DESCRIPCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de pulido de piezas de aluminio y más específicamente de piezas de aluminio con alto contenido de silicio.

El procedimiento de pulido de la invención es especialmente útil en las piezas de aluminio de estructura compleja como las producidas por fabricación aditiva de metales.

El pulido que se describe en la presente invención es un pulido químico.

Antecedentes de la invención

La aparición de la fabricación aditiva ha sido un gran avance en los últimos tiempos, las diversas tecnologías de fabricación aditiva permiten la creación de piezas de formas complejas. Estas formas complejas hacen que el paso de pulido de la pieza sea complicado y difícil, las superficies a pulir no son fácilmente accesibles y presenta una rugosidad superficial que es propia del procedimiento.

La rugosidad superficial afecta a diferentes propiedades de la pieza, como la resistencia a la fatiga, las propiedades de fricción y la transferencia de calor.

La etapa de pulido en este tipo piezas es muy específica debido a la complejidad geométrica de estas piezas y a los requerimientos finales de las mismas.

La etapa de pulido es extremadamente importante en la pieza final, ya que, por ejemplo, las piezas pueden ser elementos de una máquina en contacto con otras piezas y la rugosidad superficial influye en su comportamiento. Mejorar la etapa de pulido implica mejorar el acabado y disminuir la rugosidad superficial de la pieza, esto lleva a una mayor durabilidad de la pieza y a que dicha pieza realice mejor su función.

Por otra parte, el acabado final de la pieza influye de manera significativa en el coste final de ésta desde el punto de vista de la apreciación del cliente, suponiendo hasta un 40% del valor que se le da en el mercado.

Así mismo, la reducción de la rugosidad se hace casi imprescindible en el caso de conductos internos que transporten fluidos, como es el caso de los intercambiadores de calor, para evitar deposiciones de sales y puntos de iniciación de la corrosión en estos debido a la rugosidad de las paredes. En este sentido cabe destacar que uno de los grandes logros de la fabricación aditiva, y más en concreto la fabricación aditiva con metales, se encuentra en la capacidad de conseguir fabricar intercambiadores de calor por ejemplo de aluminio altamente efectivos debido a la posibilidad de fabricar conductos internos hasta ahora imposibles de conseguir mediante los métodos actuales de fabricación tales como el mecanizado y/o la inyección (Die Casting).

El pulido puede ser mecánico, donde se utilizan partículas finas de abrasivos para obtener un alisado de la superficie. Los pulidos mecánicos pueden llegar a formar la llamada capa de Bielby, esta capa contiene una mezcla de óxidos del metal base y los compuestos utilizados para pulir, por lo tanto, las propiedades físico-químicas de la capa superficial obtenida por pulido mecánico pueden ser distintas de la aleación subyacente originando tensiones mecánicas que en determinadas condiciones pueden dar lugar a procedimientos de corrosión. El pulido mecánico es totalmente ineficiente para estructuras con diseños complejos propios de la fabricación aditiva, e igualmente ineficiente para cavidades y conductos.

En la patente con número de publicación US2013/0032573 se describe un método mecánico para pulir un disco de silicio, a la vez que se realiza el pulido se añade un líquido de pulido que comprende un polímero soluble en agua.

Otra opción es el electropulido, que es un tratamiento superficial mediante el cual el metal a ser pulido actúa como ánodo en una celda electrolítica, disolviéndose. Con la aplicación de corriente, se forma un film polarizado en la superficie metálica bajo tratamiento, permitiendo a los iones metálicos difundir a través de dicho film. Las micro y macro proyecciones, o puntos altos de la superficie rugosa, lo mismo que zonas con rebabas, son áreas de mayor densidad de corriente que el resto de la superficie, y se disuelven a mayor velocidad, dando lugar a una superficie más lisa, nivelada y/o rebabada.

En el caso del electropulido es necesario definir relaciones de voltaje/amperaje para los distintos volúmenes y tipos de material de las piezas a electro-pulir. En el caso del electropulido, la dificultad radica en pulir conductos y las zonas apantalladas por la geometría propia de cada pieza. Estas geometrías complicadas son frecuentes debido a los diseños optimizados propios de la fabricación aditiva.

