Motor y pieza de motor y procedimiento para fabricarlos.

Un motor (52), en particular un motor de combustión o una unidad de empuje de un motor de chorro,

o unapieza (54, 56) de motor, en forma de uno de una culata (56) de cilindros, un bloque (54) del motor, un cárter ouna pieza móvil de dicho motor, fabricado de metal, y en particular Al o Mg, o una aleación que comprende unoo más de los mismos, caracterizado porque el motor o la pieza de motor están fabricados de un materialcompuesto de dicho metal reforzado con nanopartículas, en particular CNT, en el que el metal reforzado tieneuna microestructura que comprende cristalitos metálicos separados, al menos parcialmente, por dichasnanopartículas.

Motor y pieza de motor y procedimiento para fabricarlos

Campo técnico

La presente invención versa acerca de un motor, en particular un motor de combustión o una unidad de empuje de un motor de chorro o una pieza del mismo fabricada de metal, y en particular un metal ligero tal como Al, Mg o una aleación que comprende uno o más de los mismos. La invención también versa acerca de un procedimiento para producirlos.

Técnica antecedente Tradicionalmente, los motores de combustión han sido fabricados de hierro de fundición, en particular fundición gris,

y estos materiales siguen siendo utilizados predominantemente en la fabricación actual de motores para coches. Sin embargo, en un esfuerzo continuado por limitar el consumo de combustible, la tendencia general en la fabricación de motores se encamina hacia motores de metales ligeros, en particular los basados en aleaciones de aluminio y de magnesio, que permiten ahorrar una parte considerable del peso total del vehículo y, por lo tanto, ayudar a mantener bajo el consumo de combustible.

Una dificultad importante que se encuentra cuando se utilizan metales ligeros tales como aluminio o magnesio para motores es su estabilidad térmica comparativamente deficiente, lo que da lugar a un fenómeno conocido como “fluencia”. Por ejemplo, en motores a base de aluminio, el bloque del motor y la culata de cilindros, ambos fabricados de una aleación de aluminio, estarán fijados entre sí con tornillos de acero fijados con un par elevado, de forma que el bloque del motor y la culata de cilindros estén presionados entre sí con una fuerza muy elevada. Es necesaria una fuerza elevada de conexión para garantizar una hermeticidad de las cavidades del motor a pesar de las presiones muy elevadas de gas generadas en el mismo. La fuerza elevada de fijación da lugar a un esfuerzo de adherencia considerable entre las piezas de metal ligero del motor, tales como el bloque del motor y la culata de cilindros, y el tornillo empleado para conectar los mismos.

Cuando la temperatura de las piezas de motor aumenta tras la operación del motor, se inducirá el “fenómeno de fluencia” en áreas de mayor esfuerzo de adherencia, y debido a la fluencia, se reducirá irreversiblemente el esfuerzo de adhesión. Es decir, incluso después de que se enfríe el motor y la fluencia se detiene, no se restaurará el esfuerzo de adherencia original. Por consiguiente, durante un uso más prolongado del motor, se reducirán el esfuerzo de adherencia y, por lo tanto, la fuerza de conexión entre el bloque del motor y la culata de cilindros y, por lo tanto, la hermeticidad del volumen encerrado por el mismo.

En un esfuerzo adicional para limitar el consumo de combustible, se aumenta la eficacia de los propios motores. Existe una tendencia adicional en la técnica de utilizar cilindradas más pequeñas en motores de combustión pero cargando el aire de entrada hasta presiones más elevadas. Si los motores son operados con presiones elevadas de gas, es aún más difícil de garantizar la hermeticidad y, por consiguiente, las fuerzas elevadas de conexión entre las piezas de motor se vuelven cada vez más importantes. Por lo tanto, un objeto de la invención es proporcionar un motor o piezas del mismo que permitan soslayar los problemas mencionados anteriormente.

También es un objeto de la invención proporcionar un procedimiento de fabricación del motor o de las piezas de motor que sea adecuado para una fabricación en serie a costes moderados.

