Material compuesto de aleación de cobre y procedimiento para fabricarlo.

Material compuesto de aleación de cobre, que comprende:

una pieza de aleación de cobre que presenta una rugosidad del orden de micrómetros producida por ataquequímico,

caracterizado porque la superficie de dicha pieza de aleación de cobre, cuando se observa mediante unmicroscopio electrónico, presenta una texturización ultrafina en la que los orificios o las depresiones que son deforma circular con un diámetro de 10 a 150 nm o de forma elíptica con un promedio de diámetros mayor y menorde 10 a 150 nm están presentes sustancialmente por toda la superficie con un espaciado irregular de 30 a 300 nm,siendo la superficie principalmente una capa delgada de óxido cúprico; y

un adherendo que se une utilizando, como adhesivo, un adhesivo epoxídico que ha impregnado la texturizaciónultrafina.

Material compuesto de aleación de cobre y procedimiento para fabricarlo.

Campo técnico Esta invención se refiere a un material compuesto de aleación de cobre utilizado en maquinaria móvil, dispositivos eléctricos, dispositivos médicos, maquinaria general y otros dispositivos de este tipo, y a un procedimiento para fabricar este material compuesto. Más específicamente, esta invención se refiere a un material compuesto de aleación de cobre nuevo, fundamental utilizado en piezas para automóviles, aeronaves, barcos y otra maquinaria móvil de este tipo, estructuras, etcétera, y a un procedimiento para fabricar este material compuesto, y más particularmente se refiere a un material compuesto de aleación de cobre que hace uso tanto de una pieza de aleación de cobre como de una pieza de plástico reforzado con fibra, y a un procedimiento para fabricar este material compuesto.

Antecedentes de la técnica Las técnicas para integrar metal y metal, o metal y resina, se necesitan en una amplia variedad de campos, tales como la fabricación de piezas utilizadas en automóviles, electrodomésticos, maquinaria industrial, etcétera, y se han desarrollado muchos adhesivos diferentes con este fin. De éstos, algunos adhesivos extremadamente buenos han estado disponibles comercialmente y están en uso. Por ejemplo, se utilizan adhesivos que muestran su función a la temperatura normal o cuando se calientan, para unir e integrar metales con resinas sintéticas, y este procedimiento es el procedimiento de unión habitual en uso hoy en día.

Mientras tanto, se han investigado procedimientos de unión que no suponen la utilización de un adhesivo. Un ejemplo es un procedimiento en el que un plástico técnico de alta resistencia se integra con un metal ligero tal como magnesio, aluminio o una aleación de éstos, o una aleación de hierro tal como acero inoxidable, sin interponerse ningún adhesivo entre los materiales. Por ejemplo, como procedimiento para unir simultáneamente por inyección u otro procedimiento de este tipo (denominado a continuación en la presente memoria “unión por inyección”) , se ha desarrollado una técnica de fabricación en la que una resina de poli (tereftalato de butileno) (denominada a continuación en la presente memoria PBT) o una resina de poli (sulfuro de fenileno) (denominada a continuación en la presente memoria PPS) se une por inyección a una aleación de aluminio (véanse los documentos de patente 1 y 2, por ejemplo) . Además, se ha probado en el pasado que aleaciones de magnesio, aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, acero inoxidable y similares pueden unirse por inyección utilizando un tipo similar de resina (documentos de patente 3, 4, 5 y 6) .

Estas invenciones se realizaron todas por los presentes inventores, pero están basadas en la teoría de unión simple. Esta es la teoría “NMT” relacionada con la unión por inyección de aleaciones de aluminio, y la teoría “nueva NMT” relacionada con la unión por inyección de todas las aleaciones metálicas. Uno de los presentes inventores, Ando, que es el creador de la teoría “nueva NMT” que puede utilizarse en un sentido más amplio, ha descrito la teoría de la siguiente manera. Para producir la unión por inyección y su tremenda resistencia de unión, diversas condiciones se refieren tanto al lado de aleación metálica como al lado de resina inyectada, y partiendo del lado de metal, han que cumplirse las tres condiciones siguientes. La condición (1) es que la aleación metálica presente una curva de perfil rugoso (curva de rugosidad) en la que el ataque químico produce un periodo (espaciado) entre picos o entre valles de 1 a 10 !m, y la diferencia de altura pico-valle es de manera preferida aproximadamente una mitad de éste, específicamente, de aproximadamente 0, 5 a 5 !m.

