ES2342009T3 - Potenciacion de la estabilidad termica de cuerpos porosos compuestos por acero inoxidable o una aleacion. - Google Patents
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Abstract
Un método para tratar un artículo poroso (20) construido de acero inoxidable en polvo o aleación metálica en polvo que forma un óxido superficial tras la oxidación, comprendiendo el método las etapas de: precalentar el artículo poroso en una atmósfera oxidante a una temperatura de entre 700ºC y 900ºC de manera que se forme una capa de óxido sobre las superficies del acero inoxidable o la aleación metálica en polvo del artículo poroso; y sinterizar el artículo en una atmósfera inerte o reductora a una temperatura que se aproxima a la temperatura de fusión del material que comprende el artículo.
Description
Potenciación de la estabilidad térmica de
cuerpos porosos compuestos por acero inoxidable o una aleación.
Esta invención se refiere, en general, a
artículos hechos a partir de polvos metálicos y se refiere, más
particularmente, a la formación y tratamiento de artículos porosos
compuestos por acero inoxidable en polvo o cualquiera aleación que
forme una superficie de óxido, tal como óxido de cromo, óxido de
aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación.
Los artículos porosos construidos de metales en
polvo y con los que está relacionada esta invención se utilizan
habitualmente en aplicaciones que dependen de la naturaleza porosa
del artículo para que el artículo funcione de la manera pretendida.
Dichos artículos pueden incluir, por ejemplo, filtros, soportes o
sustratos de membrana y soportes de celda de combustible y pueden
formarse con procesos que implican moldeo, extrusión, colada o
compresión isostática. Hasta ahora, sin embargo, cuando dicho
artículo se usa o se somete a un procesamiento a temperaturas
relativamente altas, es decir, a 200 y 300ºC de la temperatura de
fusión del material que comprende el artículo, el artículo se hace
no poroso (o su porosidad se cierra, es decir, ya no está más
interconectada) y posteriormente no puede funcionar de la manera
pretendida o continua siendo procesado. Dicha pérdida de porosidad
en el artículo se debe, al menos en parte, a la exposición de las
áreas superficiales relativamente grandes que posee el artículo a
las temperaturas relativamente altas.
Algunos aceros inoxidables y, en particular, los
aceros inoxidables de la serie 400, tienen temperaturas de fusión
dentro del intervalo de entre aproximadamente 1370ºC y 1530ºC,
dependiendo de la composición específica del acero en esta clase.
Por lo tanto, es probable que un artículo formado con un acero
inoxidable de esta clase procesado convencionalmente experimente
una pérdida en la porosidad cuando se expone a una temperatura tan
baja como 1200ºC.
En el documento EP 0351056, se ha encontrado que
sinterizando el polvo metálico en una atmósfera inerte y/o
reductora da como resultado una estructura de metal poroso dura sin
el uso de adyuvantes de sinterización. La resistencia a oxidación
de la estructura puede potenciarse mediante el proceso de
calcinación compuesto por las siguientes etapas: (1) calcinación en
condiciones oxidantes a aproximadamente 500ºC, (2) reducción para
reducir cualquier óxido formado por calcinación en hidrógeno a
aproximadamente 600-650ºC, y (3) sinterización en
gas inerte entre 1275 y 1400ºC.
En el documento US 2003/0100448 se proporcionan
sustratos de catalizador metálico monolítico que ofrecen
conductividad térmica mejorada a partir de lotes de extrusión de
polvo metálico, de cobre, estaño, cinc, aluminio, hierro, plata,
níquel y mezclas y aleaciones de los mismos por extrusión a través
de un troquel de extrusión de panal de abejas seguido de secado y
calcinación en un proceso de calcinación en dos etapas para oxidar
los componentes del lote de extrusión orgánico entre 350 y 700ºC,
para retirar los óxidos residuales de la estructura de pared
porosa, y consolidar los polvos metálicos en estructuras de soporte
de panal de abejas integrales, fuertes, por sinterización a
600-700ºC.
El documento US 3.053.967 describe un método
para preparar un metal poroso que comprende: mezclar partículas
orgánicas huecas de tamaño clasificado con polvo metálico y un
aglutinante orgánico endurecible; curar la mezcla para producir una
forma endurecida; calentar la forma en una atmósfera no oxidante
para descomponer las partículas orgánicas y el aglutinante
orgánico, enlazando conjuntamente de forma preliminar dicho
calentamiento el polvo metálico a través de los productos de
descomposición; calentar la forma en una atmósfera oxidante para
oxidar y retirar los productos restantes de la descomposición; y
después calentar la forma a una temperatura de sinterización
suficiente para enlazar conjuntamente el polvo metálico.
Por lo tanto, sería deseable proporcionar un
método para tratar un cuerpo metálico poroso que potencie la
estabilidad térmica del cuerpo cuando se expone a temperaturas que
se aproximan a la temperatura de fusión del material que comprende
el cuerpo.
