Método de preparación de una estructura metálica adecuada para el procesamiento de metal semisólido.

Método para la formación de un metal o aleación semisólidos que tiene estructuras de granos no dendríticos,

queutiliza burbujas de gas, que comprende:

una primera etapa de calentamiento del metal o la aleación por encima de la temperatura de fusión de las mismaspara disponer de un metal o aleación líquidos;

una segunda etapa de circulación de burbujas de gas a través, como mínimo, de un medio sólido insertado en dichometal o aleación líquidos o dispuesto en los mismos, enfriando de este modo dicho metal o aleación líquidos hastauna temperatura por debajo de dicha temperatura de fusión de los mismos, mientras se agita dicho metal o aleaciónlíquidos con las burbujas de gas y se forman fracciones sólidas en las mismas; y

una tercera etapa de interrupción de la circulación de dichas burbujas de gas cuando la fracción sólida de dichometal o aleación líquidos alcanza un intervalo de 0,01-0,5 en peso, de manera preferente un intervalo de 0,01-0,2 enpeso, proporcionando de este modo el metal o aleación semisólidos con estructuras en granos no dendríticos.

Método de preparación de una estructura metálica adecuada para el procesamiento de metal semisólido.

La presente invención se refiere a un método de preparación de mezclas semisólidas no dendríticas de metales para el moldeo y la formación de semisólidos. En particular, en la presente invención se hacen circular burbujas de gas a través, como mínimo, de un medio sólido insertado en el metal o la aleación líquidos o que se dispone en los mismos, enfriando, de este modo, el metal o la aleación líquidos hasta una temperatura por debajo de la temperatura de fusión de los mismos, mientras se agita el metal o la aleación líquidos con las burbujas de gas y se forman fracciones de sólido en las mismas.

La estructura metálica adecuada para el procesamiento de metales semisólidos (SSM) fue dada a conocer por primera vez a principios de los años 70 en una tesis doctoral de D.B. Spencer titulada "Rheology of Liquid-Solid Mixtures of Lead Tin, " (Reología de mezclas sólido-líquidas de plomo y estaño) , M.C. Flemings como asesor, Massachusetts Institute of Technology (junio de 1971) . Los autores agitaban de manera mecánica una aleación en solidificación en el intervalo de temperaturas de sólido-líquido y hallaron que la fase sólida no estaba en forma de dendritas, sino en forma de partículas esferoidales. La naturaleza no dendrítica de la fase sólida proporcionó a estas “mezclas” de metales unas propiedades de fluidez únicas. Una mezcla de metales que contiene hasta el 50% de fase sólida circula de manera homogénea con órdenes de magnitud de la “viscosidad eficaz” superiores a las de la aleación líquida. Si las mezclas de metales se conforman en piezas, una mayor viscosidad conducirá a un llenado menor del molde, produciendo, de este modo, piezas de calidad elevada al minimizar la retención de aire y las inclusiones.

Desde la invención de los procesos SSM, la industria ha crecido cada vez más consciente de su potencial. Actualmente, la investigación de los SSM se realiza a nivel académico e industrial por todo el mundo. Sin embargo, la proliferación de aplicaciones de los SSM en la industria se encuentra aún en sus fases iniciales. Las aplicaciones en la automoción de aleaciones de aluminio han sido el foco principal del interés industrial en los SSM. La preocupación sobre la eficacia del combustible y sobre el medio ambiente ha dado lugar a un impulso hacia vehículos más ligeros. Esto ha conducido a un incremento continuo en la utilización de fundiciones de aluminio en vehículos y una necesidad creciente por procesos del tipo SSM que puedan producir piezas de aluminio de calidad elevada. Algunas de las piezas de los automóviles que se consideran para los SSM de aluminio son los componentes de la suspensión, los compresores del aire acondicionado, y los cilindros del freno principal, tal como se dan a conocer por S.P. Midson y K. Brissing en un artículo titulado "Semi-Solid Casting of Aluminum Alloys: A Status Report" (Moldeo semisólido de aleaciones de aluminio: Informe sobre la situación) (Modern Casting, Febrero, 1997, pág. 41-43) . Un fabricante de automóviles utilizaba un proceso de “fundición reológica” para fabricar los bloques de cilindros para la siguiente línea de motores turbo diésel. Véase M. Yamazaki y otros, Development of a High-Strength Aluminum Cylinder Block for Diesel Engine Employing a New Production Process (“Desarrollo de bloques de cilindros de aluminio de alta resistencia para motores diesel utilizando un nuevo proceso de producción”) , SAE International, Publicación 20.

Dos rutas de procesamiento de metales semisólidos son factibles industrialmente: "fundición tixotrópica" y "fundición reológica". La “fundición tixotrópica” es un proceso en el que se obtiene una estructura no dendrítica mediante el recalentamiento de un lingote completamente solidificado hasta el intervalo de temperaturas de sólido-líquido, conformándolo a continuación en una pieza. La “fundición reológica” es un proceso en el que se crea una mezcla con estructura no dendrítica a partir de una aleación líquida y, a continuación, se conforma en una pieza.