Obtener una superficie rugosa tal como ésta al 100% por reacción química es imposible en realidad; más específicamente, se considera que la condición (1) ha sido satisfecha si puede representarse gráficamente una curva de rugosidad en la que la texturización aparece en un periodo irregular de entre 0, 2 y 20 !m y la diferencia de altura máxima de la misma está entre 0, 2 y 5 !m, o si el análisis de barrido mediante microscopio con sonda de barrida revela una superficie rugosa (rugosidad) en la que la anchura media de los elementos de perfil (RSm) de los elementos de curva de perfil a los que se hace referencia en las normas JIS (JIS B 0601:2001) es de 0, 8 a 10 !m y la altura máxima de la altura máxima de perfil (rugosidad de altura máxima) (Rz) es de 0, 2 a 5 !m. Los presentes inventores llaman a esto “una superficie con rugosidad del orden de micrómetros” para abreviar. Existe también una condición (2) , que es que habrá la superficie texturizada grande mencionada anteriormente, o más precisamente, una superficie texturizada de manera fina con un periodo de al menos 10 nm, y preferiblemente 50 nm, en las paredes internas de las depresiones. La última es la condición (3) , que es la que la superficie que forma la texturización fina presenta una capa de cerámica, o más específicamente, una capa de óxido metálico que es más gruesa que la capa de oxidación natural, o una capa de óxido de fósforo metálico producida intencionadamente. También es deseable que esta capa dura sea una capa delgada con un grosor de sólo algunos nanómetros a algunas docenas de nanómetros.

La condición en el lado de resina es que sea una resina cristalina dura, que puede combinarse con otro polímero adecuado, por ejemplo, para ralentizar la cristalización durante el temple. En realidad, puede utilizarse una composición de resina en la que otro polímero adecuado y fibras de vidrio se han combinado con PBT, PPS, u otra resina cristalina de este tipo. Éstas pueden utilizarse para realizar la unión por inyección en un molde de moldeo por inyección y una máquina de moldeo por inyección habitual; este proceso se describe según la teoría “nueva NMT” de los inventores. La resina fundida inyectada se guía al interior de un molde cuya temperatura es de aproximadamente 150ºC que el punto de fusión de la resina, pero se observa que se enfría en el canal de colada y otros canales y disminuye por debajo de su punto de fusión. Específicamente, se entenderá probablemente que aunque la temperatura disminuya por debajo del punto de fusión cuando se templa una resina cristalina fundida, se producen cristales de esa resina y la resina cambia a un sólido en tiempo cero.

En otras palabras, un estado en el que la resina está fundida mientras está por debajo de su punto de fusión, que se denomina un estado superenfriado, sólo existe durante un tiempo extremadamente corto. Con PBT o PPS que se ha combinado especialmente tal como se comentó anteriormente, se cree que este tiempo de superenfriamiento será ligeramente más largo, y éste se utilizó de modo que la resina penetrase en las grandes depresiones en el metal del orden de micrómetros antes de que su viscosidad aumentara bruscamente por la producción de una gran cantidad de microcristales. La resina fundida continúa enfriándose incluso después de penetrar en estas depresiones, y el número de microcristales aumenta y la viscosidad se eleva bruscamente. Debido a esto, el que la resina fundida pueda alcanzar o no la parte más profunda de las depresiones, está determinado por el tamaño y la forma de las depresiones. Los resultados del experimento indican que independientemente del tipo de metal, la resina penetró bastante lejos siempre que las depresiones presentaran un diámetro de al menos 1 !m y una profundidad de 0, 5 a 5 !m. Además, si las paredes internas de las depresiones son rugosas cuando se observan al microscopio, parte de la resina penetrará también en los huecos de esta texturización ultrafina, y como resultado, aunque se aplique una fuerza de extracción en el lado de resina, la resina aguantará y será resistente a soltarse.

Si esta superficie rugosa es un óxido metálico, será dura y presentará un efecto de enganche muy similar a una espiga. Si el periodo de texturización es de al menos 10 !m, el resultado será una unión más débil, estando claro el motivo de esto. Específicamente, si se considera una agrupación de depresiones a modo de hoyuelos como ejemplo, cuanto mayor sea el diámetro de depresión, menos hoyuelos habrá por unidad de área superficial, y a medida que las depresiones se vuelven más grandes, disminuye el efecto de enclavamiento de tipo espiga (gancho) mencionado anteriormente. Respecto a la propia unión, es una cuestión del componente de resina y la superficie de aleación metálica, pero cuando se añade fibra reforzada o una carga inorgánica a una composición de resina, el coeficiente... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto de aleación de cobre, que comprende:

una pieza de aleación de cobre que presenta una rugosidad del orden de micrómetros producida por ataque químico, caracterizado porque la superficie de dicha pieza de aleación de cobre, cuando se observa mediante un microscopio electrónico, presenta una texturización ultrafina en la que los orificios o las depresiones que son de forma circular con un diámetro de 10 a 150 nm o de forma elíptica con un promedio de diámetros mayor y menor de 10 a 150 nm están presentes sustancialmente por toda la superficie con un espaciado irregular de 30 a 300 nm, siendo la superficie principalmente una capa delgada de óxido cúprico; y

un adherendo que se une utilizando, como adhesivo, un adhesivo epoxídico que ha impregnado la texturización ultrafina.

2. Material compuesto de aleación de cobre, que comprende:

una pieza de aleación de cobre que presenta una rugosidad del orden de micrómetros producida por ataque químico, caracterizado porque la superficie de dicha pieza de aleación de cobre, cuando se observa mediante un microscopio electrónico, presenta una texturización ultrafina en la que unas protuberancias que son de forma circular con un diámetro de 10 a 200 nm o de forma elíptica con un promedio de diámetros mayor y menor de 10 a 200 nm están presentes sustancialmente por toda la superficie, siendo la superficie principalmente una capa delgada de óxido cúprico; y

un adherendo que se une utilizando, como adhesivo, un adhesivo epoxídico que ha impregnado la texturización ultrafina.

