ES2410904B1 - Dispositivo y procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10{sup,-3} mm Hg, que se monta en el interior de una cámara de infiltración convencional y comprende una preforma porosa, un crisol de infiltración que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infiltrado en la misma mediante presurización por gas, un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando así el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma.
Description
DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE UTILIZACIÓN DEL MISMO
PARA LA INFILTRACIÓN DE PREFORMAS POROSAS CON METALES
LíQUIDOS DE ALTA PRESIÓN DE VAPOR
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se engloba en el campo de los materiales compuestos de matriz metálica .
Dicha invención es un dispositivo y el procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg , que se monta en el interior de una cámara de infiltración convencional y comprende una preforma porosa, un crisol de infiltraci6n que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infi·ltrado en la misma mediante presurización por gas , un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando así el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los materiales compuestos de matriz metálica se conocen desde hace más de 4 O años . Desde entonces han sido muchos los materiales fabricados , así como también han ido en creciente desarrollo las tecnologías para fabricarlos.
Las tecnologías que se han desarrollado se han
adaptado a las caracter ísticas del material que se pretendía fabricar , en función del tipo de matriz y r e fuerzo , fracción y morfología del refuerzo, compatibilidad físico-química de los componentes, etc.
En la patente US3547180 se expone un dispositivo para fabricar materiales compuestos por infiltración de gas. Otras descripciones generales de distintos dispositivos se pueden encontrar en la siguiente documentación :
D. Hull, T. W. Clyne, "An Introduction to Composite MaterialslI Cambridge Uníversty Press, segunda edición, 280 (1996) ; K. K. Chawla, "Composite Materials" Springer, segunda edición, 168 (1998) ; R. Asthana, "Solidification Processing of Reinforced Metals" Trans . Tech. Publications, 6 (1998) .
La gran variedad de tecnologias desarrolladas se basa en los distintos métodos en los que un refuerzo discreto, por ejemplo particulas, fibras, etc ., puede combinarse con un metal para consolidar un material con propiedades finales modificadas.
Así , las diferentes tecnologías hacen uso de las
- técnicas
- de infiltración, "compo-casting", "spray depo
- sitian",
- etc. De todas las tecnologias desarrolladas,
- sólo
- la infiltración ha adquirido importancia indus
- trial.
Las técnicas para la infiltración son también muy variadas : infiltración por presión de gas, infiltración por presión mecánica, la técnica conocida como "drain casting", etc.
En particular, la infiltración a baja presión o presión de gas presenta muchas ventajas con respecto al
resto y es por ello que ha sido objeto, con mucha diferencia, de un desarrollo extraordinario en los últimos años.
La mayoría de las diversas tecnologías desarrolladas y patentadas por empresas y laboratorios durante los 25 últimos años se han basado en la técnica de infiltración por gas a baja presión.
En todas ellas participan los siguientes elementos comunes : al preforma porosa que será infiltrada por el
metal y que puede fabricarse de muy distintas maneras;
b) contenedor con el metal liquido;
el recipiente a presi ón donde se colocan la preforma porosa y el metal líquido, produciéndose la infilt ración por entrada de gas presurizado .
La disposición de los componentes y la realización del proceso de infiltración han sido y son objeto de distintas patente s .
El método más habitual de realizar el proceso de infiltración es el siguiente :
a} se hace vacio a la preforma; en algunos casos cuando se hace vacio a la preforma también se realiza en todo el conjunto;
b} se calienta tanto la preforma como el metal ; en algunos casos ambas se encuentran a la misma temperatura y en otros la preforma se encuentra a una temperatura inferior a la del metal ;
c) se funde el metal y se pone en contacto con la pref orma; en algunos dispositivos el metal fluye por si solo hasta hacer contacto con la preforma y e n otros dispositi vos el metal necesita de un esfuerzo me cánico o
- hidráulico hasta llegar al receptáculo donde se encuen
- tra la preforma ;
- d) se aplica presión al metal líquido para que
- éste penetre en la estructura porosa de la preforma y
- 5
- luego se enfría de manera direccional o multidireccional
- el crisol que contiene el material compuesto así fabri
- cado .
- Las distintas patentes que protegen estos desa
- lO
- rrollos tecnológicos cubren diferentes dispositivos
- experimentales y métodos para la fabricación de materia
- les compuestos de matriz metálica en los que el metal se
- ha e l egido de entre los más comúnmente utilizados en
- industria para fines diversos .
