PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE UNA ESPUMA METÁLICA.

La presente invención describe un nuevo método de fabricación de espumas de aluminio por la incorporación de nanopartículas de óxido de silicio (SiO2),

que producen un aumento de viscosidad suficiente para la estabilizar las burbujas en el metal mientras éste permanece en estado fundido. El método de la invención es útil para la fabricación de paneles, paneles sándwich y piezas de densidad reducida. Las piezas fabricadas pueden ser utilizadas en aplicaciones estructurales, reducción de vibraciones, aplicaciones térmicas o aplicaciones acústicas.

Campo de la invención

La presente invención refiere a un método de obtención de metales celulares. Los materiales fabricados por el procedimiento de la invención tienen aplicaciones estructurales, térmicas, acústicas y de reducción de vibraciones, y son de interés para cualquier área de ingeniería, en particular en los sectores aeronáutico, automovilístico y gran transporte.

Antecedentes de la invención

Los procedimientos de fabricación de espumas metálicas son procesos económicamente más viables a escala industrial que cualquier otro proceso de fabricación de materiales metálicos celulares. Esto es debido a ofrecer tasas de producción más elevadas a menor coste.

Entre todos los metales, el aluminio y el magnesio son los de mayor potencial para ser producidos bajo la forma de espuma metálica por su baja densidad intrínseca, su bajo punto de fusión, precio de mercado moderado y su alto interés tecnológico y de sus aleaciones.

Los primeros procesos de producción de espumas metálicas estaban basados en los diferentes puntos de fusión y ebullición de los metales. Calentándolos a una temperatura y presión determinadas se conseguía llevar a ebullición uno de los metales mientras la el otro permanece sólo fundido. La gran desventaja que presenta este método era la utilización de mercurio para generar la fase gaseosa, dada su toxicidad.

El uso posterior de métodos físicos para la producción de espumas metálicas por inyección directa de gas en el metal fundido hizo necesaria la presencia de partículas estabilizadoras. El proceso de estabilización implica conseguir una viscosidad suficiente para que el gas generado sea retenido en el caldo en estado fundido. Sin embargo, además de conseguir estabilizar el estado fundido se necesita ser capaz de generar un gas finamente dispersado para dar lugar a burbujas "individuales" y, posteriormente, solidificar la espuma en un tiempo breve para conservar la estructura celular en el mejor estado posible.

Para conseguirlo, el espumado directo con gas o con un agente espumante y la ruta pulvimetalúrgica han sido los procesos más utilizados en la técnica.

Las solicitudes US 4,973,358 y US 5,112,697 de Alean describen un espumado directo con gas en continuo. Un inyector libera el gas en un compuesto de matriz metálica en estado fundido. En estas patentes la viscosidad del metal fundido es lo suficientemente alta como para conservar las burbujas, ya que el material incluye porcentajes de hasta el 20% de partículas cerámicas, generalmente carburo de silicio (SiC). Sin embargo, los materiales generados por este procedimiento presentan una gran variación de propiedades a lo largo del espesor formando un gradiente acentuado, además de una notable anisotropía celular con tamaños de celda de hasta 20mm y una densidad que suele ser inferior a 0,4 g/cm3.

La solicitud US 4,713,277 de Shinko Wire describe un método de espumado directo con agente espumante. Para lograr una viscosidad suficiente para generar la espuma estable, la patente adiciona calcio sobre aluminio puro fundido en una etapa previa al espumado. El aluminio y el calcio forman compuestos intermetálicos que aumentan la viscosidad. La generación de la estructura celular se consigue después añadiendo hidruro de titanio. Esta mezcla se expande lentamente hasta alcanzar un volumen cercano a 1m3, para enfriarse después. La estructura celular de la espuma de aluminio producida por este método presenta un tamaño de poro y densidad homogénea, en el rango de 0,18-0,4 g/cm3. Sin embargo el método está limitado al uso de una única aleación de aluminio con bajas o nulas concentraciones de aleantes, y presenta el inconveniente de la necesidad de rebanar el bloque obtenido en planchas siendo necesarias varias operaciones intermedias hasta conseguir piezas terminadas.

Las solicitudes DE 4018360 y US 5,151,246 desarrollan procedimientos de espumado de precursores fabricados mediante la ruta Pulvimetalúrgica (PM). La US 5,393,485 y la patente EP 0559097 B1 describen procesos similares que permiten la fabricación por la extrusión directa de polvos en paralelo a otros procedimientos para la fabricación, también por métodos pulvimetalúrgicos, de planchas sándwich con núcleo de espuma de aluminio y láminas sólidas en las caras exteriores. En todos los procedimientos PM es posible la generación de una espuma estable gracias a los óxidos presentes en la superficie de cada una de las partículas de polvo de metal, mientras que el gas es generado en la descomposición térmica de los hidruros, típicamente hidruro de titanio. La ventaja que ofrecen estos métodos es la capacidad de producir piezas en moldes de una geometría deseada y por tanto mejor

industrialización. Sin embargo, el coste de procesado y materias primas es su principal inconveniente, además de las numerosas etapas necesarias para la obtención de la espuma final, el escaso control del proceso de horneado y la generación de gas por debajo del punto de fusión de la aleación. Este último factor tiene una notable influencia en la estructura celular obtenida.

