ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las piezas y productos composites base o componentes de aluminio, obtenidos tanto por fusión y solidificación como por pulvimetalurgia, y reforzados mediante la introducción de compuestos o partículas eneralmente cerámicas en el metal base de aluminio, han merecido una amplia aceptación por sus propiedades de resistencia mecánica y al desgaste. Los refuerzos cerámicos que habitualmente se utilizan para estas aplicaciones son óxidos o carburos de metales como los de aluminio, silicio, titanio, tungsteno, zirconio, etc.

Es conocido en el estado de la técnica que los materiales compuestos base aluminio reforzados con partículas cerámicas de refuerzo, como por ejemplo el carburo de silicio (ES 01/00430, documento perteneciente al estado de la técnica según el artículo 6.3 de la Ley de Patentes) presentan dificultades técnicas tanto desde el punto de vista de su procesado (soldabilidad, mecanizado y reciclabilidad) como en su comportamiento en servicio (fragilidad, desgaste de la pieza contra la que roza o antagonista). Existe, por tanto, en el estado de la técnica la necesidad de disponer de materiales compuestos base aluminio reforzados que no presenten las

desventajas referidas anteriormente.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención proporciona como soiución a las necesidades del estado de la técnica un componente de aluminio que comprende una primera fase formada por aluminio y una segunda fase, dispersa y homogéneamente distribuida en la primera, formada por partículas de polvo intermetálicas.

Un segundo aspecto de la invención consiste en un procedimiento para la fabricación de un componente de aluminio que comprende la adición bien vía líquida o bien vía pulvimetalúrgica de partículas de polvo intermetálicas (segunda fase) sobre una aleación de aluminio (primera fase).

Un tercer aspecto de la invención consiste en un componente de aluminio obtenible según el procedimiento anteriormente citado.

Un cuarto aspecto de la invención consiste en una pieza moldeada en un componente de aluminio según los aspectos anteriores.

Finalmente, un quinto aspecto de la invención consiste en un método para fabricar piezas moldeadas, de productos metálicos, de piezas de materiales metálicos y de productos metálicos en componente de aluminio según los aspectos anteriores.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El componente de aluminio objeto de la presente invención resuelve la problemática anteriormente expuesta, y más concretamente la de conseguir un componente o producto reforzado con partículas intermetálicas con mejores resultados que los productos de refuerzo de tipo cerámico, debido a su baja reactividad y alto módulo elástico, pero sin los inconvenientes y problemas referidos en el apartado anterior.

El componente de aluminio de la invención comprende una primera fase

formada por aluminio y una seounda Ease, : lispersa y homogéneamente distribuida en la primera, formada por partículas de polvo intermetálicas. La segunda fase está preferentemente presente en un porcentaje de hasta un 30% en volumen con respecto al volumen total de aluminio. En el contexto de la presente invención se entiende por el término aluminio no sólo aluminio, sino cualquier aleación que comprenda mayoritariamente aluminio.

Las partículas de polvo intermetálicas que presentan preferentemente un diámetro de 1 a 20 micrómetros, corresponden preferentemente a un grupo de productos pulverulentos basados en compuestos intermetálicos de fórmula MeyX2 ; donde Me se selecciona de entre Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru, Co, Zr o Ti; X se selecciona de entre Si o Al ; y presenta valores de 1 a 9; y, finalmente, presenta valores de 1 a 9. Los compuestos intermetálicos preferidos son el MoSi,, TiAl, FeAl y NiAl ; así como VSi"VjSi3, V, Al, V3Si, CrJSi, RuAI, CoAl, ZrAI, o ZrAI3.

La técnica para obtener las partículas intermetálicas es la conocida como de síntesis autopropagada a temperatura elevada, de manera que para que el refuerzo sea técnica y económicamente viable a nivel industrial, ya se realice vía metalurgia líquida o vía pulvimetalurgia (sólida), se requiere que el proceso de fabricación de dichas partículas intermetálicas sea económico, que su incorporación al metal líquido o en medio pulverulento se realice con un rendimiento similar al del resto de los elementos aleantes y al mínimo coste posible, y que la incorporación del reforzante mejore las características de la aleación (en función de la naturaleza de las partículas, de su distribución uniforme, sin coalescencia entre ellas y con una buena afinidad metalúrgica con el material de base).

En cuanto al diseño del material reforzante a utilizar se ha comprobado que las partículas intermetálicas del tipo MeyXz, donde Me : Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru, Co, Zr o Ti; X se selecciona de entre Si o Al, y presenta valores de I a 9; y, finalmente, z presenta valores de 1 a 9, mantienen las ventajas de las partículas cerámicas y permiten superar las limitaciones técnicas y económicas anteriormente indicadas en sus aplicaciones y en su posterior procesado.