- 15
- Así , por ejemplo , se tiene que la patente de
- US35471BO cubre exclusivamente el metal aluminio (Al).
- Sin embargo, debido al creciente número de apli
- 20
- caciones que se han derivado de los materiales compues
- tos se ha visto la necesidad de proteger metales como
- plata (Ag) , cobre (Cu) o magnesio (Mg) , corno se cita en
- las patentes PCT/ES2008/000146 , US20080050589 ,
- US6355340, US5511603 , US6599466 y US5672433 .
- 25
- En particular el Mg ha adquirido una gran rele
- vancia debido a su baj a densidad y a sus propiedades
- mecánicas y termomecánicas . En todas estas patentes l a
- variedad de refuerzos protegidos es notable; si bien en
- 30
- todos los casos citados se utiliza el Mg y la técnica de
- infiltración son muy pocos los casos en los que se
- aporta un ejemplo de fabricación de un material compues
- to con este metal.
- 35
- Esto es debido a que los disposi tivos protegidos
están adaptados a la fabricación de mate riales compuestos con Al pero no tienen en cuenta las particularidades del Mg que hacen que su f abricación mediante la técnica de infil tración con estos dispositivos sea impracticable.
El Mg , así como otros muchos metales, tiene la peculiaridad de tener una elevada presión de vapor . Además , en estado liquido adquiere una elevada reactividad, pudiendo reaccionar violentamente con el oxigeno y el vapor de agua del ambiente. Estas características hacen que el Mg y los metales con propiedades similares no puedan ser procesados en atmósferas oxidantes o de vacío y necesitan tecnologías específicamente adaptadas .
Estas consideraciones han sido en muchos casos directamente obviadas , pudiéndose demostrar que experimentalmente es imposible la fabricación de materi ales compuestos de matriz de Mg (y por extensión, de metales con elevada presión de vapor y/o con elevada afinidad por e l oxigeno en estado liquido) con las tecnologias patentadas.
Por ejemplo, el dispositivo de molde abierto que se propone en US5672433 para el trabajo con Mg resulta inviable tal y como está protegido , ya que no evita que el Mg en estado liquido esté en contacto con el aire . En otros casos , estos probl emas han sido minimizados al proponerse la manipulación de la atmósfera de infiltración en dos etapas :
i) en una primera etapa se hace vacío y se mantiene hasta la fusión del metal;
ii) en una segunda etapa se aplica una presión determinada con un gas inerte o protector, cuyo uso en muchos casos está regulado debido a que están clasifi ca
dos como gases de efecto invernadero.
El problema que presenta este método es que es imposible evitar una evaporaci ón considerable de los metales de elevada presión de vapor durante el tiempo que transcurre entre su f usión y la aplicación del gas
- iner te.
- Una consecuencia de esto es la pérdi da de un
- volumen
- importante de metal (lo cual imposibilita su
- infiltración)
- y los graves deterioros que ocasiona su
deposición en las partes más f rias del equipo de infiltración.
El uso de los dispositivos anteriores para la infiltración de aleaciones que contienen elementos aleantes de elevada presión de vapor presenta los mismos problemas . En estos casos son las especies más volátiles las que más rápidamente se vapor izan y depositan en los componentes de los dispositivos que trabajan a menor temperatura. Por poner un e j emplo, es común cuando se trabaja con aleaciones de AI-Mg encontrar depósitos metálicos ricos en Mg en las paredes de la cámara de infiltración, tubos de aplicación de vacio y terminales eléctricos .
En el caso de aleaciones de cobre y cromo (Cu-Cr) s e suele afiadir una cantidad en exceso de aleante para cubrir las pérdidas que se ocasionan durante el proceso de infiltración debido a que gran parte de los elementos altamente oxidables (en este caso, Cr) se transforman en sus respE~ctivos óxidos .
Es por tanto necesaria una nueva tecnología para la fabricación de materiales compuestos por infiltración en medios porosos de metales liquidos con elevada presión de vapor .
Esta patente expone la invención de un dispositivo y el procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg, que se monta en el interior de una cámara de presión y comprende una preforma porosa, un crisol de infiltración que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infiltrado en la misma mediante presurización por gas , un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y formando así una cámara de saturaci6ncerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando asi el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención queda establecida y caracterizada en las reivindicaciones independientes, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras características de la misma.