Las solicitudes US 7,073,558 y US 7,261,141 describen métodos basados en la disolución de hidrógeno en el metal fundido bajo atmósferas controladas de alta presión. El proceso de disolución es seguido por una rápida precipitación del gas en forma de finas burbujas y solidificación, ambos inducidos por enfriamiento. El material obtenido presenta los inconvenientes de una estructura celular anisotrópica y en general de una baja reducción de densidad. Además, la complejidad tecnológica del proceso conlleva un alto coste de producción marginando los usos de estos materiales a aplicaciones muy específicas donde el precio no es un inconveniente. Otra de las limitaciones fundamentales es su uso restringido a aleaciones eutécticas o metales puros, por la necesidad de producir una rápida transición del estado líquido al sólido. Sólo un rápido enfriamiento ("quenching térmico") es capaz de preservar la estructura celular, de lo contrario las burbujas de gas desaparecerían puesto que no existe ningún agente estabilizador.

La patente US 7452402 B2 describe rutas de colada para la producción de espumas de aluminio utilizando carbonatos de calcio, magnesio, dolomitas y sus variantes alotrópicas. Los productos de descomposición del carbonato generan un aumento de viscosidad, o estabilización, por la generación de óxidos a la vez que generan gas. Se consiguen espumas de densidad en el rango de 0,6-0,8 g/cm3. El proceso permite la obtención de grandes cantidades de material en forma de planchas a través de un proceso en continuo con bajos costes asociados. Sin embargo, el material presenta un carácter frágil dada la gran cantidad de óxidos presentes en la matriz. Además, la calidad estética de la espuma no es comparable a la de los materiales producidos por la ruta PM.

Todos los procesos descritos en la técnica consiguen una reducción en peso frente al metal de partida de entre 2 y 14 veces. Sin embargo muchos presentan deficiencias en la calidad final y estructura de los materiales obtenidos, descontando que los costes de producción en la mayoría de los casos hacen inviable su industrialización.

La patente DE 102010024669 B3 introduce el concepto de estabilización reactiva en la que se forman subproductos de las reacciones que estabilizan el fundido. Esta patente utiliza partículas micrométricas de dióxido de silicio (Si02) en elevadas concentraciones, entre 2,5 y 7,5% en peso, que se mezclan con la aleación de aluminio en estado fundido, rica en magnesio. El magnesio y el dióxido de silicio son los elementos básicos para la reacción de estabilización que da lugar a la formación de espinelas. Además de la presencia de magnesio en la aleación de partida también son necesarias entre 1 y 5 horas para que se produzcan las reacciones in-situ que conducen a la estabilización de la espuma. Por el contrario, la adición de nanopartículas en el procedimiento de la presente invención disminuye drásticamente el tiempo de estabilización y evita la necesidad de magnesio en la aleación, además de que sólo requiere una cantidad mínima de sílice gracias al aumento de la eficiencia de las partículas asociada a su disminución de tamaño.

Los inventores consideran que la publicación más cercana de la técnica es la DE 102007044565 B4, que describe un método para generar matrices metálicas con nanopartículas y resuelve el problema fundamental de conseguir una dispersión óptima para ese tamaño de partículas. Para ello emplea una punta de ultrasonidos sumergida en el metal fundido. El metal contiene un precursor que consiste en unos polvos metálicos compactados y nanopartículas de carburo de silicio (SiC),...

1. Un procedimiento de obtención de una espuma metálica, caracterizado por que

comprende las siguientes etapas:

a) añadir nanopartículas de dióxido de silicio en un metal fundido o aleación fundida en proporción de entre 0,01% y 1% en peso respecto del peso total de dicho metal o aleación,

b) dispersión de dichas nanopartículas por agitación mecánica para obtener una mezcla homogénea estabilizada,

c) generar una fase gaseosa en la mezcla estabilizada de la etapa b),

d) solidificación de la mezcla estabilizada de la etapa c) para obtener la espuma metálica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que dichas nanopartículas de dióxido de silicio son de sílice pirogénica.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que la proporción de dichas nanopartículas es de entre 0,03% y 0,2% en peso.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que dicha proporción es de 0,1% en peso.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que dichas nanopartículas presentan un tamaño inferior a 500 nm en al menos una de sus dimensiones.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que dicho tamaño es inferior a 200 nm.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que dicho metal fundido es aluminio.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que dicha aleación fundida es una aleación de aluminio.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que dicha dispersión se realiza durante un tiempo de entre 30 segundos y 20 min.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por que dicho tiempo es de entre 30 segundos y 5 min.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado por que dicho tiempo es de entre 30 segundos y 2 min.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que dicha generación de la fase gaseosa de la etapa c) es por un método químico.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que dicha generación de la fase gaseosa de la etapa c) comprende la introducción de un gas por un método físico.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por

que dichas etapas b) y c) son simultáneas.