Un método de conexión, un procedimiento de fabricación del mismo y una conexión de material.

Un medio de conexión (58) fabricado de metal y, en particular,

de Al, Mg, Cu o Ti, o una aleación que comprendeuno o más de los mismos y en forma de un tornillo, una abrazadera, una bisagra o un remache, caracterizadoporque el medio de conexión (58) está fabricado de un material compuesto de dicho metal reforzado connanopartículas, en particular, nanotubos de carbono (NTC), en el que el metal reforzado tiene una microestructuraque comprende cristalitos de metal al menos parcialmente separados por dichas nanopartículas.

Un medio de conexión, un procedimiento de fabricación del mismo y una conexión de material

Campo técnico

La presente invención se refiere a un medio de conexión fabricado de metal y, en particular, de un metal ligero tal como Al, Mg, Cu, Ti o una aleación que comprende uno o más de los mismos. La invención también se refiere a un procedimiento para producir el mismo y a una conexión de material mediante el empleo del medio de conexión.

Antecedentes de la técnica Existe una demanda continua en la técnica por medios de conexión tales como tornillos, pernos, bisagras o remaches. En muchas aplicaciones, el medio de conexión ideal tendría un bajo peso, una alta resistencia, tal como una alta dureza Vickers y una alta resistencia a la tracción, una estabilidad a altas temperaturas y una alta resistencia a la corrosión.

Desafortunadamente, en la actualidad, ninguno de los medios de conexión conocidos proporciona todas las anteriores características ventajosas; en cambio, los medios de conexión de la técnica anterior siempre se asemejarán a un cierto compromiso a este respecto. Por ejemplo, en algunos casos, para la fabricación de medios de conexión, se usan aleaciones basadas en Al debido a su bajo peso. Por desgracia, muchas aleaciones de Al de alta resistencia tienen una resistividad a la corrosión inferior y, a menudo, no se pueden anodizar. Además, muchas aleaciones de aluminio de alta resistencia necesitan un tratamiento térmico para obtener las propiedades mecánicas deseadas, que a menudo sólo serán permanentes en intervalos de temperaturas relativamente limitados. Esto es especialmente importante, ya que el deterioro de las propiedades mecánicas tras un uso a altas temperaturas es irreversible.

La reducida estabilidad a la temperatura de tales aleaciones de aluminio de alta resistencia también implica que, a menudo, sólo se pueden procesar en frío o mediante mecanizado. Desafortunadamente, en el procesado en frío, se acumulan tensiones dentro de la matriz de metal que se han de reducir mediante un procesamiento térmico. Es más, durante el procesamiento térmico, no se puede garantizar la consistencia dimensional de las piezas de alta precisión. Por otro lado, la fabricación de medios de conexión tales como tornillos mediante mecanizado no sólo es muy costosa, sino que además conduce a las desfavorables distribuciones geométricas de la tensión que, a menudo, conducen a una disminución de la resistencia con respecto a las fuerzas de corte.

Por consiguiente, la mayoría de las aleaciones de aluminio de resistencia más elevada no son adecuadas para los medios de conexión, su producción es costosa y todavía se han de proteger contra la corrosión.

Por otra parte, se conoce una serie de aleaciones de Al resistentes a la corrosión basadas en el refuerzo por solubilización de la fase sólida, tales como la serie Al1xxx, Al3xxx y Al5xxx según la norma EN 573-3/4 que, por lo general, también se pueden anodizar. Sin embargo, las resistencias mecánicas de estas aleaciones son bastante bajas y sólo se pueden aumentar en límites reducidos mediante el endurecimiento por medios mecánicos.

Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar un medio de conexión que sea de un peso ligero, resistente a la corrosión y tenga una alta resistencia mecánica, en particular, una alta dureza Vickers y una elevada resistencia a la tracción.

Es también un objeto de la invención proporcionar un procedimiento de fabricación de dicho medio de conexión que sea adecuado para la producción en serie a un coste más bien moderado.

