Zn, Au, Ag, Pt y Sn, por un compuesto intermetálico o una aleación de varios metales seleccionados de entre los miembros del grupo que consta de los metales anteriormente citados, o bien por una aleación de uno o varios de dichos metales con un metaloide.

9. Material compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que comprende una proporción volumétrica de nanopartículas filosilicatadas sintéticas inferior al 20%.

10. Sustrato que lleva un revestimiento lubricante, caracterizado por el hecho de que dicho revestimiento está constituido por un material compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 9.

11. Sustrato según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que está constituido por un material intrínsecamente conductor.

12. Procedimiento de deposición sobre un sustrato de un revestimiento constituido por un material compuesto que comprende una matriz metálica en cuyo seno están repartidas partículas minerales filosilicatadas laminares, caracterizado por el hecho de que consiste en efectuar una deposición electrolítica utilizando una solución de precursores de la matriz metálica del revestimiento que contiene además nanopartículas, llamadas nanopartículas filosilicatadas sintéticas, minerales silico/germano-metálicas laminares sintéticas hidrofílicas, que presentan una dimensión media comprendida entre 10 nm y 1 μm.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que se pone en ejecución por vía química, mediante la puesta en contacto de la superficie del sustrato a revestir con la solución que contiene los precursores de la matriz metálica y las nanopartículas filosilicatadas sintéticas, así como un compuesto que actúa como catalizador para la oxidorreducción de los precursores de la matriz metálica del revestimiento.

14. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que se pone en ejecución por vía electroquímica en una célula electroquímica en la cual dicho sustrato a revestir constituye el cátodo y el electrólito es una solución de precursores de la matriz metálica del revestimiento que contiene además las nanopartículas filosilicatadas sintéticas.

15. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que los precursores de la matriz metálica son seleccionados de entre los miembros del grupo que consta de compuestos iónicos, complejados o no, reducibles en solución por vía química o mediante aportación de electrones.