A la vista de lo anteriormente enunciado, la presente invención se refiere a un dispositivo para la infiltración de preformas porosas con metales liquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg.
Dicho dispositivo comprende distintos elementos: una preforma porosa, un crisol de infiltración que
alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal líquido que será infiltrado en la mi sma, produciéndose la infiltración mediante gas presurizado.
El dispositivo comprende además un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada.
Una ventaj a del dispositiva es el fácil montaj e y desmontaje pues no consiste más que en e l deslizamiento de dos crisoles.
Otra ventaja es que la saturación de la cámara en vapor metálico impide pérdidas volumétricas importantes del metal por evaporación.
Además, debido a su sencillez se puede adaptar
- en
- cualquier dispositivo o máquina de infiltración
- convencional
- sin más que cubrir e l crisol de infiltra
- ci6n
- con otro crisol de saturación.
Asimismo, la invenci6n se refiere a un procedimiento de utilizaci6n del dispositivo descrito anteriormente y que comprende las siguientes etapas:
a. disposici6n de la preforma porosa en el interior del crisol de infil traci6n, y del metal infiltrante en su parte s uperior por encima de dicha preforma porosa,
b.disposici6n del crisol de saturaci6n invertido c ubriendo el crisol de infiltraci6n con la funci6n de crear una cámara de saturación cerrada para lograr la saturaci6n del vapor metálico,
c. aplicaci6n de yacio a dicho dispositivo hasta
un valor por debajo de 50 mbar,
- d . aumento de la temperatura del dispositivo hasta al menos la temperatura de fusión del metal ,
- e . aumento de la presión interior de la cámara del dispositivo mediante la aplicación de gas presurizado a la máquina de infiltración donde esté instalado el dispositivo para forzar al metal líquido a infiltrar en el interior de la preforma porosa,
f . solidificación del metal líquido .
Una ventaja de dicho procedimiento es que debido a que el espacio libre en la cámara cerrada es controlable y limitado la saturación en vapor metálico se alcanzará antes de que las pérdidas de metal sean significativas.
Otra ventaja es que al funcionar en vacío se puede trabajar con metales con elevada afinidad por el oxigeno en estado líquido, pues la oxidación deja de ser un problema ya que el vacio actúa como si fuese una atmósfera reductora.
Otra ventaja es que evita la deposición del metal en los componentes del dispositivo pues la cámara cerrada de saturación actúa de trampa caliente para el vapor metálico impidiendo su deposición y posterior evaporación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Se complementa la presente memoria descriptiva con un juego de figuras, ilustrativas del ejemplo preferente, y nunca limitativas de la invención .
La figura 1 representa una vista en corte del dispositivo.
EXPOSICIÓN DETATT~A DE LA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA
INVENCIÓN
La presente invención consiste en un dispositivo para la infiltraci6n de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor y en un procedimiento de utilización del mismo.
Con alta presión de vapor se especifica la superior a 10-3 mm Hg .
Dicho dispositivo (1) comprende distintos elementos: una preforma porosa (2) , un crisol de infiltración (3) que alberga a su vez dicha preforma porosa (2) y el metal liquido (4) que será infiltrado en la misma, produciéndose la infiltración mediante gas presurizado y un crisol de saturación (5) dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración (3) cubriéndolo y formando asi una cámara de saturación cerrada (6).
En definitiva, el dispositivo introduce una cámara de saturación cerrada (6), que es el espacio encerrado entre el crisol de infiltración (3) y el crisol de saturación (5) fácilmente desmontable, que puede entenderse como una trampa caliente para el vapor metálico generado en su interior. Esta cámara de saturación cerrada (6) impide que el metal se evapore por medio de la saturación del medio en vapor metálico, de manera que evita pérdidas volumétricas apreciables del metal.
Debido a su sencille z, se puede adaptar en cualquier máquina de infiltración convencional . Dicha adaptación resulta de cubrir el crisol de infiltración (3) que contiene la preforma porosa (2) a infiltrar y el metal infiltrante con otro crisol de saturación (5) invertido que se ajuste lo más posible al anterior . De esta forma la preforma porosa (2) y el metal quedan encerrados en la cámara de saturación cerrada (6) cuyo montaje y desmontaje solamente implica el deslizamiento de ambos crisoles, crisol de infiltración (3) y crisol de saturación (5) entre sí.
