Chapa de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional y procedimiento para su producción.

Un procedimiento de fabricación de un producto de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional que comprende las etapas de:

- proporcionar un metal (M) fundido que contiene materia (10) particulada a un par de superficies (R1, R2) de moldeo de avance;

- solidificar el metal (M) fundido al tiempo que avanza el metal (M) fundido entre las superficies (R1, R2) de moldeo de avance para formar un producto que comprende una primera capa (6) externa sólida, una segunda capa (8) externa sólida y una capa (17) central semi-sólida entre las mismas, en el que la capa (17) central semi-sólida tiene una concentración de materia particulada mayor que las concentraciones de materia particulada de las capas (6, 8) externas sólidas primera o segunda;

- solidificar la capa (17) central semi-sólida para formar un producto metálico sólido que comprende las capas (6, 8) externas y la capa (18) central solidificada después de que la capa (17) central semi-sólida pase una ubicación de distancia mínima entre las superficies (R1, R2) de moldeo; y

- extraer el producto (20) metálico sólido de entre las superficies (R1, R2) de moldeo;

comprendiendo la etapa de avance del metal fundido hacer avanzar la mezcla metálica fundida entre las superficies de moldeo (R1, R2) a una velocidad que varía de 0,254 m/s a 1,524 m/s caracterizado porque

las capas (6, 8) externas sólidas primera y segunda tienen un espesor combinado (T2 + T3) que varía de un 60 a un 90 % del espesor (T) del producto (20) metálico sólido, en el que el espesor (T1) de la capa (18) central solidificada es de un 10 a un 40 % del espesor (T) del producto (20) metálico sólido;

durante la etapa de avance del material (M) fundido se mueve la materia particulada que tiene un tamaño de 30 micrómetros o más al interior de la capa (17) central semi-sólida; y

porque la materia (10) particulada está seleccionada entre el grupo que consiste en óxido de aluminio, carburo de boro, carburo de silicio, nitruro de boro y cualquier material no metálico.

Chapa de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional y procedimiento para su producción Referencia cruzada a solicitudes relacionadas La presente invención reivindica prioridad de la Solicitud No Provisional de Estados Unidos Número de Serie 11/734.121, titulada "Chapa de Material Compuesto de Matriz Metálica de Gradación Funcional" presentada el 11 de abril de 2007.

Campo de la invención La presente invención se refiere a Materiales Compuestos de Matriz Metálica basados en aluminio. Una realización de la presente invención se refiere a una chapa de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional que comprende una capa central que tiene una densidad elevada de partículas y a un procedimiento de fabricación de dicha chapa. La invención se puede llevar a la práctica de acuerdo con el aparato divulgado en las patentes de Estados Unidos del mismo solicitante 5.514.228, 6.672.368 y 6.880.617.

Antecedentes de la invención Los procedimientos de fabricación de producto de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional se conocen a partir de los siguientes documentos:

KARNEZIS, P. A. Y COL: "Characterizaton of reinforcement distribution in cast Al-alloy/SiCp composites" MATERIALS CHARACTERIZATION, 40 (2) , 97-109 CODEN:MACHEX; ISSN: 1044-5803, 1998, XP002486411;

PAN FUSHENG Y COL: "SiC particulate distribution in the as-cast strips of SiCp/A356 aluminium matrix composites", FUHE-CAILIAO-XUEBAO:JIKAN = ACTA MATERIA COMPOSITAE SINICA, vol. 12, nº 1, 1 de febrero de 1995 (1995-02-01) , páginas 32-37, XP009102554, ISSN: 1000-3851;

GRIFFITHS Y COL: "Metal matrix composite sheet produced by twin-roll casting", PROCESSING PROPERTIES AND APPLICATIONS OF METALIC AND CERAMIC MATERIALS", vol. 1, 10 de septiembre de 1992 (1992-0910) , páginas 207-212, XP009102543;

KARNEZIS P Y COL: "Mechanical properties and microstructure of twin roll cast Al-7Si/SiCp MMCs", MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY, MANEY PUBLISHING; GB, vol 11, nº 8, 1 de agosto de 1995 (1995-08-01) , páginas 741-751, XP009102546, ISSN: 0267-0836; y KARNEZIS P Y COL: "Effect of processing on the microstructure and tensile properties of A356/SiC particle MMCs", MATERIALS SCIENCE FORUM, TRANS TECH PUBLICATIONS LTD-SWITZERLAND, CH, vol. 217222, nº p. 1, 1 de julio de 1996 (1996-07-01) , páginas 341-346, XP009102545, ISSN; 0255-5476, DOI: 10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/MSF.217-22.341_.

