Materiales compuestos de polímeros de metal en polvo.

Método para producir una pieza de material compuesto, caracterizado el método porque comprende:

- compactar una composición de polvo magnético blando que comprende un lubricante para dar un cuerpo compactado;

- calentar el cuerpo compactado hasta una temperatura por encima de la temperatura de vaporización del lubricante demanera que se elimina el lubricante sustancialmente del cuerpo compactado;

- someter el cuerpo compactado tratado térmicamente obtenido a un material compuesto de polímero líquido que comprendenanotubos de carbono; y

- solidificar el cuerpo compactado tratado térmicamente que comprende material compuesto de polímero líquido mediantesecado y/o mediante al menos un tratamiento de curado.

Materiales compuestos de polímeros de metal en polvo Campo de la invención La presente invención se refiere a un nuevo método de producción de una pieza de material compuesto. El método comprende la etapa de compactación de una composición de polvo para dar un cuerpo compactado, seguido por una etapa de tratamiento térmico mediante la cual se crea un sistema de poros abiertos y seguido por una etapa de infiltración. La invención se refiere además a una pieza de material compuesto.

Antecedentes Pueden usarse materiales magnéticos blandos para aplicaciones tales como materiales de núcleo en inductores, estatores y rotores para máquinas eléctricas, actuadores, sensores y núcleos de transformadores. Tradicionalmente, los núcleos magnéticos blandos, tales como rotores y estatores en máquinas eléctricas, están compuestos por materiales laminados de chapas de acero apiladas. Sin embargo, en los últimos años, ha habido un intenso interés en los denominados materiales de material compuesto magnético blando (SMC, “Soft Magnetic Composite”) . Los materiales SMC se basan en partículas magnéticas blandas, habitualmente a base de hierro, con un recubrimiento eléctricamente aislante sobre cada partícula. Al compactar las partículas aisladas, opcionalmente junto con lubricantes y/o aglutinantes, usando el procedimiento de pulvimetalurgia tradicional, se obtienen las piezas de SMC. Mediante el uso de la técnica de pulvimetalurgia es posible producir materiales que tienen un mayor grado de libertad en el diseño de la pieza de SMC en comparación con el uso de materiales laminados de chapas de acero, ya que el material SMC puede portar un flujo magnético tridimensional y ya que pueden obtenerse conformaciones tridimensionales con el procedimiento de compactación.

Como consecuencia del aumento de interés en los materiales SMC, mejoras de las características magnéticas blandas de los materiales SMC son el objeto de intensos estudios con el fin de ampliar la utilización de estos materiales.

Con el fin de lograr tal mejora, están desarrollándose continuamente nuevos polvos y procedimientos.

Dos características clave de un componente de núcleo de hierro son sus características de pérdida de núcleo y permeabilidad magnética. La permeabilidad magnética de un material es una indicación de su capacidad para magnetizarse o su capacidad para portar un flujo magnético. La permeabilidad se define como la razón del flujo magnético inducido con respecto a la fuerza de magnetización o intensidad de campo. Cuando se expone un material magnético a un campo alterno, tal como por ejemplo un campo eléctrico alterno, se producen pérdidas de energía debido tanto a pérdidas por histéresis como a pérdidas por corrientes parásitas. La pérdida por histéresis se ocasiona por el gasto de energía necesario para superar las fuerzas magnéticas retenidas dentro del componente de núcleo de hierro y es proporcional a la frecuencia de, por ejemplo, el campo eléctrico alterno. La pérdida por corrientes parásitas se ocasiona por la producción de corrientes eléctricas en el componente de núcleo de hierro debido al flujo cambiante provocado por las condiciones de corriente alterna (CA) y es proporcional al cuadrado de la frecuencia del campo eléctrico alterno. Entonces, es deseable una alta resistividad eléctrica con el fin de minimizar las corrientes parásitas y es de especial importancia a mayores frecuencias, tal como por ejemplo por encima de aproximadamente 60 Hz. Con el fin de disminuir las pérdidas por histéresis y de aumentar la permeabilidad magnética de un componente de núcleo, se desea generalmente tratar térmicamente una pieza compactada, mediante lo cual se reducen las tensiones inducidas por la compactación. Además, con el fin de alcanzar las propiedades magnéticas deseadas, tales como alta permeabilidad magnética, alta inducción y bajas pérdidas de núcleo, es necesario a menudo una alta densidad de la pieza compactada. Alta densidad se define en el presente documento como una densidad por encima de 7, 0, preferiblemente por encima de 7, 3, lo más preferiblemente de aproximadamente 7, 5 g/cm3 para una pieza compactada a base de hierro.

Además de las propiedades magnéticas blandas, son esenciales propiedades mecánicas suficientes. Una alta resistencia mecánica es a menudo un requisito previo para evitar la introducción de grietas, laminaciones y roturas y para lograr buenas propiedades magnéticas de piezas compactadas que tras la compactación y el tratamiento térmico se han sometido a operaciones de mecanización. Además, las propiedades de lubricación de una red de polímero impregnada pueden aumentar la vida útil de herramientas de corte considerablemente.

Con el fin de poder ampliar la utilización de componentes de SMC, una alta resistencia a temperatura elevada es una propiedad importante tal como por ejemplo para componentes usados en aplicaciones tales como núcleos de motores, bobinas de encendido y válvulas de inyección en automóviles.

