ES2239234T3 - Procedimiento para la produccion de piezas componentes compuestas, a base de un metal y de una espuma metalica. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la producción de piezas componentes compuestas a base de un metal y una espuma metálica, mediante incorporación de una masa fundida metálica dentro de un espacio vacío de un molde, en el que una pieza metálica plana o conformada se introduce en el espacio vacío de un molde de colada, siendo limitado el espacio vacío, por lo menos parcialmente, por la pieza metálica, y a continuación se introduce en el espacio vacío una mezcla de una masa fundida metálica y de un agente de expansión que es sólido a la temperatura ambiente, y allí se efectúa la espumación.

Description

Procedimiento para la producción de piezas componentes compuestas, a base de un metal y de una espuma metálica.

El invento se refiere a un procedimiento para la producción de piezas componentes compuestas, a base de un metal y de una espuma metálica, en particular de piezas moldeadas metálicas a base de materiales de metales ligeros, cuyo peso ha sido reducido en comparación con el de piezas moldeadas producidas de una manera convencional. El invento se refiere además a piezas moldeadas producidas de acuerdo con este procedimiento y a su utilización en construcciones de metales ligeros.

A la reducción del peso de piezas moldeadas metálicas, por ejemplo para aplicaciones en la construcción de vehículos, en la construcción aeronáutica o en otros sectores de aplicación tecnológicamente exigentes, le corresponde una alta importancia económica pero también ecológica. Junto a la conocida utilización de metales ligeros, también los materiales metálicos espumados se encuentran con un interés creciente. Éstos se distinguen por un modo constructivo ligero, una alta rigidez y una elevada resistencia a la compresión, buenas propiedades de amortiguación, etc., y se conocen procedimientos para su producción.

Es conocido producir piezas componentes a partir de materiales metálicos espumados. Así, p.ej. unos núcleos o machos de colada a base de una espuma de aluminio se envuelven o transforman por colada con un material de aluminio o se introducen como piezas moldeadas dentro de una pieza componente. La envoltura y el núcleo o macho, o bien la pieza moldeada, se producen por separado y a continuación se asocian entre sí. Esto, junto al elevado esfuerzo de fabricación, tiene como consecuencia también una escasa calidad de fabricación. La base de piezas semiterminadas espumables de aluminio es un polvo de aluminio inyectado, con el que se mezcla un agente de expansión. Así, p.ej., de acuerdo con el documento de solicitud de patente alemana DE 197 44 300 A1, un cuerpo prensado a partir de una mezcla de polvos se calienta, dentro de un recipiente cerrado y calentable, a unas temperaturas situadas por encima de la temperatura de descomposición del agente de expansión y/o de la temperatura de fusión del metal.

El polvo es consolidado durante este proceso y la pieza moldeada, resultante de esta manera, se introduce en la zona que se ha de espumar de una pieza componente y se efectúa la espumación mediante un calentamiento a unas temperaturas hasta de 650ºC. En tal caso, la envoltura puede sufrir deformaciones inadmisibles o el proceso de espumación se efectúa de una manera irregular. Es posible asimismo una producción de espumas por medio de sinterización de esferas huecas metálicas, o una infiltración de masas fundidas metálicas dentro de núcleos o machos o bien cuerpos de relleno, que se retiran después de haber solidificado la masa fundida.

De acuerdo con un procedimiento conforme al documento de solicitud de patente japonesa JP 03017236 AA, se producen artículos metálicos con espacios vacíos, mediante el recurso de que se disuelven gases en una masa fundida metálica y el proceso de espumación se inicia mediante una repentina disminución de la presión. Mediante enfriamiento de la masa fundida, se estabiliza la espuma.

Siguiendo las enseñanzas del documento JP 09241780 AA, se obtiene una espuma metálica mediando liberación controlada de gases de expansión, en que un metal se funde primeramente a unas temperaturas situadas por debajo de la temperatura de descomposición del agente de expansión utilizado. Mediante subsiguiente dispersamiento del agente de expansión en el metal fundido, y calentamiento de la matriz por encima de la temperatura, que entonces es necesaria para la liberación de gases de expansión, se establece una espuma metálica.