El documento US-A-5 942 057 se refiere a un material de aleación de base de compuesto intermetálico de TiAl, que comprende: una alúmina fina (Al2O3) dispersada para proporcionar una concentración de O2 de 1000 a 5000 ppm en peso y en un diámetro de partícula de 200 a 500 nm; un boruro (TiB2) dispersado para proporcionar una concentración de B de un 0, 1 a un 10 % y en un diámetro de partícula de no más de 500 nm; de 1 a 3 % de la menos uno de Cr, Mn y V; y TiAl que tiene un contenido de Ti de un 50 a un 53 % y un contenido de Al de un 47 a un 50%.

Los Materiales Compuestos de Matriz Metálica (MMC) combinan las propiedades de una matriz metálica con partículas de refuerzo, mejorando de este modo las propiedades mecánicas del producto final. Por ejemplo, normalmente un producto de MMC basado en aluminio exhibe un aumento del módulo elástico, bajo coeficiente de expansión térmica, mayor resistencia frente al desgaste, mejor tensión de ruptura y, en algunos casos, un aumento de la resistencia frente a la fatiga térmica.

Los procedimientos existentes de fabricación de MMC incluyen moldeo por compresión, infiltración por compresión, deposición por pulverización, moldeo en suspensión y procesado en forma de polvo. El objetivo de estos procedimientos de fabricación es producir una distribución uniforme de partículas por toda la matriz metálica o para distribuir las partículas cerca de las superficies externas del producto metálico. En el pasado, no obstante, la fabricación de MMC moldeado para dar lugar a un producto final por medio de laminado, forja o extrusión se ha visto impedida por las características de carga elevada de la fase en forma de partículas.

Existe una necesidad, por tanto, de un Material Compuesto de Matriz Metálica basado en aluminio que combine las propiedades mecánicas mejoradas de MMC con una ductilidad, aspecto y facilidad de fabricación mejorados.

Sumario de la invención La presente invención divulga un procedimiento como se define en la reivindicación 1 de fabricación de una chapa

MMC de gradación funcional que tiene una capa central de materia particulada. El procedimiento incluye proporcionar un metal fundido que contiene materia particulada a un par de superficies de moldeo de avance. El material fundido posteriormente se solidifica al tiempo que avanza entre las superficies de moldeo de avance para formar un material compuesto que comprende una primera capa externa sólida, una segunda capa externa sólida y una capa central semi-sólida que tiene una concentración de materia particulada más elevada que cualquiera de las capas externas.

A continuación, se solidifica la capa central para formar un producto metálico de material compuesto sólido formado por una capa central intercalada entre las dos capas externas y se extrae el producto metálico entre las superficies de moldeo. Tras la extracción del producto entre las superficies de moldeo, posteriormente se puede someter el producto a uno o más pases de laminado en frío o laminado en caliente.

Normalmente, las superficies de moldeo son las superficies de un rodillo o una cinta con una línea de contacto entre ellas. En una realización, el producto metálico abandona la línea de contacto a una velocidad que varía de aproximadamente 0, 254 -1, 524 m/s. En la práctica, el metal fundido puede ser una aleación de aluminio y el material en forma de partículas puede ser un óxido de aluminio por ejemplo. Como se ha descrito anteriormente, el producto metálico resultante del procedimiento de la presente invención comprende dos capas externas y una capa central con una concentración elevada de materia particulada. Por ejemplo, para un MMC basado en aluminio, la capa central podría estar formada por aproximadamente un 70 % de partículas de óxido de aluminio en volumen. El producto de la presente invención puede ser un fleje, una chapa o un panel que tiene un espesor que varía de aproximadamente 0, 10 mm a aproximadamente 6, 53 mm y es un material compuesto de matriz metálica que combina las ventajas de un MMC con mejoras en cuanto a ductilidad, aspecto y facilidad de fabricación.

El producto de la presente invención como se define en la reivindicación 7 resulta apropiado para su uso en aplicaciones estructurales tales como paneles usados en las industrias aeroespacial, de automoción, construcción y edificación.

Breve descripción de los dibujos La Figura 1 es un diagrama de flujo que describe el procedimiento de la presente invención;

La Figura 2 es un esquema que muestra un tipo de aparato usado en el procedimiento de la presente invención;

La Figura 3 es un esquema de corte transversal ampliado que detalla el aparato que opera de acuerdo con la presente invención;

La Figura 4 es una microfotografía de una sección transversal de un fleje producido de acuerdo con la presente invención; y La Figura 5 es una microfotografía de la sección transversal de un fleje producido de acuerdo con la presente invención y posteriormente laminado en caliente hasta un espesor de 0, 20 mm.

Descripción detallada Los dibujos adjuntos y la descripción siguiente explican la presente invención en realizaciones a modo de ejemplo. No obstante, se contempla que, generalmente, las personas familiarizadas con los procedimientos de moldeo serán capaces de aplicar las nuevas características de las estructuras y procedimientos ilustrados y descritos en la presente memoria en otros contextos por medio de modificación de determinados detalles. Por consiguiente, los dibujos y la descripción no deben interpretarse como restrictivos del ámbito de la presente invención, sino que deben entenderse como enseñanzas en sentido amplio y general.

