Composición metalúrgica de materiales en forma de partículas, producto sinterizado auto-lubricante y proceso para la obtención de productos sinterizados auto-lubricantes.

Una composición metalúrgica de materiales en forma de partículas,

para formar productos compuestos autolubricantes conformados y sinterizados, caracterizada por que comprende un material metálico principal en forma de partículas, en forma de elemento químico preponderante, donde el material metálico principal en forma de partículas es hierro, y al menos un elemento de endurecimiento en forma de partículas, que forman una matriz estructural (10) en el producto compuesto objeto de sinterización, donde el elemento de endurecimiento en forma de partículas tiene la función de endurecer la matriz estructural (10); un lubricante (20) sólido no metálico en forma de partículas, al menos parcialmente soluble en la matriz estructural, donde el lubricante (20) sólido en forma de partículas es una mezcla que consiste en grafito y nitruro de boro hexagonal; un componente de aleación, con la función de estabilizar la fase alfa de hierro; y al menos un elemento de aleación en forma de partículas capaz de formar, durante la sinterización de la composición metalúrgica conformada, una fase líquida entre el material en forma de partículas que forma la matriz estructural (10) y el lubricante sólido en forma de partículas (20), aglomerar el último en partículas discretas, donde el lubricante (20) sólido en forma de partículas representa un porcentaje volumétrico menor o igual de un 15 % del volumen del material compuesto objeto de formación y el elemento de endurecimiento en forma de partículas, estando definidos el elemento de aleación en forma de partículas y el componente de aleación por medio de silicio, con contenidos de un 2 % a un 5 % en peso de la composición metalúrgica.

Composición metalúrgica de materiales en forma de partículas, producto sinterizado auto-lubricante y proceso para la obtención de productos sinterizados auto-lubricantes

Campo de la invención

La presente invención se refiere a técnicas específicas para la fabricación de productos terminados (piezas) y productos semi-terminados (artículos varios), conformados a partir de una composición metalúrgica de materiales en forma de partículas (en forma de polvos metálicos y no metálicos) y que se diseñan para someterlos a sinterización, comprendiendo dichos productos, además de los elementos constitutivos de la matriz estructural metálica del producto objeto de formación durante la etapa de sinterización, un lubricante sólido, en forma de partículas y que se dispersa en la matriz metálica, conduciendo a la formación de la micro-estructura de un producto compuesto auto- lubricante que presenta una matriz metálica continua y que es capaz de impartir, a los productos sinterizados, un bajo coeficiente de fricción unido a una elevada resistencia mecánica y elevada dureza de la pieza o producto sinterizado. La invención se refiere a dicha composición metalúrgica para formar el producto compuesto auto- lubricante (piezas), por medio de sinterización, a partir de dicha composición, así como también técnicas alternativas específicas o procesos para obtener dichas piezas o productos por medio de metalurgia en forma de polvo.

Antecedentes de la invención

En ingeniería mecánica, existe una búsqueda creciente para obtener materiales para aplicaciones que requieren propiedades, tales como elevada resistencia mecánica y elevada resistencia de desgaste unidas a un bajo coeficiente de fricción. Actualmente, los problemas de desgaste y corrosión representan de manera conjunta pérdidas de un 2 % a un 5 % de GDP World; aproximadamente un 35 % de toda la energía mecánica producida en el planeta se pierde debido a deficiencia de lubricación y se convierte en calor por medio de fricción. Aparte de la pérdida de energía, el calor generado impide el rendimiento del sistema mecánico debido al calentamiento. De este modo, el mantenimiento de un bajo coeficiente de fricción en las piezas mecánicas bajo fricción resulta altamente importante, no solo para el ahorro de energía, sino también para mejorar la durabilidad de dichas piezas y las de los sistemas mecánicos en los cuales operan, además de contribuir a la conservación del medio ambiente.

La manera usada para reducir el desgaste y la fricción entres las superficies en movimiento relativo consiste en mantener estas superficies separadas, intercalando una capa lubricante entre las mismas. Entre los posibles modos de lubricación, la hidrodinámica (lubricantes fluidos) es la más utilizada. En la lubricación hidrodinámica, se forma una película de aceite que separa completamente las superficies en movimiento relativo. No obstante, debería constatarse que el uso de lubricantes fluidos es normalmente problemático, como en las aplicaciones a temperaturas muy elevadas o muy bajas y aplicaciones en las cuales el lubricante fluido puede reaccionar químicamente y cuando el lubricante fluido puede actuar como contaminante. Además, en situaciones de lubricación límite que resultan de paradas de ciclo, o en situaciones en las cuales es imposible formar una película de aceite lubricante, tiene lugar el contacto entre las piezas, provocando de manera consiguiente el desgaste de las mismas.

La lubricación en seco, es decir, la que usa lubricantes sólidos, es una alternativa a la lubricación tradicional, ya que actúa por medio de la presencia de una capa lubricante, que evita el contacto entre las superficies de los componentes pero sin presentar ruptura de la capa formada.