Por consiguiente, un objeto de la presente
invención es proporcionar un método nuevo y mejorado para procesar
un artículo metálico poroso que confiere al artículo una estabilidad
térmica que evita que el artículo pierda su porosidad cuando se
expone a temperaturas que están a aproximadamente 200 y 300ºC de la
temperatura de fusión del
artículo.
artículo.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un método tal que posibilite que el artículo procesado
retenga muchas de sus propiedades metálicas deseables, tales como su
ductilidad, a estas temperaturas relativamente altas, cercanas a la
de fusión.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un método tal que sea particularmente muy adecuado
para procesar un artículo poroso compuesto por acero inoxidable y,
en particular, acero inoxidable de la serie 300 y la serie 400, o
una aleación que forma un óxido superficial, tal como óxido de
cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un método tal que no sea complicado de realizar,
aunque de funcionamiento eficaz.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un método para tratar un artículo poroso construido de
acero inoxidable en polvo o de aleación metálica en polvo que forma
un óxido superficial tras la oxidación, de acuerdo con la
reivindicación 1.
Esta invención se refiere a un método para
tratar un artículo poroso construido de acero inoxidable en polvo o
de una aleación metálica en polvo que forma un óxido superficial,
tal como óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio, tras
la oxidación.
El método incluye las etapas de precalentar el
artículo poroso en una atmósfera oxidante de manera que se forma
una capa de óxido sobre las superficies del artículo poroso y
después sinterizar el cuerpo en una atmósfera inerte o
reductora.
En el método, la etapa de precalentamiento
precalienta el artículo poroso a una temperatura de entre
aproximadamente 700ºC y 900ºC y la etapa de sinterización se
realiza a una temperatura que se aproxima a la temperatura de
fusión del material que constituye al artículo.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
artículo que se ha construido y tratado de acuerdo con una
realización del método de la presente invención.
Volviendo ahora a los dibujos con mayor detalle
y considerando en primer lugar la Figura 1, se ilustra un artículo
poroso, indicado de forma general como 20, que se ha tratado de
acuerdo con una realización del método de la presente invención
para hacer al artículo 20 térmicamente estable a temperaturas que se
aproximan a la temperatura de fusión del artículo 20.
El artículo 20 representado está compuesto por
un cuerpo poroso de material de acero inoxidable de la serie 400
que puede construirse por cualquier número de métodos. Por ejemplo,
el artículo 20 puede construirse inicialmente con una mezcla de
acero inoxidable en polvo (que posee los constituyentes del material
de acero inoxidable de la serie 400) y aglutinante y que
posteriormente se forma en un cuerpo que tiene una forma que se
adapta a la forma del artículo 20 deseado. Dicha etapa de formación
puede efectuarse, por ejemplo, en una operación de moldeo, un
proceso de extrusión, una operación de colada o por compresión
isostática. Una vez que la mezcla de polvo y aglutinante se forma
con la forma deseada, el aglutinante se volatiliza de una manera que
se conoce bien en la técnica para dar el cuerpo compuesto
principalmente por material de acero inoxidable y hacer al cuerpo
poroso. Dicha volatilización del aglutinante puede tener lugar, por
ejemplo, en aire y a una temperatura baja. Tras completarse la
volatilización del aglutinante, el cuerpo está en condiciones de ser
tratado de acuerdo con el método de la invención.
Para este fin, el cuerpo se precalienta para
formar un recubrimiento superficial sobre el cuerpo. Para este fin,
el cuerpo se sitúa dentro de un entorno controlado, tal como horno
de tubo o un horno de mufla y después se precalienta en una
atmósfera oxidante. Dicha atmósfera oxidante puede ser aire y, en
los experimentos realizados hasta la fecha, la temperatura de esta
etapa de precalentamiento ha variado entre aproximadamente 700ºC y
900ºC.
Los solicitantes han encontrado que cuanto mayor
sea la temperatura de precalentamiento, más gruesa será la capa de
óxido que es probable que se acumule sobre las superficies del
cuerpo poroso. Con esto en mente, la capa de óxido que se acumula
sobre las superficies del cuerpo no debería ser tan gruesa como para
que el artículo procesado no funcione de la manera en la que se
pretende que lo haga. Por consiguiente, es preferible que la capa
de óxido tenga un espesor limitado (limitando la temperatura de
precalentamiento a un valor cerca del extremo inferior del
intervalo entre 700 y 900ºC o limitando el tiempo de exposición del
cuerpo a la atmósfera oxidante) de manera que la capa de óxido no
se haga tan gruesa que el artículo procesado finalmente 20 falle a
la hora de funcionar de la manera pretendida.