Finalmente, para los fines de la descripción siguiente, los términos "superior", "inferior", "derecha", "izquierda", "vertical", "horizontal" y las expresiones "parte superior", "parte inferior" y sus derivados se refieren a la invención, y están orientados en las figuras de los dibujos.

Se pretende que las frases "aleaciones de aluminio", "aleaciones de magnesio" y "aleaciones de titanio" signifiquen aleaciones que contienen al menos un 50 % en peso del elemento comentado y al menos un elemento modificador. Se considera que las aleaciones de aluminio, magnesio y titanio son candidatos... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de fabricación de un producto de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional que comprende las etapas de:

- proporcionar un metal (M) fundido que contiene materia (10) particulada a un par de superficies (R1, R2) de moldeo de avance; -solidificar el metal (M) fundido al tiempo que avanza el metal (M) fundido entre las superficies (R1, R2) de moldeo de avance para formar un producto que comprende una primera capa (6) externa sólida, una segunda capa (8) externa sólida y una capa (17) central semi-sólida entre las mismas, en el que la capa (17) central semi-sólida tiene una concentración de materia particulada mayor que las concentraciones de materia particulada de las capas (6, 8) externas sólidas primera o segunda; -solidificar la capa (17) central semi-sólida para formar un producto metálico sólido que comprende las capas (6, 8) externas y la capa (18) central solidificada después de que la capa (17) central semi-sólida pase una ubicación de distancia mínima entre las superficies (R1, R2) de moldeo; y -extraer el producto (20) metálico sólido de entre las superficies (R1, R2) de moldeo;

comprendiendo la etapa de avance del metal fundido hacer avanzar la mezcla metálica fundida entre las superficies de moldeo (R1, R2) a una velocidad que varía de 0, 254 m/s a 1, 524 m/s caracterizado porque las capas (6, 8) externas sólidas primera y segunda tienen un espesor combinado (T2 + T3) que varía de un 60 a un 90 % del espesor (T) del producto (20) metálico sólido, en el que el espesor (T1) de la capa (18) central solidificada es de un 10 a un 40 % del espesor (T) del producto (20) metálico sólido; durante la etapa de avance del material (M) fundido se mueve la materia particulada que tiene un tamaño de 30 micrómetros o más al interior de la capa (17) central semi-sólida; y porque la materia (10) particulada está seleccionada entre el grupo que consiste en óxido de aluminio, carburo de boro, carburo de silicio, nitruro de boro y cualquier material no metálico.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende laminado en caliente o laminado en frío del producto metálico sólido.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que además comprende la etapa de ajustar una línea (N) de contacto entre las superficies (R1, R2) de moldeo en un intervalo de 2, 03 mm hasta 6, 53 mm.

4. El procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, que además comprende una etapa de reducir un espesor del producto metálico sólido unitario por medio de uno o más pases de laminado en frío o laminado en caliente hasta un espesor final que varía de 0, 10 mm a 3, 175 mm.

5. El procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el metal (M) fundido es una aleación de aluminio, y la materia (10) particulada está seleccionada entre el grupo que consiste en un óxido de aluminio, un carburo de boro, un carburo de silicio, un nitruro de boro y cualquier material no metálico.

6. El procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el producto metálico sólido es una chapa, fleje o panel.

7. Un producto de material compuesto de matriz metálica de gradación funcional, obtenido por medio de un procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

- una primera capa (6, 402) externa; -una segunda capa (8, 403) externa; y -una capa (18, 401) central dispuesta entre las capas (6, 402; 8, 403) primera y segunda, presentando la capa (18, 401) central una concentración de materia particulada mayor que las concentraciones de materia particulada de las capas (6, 402; 8, 403) externas primera y segunda, en el que durante la etapa de avance del material (M) fundido, se mueve la materia particulada que tiene un tamaño de 30 micrómetros o más al interior de la capa (17) central semi-sólida; yen el que la materia (10) particulada está seleccionada entre el grupo que consiste en Óxido de Aluminio, Carburo de Boro, Carburo de Silicio, Nitruro de Boro y cualquier material no metálico.

8. El producto de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la primera capa (6, 402) externa, la segunda capa (8, 403) externa, y la capa central son aleaciones de aluminio, y la materia (10) particulada está seleccionada entre el grupo que consiste en un óxido de aluminio, un carburo de boro, un carburo de silicio, un nitruro de boro y cualquier material no metálico.

9. El producto de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la capa (18, 401) central comprende un volumen que tiene hasta un 70 % de partículas de óxido de aluminio.

10. El producto de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el producto es fabricado usando un procedimiento de moldeo de fleje.

11. El producto de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el producto tiene un espesor que varía de 0, 10 mm a 3, 175 mm.

12. El producto de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 11, en el que el producto es un fleje, chapa o panel.