Adicionalmente, para asegurar la funcionalidad de la cámara de saturación cerrada (6) , se puede colocar una pieza mecanizada de material aislante térmico que actúe de capucha, no mostrada en las figuras , sobre el crisol de saturación (5) invertido en la parte superior del dispositivo, con objeto de mantener dicho crisol siempre a temperatura más elevada q ue el resto .
El dispositivo resultante puede ser introducido en el interior de cualquier cámara de infiltración convencional a la que se le puede aplicar vacio, elevar la temperatura y aplicar presión por medio de un gas .
El material del que está hecho el crisol de infiltración (3) se selecciona de manera preferente del siguiente grupo: acero comercial , grafito, cerámica de alta densidad del tipo Al203 o Si02. Además , dicho material puede estar modificado superficialmente para evitar cualquier reacción quimica con el metal infiltrante .
El material de l que está hecho el crisol de saturación (5) se selecciona de manera preferente del siguiente grupo : acero comercial , grafito, cerámica de alta densidad del tipo Al20) o SiOz_ Además, dicho material puede estar modificado superficialmente para evitar cualquier reacción química con el metal infiltrante .
El material del que está hecha la capucha de aislamiento térmico, en caso de utilizarse cubriendo al crisol de saturaci ón (5) , se selecciona de manera preferente del siguiente grupo : cerámica de alta o baja densidad del tipo Al20) o SiOz, cerámica de base Alz03 o SiOz de textura porosa y de alta capacidad de mecanizado .
Los metales liquidos de alta presión de vapor
(Pvl, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg se seleccionan de manera preferente del siguiente grupo de metales puros o aleaciones que los pueden contener : Sr, Ca , Pb, Zn, Mg, Mn y er.
El crisol de infiltración (3) es, en una realizaci6n, de base preferentemente plana. El crisol de saturaci6n (S) es, en la misma u otra realización, de base preferentemente plana o semiesférica. Asimismo, este crisol de saturación (S) tiene un contorno preferentement e adaptable en ±O.lmm al crisol de infiltración
(3) .
El procedimiento de utilización del dispositivo
- (l)
- comprende las siguientes etapas :
- a . disposición
- de la preforma porosa (2) en el
- interior
- del crisol de infiltración (3) , Y del metal
- liquido
- infiltrante en su parte superior por encima de
- dicha preforma porosa
- (2),
b . disposici6n del crisol de saturación (5) invertido cubriendo el crisol de infiltración (3) con la función de crear una cámara de saturación cerrada (6)
para lograr la saturación del vapor metálico, e.aplicación de vacio a dicho dispositivo (I) hasta un valor por debajo de 50 mbar,
d . aumento de la temperatura del dispositivo (I) hasta al menos la temperatura de fusión del metal,
e.aumento de la presión interior de la cámara de saturación cerrada (6) del dispositivo (1) mediante la aplicación de gas presurizado a la máquina de infiltración donde esté instalado el dispositivo (1) para forzar al metal líquido a infiltrar en el interior de la preforma porosa (2) ,
f . solidificación del metal líquido.
Entre las etapas e y d se añade otra etapa que consiste en la aplicación de un gas inerte en la cámara de saturación cerrada (6) hasta una presión inferior a la de infiltración del medio poroso con objeto de evitar la posterior evaporación del metal por efecto del vacío .
En el procedimiento descrito, el calentamiento a vacío logra la evaporación de los metales altamente volátiles . Puesto que el metal se encuentra en el interior de la cámara de saturación cerrada (6) generada por ambos crisoles, crisol de infiltración (3) y crisol de saturación (5), la atmósfera del medio se enriquecerá rápidamente en vapor del metal hasta que se alcance un equilibrio, deteniéndose de este modo la evaporación del metal. Dado que el espacio libre en la cámara de saturación cerrada (6) es controlable y generalmente muy limitado, la saturación en vapor metálico se alcanzará antes de que las pérdidas de metal sean significativas .
El hecho de que el dispositivo permita trabajar en vacío aporta múltiples ventajas en el caso de que se trabaje con metales con elevada afinidad por el oxigeno
en estado líquido, ya que la presión parcial de oxígeno en la cámara de saturación cerrada (6) de infiltración se reduce tanto que la oxidación deja de ser un problema para muchos metales .