Se conoce con anterioridad la colada de piezas metálicas con espuma perdida, de acuerdo con el documento de patente europea EP 0 461 052 B1. El documento de solicitud de patente internacional WO 92/21457 A1 describe la producción de una espuma de aluminio, mediante el recurso de que se insufla un gas por debajo de la superficie de un metal fundido, sirviendo unas sustancias abrasivas como estabilizadores.

W. Thiele: Füllstoffhaltiger Aluminiumschwamm - ein kompressibler GuBwerkstoff zur Absorption von StoBenergie [Esponja de aluminio que contiene un material de relleno - un material de colada compresible para la absorción de energía de choque] en: Metall 28, 1974, fascículo 1, páginas 39 a 42, describe la producción de un aluminio espumado. Los espacios vacíos pretendidos se preestablecen en cuanto a tamaño, conformación y situación en forma de una carga suelta a granel a base de materiales ligeros inorgánicos fácilmente comprimibles, tales como por ejemplo minerales arcillosos expandidos, arcilla expandida, esferas de espuma de vidrio o esferas huecas de corindón, etc. La carga a granel de material ligero se lleva dentro de un molde de colada. Los espacios intermedios remanentes de la carga a granel se llenan con un metal. La esponja de aluminio, obtenida de esta manera, es relativamente mal solicitable mecánicamente y contiene el material de la carga a granel.

El documento de patente alemana DE 11 64 103 B se refiere a un procedimiento para la producción de cuerpos espumados metálicos. En este procedimiento, un material sólido, que se descompone al calentar mediando formación de gases, se mezcla con un metal fundido, de tal manera que el material sólido es mojado por el metal. Así, por ejemplo, un hidruro de titanio en forma de polvo se añade a una aleación fundida a base de aluminio y magnesio, a una temperatura de 600ºC. La espuma cerrada, formada de esta manera, se vierte a continuación dentro de un molde, para enfriarse y solidificarse allí. También en este caso se trabaja, manifiestamente, no en un sistema cerrado, sino en un sistema abierto.

El documento de patente británica GB 892934 se refiere a la producción de estructuras complejas con un núcleo metálico espumado y una superficie cerrada no porosa.

El documento de patente alemana DE 198 32 794 C1 describe un procedimiento para la producción de un perfil hueco, que está lleno con una espuma metálica. Este procedimiento comprende las etapas de prensar el perfil hueco a partir de un material de envoltura con una prensa de extrusión, que tiene una herramienta de extrusión con una matriz y un mandril, y de aportar la espuma metálica a partir de un material espumado a través de un canal de aportación al perfil hueco, que se forma en el mandril.

El resumen de patente japonesa JP 07145435 A describe la producción de alambres metálicos espumados. Se efectúa la espumación de aluminio fundido en un horno con ayuda de un agente de expansión y se aporta a una disposición de colada continua. El aluminio fundido en estado espumado se enfría entre un par de cintas transportadoras, una superior y otra inferior, con el fin de obtener un cordón continuo. Éste se corta de un modo previamente determinado para formar los alambres de aluminio espumados. De manera alternativa, el alambre de aluminio espumado o el cordón, se puede conformar, estirando el aluminio fundido espumado entre un alambre con una ranura y una cinta transportadora. El alambre de aluminio fundido se obtiene por consiguiente mediante laminación o estiramiento por tracción.

El documento de patente europea EP 0 666 784 B1 describe un procedimiento para la colada en molde de una espuma metálica estabilizada mediante partículas, en particular de una aleación de aluminio, en el que un material compuesto, a base de una matriz metálica y partículas de estabilización sólidas finamente divididas, se calienta por encima de la temperatura "solidus" de la matriz metálica y las burbujas de gas existentes en el material compuesto metálico fundido se dejan salir por debajo de su superficie, para formar de esta manera una espuma líquida estabilizada junto a la superficie del material compuesto metálico fundido. Es característica una colada en molde de la espuma metálica mediante prensado de la espuma líquida estabilizada dentro de un molde y con una presión, que es suficiente solamente para que la espuma líquida adopte la forma del molde, sin que las celdillas de la espuma sean esencialmente comprimidas. El objeto conformado se obtiene luego mediante enfriamiento y consolidación subsiguientes de la espuma. La espuma es comprimida en este caso dentro del molde mediante una placa móvil. Una primera placa móvil comprime a la espuma líquida dentro del molde, y en junto al objeto espumado conformado se forma una superficie lisa. Una segunda placa móvil es comprimida en la espuma dentro del molde, con el fin de formar en el objeto espumado unas superficies internas lisas. La conformación puede efectuarse también mediante cilindros.