3. Material compuesto de aleación de cobre, que comprende:

una pieza de aleación de cobre que presenta una rugosidad del orden de micrómetros producida por ataque químico, caracterizado porque sustancialmente toda la superficie de dicha pieza de aleación de cobre está recubierta, cuando se observa mediante microscopio electrónico, con una texturización ultrafina en la que gránulos o polígonos amorfos con un diámetro de 10 a 150 nm están alineados y parcialmente fundidos entre sí de forma apilada, siendo la superficie principalmente una capa delgada de óxido cúprico; y

un adherendo que se une utilizando, como adhesivo, un adhesivo epoxídico que ha impregnado la texturización ultrafina.

4. Material compuesto de aleación de cobre, que comprende:

una pieza de aleación de cobre que presenta una rugosidad del orden de micrómetros producida por ataque químico, caracterizado porque sustancialmente toda la superficie de dicha pieza de aleación de cobre está recubierta, cuando se observa mediante microscopio electrónico, con una texturización ultrafina en forma de regueras en la pendiente de una meseta de lava, en la que gránulos con un diámetro de 10 a 20 nm y polígonos amorfos con un diámetro de 50 a 150 nm están mezclados entre sí de forma apilada, siendo la superficie principalmente una capa delgada de óxido cúprico; y

un adherendo que se une utilizando, como adhesivo, un adhesivo epoxídico que ha impregnado la texturización ultrafina.

5. Material compuesto de aleación de cobre según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,

en el que el adherendo es una pieza de aleación de cobre que está compuesta por una aleación de cobre y sobre la cual se ha formado la texturización ultrafina.

6. Material compuesto de aleación de cobre según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,

en el que el adherendo es un plástico reforzado con fibra que contiene el adhesivo epoxídico y que se ha reforzado rellenando y estratificando al menos un tipo seleccionado de entre fibras largas, fibras cortas y tela de fibras.

7. Material compuesto de aleación de cobre según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,

8. Material compuesto de aleación de cobre según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,

en el que el componente de resina de la resina epoxídica curada contiene no más de 30 partes en peso de componente de elastómero por 100 partes en peso de componente de resina total.

9. Material compuesto de aleación de cobre según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,

en el que la resina epoxídica curada contiene un total de no más de 50 partes en peso de carga por 100 partes en peso de componente de resina total.

10. Material compuesto de aleación de cobre según la reivindicación 9,

en el que la rugosidad superficial del orden de micrómetros es tal que la longitud media de una curva de rugosidad (RSm) es de 0, 8 a 10 !m y la altura máxima de rugosidad (Rz) es de 0, 2 a 5 !m.

en el que la carga es un tipo seleccionado de entre fibras de refuerzo de fibra de vidrio, fibra de carbono y fibra de aramida, y

al menos un tipo seleccionado de entre cargas en polvo de carbonato de calcio, carbonato de magnesio, sílice, talco, arcilla y vidrio.

11. Material compuesto de aleación de cobre según la reivindicación 8, en el que el componente de elastómero es al menos un tipo seleccionado de entre polvos de caucho vulcanizado con un tamaño de partícula de 1 a 30 μm, caucho semirreticulado, caucho no vulcanizado, resinas termoplásticas modificadas en los extremos terminales en las que el punto de reblandecimiento en estado fundido de una polietersulfona terminada en grupo hidroxilo es al menos de 300ºC, y resinas de poliolefina.

12. Procedimiento para fabricar un material compuesto de aleación de cobre, que comprende:

una etapa de conformación de una pieza de aleación de cobre por mecanizado o similar a partir de una pieza moldeada o un material intermedio;

una etapa de ataque químico que consiste en sumergir la pieza de aleación de cobre conformada en una disolución acuosa ácida;

una etapa de endurecimiento superficial que consiste en sumergir la pieza de aleación de cobre sometida a ataque químico en una disolución acuosa fuertemente básica que contiene un oxidante;

una etapa de recubrimiento de las partes necesarias de la pieza de aleación de cobre con una resina epoxídica no curada;

caracterizado porque la disolución acuosa ácida contiene un oxidante para formar la texturización ultrafina sobre la superficie de la pieza de aleación de cobre conformada;

una etapa de ajuste de un material preimpregnado de un plástico reforzado con fibra al tamaño requerido;

una etapa de aplicación del material preimpregnado en el lado recubierto de la pieza de aleación de cobre; y

una etapa de colocación del material preimpregnado y la pieza de aleación de cobre, y de calentamiento del material preimpregnado y la pieza de aleación de cobre mientras se sujetan, para curar el componente de resina epoxídica.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, que comprende además una etapa de pretratamiento de endurecimiento que consiste en poner la pieza de aleación de cobre que se ha recubierto con la resina epoxídica no curada en un recipiente sellado, en despresurizar, y a continuación, en presurizar para empujar la resina epoxídica no curada dentro de la texturización ultrafina sobre la superficie de aleación de cobre.