Mezclando un aglutinante con el polvo de SMC antes de la compactación, puede obtenerse una resistencia mecánica mejorada del componente compactado y tratado térmicamente. En la bibliografía de patentes, se notifican varias clases de resinas orgánicas, tales como materiales termoplásticos y resinas termoestables, aglutinantes inorgánicos tales como silicatos o resinas de silicio. El tratamiento térmico de componentes unidos por resinas orgánicas se restringe a temperaturas comparativamente bajas, por debajo de aproximadamente 250ºC, ya que el material orgánico se destruye a una temperatura por encima de aproximadamente 250ºC. La resistencia mecánica de los componentes unidos por resinas orgánicas tratados térmicamente en condiciones ambientales es buena, pero se deteriora por encima de 100ºC. Las resinas inorgánicas pueden someterse a mayores temperaturas sin que se vean afectadas las propiedades mecánicas, sin embargo, el uso de aglutinantes inorgánicos se asocia a menudo con malas propiedades del polvo, escasa compresibilidad, escasa capacidad de mecanización y se necesitan a menudo en altas cantidades, lo que excluye mayores niveles de densidad.

La patente estadounidense 6 485 579 describe un método de aumento de la resistencia mecánica del componente de SMC tratando térmicamente el componente en presencia de vapor de agua. Se notifican mayores valores para la resistencia mecánica en comparación con componentes tratados térmicamente al aire, sin embargo, se obtiene un aumento de las pérdidas de núcleo. Se describe un método similar en el documento WO2006/135324, en el que se obtiene una alta resistencia mecánica en combinación con una permeabilidad magnética mejorada siempre que se usen lubricantes libres de metales. Los lubricantes se evaporan en una atmósfera no reductora antes de someter el componente a vapor de agua. Sin embargo, la oxidación de las partículas de hierro, cuando se somete el componente al tratamiento con vapor, también aumentará las fuerzas coercitivas y por tanto las pérdidas de núcleo.

La impregnación, la infiltración y el sellado de piezas fundidas a presión o componentes de metal en polvo (P/M) , por ejemplo mediante una red orgánica, son métodos conocidos para impedir la corrosión de la superficie o sellar la porosidad de la superficie. Dependiendo enormemente de la densidad y las condiciones de procesamiento de piezas P/M, variará el grado de penetración de la red orgánica. Niveles de densidad bajos (<89% de la densidad teórica) y condiciones de sinterización o tratamientos térmicos suaves proporcionan una penetración fácil y una impregnación completa. Para materiales de alto rendimiento que tienen alta densidad y baja porosidad los requisitos previos para alcanzar una impregnación completa son limitados.

La impregnación de componentes de SMC para mejorar la capacidad de mecanización para producir componentes prototipo, o para mejorar la resistencia a la corrosión, se muestra por ejemplo en la solicitud de patente JP 2004 178 643 en la que el líquido de impregnación está constituido por aceites en general. A pesar de la capacidad de mecanización ligeramente mejorada de este método, da como resultado superficies grasientas y resbaladizas, más difíciles de manejar. El aceite no mejora mucho la vida de la herramienta de corte debido a que nunca se vuelve sólido. De la misma manera, los sellantes blandos o sin curar ofrecen poco valor a la mecanización. Un mecanismo de curado fiable para el polímero junto con alta resistencia mecánica de la pieza de material compuesto es la mejor garantía de rendimiento de mecanización consistente.

Las patentes US 6 331 270 y US 6 548 012 describen ambas procedimientos para fabricar componentes... [Seguir leyendo]

1. Método para producir una pieza de material compuesto, caracterizado el método porque comprende:

- compactar una composición de polvo magnético blando que comprende un lubricante para dar un cuerpo compactado;

- calentar el cuerpo compactado hasta una temperatura por encima de la temperatura de vaporización del lubricante de manera que se elimina el lubricante sustancialmente del cuerpo compactado;

- someter el cuerpo compactado tratado térmicamente obtenido a un material compuesto de polímero líquido que comprende nanotubos de carbono; y

- solidificar el cuerpo compactado tratado térmicamente que comprende material compuesto de polímero líquido mediante secado y/o mediante al menos un tratamiento de curado.

2. Método según una cualquiera de la reivindicación 1, en el que las partículas en la composición de polvo comprenden un recubrimiento inorgánico, eléctricamente aislante.

3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, comprendiendo el método además la etapa de reducir la presión del cuerpo compactado tratado térmicamente sometido a un material compuesto de polímero líquido durante un periodo de tiempo.

4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo el método además la etapa de elevar la temperatura del cuerpo compactado tratado térmicamente sometido a un material compuesto de polímero líquido.

5. Método según la reivindicación 3 ó 4, comprendiendo el método además la etapa de aumentar la presión hasta la presión atmosférica o superior tras haberse reducido la presión.

6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que los nanotubos de carbono comprenden nanotubos de pared única.

7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el material compuesto de polímero líquido comprende una resina orgánica curable elegida del grupo de

- resina termoestable,

- material termoplástico, y

- materiales acrílicos anaerobios.

8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el lubricante se elige del grupo de

- amidas primarias,

- amidas secundarias de ácidos grasos saturados o insaturados,

- alcoholes grasos saturados o insaturados,

- ceras de amidas, tales como etilen-bis-estearamida, y

- combinaciones de los mismos.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la etapa de calentar el cuerpo compactado comprende además una etapa de sinterización del cuerpo compactado.

10. Pieza de material compuesto que comprende una composición de polvo magnético blando compactado, y un material compuesto de polímero, comprendiendo el material compuesto de polímero nanotubos de carbono formando la pieza de material compuesto una red interpenetrante entre la composición de polvo y el material compuesto

de polímero.

11. Pieza de material compuesto según la reivindicación 10, que comprende nanotubos de carbono de pared única.