Un ejemplo de documento patente donde se recoge un desarrollo de electropulido es la patente EP3269848 donde se describe un electrolito para el electropulido de un sustrato metálico, que comprende al menos un compuesto de F y/o un compuesto de Cl y al menos un agente complejante, donde el electrolito no contiene un compuesto ácido.

Los pulidos químicos descritos hasta el momento son muy agresivos y utilizan ácidos fuertes para conseguir disminuir la rugosidad de la superficie del objeto que pule. Los pulidos en medio ácido se llevan a cabo a altas temperaturas y no son eficaces para las piezas fabricadas por SLM dado la particular reactividad que presentan este tipo de piezas, así como el tipo de aleación de aluminio con alto contenido en silicio. Llevar a cabo un pulido ácido en las condiciones descritas a día de hoy en piezas obtenidas por fabricación aditiva, no es adecuada porque para disminuir la rugosidad, elimina excesivo material de la pieza, además de crear defectos superficiales (pitting).

Por ello es necesario el desarrollo de nuevos métodos de pulido químico que se realice a concentraciones y temperaturas moderadas, y que sean eficaces.

Descripción de la invención

El pulido descrito en la presente invención mejora la calidad superficial y la precisión dimensional de las piezas pulidas. Las piezas que se pulen con el procedimiento de la presente invención son de aleaciones de aluminio que comprenden silicio. Debido al alto contenido en silicio, los tratamientos para pulir aluminio que se conocen no son efectivos. El presente procedimiento de pulido es especialmente útil en las piezas obtenidas mediante fabricación aditiva y en concreto mediante, SLM (Selective láser melting) porque las características de la superficie de estas piezas son la alta rugosidad y la alta reactividad que tienen frente a los ataques químicos.

El procedimiento de la invención comprende una serie de etapas donde se activa la superficie y la sensibiliza para las siguientes etapas de reducción de la rugosidad de la superficie, se practica un pulido químico donde se produce una disminución de la rugosidad de forma controlada y un ataque selectivo a los picos de la rugosidad y por último se procede a eliminar el smut que aparece para poder proseguir con el pulido o darle un acabado final, dado que la aparición de la capa de smut hace que la superficie se pasive impidiendo el ataque químico a ésta. La activación de la superficie se realiza mediante una solución alcalina, la siguiente etapa de pulido se realiza también mediante una solución alcalina, pero de mayor concentración que la solución de la primera etapa, por último, es necesaria una etapa de eliminación de las deposiciones de óxidos de metales y deposiciones de otros productos insolubles generados en las etapas alcalinas, es decir del smut.

El procedimiento de la invención es un procedimiento fácilmente industrializable y de bajo riesgo para los operarios.

Por lo tanto, un primer objeto de la invención es un procedimiento de pulido de piezas de aleaciones de aluminio que comprenden silicio que comprende las etapas de: a) introducir la pieza en una solución acuosa alcalina con una concentración comprendida ente el 0,1% y el 15%; b) tras la etapa a) introducir la pieza en una solución acuosa alcalina con una concentración comprendida entre el 1% y el 70%; e) eliminar el smut generado en las etapas a) y b).

En la presente invención el término “concentración” se refiere a concentración en peso (p/p) cuando el soluto es sólido en la solución acuosa y concentración en volumen (v/v) cuando el soluto es líquido en la solución acuosa. En la presente invención cuando se utiliza el término smut se refiere a las deposiciones de óxidos mixtos de metales y deposiciones de otros productos insolubles generados en la etapa a) y b).

Como se ha dicho preferentemente el pulido es beneficioso en elementos de geometría compleja, así como en cavidades y conductos internos.

Descripción de una realización preferida

Como se ha comentado anteriormente, el primer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de pulido de piezas de aleaciones de aluminio que con contenido de silicio que comprende las etapas de: a) introducir la pieza en una solución acuosa alcalina con una concentración comprendida entre el 0,1% y el 15%; b) tras la etapa a) introducir la pieza en una solución acuosa alcalina con una concentración comprendida entre el 1% y el 70%; e) eliminar el smut generado en las etapas a) y b).

De manera preferente la aleación de aluminio comprende silicio en un porcentaje en peso respecto al peso total del 1% al 15%, más preferentemente del 9% al 12%.