Resumen de la invención Para cumplir los anteriores objetos, un motor o una pieza de motor está fabricado de metal, en particular Al, Mg o una aleación que comprende uno o más de los mismos, en el que el motor o la pieza de motor está fabricado de un material compuesto del metal reforzado con nanopartículas, en particular CNT (nanotubos de carbono) , en el que el metal reforzado tiene una microestructura que comprende cristalitos metálicos separados, al menos parcialmente, por dichas nanopartículas. En el presente documento, el compuesto comprende, preferentemente, cristalitos metálicos que tienen un tamaño en un intervalo desde 1 nm hasta 100 nm, preferentemente desde 10 nm hasta 100

nm, o en un intervalo de más de 100 nm y hasta 200 nm.

A continuación, se hará referencia específica a CNT como dichas nanopartículas en aras de la simplicidad. Sin embargo, se cree que también se podrían conseguir efectos similares cuando se utilizan otros tipos de nanopartículas que tienen una relación elevada entre dimensiones, en particular nanopartículas inorgánicas tales como carburos, nitruros y siliciuros. Por lo tanto, siempre que sea aplicable también se contempla cada divulgación 50 realizada en el presente documento con respecto a CNT con referencia a otros tipos de nanopartículas que tienen una relación elevada entre dimensiones, sin una mención adicional.

La estructura del material que constituye el medio de conexión tiene un efecto nuevo y sorprendente porque la microestructura de los cristalitos metálicos está estabilizada por las nanopartículas (CNT) . En particular, se ha observado que debido a una colocación del CNT a lo largo de los límites de los granos de los cristalitos metálicos 55 pequeños, preferentemente de escala nanométrica, se puede eliminar un movimiento de dislocación y se pueden estabilizar las dislocaciones en el metal por medio del CNT. Esta estabilización es muy eficaz debido a la relación sumamente elevada de superficie con respecto al volumen de los cristalitos de escala nanométrica. Además, si se utilizan aleaciones consolidadas por un endurecimiento de solución sólida como los constituyentes metálicos, se pueden estabilizar las fases del cristal mixto o la solución sólida por medio del acoplamiento o entrelazado con el

CNT. En consecuencia, este nuevo efecto que se observa que surge para cristalitos metálicos pequeños en combinación con CNT dispersos uniformemente y, preferentemente, isotrópicamente es denominado “nanoestabilización” o “nanofijación” en el presente documento. Un aspecto adicional de la nanoestabilización es que el CNT elimina un crecimiento del grano de los cristalitos metálicos.

Aunque la nanoestabilización es, por supuesto, un efecto microscópico (o más bien nanoscópico) , permite producir

un material compuesto como un producto intermedio y fabricar adicionalmente un motor o una pieza de motor acabados a partir del mismo que tienen propiedades mecánicas macroscópicas sin precedentes. En primer lugar, el material compuesto tendrá una resistencia mecánica que es significativamente mayor que la del componente metálico puro.

Un efecto técnico sorprendente adicional es una mayor estabilidad a altas temperaturas del material compuesto, así

como de las piezas de motor producidas a partir del mismo. Por ejemplo, se ha observado que debido a la nanoestabilización de los nanocristalitos por medio de CNT, se puede conservar una densidad de dislocaciones y una mayor dureza de la misma a temperaturas cercanas a la temperatura de fusión de algunas de las fases del metal. Esto significa que se puede reducir drásticamente el problema de fluencia encontrado en motores actuales de metal ligero. Si dos piezas de motor están conectadas a través de un medio de conexión con una fuerza elevada de conexión, se puede mantener el esfuerzo de adherencia entre el medio de conexión y las piezas de motor incluso en una operación prolongada a temperaturas elevadas, de forma que se puedan garantizar la fuerza de conexión y, por lo tanto, la hermeticidad del motor durante tiempos prolongados de operación. Esto es especialmente importante para motores modernos de combustión de eficacia elevada, en los que se carga el aire de entrada hasta presiones sumamente elevadas y cuando es difícil conseguir en la actualidad un grado suficientemente duradero de hermeticidad.

Un efecto técnico importante adicional es que debido a los CNT, se puede aumentar significativamente la conductividad térmica del material compuesto en comparación con la del propio contenido metálico, lo que permite disipar de forma más eficaz un calor excesivo y, por lo tanto, mantener moderados los máximos de temperatura en la pieza de motor. En consecuencia, esto también añade evitar el problema de fluencia mencionado anteriormente.