Resumen de la invención Para satisfacer los objetos anteriores, se proporciona un medio de conexión fabricado de metal y, en particular, de un metal ligero tal como Al, Mg, Cu, Ti, o una aleación que comprende uno o más de los mismos, que es de un material compuesto de dicho metal reforzado con nanopartículas, en particular, NTC, en el que el metal reforzado tiene una microestructura que comprende cristalitos de metal al menos parcialmente separados por nanopartículas. En la presente memoria, el compuesto comprende preferiblemente cristalitos metálicos que tienen un tamaño en un intervalo de 1 nm a 100 nm, preferiblemente, de 10 nm a 100 nm, o en un intervalo de más de 100 nm y hasta 200 nm.

A continuación, con el fin de simplificar, se hará referencia específicamente a los NTC como dichas nanopartículas. Sin embargo, se cree que también se podrían lograr efectos similares usando otros tipos de nanopartículas que tuvieran una alta relación de aspecto, en particular, nanopartículas inorgánicas tales como carburos, nitruros y siliciuros. Así pues, cuando sea aplicable, toda divulgación hecha en la presente memoria con respecto a los NTC se contempla también con referencia a otros tipos de nanopartículas que tengan una alta relación de aspecto, sin necesidad de mencionarlas.

La estructura del material que constituye el medio de conexión tiene el nuevo y sorprendente efecto de que la microestructura de los cristalitos metálicos es estabilizada por las nanopartículas (NTC) . En particular, se ha observado que, debido a un posicionamiento de los NTC a lo largo de los cristalitos metálicos de grano pequeño, preferiblemente, en la escala de los nanómetros, se puede suprimir un movimiento de dislocación, pudiendo ser las dislocaciones del metal estabilizadas por los NTC. Esta estabilización es muy eficaz debido a la relación extremadamente alta entre superficie y volumen de los cristalitos en la escala de los nanómetros. Además, si se usan aleaciones reforzadas mediante endurecimiento por solución sólida como componentes metálicos, las fases del cristal mixto o la solución sólida se pueden estabilizar mediante el acoplamiento o la imbricación con los NTC. Por consiguiente, en la presente memoria, este nuevo efecto observado que surge de cristalitos metálicos pequeños en combinación con NTC dispersados uniformemente y, preferiblemente, isotrópicamente se denomina "nanoestabilización" o "nanofijación". Un aspecto adicional de la nanoestabilización es que los NTC inhiben el crecimiento del grano de los cristalitos metálicos.

Aunque, como es evidente, la nanoestabilización es un efecto microscópico (o más bien nanoscópico) , permite producir un material compuesto en forma de un producto intermedio para la posterior fabricación de un medio de conexión final a partir del mimo que tenga propiedades mecánicas macroscópicas sin precedentes. En primer lugar, el material compuesto tendrá una resistencia mecánica que será significativamente superior a la del componente de metal puro. Un efecto técnico aún más sorprendente es el aumento de la estabilidad a altas temperaturas del material compuesto, así como del medio de conexión producido a partir del mismo. Por ejemplo, se ha observado que debido a la nanoestabilización de los nanocristalitos por los NTC, se puede conservar una densidad de las dislocaciones y un aumento de la dureza asociado con la misma a temperaturas cercanas al punto de fusión de algunas de las fases del metal. Esto significa que los medios de conexión se pueden producir mediante procedimientos de procesamiento en caliente o de extrusión a temperaturas cercanas al punto de fusión de algunas de las fases del metal, preservando al mismo tiempo la resistencia mecánica y la dureza del compuesto. Por ejemplo, si el metal es aluminio o una aleación de aluminio, el experto en la técnica apreciará que el procesamiento en caliente podría ser una forma atípica de procesarlo, ya que éste normalmente compromete gravemente las propiedades mecánicas del aluminio. Sin embargo, debido a la nanoestabilización descrita anteriormente, se preservarán un aumento del módulo de Young y de la dureza incluso en el procesamiento en caliente. Por la misma razón, se puede usar el medio de conexión final formado a partir del compuesto nanoestabilizado como material de origen para aplicaciones a altas temperaturas, tales como motores o turbinas, en las que los metales ligeros suelen fallar debido a su falta de estabilidad a altas temperaturas.