Los lubricantes sólidos se han aceptado bien en las áreas de lubricación problemáticas. Se pueden usar a temperaturas extremas, bajo condiciones de carga elevada y en un entorno químicamente reactivo, donde no se pueden usar lubricantes convencionales. Además, la lubricación en seco (lubricantes sólidos) es una alternativa más limpia desde el punto de vista ambiental.

El lubricante sólido se puede aplicar a los componentes de un partribológico, en forma de películas (o capas) que se depositan o generan sobre la superficie de los componentes o se incorporan al volumen del material de dichos componentes, en forma de partículas de segunda fase. Cuando se aplican películas específicas o capas y en el caso de que experimenten desgaste, tiene lugar el contacto metal-metal y el consiguiente desgaste rápido de las superficies que confrontan desprotegidas y de los componentes relativamente móviles. En estas soluciones donde se aplican las películas o capas, debería considerarse además la dificultad de sustituir el lubricante, así como la oxidación y la degradación de éste último.

De este modo, una solución más adecuada que permita aumentar la duración del material, es decir, de los componentes, consiste en incorporar el lubricante sólido al volumen del material constitutivo del componente, para formar la estructura del componente en un material compuesto de bajo coeficiente de fricción. Esto es posible a través de la tecnología de procesado de materiales a partir de polvos, es decir, por medio de la conformación de una mezcla en forma de polvo mediante compactación, incluyendo prensado, laminado, extrusión y otras, o también por medio de moldeo por inyección, seguido de sinterización, con el fin de obtener un material compuesto continuo, normalmente ya con la geometría y dimensiones finales (producto terminado) o con la geometría y dimensiones próximas a las finales (producto semi-terminado).

Se han usado los componentes mecánicos auto-lubricantes (productos de metalurgia en forma de polvo) que presentan un bajo coeficiente de fricción, tales como cojinetes auto-lubricantes sinterizados, producidos por medio de metalurgia en forma de polvo a partir de materiales compuestos y que comprenden un precursor en forma de partículas que forma la matriz estructural de la pieza, y un lubricante sólido en forma de partículas a incorporar en la matriz estructural de la pieza, en diversas aplicaciones domésticas y equipamiento de pequeño tamaño, tal como: impresoras, maquinillas eléctricas de afeitar, taladradoras, mezcladoras y similares. La mayoría de las soluciones bien conocidas de la técnica anterior para la matriz estructural usan bronce, cobre, plata y hierro puro. Se usan en forma de lubricantes sólidos: disulfuro de molibdeno (MS2), plata (Ag), politetrafluoroetileno (PTFE) y diseleniuro de molibdeno (MoSe2). Este tipo de cojinete auto-lubricante, principalmente con matriz de bronce y cobre que contiene, como partículas de lubricante sólido, grafito en forma de polvo, selenio y disulfuro de molibdeno y metates de bajo punto de fusión, se ha producido y usado durante décadas en varias aplicaciones de ingeniería.

No obstante, esta piezas no presentan elevada resistencia mecánica, como función de su elevado contenido volumétrico (desde un 25 % a un 4 %) de partículas de lubricante sólido, lo que tiene como resultado un bajo grado de continuidad de la fase de matriz, que es el elemento micro-estructural responsable de la resistencia mecánica de la pieza. Este elevado contenido de lubricante sólido se ha considerado necesario para la obtención de un bajo coeficiente de fricción en una situación donde tanto las propiedades mecánicas de la matriz metálica (resistencia y dureza) como los parámetros micro-estructurales, tales como el tamaño de las partículas de lubricante sólido dispersadas en la matriz y la trayectoria libre media entre estas partículas en el material compuesto formado no se optimizaron. El elevado porcentaje volumétrico de lubricante sólido, que tiene una baja resistencia intrínseca frente a la cizalladura, no contribuye a la resistencia mecánica de la matriz metálica. Además, la baja dureza de la matriz metálica permite la aparición de una obstrucción gradual de las partículas de lubricante sólido sobre la superficie de contacto del material o producto sinterizado. De este modo, con el fin de mantener un coeficiente de fricción suficientemente bajo, se ha usado tradicionalmente un elevado porcentaje volumétrico de lubricante sólido en la composición de materiales compuestos secos auto-lubricantes.

Un escenario parcialmente diferenciado y más desarrollado, en comparación con el previamente descrito, se divulga en el documento US 689368A, que propone un material compuesto auto-lubricante para su uso a temperaturas dentro del intervalo entre 3 °C y 6 °C, con una resistencia de tracción suficiente (8t > 4 MPa) y un coeficiente de fricción menor de ,3. Este documento presenta una solución para... [Seguir leyendo]