De manera preferente la aleación se selecciona entre: AISiMgTi, AISi7Mg, AISilOMg, AISi, AISi5Cu, AISi9Cu, AISiCuNiMg, AISiSc. Más preferentemente la aleación se selecciona entre: AISi7Mg, AISilOMg. De manera particular es AISilOMg.

De manera preferente el elemento a pulir se ha fabricado por fabricación aditiva. En la presente memoria el término “fabricación aditiva” se refiere al proceso de unión de materiales para crear objetos desde un modelo 3D, la unión se produce usualmente capa tras capa.

Preferentemente el elemento se ha fabricado mediante fusión selectiva por láser (SLM en inglés selective láser melting). Con dicho método se pueden obtener geometrías de gran complejidad. El procedimiento de la invención pule de forma homogénea las geometrías complejas obtenidas por fusión selectiva por láser.

De manera preferente en la etapa a) la solución alcalina se selecciona entre una solución de un hidróxido de metales alcalinos y/o alcalinotérreos o mezclas de ellos, más preferentemente NaOH y/o KOH. De manera preferente la solución alcalina de la etapa a) tiene una concentración entre 0,1% y 10%. De manera preferente la etapa a) se realiza en un tiempo comprendido entre 15 seg y 5 min; más preferentemente entre 15 seg y 60 seg.

De manera preferente la etapa a) se realiza en presencia de un compuesto complejante.

De manera preferente la etapa a) se realiza en presencia de un compuesto espesante.

En el paso a) la concentración del compuesto complejante y/o la concentración del compuesto espesante está entre el 1% y el 5%.

De manera preferente en la etapa b) la solución alcalina se selecciona entre una solución de una sal de oxoaniones derivados de ácidos débiles o mezclas de ellos, más preferentemente los oxoaniones se seleccionan entre CIO , CO ₃ ² , HS\ De manera preferente la solución alcalina de la etapa b) tiene una concentración entre 5% y 50%. Más preferentemente entre el 20% y el 50%. De manera preferente la etapa b) se realiza en un tiempo comprendido entre 5 min y 15 min. De manera preferente la etapa b) se realiza en presencia de un compuesto complejante. De manera preferente la etapa b) se realiza en presencia de un compuesto espesante. En el paso b) la concentración del compuesto complejante y/o la concentración del compuesto espesante está entre el 1% y el 5%.

De manera preferente la etapa b) se realiza en presencia de un tensioactivo. Ejemplo de tensioactivos son: etoxil propoxil terpeno, dialquiltiourea, etilen glicol monobutil eter, etoxilato de nonilfenol, ácidos grasos C12-C18, ácidos grasos C12-C18 etoxilados, ácido-alquil(Cio-Ci3) benzeno sulfónico, lauril eter sulfato, cocoamidopropil betaína, cocosamina, alquil dimetil amina óxido, óxido de cocoil bis-(2-hydroxietil) amina, óxido laura ina, óxido N,N-dimetiltetradecil amina, compuestos de amonio cuaternario, bencil-Ci2-i6-alquildimetil.

En una materialización más preferente el procedimiento comprende una etapa c) de introducción de la pieza en una solución acuosa básica a una concentración comprendida entre el 0,1% y el 15%, preferentemente durante un periodo comprendido entre los 5 segundos y los 30 minutos o más preferentemente entre 5seg y 300seg. Más preferentemente la solución alcalina se selecciona entre una solución de un hidróxido de metales alcalinos y/o alcalinotérreos o mezclas de ellos, más preferentemente NaOH y/o KOH.

De manera preferente la etapa c) se realiza en presencia de un compuesto complejante. De manera preferente la etapa c) se realiza en presencia de un compuesto espesante.