En algunas realizaciones de la invención, las nanopartículas no sólo están separadas parcialmente entre sí por los NTC, sino que también hay algunos NTC contenidos o embebidos en cristalitos. Para explicarlo de manera gráfica, sería como un NTC sobresaliendo como un "pelo" de un cristalito. Se cree que estos NTC embebidos desempeñan un papel importante en la prevención del crecimiento del grano y la relajación interna, es decir, la prevención de una disminución de la densidad de dislocaciones cuando se aplica energía en forma de presión y/o calor al compactar el material compuesto. Mediante las técnicas mecánicas de aleación del tipo... [Seguir leyendo]

1. Un medio de conexión (58) fabricado de metal y, en particular, de Al, Mg, Cu o Ti, o una aleación que comprende uno o más de los mismos y en forma de un tornillo, una abrazadera, una bisagra o un remache, caracterizado porque el medio de conexión (58) está fabricado de un material compuesto de dicho metal reforzado con nanopartículas, en particular, nanotubos de carbono (NTC) , en el que el metal reforzado tiene una microestructura que comprende cristalitos de metal al menos parcialmente separados por dichas nanopartículas.

2. El medio de conexión (58) de la reivindicación 1, en el que un compuesto comprende cristalitos de metal que tienen un tamaño en un intervalo de 1 nm a 100 nm, preferiblemente de 10 nm a 100 nm, o en un intervalo de más de 100 nm y hasta 200 nm.

3. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones anteriores, en el que las nanopartículas también están contenidas en al menos parte de los cristalitos.

4. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones anteriores, en el que el contenido de NTC del material compuesto en peso está en el intervalo del 0, 5 al 10, 0%, preferiblemente del 2, 0 al 9, 0% y lo más preferiblemente del 3, 0 al 6, 0%.

5. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones anteriores, en el que las nanopartículas están formadas por NTC, teniendo al menos una fracción de los cuales una estructura de espiral compuesta por una o más capas de grafito enrolladas, consistiendo cada capa de grafito en dos o más capas de grafeno superpuestas entre sí.

6. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una fracción de las nanopartículas está funcionalizada, en particular, con rugosidades en su superficie exterior.

7. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones anteriores, en el que la dureza Vickers del material compuesto supera la dureza Vickers del metal original en un 40% o superior, preferiblemente, en un 80% o superior.

8. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones anteriores, en el que el metal está formado por una aleación de Al y la dureza Vickers del material compuesto es superior a 250 HV, preferiblemente, superior a 300 HV.

9. Una conexión de material (52) que comprende una primera parte (54) , una segunda parte (56) y un medio de conexión (58) según una de las reivindicaciones 1 a 8 que conecta la primera y la segunda parte (54, 56) , en la que al menos una de la primera y la segunda parte (54, 56) comprende un metal o una aleación de metales, y en la que el medio de conexión (58) está fabricado de un material compuesto de un metal reforzado por nanopartículas, en la que dicho metal o aleación de metales de dicha al menos una de dicha primera y segunda parte (54, 56) es el mismo que el del componente metálico del medio de conexión (58) o tiene un potencial electroquímico que deriva del componente metálico del medio de conexión (58) en menos de 50 mV, preferiblemente, menor de 25 mV.

10. Una conexión de material (52) de la reivindicación 9, en la que al menos dos miembros del grupo que consiste en la primera parte (54) , la segunda parte (56) y el medio de conexión (58) son de un material compuesto de un metal o aleación de metales reforzado por nanopartículas, pero que tienen diferentes concentraciones de nanopartículas.

11. La conexión de material (58) de la reivindicación 10, en la que los valores numéricos del porcentaje en peso de las nanopartículas de dichos dos miembros se diferencian en al menos un 10%, preferiblemente en al menos un 20% del mayor de dichos valores numéricos.

12. El medio de conexión (58) de una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la concentración de las nanopartículas varía entre diferente zonas de dicha parte integral.

13. El medio de conexión (58) de la reivindicación 12, en el que la concentración de las nanopartículas varía a lo largo de al menos una dirección de dicha parte integral.

14. Un procedimiento de fabricación de un medio de conexión (58) en forma de un tornillo, una abrazadera, una bisagra o un remache que comprende las siguientes etapas:

producir un material compuesto en polvo, material que comprende un metal y nanopartículas, en particular, nanotubos de carbono (NTC) , partículas de compuesto en polvo que comprenden cristalitos de metal al menos parcialmente separados entre sí por dichas nanopartículas y una etapa de compactación del polvo de material compuesto en un medio de conexión acabado (58) .