En algunas realizaciones de la invención, las nanopartículas no están separadas solo parcialmente entre sí por el CNT, sino que también hay contenidos o embebidos algunos CNT en los cristalitos. Se puede pensar que un CNT sobresale como un “pelo” de un cristalito. Se cree que estos CNT embebidos desempeñan un papel importante en la prevención del crecimiento... [Seguir leyendo]

1. Un motor (52) , en particular un motor de combustión o una unidad de empuje de un motor de chorro, o una pieza (54, 56) de motor, en forma de uno de una culata (56) de cilindros, un bloque (54) del motor, un cárter o una pieza móvil de dicho motor, fabricado de metal, y en particular Al o Mg, o una aleación que comprende uno o más de los mismos, caracterizado porque el motor o la pieza de motor están fabricados de un material compuesto de dicho metal reforzado con nanopartículas, en particular CNT, en el que el metal reforzado tiene una microestructura que comprende cristalitos metálicos separados, al menos parcialmente, por dichas nanopartículas.

2. El motor o la pieza de motor de la reivindicación 1, en el que el compuesto comprende cristalitos metálicos que tienen un tamaño en un intervalo desde 1 nm hasta 10 nm, preferentemente desde 10 nm hasta 100 nm, o en un intervalo de más de 100 nm y hasta 200 nm.

3. El motor o la pieza de motor de una de las anteriores reivindicaciones, en el que también hay contenidas nanopartículas en al menos algunos de los cristalitos.

4. El motor o la pieza de motor de una de las anteriores reivindicaciones, en el que el contenido de CNT del

material compuesto en peso se encuentra en el intervalo desde 0, 5 hasta 10, 0%, preferentemente desde 2, 0 hasta 9, 0%, y lo más preferentemente desde 3, 0 hasta 6, 0%.

5. El motor o la pieza de motor de una de las anteriores reivindicaciones, en el que las nanopartículas están formadas de CNT, al menos una fracción de los cuales tienen una estructura espiral que comprende una o más capas enrolladas de grafito, constituida cada capa de grafito por dos o más capas de grafeno en superposición mutua.

6. El motor o la pieza de motor de una de las anteriores reivindicaciones, en el que al menos una fracción de las nanopartículas está funcionalizada, en particular erosionada en su superficie externa.

7. El motor o la pieza de motor de una de las anteriores reivindicaciones, en el que la dureza Vickers del material compuesto supera la dureza Vickers del metal original en un 40% o más, preferentemente un 80% o más.

8. El motor o la pieza de motor de una de las anteriores reivindicaciones, en el que el metal está formado por una aleación de Al y la dureza Vickers del material compuesto es superior a 250 HV, preferentemente superior a 300 HV.

9. Un motor (52) , en particular un motor de combustión o una unidad de empuje de un motor de chorro que comprende una primera pieza (54) , una segunda pieza (56) y un medio (58) de conexión que conecta las piezas primera y segunda (54, 56) , en el que al menos una de las piezas primera y segunda (54, 56) es una parte del motor según una de las reivindicaciones 1 a 8, y en el que el medio (58) de conexión está fabricado de un material compuesto de un metal reforzado con nanopartículas, en el que dicho metal o aleación metálica de dicha al menos una de dichas piezas primera y segunda (54, 56)

es el mismo que el del componente metálico del medio (58) de conexión o tiene un potencial electroquímico que se desvía del del componente metálico del medio (58) de conexión en menos de 50 mV, preferentemente menos de 25 mV.

10. El motor de la reivindicación 9, en el que al menos dos miembros del grupo que consiste en la primera pieza (54) , la segunda pieza (56) y el medio (58) de conexión están fabricados de un material compuesto de un metal

o aleación metálica reforzados con nanopartículas pero tienen distintas concentraciones de nanopartículas, en el que los valores numéricos del porcentaje de nanopartículas en peso de dichos dos miembros difieren, preferentemente, al menos un 10%, más preferentemente al menos un 20% del superior de dichos valores numéricos.

11. Un procedimiento de fabricación de una pieza (54, 56) de motor en forma de uno de una culata (56) de cilindros, un bloque (54) del motor, un cárter o una pieza móvil de un motor, en particular una pieza de un motor de combustión o de una unidad de empuje de un motor de chorro, que comprende las siguientes etapas:

producir un polvo de material compuesto, comprendiendo dicho material un metal y nanopartículas, en particular nanotubos de carbono (CNT) ,

comprendiendo dichas partículas de polvo de material compuesto cristalitos metálicos separadas al menos parcialmente entre sí por dichas nanopartículas, y una etapa de compactación del polvo de material compuesto en una pieza acabada (54, 56) de motor o una preforma para dicha pieza (54, 56) de motor.