Un procedimiento adicional para la producción de piezas moldeadas a partir de una espuma metálica lo enseña el documento de solicitud de patente europea EP 0 804 982 A2. En este caso, la espumación se efectúa en una cámara calentable fuera de un molde de colada, realizándose que el volumen del material de partida pulvimetalúrgico para la espuma metálica, que se ha incorporado en la cámara, corresponde esencialmente, en su fase espumada con la capacidad de espumación total, al volumen de una carga de llenado del molde de colada. Toda la espuma metálica que se encuentra dentro de la cámara, es comprimida dentro del molde de colada, en el que se prosigue una espumación con la capacidad de espumación restante, hasta que se efectúe el llenado total del molde de colada. El molde de colada es un molde de arena o de un material cerámico, la espuma metálica se incorpora como pieza semiterminada en la cámara, y se comprime dentro del molde de colada tan sólo después de la espumación, p.ej. mediante un émbolo. Al comprimir la espuma dentro del molde, ésta es cizallada. El molde no es llenado con una espuma con la estructura heterogénea deseada.

El documento DE 195 01 508 C1 divulga un procedimiento para la producción de un perfil de espacios vacíos con peso reducido y rigidez aumentada, p.ej. una pieza componente para la estructura básica o el tren de rodadura de un vehículo automóvil. Ésta consta de una pieza colada a presión de aluminio y en sus espacios vacíos se encuentra un núcleo a base de una espuma de aluminio. El núcleo espumado integrado se produce por vía pulvimetalúrgica y a continuación se fija a la pared interior de una herramienta de colada y se envuelve o transforma por colada con un metal mediante un procedimiento de colada a presión.

El documento de modelo de utilidad alemán DE 297 23 749 U1 divulga una rueda para un vehículo automóvil, que comprende por lo menos un núcleo espumado metálico que está dispuesto al descubierto hacia el lado interior de la rueda y que hacia el lado exterior de la rueda posee una pared moldeada por colada. El núcleo espumado a base de una espuma de aluminio se introduce, para el moldeo por colada de la rueda, dentro de una lingotera y se coloca de tal manera que entre la lingotera y el núcleo espumado se forme la costra colada externa al moldear por colada.

El documento DE 195 02 307 A1 describe un elemento de deformación, en cuyo alojamiento está previsto un relleno a base de una espuma de aluminio como medio absorbente de energía. El alojamiento puede constar de un metal o un material sintético. El cuerpo de relleno es una mera pieza insertada, sin continuidad material con el alojamiento.

El documento WO 99/64287 divulga un procedimiento para la producción de piezas componentes de vehículos automóviles, en el que se incorpora una espuma metálica en el espacio vacío o en el núcleo de la pieza componente metálica, o en el que se efectúa la espumación dentro del espacio vacío de la pieza componente. No se incorpora ninguna pieza metálica en el espacio vacío de un molde de colada.

La suelta o insuflación de gases de expansión en masas fundidas metálicas no es adecuada para la producción de piezas componentes cercanas al contorno definitivo, puesto que un sistema, que consta de una masa fundida con burbujas de gas ocluidas, no es lo suficientemente estable en el transcurso del tiempo como para poder ser elaborado en herramientas conformadoras.

Por lo tanto, es misión del invento poner a disposición un procedimiento sencillo y apto para la fabricación a gran escala, para la producción de piezas componentes compuestas a base de un metal y de una espuma metálica.