15. El procedimiento de la reivindicación 14, en el que la etapa de compactar el material compuesto en polvo comprende el prensado isostático en caliente, prensado isostático en frío, extrusión en polvo, laminación en polvo o sinterización.

16. El procedimiento de la reivindicación 14 ó 15, en el que las partículas de material compuesto en polvo comprenden cristalitos metálicos ligeros que tienen un tamaño en un intervalo de 1 nm a 100 nm, preferiblemente de 10 nm a 100 nm, o en un intervalo de más de 100 nm y de hasta 200 nm.

17. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 16, que comprende además una etapa de procesamiento de un polvo de metal y dichas nanopartículas mediante la aleación mecánica para formar dicho polvo de compuesto.

18. El procedimiento de la reivindicación 17, en el que el polvo de metal y las nanopartículas se procesan de modo que las nanopartículas también están contenidas en al menos parte de los cristalitos.

19. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 17, en el que dicho metal es un metal ligero, en particular, Al, Mg, Ti o una aleación que incluye uno o más de los mismos, Cu o una aleación de Cu.

20. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 19, en el que dichas nanopartículas están formadas por nanotubos de carbono (NTC) proporcionados en forma de un polvo de aglomerados de NTC enmarañados que tienen un tamaño medio lo suficientemente grande como para permitir una fácil manipulación, debido a un bajo potencial de formación de polvo.

21. El procedimiento de la reivindicación 20, en el que al menos el 95% de los aglomerados de NTC tiene un tamaño de partícula superior a 100 !m.

22. El procedimiento de las reivindicaciones 20 ó 21, en el que el diámetro medio de los aglomerados de NTC está entre 0, 05 y 5 mm, preferiblemente entre 0-1 y 2 mm, y lo más preferiblemente entre 0, 2 y 1 mm.

23. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 22, en el que la relación de longitud a diámetro de las nanopartículas, en particular, de los NTC, es superior a 3, preferiblemente, superior a 10 y, lo más preferiblemente, superior a 30.

24. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 23, en el que el contenido de NTC del material compuesto en peso está en el intervalo del 0, 5 al 10, 0%, preferiblemente del 2, 0 al 9, 0% y lo más preferiblemente del 3, 0 al 6, 0%.

25. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 24, en el que las nanopartículas están formadas por NTC, teniendo al menos una fracción de los cuales una estructura de espiral compuesta por una o más capas de grafito enrolladas, consistiendo cada capa de grafito en dos o más capas de grafeno superpuestas entre sí.

26. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 25 que comprende una etapa de funcionalización, en particular, de rugosidad de al menos una fracción de las nanopartículas antes de la aleación mecánica.

27. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que las nanopartículas están formadas por NTC multicapa o de múltiples espirales y la rugosidad se realiza haciendo que al menos la capa más externa de al menos parte de los NTC se rompa, sometiendo los NTC a una alta presión, en particular, a una presión de 5 MPa o superior, preferiblemente, de 7, 8 MPa o superior.

28. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 27, en el que el procesamiento se realiza para aumentar y estabilizar la densidad de las dislocaciones de los cristalitos por parte de las nanopartículas lo suficiente como para aumentar la dureza Vickers media del material compuesto y/o del medio de conexión (58) formado mediante la compactación del mismo hasta superar la dureza Vickers del metal original en un 40% o superior, preferiblemente, en un 80% o superior.

29. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 27, en el que el procesamiento se realiza para estabilizar las dislocaciones e inhibir el crecimiento del grano lo suficiente como para que la dureza Vickers del medio de conexión (58) formado mediante la compactación del compuesto en polvo sea mayor que la dureza Vickers del metal original, preferiblemente, superior al 80% de la dureza Vickers del compuesto en polvo.

30. El procedimiento de una de las reivindicaciones 17 a 29, en el que la aleación mecánica se realiza usando un molino de bolas (42) que comprende una cámara de molienda (44) y bolas (50) como miembros de molienda.

31. El procedimiento de la reivindicación 30, en el que las bolas (50) se aceleran hasta una velocidad de al menos 5 m/s, preferiblemente de al menos 8 m/s y, lo más preferiblemente de al menos 11 m/s.