1. Una composición metalúrgica de materiales en forma de partículas, para formar productos compuestos auto- lubricantes conformados y sinterizados, caracterizada por que comprende un material metálico principal en forma de partículas, en forma de elemento químico preponderante, donde el material metálico principal en forma de partículas es hierro, y al menos un elemento de endurecimiento en forma de partículas, que forman una matriz estructural (1) en el producto compuesto objeto de sinterización, donde el elemento de endurecimiento en forma de partículas tiene la función de endurecer la matriz estructural (1); un lubricante (2) sólido no metálico en forma de partículas, al menos parcialmente soluble en la matriz estructural, donde el lubricante (2) sólido en forma de partículas es una mezcla que consiste en grafito y nitruro de boro hexagonal; un componente de aleación, con la función de estabilizar la fase alfa de hierro; y al menos un elemento de aleación en forma de partículas capaz de formar, durante la sinterización de la composición metalúrgica conformada, una fase líquida entre el material en forma de partículas que forma la matriz estructural (1) y el lubricante sólido en forma de partículas (2), aglomerar el último en partículas discretas, donde el lubricante (2) sólido en forma de partículas representa un porcentaje volumétrico menor o igual de un 15 % del volumen del material compuesto objeto de formación y el elemento de endurecimiento en forma de partículas, estando definidos el elemento de aleación en forma de partículas y el componente de aleación por medio de silicio, con contenidos de un 2 % a un 5 % en peso de la composición metalúrgica.

2. La composición expuesta en la reivindicación 1, estando conformada dicha composición por medio de compactación y caracterizada por que el material metálico principal en forma de partículas de hierro presenta un tamaño medio de partícula que se encuentra entre aproximadamente 1 pm y aproximadamente 9 pm, el elemento de endurecimiento con la función de endurecer la matriz estructural (1), y el elemento de aleación en forma de partículas con la función de formar la fase líquida y aglomerar el lubricante sólido en forma de partículas, durante la sinterización de la composición metalúrgica conformada por medio de compactación, que presenta un tamaño medio de partícula menor de aproximadamente 45 pm.

3. La composición expuesta en la reivindicación 1, estando conformada la composición por medio de moldeo por inyección y caracterizada por que además comprende un aglutinante orgánico y por que el material principal de hierro metálico en forma de partículas, el elemento de endurecimiento, el elemento de aleación en forma de partículas, que forma la fase líquida, y el lubricante sólido en forma de partículas presentan un tamaño medio de partículas que se encuentra entre aproximadamente 1 pm y aproximadamente 45 pm.

4. La composición expuesta en la reivindicación 3, caracterizada porque el aglutinante orgánico está seleccionado entre el grupo que consiste en parafina y otras ceras, EVA y polímeros de bajo punto de fusión, en una proporción que varía de aproximadamente un 4 % a aproximadamente un 45 % del volumen total de la composición metalúrgica.

5. Un proceso para obtener productos sinterizados auto-lubricantes a partir de la composición metalúrgica de materiales en forma de partículas definida en la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque comprende las etapas

de:

- mezclar, en cantidades pre-determinadas, los materiales en forma de partículas que definen la composición metalúrgica;

- homogeneizar la mezcla de materiales en forma de partículas;

- compactar la mezcla de materiales en forma de partículas, para proporcionar la mezcla con la forma del producto objeto de sinterización;

- sinterizar la mezcla compactada y conformada, a temperaturas de aproximadamente 1125 °C a aproximadamente 125 °C, formar, durante la sinterización, una fase líquida con el elemento de aleación en forma de partículas y de este modo favorecer la aglomeración del lubricante sólido en partículas discretas dispersadas en el volumen de la matriz estructural.

6. El proceso expuesto en la reivindicación 5, caracterizado por que la etapa de compactación de la mezcla de materiales en forma de partículas, que define la composición metalúrgica (4), comprende uno del proceso de: laminar la última en forma de una plancha o fleje para posteriormente someterla a sinterización; laminar la última sobre al menos una de las caras opuestas de un sustrato estructural (3) en la forma de una plancha o fleje de material en forma de partículas compatible con el material metálico principal en forma de partículas que forma la matriz estructural (1); extrusión en una de las formas definidas por una barra (2) y un tubo (3); y coextrusión de la última en forma de una capa superficial (41) alrededor de un núcleo estructural (35) en forma de una barra de material en forma de partículas compatible con el material metálico principal en forma de partículas que forma la matriz estructural (1), para formar de este modo una barra compuesta (4).

7. Un proceso para obtener productos sinterizados auto-lubricantes a partir de la composición metalúrgica de materiales en forma de partículas, definida en la reivindicación 3 y que contiene un lubricante sólido no soluble en la matriz estructural, caracterizado por que comprende las etapas de:

- mezclar, en cantidades pre-determinadas, los materiales en forma de partículas que definen la composición metalúrgica;

- homogenelzar la mezcla de materiales en forma de partículas, a una temperatura no inferior a la de fusión del aglutinante orgánico;

- granular la composición con el fin de facilitar su manipulación, almacenamiento y suministro al interior de una

máquina de inyección;

- moldear por inyección la mezcla de materiales en forma de partículas, para proporcionar la mezcla con la forma del producto objeto de sinterización;

- extraer el aglutinante orgánico de la pieza moldeada; y

- sinterlzar la mezcla conformada, a temperaturas de aproximadamente 1125 °C a aproximadamente 125 °C,

formar, durante la sinterización, una fase líquida con el elemento de aleación en forma de partículas y de este modo favorecer la aglomeración del lubricante sólido en partículas discretas dispersadas en el volumen de la matriz estructural.