De manera preferente el complejante se selecciona entre: ácido cítrico, ácido glucónico, sorbitol, ácido iminodisuccinato, ácido hidroxietiletilendiamintriacético (trilon D), ácido metilglicendiacético (MGDA), ácido dietilentriaminpentaquismetilenfosfónico (DTPMP), ácido 2-fosfonobutano 1,2,4 tricarboxílico, ácido iminosuccínico, ácido poliaspártico, poliamino fosfonatos, ácido tiosulfúrico, polímero de ácido acrílico, polietilenimia, ácido etilendiaminotetraacético, ácido aminopolicarboxílico, dietilentriaminpentaacetato, nitriloacetato, ácido trifosphato, ácido 1,4,7,10 tetraazaciclododecan-1, 4,7,10-tetraacético (DOTA), ácido fosfónico, ácido b-alaninediactetico, N-bis[2-(1,2 dicarboxi-etoxi)etil]glicina (BCA5), ácido N-bis[2-(1,2-dicarboxietoxi)etil]-aspático (BCA6), tetracis(2- hidroxipropil)ethilendiamina (THPED), ácido N-(hidroxietil)- etilendiamintriacéico(HEDTA) y sus sales. De manera particular el compuesto complejante es sorbitol.

De manera preferente el compuesto espesante se selecciona entre: poliaminas, ureas modificadas, filosilicatos activados, carboximetilcelulosa y bentonita.

Preferentemente después de la etapa c) hay una etapa d) de introducción de la pieza en una solución ácida con una concentración comprendida entre el 0,1% y el 15%. La etapa d) se lleva a cabo preferentemente en la presencia de un surfactante.

De manera preferente la etapa e) de eliminación del smut se realiza mediante la introducción de la pieza en una solución ácida en agua a una concentración comprendida entre 0,1% y el 10%. De manera más preferente los ácidos se seleccionan entre clorhídrico, fluorhídrico, nítrico, sulfúrico o mezclas de ellos. De manera más preferente esta etapa se realiza en un tiempo comprendido entre 30 segundos y 30 minutos.

De manera preferente la etapa e) se realiza mediante la introducción de la pieza en una solución acuosa en agitación de componentes abrasivos seleccionados entre vidrio, corindón y/o óxido de circonio. De manera preferente el tiempo de esta etapa e) se encuentra entre 30 minutos y 8 horas. De manera preferente, de manera previa a la introducción de la pieza en esta solución acuosa de componentes abrasivos se introduce la pieza en la solución en agua ácida de concentración comprendida entre 0,1% y el 10% descrita en el párrafo anterior.

De manera más preferente esta etapa e) se realiza en presencia de un compuesto tensioactivo y/o un aditivo inhibidor de la corrosión.

El aditivo inhibidor de la corrosión es preferente un compuesto que pertenece al grupo de las dialquiltioureas. Más preferentemente se selecciona entre ácido cítrico, ácido ascórbico, 3 aminooctanol, 2-amino-2-metil-1 -propanol, monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), trietanolamina (TEA), monoisopropil amina (MIPA), metoxipropilamina (MOPA), diglicolamina (DGA), N-alquilalcanolamina.

Particularmente la etapa e) se desarrolla en la presencia de ácido acético y con agitación ultrasónica. Más particularmente el ácido acético está en una concentración desde el 0,1% al 10%. Este paso e) es preferentemente llevado a cabo en un tiempo comprendido entre 5 minutos y 15 minutos. Cuando la etapa e) se lleva a cabo en presencia de ácido acético y con ultrasonidos el tiempo del procedimiento se reduce y el terminado de la pieza es mejor en términos de aspecto visual. De manera preferente las etapas del procedimiento a) b) o a), b) y c) del aspecto de la invención o de cualquiera de sus materializaciones se repiten en el mismo número y orden n veces, preferentemente de dos a diez veces.

De manera preferente las etapas de procedimiento a), b), d) o a), b), c) y e) del aspecto de la invención o de cualquiera de sus materializaciones se repiten en el mismo o diferente número n veces, preferentemente de dos a diez veces.

De manera preferente tras cada etapa a) b) c) y/o e) la pieza se introduce en un baño de agua destilada.

EJEMPLOS

Los siguientes ejemplos tienen únicamente carácter ilustrativo de esta invención, y no deben ser interpretados en sentido limitativo de la misma.

Ejemplo 1

Se parte de una pieza de AISilOMg obtenida mediante SLM ( Selective Láser Melting , Fusión selectiva por láser).

La pieza se sumerge de forma consecutiva en un baño de una solución alcalina de NaOH al 1,5% durante 30 segundos seguido de un baño de una solución alcalina de carbonato potásico al 25% durante 5 minutos.