Estos óxidos suelen ser compuestos de elevado punto de fusión . En estos casos , la presencia de una cámara de saturación cerrada (6) es de gran ayuda porque así como para el vapor metálico ésta actúa de trampa
10 caliente impidiendo su deposición y posterior evaporación, para estos óxidos, con alto punto de fusión, actúa de trampa fría , depositándose consecuentemente en las paredes interiores del crisol de saturación (5) invertido .
15 Una consecuencia sumamente positiva es que, en cualquier caso, el dispositivo permite la obtención de un material compuesto libre de óxidos.
20 Finalmente, un efecto práctico de gran relevancia es que este dispositivo evita por completo que el metal se deposite en las diferentes partes de la máquina de infiltración donde esté instalado.
Claims (8)
- REIVINDICACIONES1. -Dispositivo (1) para la infi1tración de preformas porosas con metales liquidos de alta presión de 5 vapor, siendo ésta superior a 10-3 mm Hg, que comprende distintos elementos: una preforma porosa (2), un crisol de infiltración (3) que alberga a su vez dicha preforma porosa (2) y el metal liquido (4) que será infiltrado en la misma produciéndose la infiltración mediante gas10 presurizado caracterizado porque comprende un crisol de saturación (5) dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración (3) cubriéndolo y formando as! una cámara de saturación cerrada (6).15 2 . -Dispositivo según la reivindicación 1 en el que cubriendo al crisol de saturación (5) se dispone una capucha de aislamiento térmico.
- 3. -Dispositivo según las reivindicaciones ante20 riores en el que el material del que está hecho el crisol de infiltración (3) está seleccionado del siguiente grupo: acero comercial, grafito, cerámica de alta densidad del tipo Al203 o Si02 •25 4 . -Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el material del que está hecho el crisol de saturación (5) está seleccionado del siguiente grupo: acero comer~ial, grafito, cerámica de alta densidad del tipo Al203 Q Si02.
- 5 . -DispositiVQ según las reivindicaciones anteriores en el que el material de que está hecha la capucha de aislamiento térmico está seleccionado del siguiente grupo: cerámica de alta o baja densidad del35 tipo Al203 o Si02, cerámica de base Al203 o Si02 de textura porosa y de alta capacidad de mecanizado.
- 6.-Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que los metales liquidos de alta presión de
- vapor
- se seleccionan del siguiente grupo de metales
- puros
- o aleaciones que los pueden contener: Sr, Ca, Pb,
- Zn,
- Mg, Mn y er.
-
- 7.
- -Disposi tivo según las reivindicaciones anteriores en el que el crisol de infiltración (3) es de base plana .
-
- 8.
- -Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el crisol de saturación (5) es de base plana o semiesférica.
-
- 9.
- -Dispositivo según las reivindicaciones anteriores en el que el crisol de saturación (S) tiene un contorno preferentemente adaptable en ±D . 1mm al crisol de infiltración (3).
IO.-Procedimiento de utilización del dispositivo(1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende las siguientes etapas :a. disposición de la preforma porosa (2) en el interior del crisol de infiltración (3), y del metal l iquido infiltrante (4) en su parte superior por encima de dicha preforma porosa(2) ,- b . disposición del crisol de saturación (5) invertido cubriendo el crisol de infiltración
(3) con la función de crear una cámara de saturación cerrada (6) para lograr la saturación del vapor metálico,- c . aplicación de vacío a dicho dispositiva (1)
hasta un valor por debajo de 50 mbar,d. aumento de la temperatura del dispositivo (1) hasta al menos la temperatura de fusión del metal ,5 e. aumento de l a presión interior de la cámara de saturación cerrada (6) del dispositivo (l) mediante la aplicación de gas presurizado a la máquina de infiltración donde esté instalado el dispositivo (1) para forzar al metal liqui10 do a infiltrar en e l interi or de la preforma porosa (2) ,f. solidificación del metal líquido. - 11 . -Procedimiento, según la reivindicación 10 en15 el que entre las etapas e y d se añade otra etapa que consiste en la aplicación de un gas inerte en la cámara de saturación cerrada (6) hasta una presión inferior a la de infilt ración del medio poroso con objeto de evitar la posterior evaporación del metal por efecto del vacío .
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|---|---|---|---|
| ES201132061A ES2410904B1 (es) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Dispositivo y procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor. |
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-
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