12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la etapa de compactación del polvo de material compuesto comprende prensado isostático en caliente, prensado isostático en frío, extrusión de polvo, laminación de polvo, o sinterización.

13. El procedimiento de la reivindicación 11 o 12, en el que las partículas de polvo de material compuesto

comprenden cristalitos metálicos ligeros que tienen un tamaño en un intervalo desde 1 nm hasta 100 nm, preferentemente desde 10 nm hasta 100 nm, o en un intervalo de más de 100 nm y hasta 200 nm.

14. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 13, que comprende, además, una etapa de procesamiento de un polvo metálico y dichas nanopartículas mediante un aleado mecánico, de manera que se forme dicho polvo de material compuesto.

15. El procedimiento de la reivindicación 14, en el que el polvo metálico y las nanopartículas son procesados de forma que las nanopartículas también están contenidas en al menos algunos de los cristalitos.

16. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 15, en el que dicho metal es un metal ligero, en particular Al, Mg o una aleación que incluye uno o más de los mismos.

17. El procedimiento de la reivindicación 16, en el que el diámetro medio de los aglomerados de CNT es entre 0, 05 15 y 5 mm, preferentemente entre 0, 1 y 2 mm y lo más preferentemente entre 0, 2 y 1 mm.

18. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 17, en el que la relación de longitud con respecto al diámetro de las nanopartículas, en particular CNT, es superior a 3, preferentemente superior a 10 y lo más preferentemente superior a 30.

19. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 18, en el que el contenido de CNT del material compuesto

en peso se encuentra en un intervalo desde 0, 5 hasta 10, 0%, preferentemente desde 2, 0 hasta 9, 0% y lo más preferentemente desde 3, 0 hasta 6, 0%.

20. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 19, en el que las nanopartículas están formadas por CNT, al menos una fracción de los cuales tiene una estructura espiral, que comprende una o más capas enrolladas de grafito en superposición mutua.

21. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 20, que comprende una etapa de funcionalización, erosionando en particular al menos una fracción de las nanopartículas antes del aleado mecánico.

22. El procedimiento de la reivindicación 21, en el que las nanopartículas están formadas por CNT de múltiples paredes o de múltiples espirales y la erosión se lleva a cabo al provocar que al menos la capa más externa de al menos algunos de los CNT se rompa al someter a los CNT a una presión elevada, en particular, una presión de 5, 0 MPa o superior, preferentemente 7, 8 MPa o superior.

23. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 22, en el que el procesamiento se lleva a cabo de forma que se aumente y se estabilice la densidad de dislocaciones de los cristalitos por medio de las nanopartículas lo suficientemente como para aumentar la dureza Vickers media del material compuesto y/o de la pieza (54, 56) de motor formada al compactar los mismos para superar la dureza Vickers del metal original en un 40% o más, preferentemente un 80% o más.

24. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 22, en el que el procesamiento se lleva a cabo de forma que se estabilicen las dislocaciones y se elimina el crecimiento del grano lo suficientemente, de forma que la dureza Vickers de la pieza (54, 56) de motor formada al compactar el polvo de material compuesto sea mayor que la dureza Vickers del metal original, preferentemente superior al 80% de la dureza Vickers del polvo de material compuesto.

25. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 24, en el que el aleado mecánico se lleva a cabo utilizando un molino (42) de bolas que comprende una cámara (44) de molienda y bolas (50) como miembros de molienda.

26. El procedimiento de la reivindicación 25, en el que las bolas (50) son aceleradas hasta una velocidad de al 45 menos 5, 0 m/s, preferentemente al menos 8, 0 m/s y lo más preferentemente al menos 11, 0 m/s.

27. El procedimiento de la reivindicación 25 o 26, en el que la cámara (44) de molienda es estacionaria y las bolas (50) son aceleradas mediante un movimiento giratorio de un elemento giratorio (46) .

28. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que un eje de dicho elemento giratorio (46) está orientado horizontalmente.

29. El procedimiento de una de las reivindicaciones 25 a 28, en el que dichas bolas (50) tienen un diámetro de 3 a 8 mm, preferentemente de 3 a 6 mm y/o están fabricadas de acero, ZiO2 o ZiO2 estabilizado con itria.