32. El procedimiento de la reivindicación 30 ó 31, en el que la cámara de molienda (44) es estacionaria y las bolas (50) son aceleradas por un movimiento de rotación de un elemento giratorio (46) .

33. El procedimiento de la reivindicación 32, en el que el eje de dicho elemento giratorio (46) está orientado horizontalmente.

34. El procedimiento de una de las reivindicaciones 30 a 33, en el que dichas bolas (50) tienen un diámetro de 3 a 8 mm, preferiblemente de 3 a 6 mm y/o están fabricadas de acero, ZiO2 o ZrO2 estabilizado con itria.

35. El procedimiento de una de las reivindicaciones 30 a 34, en el que el volumen Vb ocupado por las bolas (50) corresponde a Vb = Vc -n • (rR) 2 • l ± 20%, en la que

Vc es el volumen de la cámara de molienda (44) , rR es el radio del elemento giratorio (46) e l es la longitud de la cámara de molienda (44) en dirección axial del elemento giratorio (46) .

36. El procedimiento de una de las reivindicaciones 30 a 35, en el que se proporciona un gas inerte, en particular, Ar, He o N2, o un entorno al vacío en el interior de la cámara de molienda (44) .

37. El procedimiento de la reivindicación 30 a 36, en el que la proporción entre (metal + nanopartículas) y bolas en peso es de entre 1:7 y 1:13.

38. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 37, en el que dicho procesamiento del polvo metálico y de las nanopartículas comprende una primera y una segunda etapa de procesamiento, en el que en la primera etapa de procesamiento se procesa la mayoría o todo el metal, y en la segunda etapa se añaden las nanopartículas, en particular, los NTC, y se procesan simultáneamente el metal y las nanopartículas.

39. El procedimiento de la reivindicación 38, en el que una fracción de las nanopartículas está ya añadida en la primera etapa del procesamiento para evitar la adherencia del metal.

40. El procedimiento de una de las reivindicaciones 38 y 39, en el que la primera etapa se realiza durante un tiempo adecuado para generar cristalitos de metal que tienen un tamaño medio inferior a 200 nm, preferiblemente, inferior a 100 nm y, en particular de 20 a 60 min.

41. El procedimiento de una de las reivindicaciones 38 a 40, en el que la segunda etapa se realiza durante un tiempo suficiente para provocar la estabilización de la microestructura de los cristalitos por parte de las nanopartículas y, en particular de 5 a 30 min.

42. El procedimiento de una de las reivindicaciones 38 a 41, en el que la segunda etapa es más corta que la primera etapa.

43. El procedimiento de una de las reivindicaciones 32 a 42, en el que durante el procesamiento, la velocidad de rotación del elemento giratorio (46) se eleva y se desciende cíclicamente.

44. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 43, en el que dichas nanopartículas están formadas por NTC proporcionado en forma de un polvo de NTC, dicho procedimiento comprende además la etapa de producir dicho polvo de NTC mediante deposición catalítica en fase vapor de carbono, con el uso de un o más de un grupo que consiste en acetileno, metano, etano, etileno, butano, buteno, butadieno y benceno como donante de carbono.

45. El procedimiento de la reivindicación 44, en el que el catalizador comprende dos o más elementos de un grupo que consiste en Fe, Co, Mn, Mo y Ni.

46. El procedimiento de una de las reivindicaciones 44 y 45, en el que dicha etapa de producción de polvo de NTC comprende una etapa de descomposición catalítica de hidrocarburos C1-C3 a una temperatura de 500ºC a 1.000ºC con el uso de un catalizador que comprende Mn o Co en una proporción molar en el intervalo de 2:3 a 3:2.

47. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 46, que comprende además una etapa de formación de un polvo de metal como el constituyente metálico del material compuesto mediante la atomización por pulverización de un metal o aleación en estado líquido en una atmósfera inerte.

48. El procedimiento de una de las reivindicaciones 14 a 47 que comprende además una etapa de pasivación del material compuesto acabado.

49. El procedimiento de la reivindicación 48, en el que el material compuesto se carga en una cámara de pasivación y se agita en su interior mientras se añade gradualmente oxígeno para oxidar el material compuesto.