Tipo de intermetálicos prefenidos : 1.-Familia de Aluminuros de Níquel : Forman un sistema binario que da lugar a 4 compuestos intermetálicos : NiAi3, Ni2Al3, NiAl y Ni ; AI.

2.- Familia de Aluminuros de Titanio : sistema binario que contiene 3 compuestos intermetálicos : TiAI, Ti3AI y Tical3 3. -Familia de Aluminuros de Hierro : se combina en 4 compuestos principales : FeAl, FeAl2. FeAl3 y Fenil ; 4. -Familia de Siliciuros de Molibdeno : se ordenan en los siguientes compuestos : Mo3Si, Mo ; Si3 y MoSi, 5.-Familia de Siliciuros de Cromo : presenta 4 intermetálicos : Cr, Si, Cr ; Si3, CrSi y CrSi, También son preferidos intermetálicos : VSi,, V ; Si3, V ; AI, V3Si, RuAI, CoAl, ZrAI,, ZrAl3.

Como ya se ha dicho con anterioridad, el procedimiento para la. obtención de las partículas intermetálicas se fundamenta en la técnica de síntesis autopropagada a temperatura elevada, debido al carácter exotérmico de las reacciones de formación de los compuestos o partículas intermetálicas.

A continuación, se exponen algunas de las reacciones estudiadas correspondientes a las principales familias de intermetálicos descritas anteriormente : <BR> <BR> 2Si+Mo#Si2Mo+H=-0,0735kJmol-1. Tad=1925K<BR> Si+3Cr#SiCr3+H=-0,0125kJmol-1. Tad=1493K Al +Ni o AlNi H=-26,30 kJ mol-1. T ad =1911 K Al + Fe AlFe + H= 0,0856 kJ mol-1. Tad=1184 K

Al+Ti- AtTi-H=-0, 1443 kJ mol-'. T =1515K H es la entalpía de formación y T, d es la temperatura adiabática.

Esto significa que) a fundación de las partículas intermetálicas a partir de sus elementos constituventes resulta muy favorable desde el punto de vista termodinámico. Por otra parte, una vez que se inicia la reacción, la temperatura sube rápidamente (debido al calor que se desprende).

A condición de que este material de refuerzo pueda ser manufacturado a un bajo coste, tal como ocurre con el proceso que se describirá más adelante, el diseño del mismo incluye también la cuantificación proporcional de cada elemento químico, habiéndose contrastado que los resultados óptimos se alcanzan con valores estequiométricos para cada uno de ellos.

Para la consecución del objetivo técnico de la invención, la fabricación previa de los mismos puede realizarse mediante un proceso en discontinuo, en el que, preparada y mezclada una cierta cantidad de materias primas, se introduce en un reactor donde tiene lugar la reacción de síntesis a alta temperatura, se espera a que enfríe la masa sintetizada y se extrae del reactor, repitiéndose el ciclo hasta la consecución de la cantidad requerida.

Se ha constatado que la productividad del proceso para obtener partículas intermetálicas resulta sensiblemente incrementada y de coste de producción reducido, utilizando un proceso en continuo como el descrito en la patente de invención española P9901327, de manera que debido al elevado carácter exotérmico de las reacciones de formación de las partículas intermetálicas, así como a la facilidad con que se pueden alcanzar las requeridas condiciones termodinámicas para su inicio y realización, la síntesis, a partir de las materias primas que contienen las proporciones adecuadas de Mo, Cr, Ni, Ti, Fe, V, Ru, Co, Zr, Ti, Si o Al puede realizarse también en continuo, de acuerdo con el proceso descrito en esa patente citada, incrementándose de esta manera la productividad, lo que permite, por una parte, la posibilidad de disponer de grandes cantidades de material de refuerzo y, por otra parte, reducir sus costos de producción. De cualquiera de las dos maneras se obtiene el

producto de refuerzo, iiíturándose las partículas a un tamaño preferente de 1-20 micrómetros y mezclándose en aleación de AL bien por vía líquida con aleación fundida, bien mediante la nita pulvimetalúrqica con los polvos de la aleación.