Una vez realizadas estas dos primeras etapas se sigue con una nueva etapa de inmersión de la pieza de una solución alcalina de NaOH al 1,5% durante 5 minutos y finalmente se introduce en una solución ácida de HCI al 10% en peso durante 3 minutos para eliminar el smut.

En este ejemplo de la invención se partió de una pieza con una Ra= 9,38pm y una Rz= 93,0pm para llegar tras el tratamiento de pulido descrito a una reducción de la Ra de un 67% y a una reducción de la Rz de un 73%, ya que se llegó a un valor de Ra= 3,24pm y una Rz= 24,7pm.

Ejemplo 2 De la misma forma que en el ejemplo 1 se parte de una pieza de AISHOMg obtenida mediante SLM ( Selective Láser Melting, Fusión selectiva por láser).

La pieza se sumerge en los siguientes baños durante un tiempo, en el orden y en el número descrito en la Tabla 1:

Baño 1: solución alcalina NaOH, 0,5%;

Baño 2: solución alcalina de carbonato potásico 25%;

Baño 3: solución ácida HCI 1% p/p (0,37%)

Baño 4: solución acuosa, 200 mi. Con un 1% de tensioactivos, 100g de corindón con tamaño de partículas de 100m, 50g de partículas de vidrio con un tamaño de partícula de 200pm.

Tabla 1. Descripción de los tiempos, el orden y el número de rondas que la pieza pasa por de los diferentes baños.

Se realizaron seis rondas de paso por el baño 1, etapa a) de la invención y por el baño 2, etapa b) de la invención. En la primera ronda el tiempo de la etapa a) es de 1 min, y el tiempo de la etapa b) es de 15 min. En las siguientes rondas dos a seis, el tiempo de la etapa a) es de 15 seg y el tiempo de la etapa b) es de 15 min.

En la ronda 7, la pieza se pasa por las etapas a) b) y d) de la invención. La etapa d) se realiza introduciendo la pieza en un baño ácido y posteriormente en un baño de una solución de partículas abrasivas. En la ronda 8 la pieza sólo pasa por las etapas a) y b) y finalmente en la ronda 9, la pieza pasa por las etapas a), b) y d). Las nueve rondas son consecutivas. En este ejemplo de la invención se partió de una pieza con una Ra= 8,97pm y una Rz= 82,53pm para llegar tras el tratamiento de pulido descrito a una reducción de la Ra de un 35% y a una reducción de la Rz de un 47%, ya que se llegó a un valor de Ra= 5,83pm y una Rz=43,5pm.

Ejemplo 3

De la misma manera que en los ejemplos anteriores, se utiliza una pieza de AISilOMg obtenida mediante SLM ( Selective Láser Melting , Fusión selectiva por láser).

La pieza se sumerge en los siguientes baños Primera ronda

Baño 1: 5% p/p NaOH, 30 segundos;

Baño 2: 35%p/p carbonato de potasio y 2% p/p CMC (carboximetilcelulosa);

5 min.

Baño 3: 5% p/p NaOH, 1% p/p sorbitol, 5 min.

Baño 4: solución ácida de HCI al 5% y un surfactante al 0,1% p/p , 1 min. Baño 5: HAc 5% p/p y ultrasonidos, 10 min.

Segunda Ronda

Baño 1: 1.5% p/p NaOH, 30 segundos;

Baño 2: 35% p/p carbonato potásico y 2% p/p CMC; 5 min.

Baño 3: 1.5% NaOH, 1% sorbitol, 5 min.

Baño 4: solución ácida de 5% HCI p/p (disolución 1.85% p/p) y 0,1% p/p surfactante, 1 min.

Baño 5: HAc 5% v/v y ultrasonidos, 10 min.

Estos baños, primera y segunda ronda se repitieron cuatro veces. Las rugosidades fueron medidas en tres partes diferentes de la pieza. Los resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 Rugosidades antes y después de los baños Se redujo significativamente la rugosidad, esto se puede observar en todos los parámetros (Ra, Rz, Rp y Rv). Tabla 2 representa el porcentaje de reducción de la rugosidad en cada área