La solución para el problema planteado por la misión antes mencionada consiste en un procedimiento para la producción de piezas componentes compuestas a base de un metal y de una espuma metálica, en el que una pieza metálica, plana o conformada, se incorpora en el espacio vacío de un molde de colada, siendo limitado el espacio vacío por lo menos parcialmente por la pieza metálica, y a continuación se incorpora en el espacio vacío una mezcla de una masa fundida metálica y de un agente de expansión que es sólido a la temperatura ambiente, y allí se efectúa la espumación.

Sorprendentemente, se encontró que en particular unas espumas de metales ligeros, p.ej. a base de aluminio o aleaciones de aluminio, se pueden introducir de una manera muy eficiente mediante un proceso de colada, p.ej. en una máquina de colada a presión usual en el comercio, dentro de espacios vacíos o sobre la superficie de cuerpos metálicos planos o conformados previamente producidos, mediante utilización de un agente de expansión sólido, que desprende gases, p.ej. de hidruro metálico, en particular un hidruro de un metal ligero. En el caso del procedimiento en el sentido del presente invento, un metal líquido o pastoso se comprime dentro de un molde que constituye el espacio vacío en el que se ha de espumar.

Este molde puede limitar, por lo tanto, por uno o varios lados, la expansión de la espuma metálica resultante, pero por lo menos una parte de la superficie de la espuma que resulta en este proceso en el interior del espacio vacío en el que se ha de espumar, se forma mediante la pieza metálica previamente introducida.

El procedimiento conforme al invento permite la producción de una amplia gama de piezas componentes compuestas. En el caso de las piezas metálicas puede tratarse de las más diferentes piezas moldeadas, provistas de un espacio vacío, que son utilizables en construcciones metálicas, por ejemplo en vigas huecas o llantas. Por consiguiente, pueden encontrar aplicación los más diferentes procedimientos de colada, por ejemplo los procedimientos de colada a presión o a baja presión.

En los casos, en donde el espacio vacío del molde espumado es limitado solamente de manera parcial por las piezas metálicas introducidas, se pueden rellenar con una espuma metálica, por ejemplo, perfiles en U o en L. En el caso más sencillo, la pieza metálica introducida constituye una chapa, sobre la que se puede espumar la espuma metálica conforme al invento. Mediante introducción de varias capas dispuestas a distancia entre ellas dentro del espacio vacío del molde, se pueden producir así de una manera fácil piezas componentes en emparedado.

En el caso del procedimiento de cámara caliente, el metal es inyectado directamente desde el espacio de fusión con hasta 10^{7} Pa dentro del molde, en el caso del procedimiento de cámara fría, que es preferido conforme al invento, p.ej. para materiales a base de aleaciones de Al y Mg, la masa fundida se prensa primeramente en una cámara intermedia fría y desde allí se prensa dentro del molde a más de 10^{8} Pa. El rendimiento de colada del procedimiento de cámara caliente es más alto, pero también lo es el desgaste de la instalación. Las ventajas de la colada a presión se encuentran en la buena resistencia mecánica del material, las superficies resultantes limpias del cuerpo resultante junto a la cara interior del espacio vacío del molde, la alta precisión de dimensiones, la posibilidad de una estructuración compleja de las piezas coladas, y la alta velocidad de trabajo. Estas ventajas se pueden mejorar aún más mediante una depresión (un vacío dentro del molde).

Son ventajosas en este proceso unas máquinas de colada a presión reguladas en tiempo real, obtenibles en el mercado. En una forma preferida de realización del presente invento, los metales se seleccionan entre metales no férreos y metales no nobles, seleccionados en particular entre magnesio, calcio, aluminio, silicio, titanio o zinc, así como sus aleaciones. Por otra parte, sin embargo, también los metales férreos y los metales nobles son espumables con ayuda del presente invento para dar la pieza compuesta resultante con una pieza metálica previamente conformada. Cuando, en el sentido del presente invento, se utiliza el concepto de aleación, éste se ha de entender en el sentido de que ésta contenga por lo menos 30% en peso del metal mencionado. El transcurso preferido del procedimiento conforme al invento comprende el llenado con el volumen necesario de masa fundida metálica dentro de la cámara de llenado o de colada, y su incorporación dentro de un espacio vacío del molde, en el que se introduce la pieza metálica que se ha de espumar, mediando adición del agente de expansión a la masa fundida metálica. La masa fundida metálica y el agente de expansión se reúnen dentro del espacio vacío del molde en una forma preferida de realización, en que el molde, o el espacio vacío que queda dentro del molde, se llena totalmente o bien se llena insuficientemente de un modo definido en cuanto al volumen con la mezcla de masa fundida y de agente de expansión.