Por lo tanto. a partir del tipo de partículas intermetálicas descrito hasta el momento, y la forma de obtener las mismas, el segundo aspecto de la invención consiste en un procedimiento que se basa en que dichas partículas intermetálicas, previamente elaboradas, se añaden en estado sólido a la aleación de aluminio cuando ésta se encuentra en estado líquido en el correspondiente homo de fusión, o bien se mezclan con polvo de la aleación de aluminio en el proceso por vía pulvimetalúrgica. de manera caso tras la correspondiente solidificación del material colado del horno de fusión, en un caso, o con la correspondiente consolidación del material, en otro caso, se obtiene un producto resultante o componente que posee la matriz metálica de aluminio base más las partículas intermetálicas duras, estables, poligonales, de 1 a 2 micrómetros de tamaño, dispersas, homogéneamente distribuidas en la matriz y metalúrgicamente embebidas en ella.

Los refuerzos o partículas intermetálicas pueden ser añadidas en proporciones inferiores al 100% con respecto a la masa total. Preferiblemente, la partículas intermetálicas se encuentran en un porcentaje de entre 20 y 50%, más preferiblemente estas partículas suponen un 30% de la masa total.

El tercer aspecto de la invención consiste en el componente de aluminio obtenible según el procedimiento de la invención detallado en esta solicitud de patente.

El cuarto aspecto de la invención consiste en las piezas del presente componente de aluminio las cuales han sido moldeadas según los métodos conocidos por el experto en la materia, y preferentemente según los métodos expuestos a continuación, que forman el quinto aspecto de la invención : Método para fabricar piezas moldeadas en componente de aluminio que comprende colar fundido el componente de la invención en moldes de arena (sand casting), de cerámica (investement casting), coquilla centrifugada (centrifugal casting) o metálicos por inyección (injection moulding) para su solidificación y

posterior procesamiento de las piezas reforzadas con las partículas intermefálicas de la invención.

Método de fabricación de productos metálicos semielaborados en componente de aluminio que comprende colar el componente de la invención en lingoteras para la obtención de lingots o incluso en continuo para la obtención de palanquilla y su posterior procesamiento.

Método de fabricación de piezas en materiales metálicos en componente de aluminio que comprende consolidar el componente de la invención por extrusión, prensado isostático, laminación, sinterizado, etc.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de avudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustra- tivo y no limitativo, se han representado una serie de fotografias-micrografias que muestran compuestos de aleación de aluminio con refuerzos de partículas intermetálicas.

La figura 1. -Muestra la micrografia correspondiente a la microscopía electrónica de barrido del material compuesto Al (Mg)/MoSi, en estado T1.

La figura 2.-Muestra una micrografa correspondiente a la microscopía electrónica de barrido del material compuesto Al (Cu, Mg)/MoSi, en estado T4.

La figura 3. -Muestra la micrografia correspondiente a una microscopía electrónica de barrido del material compuesto Al (Si)/Ni3Al en estado T6.

La figura 4. -Muestra la micrografa correspondiente a una microscopía óptica del material compuesto Al (CuMg)/MoSi,, mezclado suficientemente.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Utilizando las familías correspondientes a los tipos intermetálicos descritos en el apartado de descripción de la invención, se ha comprobado que las partículas intermetálicas de !, NloSI, no reaccionan con el metal líquido con bajos tiempos de permanencia, ni existe difusión en los tratamientos térmicos, mientras que con otras partículas pueden existir reacciones metalúrgicas según el tipo de aleación de aluminio (que contengan Mg, Mn, Fe, Si u otros elementos aleantes). Así, las micrografias representadas en las figuras 1 y 2 muestran que la distribución de reforzante es uniforme y que no ha habido reacción entre la matriz y el intermetálico durante el procesado o el tratamiento térmico, mientras que en la figura 3 se muestra un ejemplo de reacción metalúrgica entre una aleación de Al rica en Si y partículas reforzantes de Ni3Al en T6, con formación de dos aluminuros de níquel en las intercaras, concéntricos con la partícula original, estando la intermedia contaminada con Si proveniente de la matnz.

Para describir el procedimiento de la invención, según un ejemplo práctico, se tiene que tener en cuenta que los compuestos intermetálicos son muy estables a las temperaturas de las aleaciones de aluminio en estado líquido (del orden de los 800°C). Por tanto, la manipulación y procesamiento de este material resultan sencillos en general y no se precisan medidas especiales para evitar su deterioro en contacto con la atmósfera ambiental. por oxidación u otras causas, ni su descomposición en el seno de la aleación líquida. No obstante hay algunas composiciones que requieren un estudio en profundidad por tener una mayor reactividad, especialmente algunos aluminuros de hierro y de níquel. Por otra parte, la mejora de características mecánicas de la aleación reforzada es función directa de la homogénea distribución de las partículas, sin coalescencia entre ellas, de la morfología regular de las mismas y de su coherencia metalúrgica con el material de base.