Durante los últimos 30 años, la ruta de procesamiento SSM utilizado en la industria se ha realizado mediante fundición tixotrópica tal como se presenta por M.C. Flemings y W.L. Johnson en un artículo titulado "High Viscosity Liquid and Semi-Solid Metal Casting: Processes and Products" (“Fundición de líquidos de viscosidad elevada y metales semisólidos: procesos y productos”) en la Conferencia mundial de la fundición celebrada en KynogJu, Corea, Octubre 20-24, 2002. Se produce un lingote agitado de manera electromagnética mediante agitadores continuos tal como se describe por C. Vives en un artículo titulado "Elaboration of Semisolid Alloys by Means of New Electromagnetic Rheocasting" (“Elaboración de aleaciones semisólidas mediante nueva fundición reológica electromagnética”) (Processes, Metallurgical Transactions B, (23b) , Abril, 1992, pág 189-206) . El fundidor tixotrópico adquiriría estos lingotes, los recalentaría en el intervalo de temperaturas de sólido-líquido y los conformaría en piezas. Aunque se obtienen piezas de aluminio de calidad elevada, aspectos, tales como el coste de la operación y el control del proceso, han evitado la adopción extendida de la fundición tixotrópica. En el año 2000, se estimó que el proceso de fundición tixotrópica representaba únicamente aproximadamente el 1% de los 2, 5 millones de toneladas de fundiciones de aluminio en America del norte, Europa y Japón (o aproximadamente 25.000 toneladas) en un artículo de P. Kapranos y otros, titulado "Near net shaping by semi-solid metal processing" (Conformación casi final mediante el procesamiento de metales semisólidos”) (Materials and Design, (21) , 2000, pág. 387-394) .

Por lo tanto, la tendencia actual en el procesamiento de metales semisólidos es avanzar hacia la ruta de la “fundición reológica”. La “fundición reológica” presenta sobre la fundición tixotrópica ventajas inmediatas de costes, ya que se puede formar una aleación líquida en una mezcla no dendrítica de metales en el lugar de producción y los metales de desecho se pueden reciclar internamente. Actualmente, existen varios procesos paras crear estructuras no dendríticas a partir de aleaciones líquidas. La primera estrategia utilizada fue la agitación mecánica del metal en el intervalo de temperaturas de sólido-líquido. Varios documentos de patente, que incluyen las patentes de Estados Unidos No. 5.555.926, 5.887.640 y 5.983.978, da a conocer el equipo diseñado para crear mezclas de metales mediante agitación mecánica. Véase también S. Ji, Z. Fan, M.J. Bevis. Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomoulding process (Procesamiento de semisólidos en el diseño de aleaciones mediante un prceso de moldeo reológico con doble husillo”) , Materials Science and Engineering A, (299A) , 2001, pág. 210-217. Sin embargo, la falta de materiales de agitación resistentes capaces de soportar la exposición a aluminio fundido durante periodos largos de tiempo, ha limitado la utilización de los métodos de agitación mecánica en la industria.

Hasta ahora, el desafío de la fundición reológica ha sido el conocimiento limitado de cómo procesar de manera eficaz aleaciones líquidas para crear mezclas no dendríticas de metales. Actualmente se sabe que mediante el control de las condiciones presentes durante las etapas iniciales de solidificación (la formación de solamente los primeros porcentajes de fase sólida) , se pueden formar fácilmente estructuras no dendríticas. Mediante la combinación de un enfriado rápido localizado y una agitación vigorosa en el caldo de fusión, de manera que la temperatura disminuya desde junto por encima a justo por debajo la temperatura del líquido, se puede conseguir una estructura no dendrítica en cuestión de segundos, tal como se describe por R.A. Martínez en su tesis de máster titulada "A New Technique for the Formation of Semisolid Structures" (“Una nueva técnica para la formación de estructuras semisólidas”) (junio del 2001) y en su tesis doctoral titulada "Formation and Processing of Rheocast Microstructures" (“Formación y procesamiento de microestructuras por fundición reológica”) (junio del 2004) , profesor

M.C. Flemings como asesor, Massachusetts Institute of Technology.

La patente de Estados Unidos 6.645.322 se refiere a un método que funde reológicamente y de manera eficaz una aleación con partículas esferoidales mediante la inmersión de una varilla giratoria fría en un caldo de fusión mantenido... [Seguir leyendo]

1. Método para la formación de un metal o aleación semisólidos que tiene estructuras de granos no dendríticos, que 5 utiliza burbujas de gas, que comprende:

una primera etapa de calentamiento del metal o la aleación por encima de la temperatura de fusión de las mismas para disponer de un metal o aleación líquidos;

una segunda etapa de circulación de burbujas de gas a través, como mínimo, de un medio sólido insertado en dicho metal o aleación líquidos o dispuesto en los mismos, enfriando de este modo dicho metal o aleación líquidos hasta una temperatura por debajo de dicha temperatura de fusión de los mismos, mientras se agita dicho metal o aleación líquidos con las burbujas de gas y se forman fracciones sólidas en las mismas; y

una tercera etapa de interrupción de la circulación de dichas burbujas de gas cuando la fracción sólida de dicho metal o aleación líquidos alcanza un intervalo de 0, 01-0, 5 en peso, de manera preferente un intervalo de 0, 01-0, 2 en peso, proporcionando de este modo el metal o aleación semisólidos con estructuras en granos no dendríticos.

2. Método, según la reivindicación 1, en el que el enfriamiento se consigue de manera adicional mediante el contacto 20 de dicho metal o aleación líquidos con dicho medio sólido.

3. Método, según la reivindicación 1, en el que dicha etapa de burbujas de gas circulantes proporciona una velocidad de enfriamiento, como mínimo, de 1 grado Celsius por minuto.

4. Método, según la reivindicación 3, en el que el enfriamiento se consigue de manera adicional mediante el contacto de dicho metal o aleación líquidos con, como mínimo, otro medio sólido que es diferente de dicho medio sólido.

5. Método, según la reivindicación 3, en el que dicho medio sólido se enfría mediante la circulación de aire o un fluido de enfriamiento a través del mismo. 30

6. Método, según la reivindicación 1, en el que se evita la agitación o rotación del medio sólido.