En otra forma de realización preferida, el agente de expansión no se pone en contacto con la masa fundida metálica directamente en el espacio vacío del molde, sino en una cámara de llenado o de colada, y la mezcla se incorpora a continuación en el espacio vacío del molde con el cuerpo metálico introducido.

La incorporación del agente de expansión en la cámara de llenado o de colada, por una parte, y/o en el espacio vacío que queda después de la introducción de la pieza metálica dentro del molde o de la pieza metálica introducida, por otra parte, se puede efectuar antes, durante y/o después de la introducción de la masa fundida metálica en la respectiva cámara.

Tiene importancia para el presente invento, sin embargo, el hecho de que la espumación, condicionada por desprendimiento de gases del agente de expansión a partir de un metal capaz de fluir o de una aleación metálica capaz de fluir, se efectúa en lo esencial tan sólo dentro del espacio vacío en el que se ha de espumar. Este espacio vacío del molde en el que se ha de espumar constituye un molde cerrado. Éste, sin embargo, tal como es usual en el caso de la colada a presión o métodos similares, puede disponer de canales ascendentes para la evacuación del aire. Después de esto se efectúa la expulsión del cuerpo compuesto metálico espumado, que consta del cuerpo moldeado metálico introducido en el molde y de la espuma metálica producida adicionalmente en el espacio vacío del molde.

En una forma adicional de realización, el agente de expansión es añadido directamente, en la cámara de llenado o colada o en la cavidad del molde, a la masa fundida metálica, produciéndose en cada caso en una etapa de trabajo, a partir del cuerpo metálico no espumado previamente formado, la correspondiente estructura espumada metálica. Ésta tiene, como superficie, o bien la superficie de la pieza metálica introducida o la superficie que acaba de resultar en el espacio vacío del molde al formarse el cuerpo espumado. Incluso la superficie de espuma que acaba de resultar junto a la pared del molde de colada es lisa, su formación es bien reproducible. Como consecuencia del llenado por proyección, que es posible en el proceso, se pueden ajustar bien diferentes espesores de pared de esta nueva superficie espumada. Las paredes están cerradas por todos los lados y son son limpias, estancas y homogéneas. No es necesario por regla general un tratamiento posterior. Hacia dentro, las zonas del cuerpo compuesto metálico resultante, que se han producido en este proceso, son crecientemente porosas y presentan un gradiente de densidades.

El agente de expansión debería estar adaptado, en lo que se refiere a su temperatura de descomposición, a la temperatura de la masa fundida del material de colada (masa fundida metálica). La descomposición debe comenzar tan sólo por encima de 100ºC y no debería ser más alta que aproximadamente 150ºC por encima de la temperatura de fusión.

Por lo general, no es necesario que el punto de fusión de la masa fundida metálica, o la aleación metálica, introducida a presión, que forma la estructura espumada junto a la pieza resultante, se encuentre por debajo de la temperatura de fusión del metal previamente introducido en el molde de colada. Al contrario, en casos en los que la temperatura de fusión de la masa fundida metálica está situada por encima de la temperatura de fusión de la pieza metálica introducida, se forma una asociación especialmente buena entre la pieza metálica previamente conformada y la estructura espumada resultante.

La cantidad del agente de expansión que se ha de emplear se ajusta a las necesarias circunstancias. De modo especialmente preferido en el sentido del presente invento, el agente de expansión se utiliza en una proporción de 0,1 a 10% en peso, en particular de 0,2 a 1% en peso, referida a la masa de la cantidad de metal que se emplea para la formación de la espuma metálica.