Se ha constatado que la efectividad de la mezcla es principalmente función del método de mezcla y del tamaño de las partículas. Las Figuras I y 2 presentan ejemplos de mezclas efectivas, en las que las partículas de intermetálicos se distribuyen uniformemente. En cambio, cuando el método no es el adecuado,

puede ocurrir que permanezcan aglomerados de partículas. como los que se ven en la Figura 4, que es una microsrafia tomada con microscopio óptico de un composite AI (Cu, Mg)/MoSi, con defectos de mezcla. Los agrupamientos de partículas de intermetálicos pueden, además, no dejar fluir la aleación de Al en su interior, dando lugar a porosidad como defecto secundario, aunque no menos pernicioso. Cuando esto ocurre el material pierde sus buenas características, de modo que propiedades tales como resistencia máxima a la tracción y alargamiento a rotura disminuyen drásticamente.

En el caso de la presente invención, se ha conseguido la optimización de tales parámetros mediante dos procesos : I) A través de la vía líquida, mediante el adecuado diseño de los intermetálicos y de su proceso de obtención.

II) A través de la vía pulvimetalúrgica.

1) El primer caso se ha basado en el procedimiento secuencial de adición de las partículas en el horno de fusión que consiste en : a) Puesta a punto del material que se va a añadir. El refuerzo MeyXz, se añade hasta una proporción del 30%, en volumen, de la carga total del horno y se mezcla con los productos comerciales utilizados normalmente como desgasificante de las aleaciones de aluminio. b) Fusión de la aleación metálica, base Al, de acuerdo al proceso convencional y en los tipos de horno utilizados habitualmente para el procesamiento de estos materiales. c) Moldeo de la aleación junto con el refuerzo. Se inicia cuando la carga del horno se encuentra en estado líquido y a una temperatura de unos 150°C superior a la de"sólidus". El modo operativo de la adición es similar al de cualquier otro material que se aporta en el proceso metalúrgico convencional, para el ajuste de la composición química de las aleaciones. d) Una vez que se ha completado la adición, el material líquido resultante, aleación aluminio + intermetálicos de refuerzo, se procesa de manera

convencional, pudiendo ser colado en moldes (de arena, cerámica. metálicos. etc.), para la obtención de piezas moldeadas, o en lingoteras, para la obtención de productos semielaborados o inyectados por gravedad o por presión o incluso de forma de colada continua.

El rendimiento de la adición es el cercano al 100%, por lo que las pérdidas pueden considerarse mínimas, incluso menores de las normales de cualquier otra operación metalúrgica de ajuste de composición química de una aleación.

II) En el segundo caso, Vía Pulvimetalurgia, el protocolo de actuación es el siguiente : a) Puesta a punto del material que se va a añadir. El refuerzo MeyXz se tritura al tamaño deseado, se escoge la distribución granulométrica y se mezcla con el polvo de la aleación de aluminio en proporción de hasta un 30%, en volumen, de la carga total del contenedor de mezcla. b) Preparación de la mezcla. La mezcla de polvos en la proporción establecida se compacta en frío o se coloca en un contenedor adecuado para conseguir su compactación en los pasos sucesivos que se describen a continuación. c) Consolidación. La mezcla de polvos se consolida totalmente por procesos convencionales de la vía pulvimetalúrgica como extrusión, prensado isostático, laminación, sinterizado, etc. d) Una vez que se ha completado la consolidación, el material se obtiene en forma de pieza semielaborada, como por ejemplo perfil extruido, con mínima necesidad de mecanizado y acabado final, o como tocho para mecanizar según la forma de la pieza.

Como resultado de los procesos I) y II), se obtienen piezas o productos semielaborados con una microestructura compuesta por la matriz metálica correspondiente a la aleación de Al más partículas intermetálicas, de elevada dureza y estabilidad térmica, de 1 a 20 micrómetros de tamaño y morfología regular, embebidas de manera uniforme, dispersas y homogéneamente distribuidas en el

interior de la matriz de base aiuminio. Este producto, dependiendo del intermetálico. puede ser sometido posteriormente a cualquier tipo de tratamiento ténnico, termoquímico o tennomecánico industrial. sin que las partículas sufran deterioro.

En consecuencia. el producto asi obtenido posee las características propias de la matriz metálica de base, en función de la aleación y de su procesamiento posterior, mejoradas e incrementadas por el efecto reforzante y endurecedor de los intermetálicos embebidos en dicha matnz. Este efecto positivo se manifiesta, sobre todo, en el módulo elástico, la resistencia al desgaste y a la temperatura. Tomando como referencia los valores de dichas características correspondientes a la aleación metálica sin refuerzo, el incremento conseguido con los nuevos productos, sobre estos valores, es superior al 40%.