30. El procedimiento de una de las reivindicaciones 25 a 29, en el que el volumen Vb ocupado por las bolas (50) se corresponde con Vb = Vc -∀∃ (rR) 2 ∃l %20%, en el que Vc es el volumen de la cámara (44) de molienda, rR es el radio del elemento giratorio 46) y l es la longitud de la cámara (44) de molienda en la dirección axial del elemento giratorio (46) .

31. El procedimiento de una de las reivindicaciones 25 a 30, en el que se proporciona un gas inerte, en particular Ar, He o N2 o un entorno de vacío en el interior de la cámara (44) de molienda.

32. El procedimiento de una de las reivindicaciones 25 a 31, en el que la relación de (metal + nanopartículas) con respecto a las bolas en peso es entre 1:7 y 1:13.

33. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 32, en el que dicho procesamiento de polvo metálico y de

nanopartículas comprende una primera y una segunda etapa de procesamiento, en el que en la primera etapa de procesamiento, se procesa la mayor parte del metal, o toda él, y en la segunda etapa, se añaden las nanopartículas, en particular CNT y se procesan simultáneamente el metal y las nanopartículas.

34. El procedimiento de la reivindicación 33, en el que ya se añade una fracción de las nanopartículas en la 15 primera etapa de procesamiento para evitar la adhesión del metal.

35. El procedimiento de una de las reivindicaciones 33 y 34, en el que la primera etapa se lleva a cabo durante un tiempo adecuado para generar cristalitos metálicos que tienen un tamaño medio inferior a 100 nm, y en particular durante 20 a 60 min.

36. El procedimiento de una de las reivindicaciones 33 a 35, en el que la segunda etapa se lleva a cabo durante un

tiempo suficiente como para causar una estabilización de la microestructura de los cristalitos por medio de las nanopartículas, y en particular, durante 5 a 30 min.

37. El procedimiento de una de las reivindicaciones 33 a 36, en el que la segunda etapa es más breve que la primera etapa.

38. El procedimiento de una de las reivindicaciones 27 a 37, en el que durante el procesamiento, se aumenta y se 25 reduce cíclicamente la velocidad de rotación del elemento giratorio (46) .

39. El procedimiento de una de las reivindicaciones 10 a 38, en el que dichas nanopartículas están formadas por CNT proporcionados en forma de un polvo de CNT, comprendiendo dicho procedimiento, además, una etapa de producir dicho polvo de CNT mediante deposición de vapor de carbono catalítico utilizando uno o más de un grupo que consiste en acetileno, metano, etano, etileno, butano, buteno, butadieno, y benceno como donador

de carbono.

40. El procedimiento de la reivindicación 39, en el que el catalizador comprende dos o más elementos de un grupo que consiste en Fe, Co, Mn, Mo y Ni.

41. El procedimiento de una de las reivindicaciones 39 y 40, en el que dicha etapa de producir el polvo de CNT

comprende una etapa de descomposición catalítica de hidrocarburos C1-C3 a 500&C hasta 1000&C utilizando un 35 catalizador que comprende Mn y Co en una relación molar en un intervalo de 2:3 a 3:2.

42. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 41, que comprende, además, una etapa de formar un polvo metálico como el constituyente metálico del material compuesto mediante pulverización de un metal o una aleación líquidos en una atmósfera inerte.

43. El procedimiento de una de las reivindicaciones 11 a 42, que comprende, además, una etapa de pasivación del 40 material compuesto acabado.

44. El procedimiento de la reivindicación 43, en el que el material compuesto está cargado en una cámara de pasivación y agitado en la misma mientras se añade gradualmente oxígeno, de forma que se oxide el material compuesto.

45. Una rueda de engranaje fabricada de metal, y en particular Al, Mg o Ti o una aleación que comprende uno o

más de los mismos, caracterizada porque la rueda de engranaje está fabricada de un material compuesto de dicho metal reforzado con nanopartículas, en particular CNT, en la que el metal reforzado tiene una microestructura que comprende cristalitos metálicos separados al menos parcialmente por dichas nanopartículas.

46. La rueda de engranaje de la reivindicación 45, en la que el compuesto es un compuesto como se define 50 adicionalmente en una de las reivindicaciones 2 a 8.