Los agentes de expansión, que son sólidos a la temperatura ambiente y que desprenden gases, comprenden en particular hidruros de metales ligeros, tales como hidruro de magnesio. Es especialmente preferido en el sentido del presente invento un hidruro de magnesio preparado autocatalíticamente, que se vende por ejemplo bajo la denominación de TEGO Magnan®. De igual modo, sin embargo, también se pueden emplear hidruro de titanio, carbonatos, hidratos y/o sustancias fácilmente evaporables, que también en el estado de la técnica se han empleado ya para la espumación de metales.

El invento se describe a continuación con mayor detalle en un ejemplo de realización. En una máquina de colada a presión, usual en el comercio, se debía producir una pieza de vehículo a base de un material de aluminio con una estructura metálica espumada integralmente. Para esto, en una cámara de colada de la máquina de colada a presión se llenaba con una cantidad correspondiente de masa fundida metálica. En el espacio vacío del molde de la máquina de colada a presión, se introducía una estructura metálica previamente producida, que en el interior tenía un espacio vacío producido por una corredera metálica.

La introducción en la cámara de molde se efectuaba mediante el recurso de que la entrada de disparo (orificio para la introducción del metal líquido) desembocaba en el lugar del espacio vacío metálico dentro del espacio vacío del molde. En la cámara de colada cerrada de la máquina de colada a presión se añadía al metal líquido, como agente de expansión, hidruro de magnesio en forma de polvo. Casi al mismo tiempo, comenzaba una introducción rápida de la mezcla de agente de expansión y de masa fundida metálica dentro del espacio vacío del molde, y por consiguiente también dentro del espacio vacío que había quedado en la pieza metálica introducida. El espacio vacío se llenaba insuficientemente de un modo definido en cuanto al volumen. Mediante las turbulencias resultantes se efectuaba un buen mezclamiento a fondo dentro del remanente espacio vacío del molde, que apoya a la espumación. Se formaba una estructura espumada en el interior de la cavidad de la pieza metálica introducida, que mostraba una superficie densa y homogénea junto a las paredes del molde de colada a presión. El "disparo" se efectuaba antes de la formación de la espuma, el proceso de espumación transcurría in situ dentro del espacio vacío del molde. Se espumaba rápidamente dentro del molde. La pieza componente obtenida tenía, estructurado en el interior de la estructura moldeada previamente formada, un cuerpo espumado firmemente unido con la estructura metálica originalmente introducida, el cual influía positivamente de un modo especial sobre el comportamiento de vibraciones frente a la pieza comparativa no rellenada con espuma.

Claims (9)

1. Procedimiento para la producción de piezas componentes compuestas a base de un metal y una espuma metálica, mediante incorporación de una masa fundida metálica dentro de un espacio vacío de un molde, en el que una pieza metálica plana o conformada se introduce en el espacio vacío de un molde de colada, siendo limitado el espacio vacío, por lo menos parcialmente, por la pieza metálica, y a continuación se introduce en el espacio vacío una mezcla de una masa fundida metálica y de un agente de expansión que es sólido a la temperatura ambiente, y allí se efectúa la espumación.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el espacio vacío se llena totalmente o se llena insuficientemente de un modo definido en cuanto al volumen, y la espumación se efectúa dentro de un espacio vacío de molde no calentado.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el agente de expansión se pone en contacto con la masa fundida en una cámara de llenado o de colada y a continuación la mezcla se introduce en el espacio vacío en el que se ha de espumar.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el agente de expansión se incorpora en el espacio vacío en el que se ha de espumar.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el agente de expansión se incorpora en el espacio vacío en el que se ha de espumar antes, después y/o durante la introducción de la masa fundida en este espacio vacío.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el espacio vacío en el que se ha de espumar es limitado dentro del molde solamente en un lado por la pieza metálica introducida.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el espacio vacío en el que se ha de espumar consta de más de una cavidad, siendo estas cavidades independientes unas de otras, que se llenan mediante más de un canal de entrada de disparo.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se emplea una masa fundida metálica a base de un metal ligero, especialmente a base de aluminio o de una aleación de aluminio.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se emplea una máquina para la colada a presión de metales.