Tras completarse la etapa de precalentamiento,
el cuerpo se sinteriza entonces en una atmósfera inerte o reductora
a una temperatura relativamente alta (por ejemplo, dentro del
intervalo de entre aproximadamente 1250ºC y 1500ºC). Para este fin,
el entorno controlado dentro del que se sitúa el cuerpo se evacua de
la atmósfera oxidante (por ejemplo, aire) y una sustancia inerte,
tal como argón, o una sustancia reductora, tal como hidrógeno, o
una mezcla argón-hidrógeno se introduce en la
atmósfera controlada, y el cuerpo se calienta a una temperatura a
la que las partículas en contacto del acero inoxidable en polvo se
enlazan juntas. Preferiblemente, la temperatura a la que se
sinteriza el cuerpo se aproxima, aunque no supera, la temperatura de
fusión del acero inoxidable que comprende el cuerpo. Se entenderá,
sin embargo, que diversos factores tales como el tamaño de partícula
del acero inoxidable en polvo que comprende el cuerpo y la
extensión de la oxidación desde la etapa de precalentamiento (es
decir, la pre-oxidación) pueden afectar a la
temperatura de fusión del cuerpo.
A medida que el cuerpo se expone a las
temperaturas relativamente altas de la etapa de sinterización, la
capa de óxido que se forma sobre la superficie del cuerpo durante
la etapa de precalentamiento ayuda a evitar que el cuerpo pierda su
porosidad. Tras completarse la etapa de sinterización, el método de
la invención se considera completo aunque puede desearse que el
producto resultante, o artículo 20, experimente etapas de
procesamiento adicionales antes de que se use de la manera
pretendida.
El método de esta invención da como resultado la
potenciación de la estabilidad térmica del artículo 20. Más
específicamente, el método potencia la estabilidad térmica del
artículo 20 de manera que cuando el artículo 20 se expone a, se usa
en o se procesa a altas temperaturas que se aproximan a la
temperatura de fusión del material que comprende el artículo 20, el
artículo 20 no pierde su porosidad ni su porosidad se cierra o se
desconecta.
Los solicitantes han formado discos porosos a
partir de acero inoxidable de tipo 410 y los han sintetizado en
condiciones variables, es decir, las condiciones indicadas en la
Tabla 1 a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
Los discos se mantuvieron en primer lugar en
aire a temperaturas que variaban de aproximadamente 530ºC a
aproximadamente 800ºC durante una hora y después se llevaron hasta
las temperaturas de sinterización finales de aproximadamente 1320ºC
en argón. La muestra que se oxidó en aire a 530ºC tenía muy poca
porosidad y no tenía permeabilidad medible. Por comparación, las
muestras que se oxidaron al aire a 800ºC indicaron que el aumento
del tiempo se exposición a la temperatura final (sinterización)
tenía poco efecto sobre las propiedades de la muestra.
De lo anterior se deduce que se ha descrito un
método para potenciar la estabilidad térmica de un cuerpo poroso
compuesto por metal capaz de oxidarse. Para ello, el artículo poroso
se precalienta en una atmósfera oxidante de manera que se forma una
capa oxidante sobre las superficies del artículo poroso y después el
cuerpo se sinteriza en una atmósfera inerte o reductora.
Se entenderá que pueden hacerse numerosas
modificaciones y sustituciones a la realización descrita
anteriormente sin alejarse del espíritu de la invención. Por
ejemplo, aunque la realización descrita anteriormente se ha
mostrado y descrito como que implica un material de acero inoxidable
de la serie 400, el método puede realizarse sobre otros materiales,
tales como acero inoxidable de la serie 300 y cualquier aleación
metálica que forme un óxido superficial, tal como óxido de cromo,
óxido de aluminio u óxido de silicio, tras la oxidación. Por
consiguiente, los principios de la presente invención pueden
aplicarse de forma variada y la realización descrita anteriormente
tiene propósito de ilustración y no de limitación.
Claims (7)
1. Un método para tratar un artículo poroso (20)
construido de acero inoxidable en polvo o aleación metálica en
polvo que forma un óxido superficial tras la oxidación,
comprendiendo el método las etapas de:
precalentar el artículo poroso en una atmósfera
oxidante a una temperatura de entre 700ºC y 900ºC de manera que se
forme una capa de óxido sobre las superficies del acero inoxidable o
la aleación metálica en polvo del artículo poroso; y sinterizar el
artículo en una atmósfera inerte o reductora a una temperatura que
se aproxima a la temperatura de fusión del material que comprende
el artículo.
2. El método de la reivindicación 1 en el que la
etapa de sinterización se realiza en una atmósfera de argón.
3. El método de la reivindicación 1 en el que la
etapa de sinterización se realiza en una atmósfera de hidrógeno.
4. El método de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que el acero inoxidable en polvo
se construye de acero inoxidable en polvo de la serie 300 ó
400.
5. El método de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la etapa de sinterización se
realiza en un entorno controlado.
6. El método de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que dicho óxido superficial es
óxido de cromo, óxido de aluminio u óxido de silicio.
7. El método de la reivindicación 1 en el
que:
dicho acero inoxidable en polvo se construye de
acero inoxidable de tipo 410;
la etapa de precalentamiento se realiza a una
temperatura de aproximadamente 800ºC en una atmósfera oxidante de
manera que se forma una capa de óxido sobre las superficies del
acero inoxidable; y
la etapa de sinterización se realiza a una
temperatura de aproximadamente 1320ºC en una atmósfera de argón
para obtener una porosidad de aproximadamente el 34 por ciento.
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