11 Número de publicación: Int. Cl. 7 : F16D 69/ Agente: Carpintero López, Francisco

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1 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 Número de publicación: Int. Cl. 7 : F16D 69/02 B23K 26/34 12 TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA T3 86 Número de solicitud: Fecha de presentación: Número de presentación de la solicitud: Fecha de publicación de la solicitud: Título: Componente en forma de cilindro, cilindro parcial o cilindro hueco, con aleación superficial. 30 Prioridad: DE Titular/es: Hydro Aluminium Deutschland GmbH Ettore-Bugatti-Strasse, Köln, DE 4 Fecha de publicación de la mención BOPI: Inventor/es: Feikus, Franz, Josef y Fischer, Alexander 4 Fecha de la publicación del folleto de la patente: Agente: Carpintero López, Francisco ES T3 Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, Madrid

2 1 ES T3 2 DESCRIPCIÓN Componente en forma de cilindro, cilindro parcial o cilindro hueco, con aleación superficial. La presente invención trata de un componente en forma de cilindro, cilindro parcial o cilindro hueco, con aleación superficial, que se compone de una aleación matriz de aluminio de fundición y una zona de precipitación que discurre hasta la superficie del componente formada por una aleación base de aluminio con fases sólidas precipitadas. Un procedimiento para el recubrimiento de superficies de rodadura interiores de paredes de cilindros se conoce por el documento DE-OS Según la reivindicación 1 del documento de patente abierto a inspección pública, se producen superficies resistentes al desgaste en las superficies interiores de fricción del émbolo en bloques de motor de metal ligero, por que se usa una sonda para la alimentación continua de polvo de silicio en la cual un haz de energía, con una traza del haz que recorre la superficie en forma de espiral, se mueve relativamente al bloque de motor de metal ligero que se mantiene estacionario. Siendo la potencia luminosa del láser de aproximadamente 2 kw y el diámetro de la traza del haz de aproximadamente 0, a 2 mm, se aplican aproximadamente 10 g de polvo por minuto sobre la superficie y se produce la aleación sobre ella. De este modo, y siendo la profundidad de penetración de aproximadamente 1 mm, se permite alear en la superficie una proporción de material sólido de 20 a 0%. Además, se han realizado pruebas para desarrollar un procedimiento para la fabricación de un bloque de cilindro de metal ligero, en las cuales un haz de láser, con un ancho de banda de por lo menos 2 mm en sentido transversal a la dirección de avance, se conducía sobre la superficie de la matriz de metal ligero que se mantenía estacionaria. Durante este proceso, el polvo se calienta a temperatura de fusión, no antes que en el punto de impacto del haz de láser sobre la superficie de la matriz de metal ligero y, a continuación, se difunde en ella. En la zona de aleación, se produce silicio primario, anotándose como valor preferente un grosor medio de capa de entre 10 y 60 µm en la aleación matriz. La potencia luminosa del láser es preferentemente de 3 a 4 kw, pudiéndose emplear también sistemas de focalización en línea. La estructura que puede conseguirse mediante el procedimiento arriba mencionado, se compone de una aleación matriz de metal ligero con una capa superficial que contiene precipitaciones de silicio primario en dispersión fina, que presenta granos de forma redonda con un diámetro medio de grano de entre 1 y 10 µm. A parte de la fase pura de aluminio, la capa superficial contiene, además, de 10 a 14% de AlSi eutéctica y de a 20% de silicio primario, siendo la dureza mínima de aproximadamente 160 HV. Para algunas finalidades de uso, se requieren componentes resistentes al choque térmico. Con los procedimientos de fabricación hasta la fecha conocidos, éstos se conseguía sólo mediante medidas de tratamiento muy costosas. Los componentes altamente resistentes de este tipo se caracterizan por un aumento lento de la dureza desde la matriz hasta la capa superficial, debiendo alcanzar el aumento total de la dureza un intervalo de 200% respecto a la dureza inicial de la aleación matriz. El objetivo de la presente invención es el desarrollo de cilindros en bruto optimizados en su comportamiento tribológico, susceptibles de tratamiento térmico, con nuevas propiedades de estructura y transformaciones del material próximas a la superficie. Las nuevas propiedades de estructura y las transformaciones del material próximas a la superficie pretenden permitir, especialmente, un empleo de la pieza bruta de fundición en el ámbito de componentes con solicitación dinámica, por ejemplo, superficies de rodadura de semicojinetes de motores de émbolo, superficies de desgaste de elementos de freno, superficies de rozamiento y de fricción de cualquier tipo. Este objetivo se alcanza, según la invención, por medio de las características reseñadas en las reivindicaciones. Mediante la conformación, según la invención, de la matriz, la zona de precipitación y una zona eutéctica de transición, sobresaturada por fases sólidas primarias, pueden fabricarse con propiedades especialmente favorables, diferentes componentes con superficies de desgaste, por ejemplo, superficies de rozamiento (cojinetes de cigüeñal), superficies de fricción (discos de freno), así como bloques de motor y culatas, incluyendo los anillos de asiento de válvula dispuestos en su interior. Las propiedades se caracterizan por un aumento lento de la dureza desde la matriz hasta la capa superficial. Estas propiedades predestinan los componentes equipados de este modo para aquellos casos de empleo en los cuales se requieren componentes resistentes al choque térmico. Pueden usarse diferentes tipos de aleación en un recubrimiento de aplicación. El polvo puede aplicarse sobre la superficie de la pieza de trabajo en una etapa (un chorro de polvo) o en varias etapas (varios chorros de polvo) a través de boquillas para polvo ranuradas. La anchura del enfoque lineal será por lo menos de 4 mm, preferentemente entre y 1 mm. Para la adición de polvo en una etapa, son apropiadas como piezas de trabajo las aleaciones AlSi y AlSiCu, así como AlSiCuNi y aleaciones Al con contenido Mg, adicionándose silicio al chorro de polvo. Para la adición de polvo en dos etapas, como material en polvo a parte del silicio, puede aplicarse también plomo en una pieza de fundición en bruto de aluminio-silicio. A continuación, se describe la invención más detalladamente mediante dos ejemplos de realización en los que se emplea silicio como material sólido en polvo. Muestran: Fig. 1 corte transversal de un componente con aleación superficial conformado según la invención con tres zonas; Fig. 2 variación de la dureza a lo largo de la coordenada Y en la figura 1; La figura 1 muestra un detalle de un componente fabricado según la invención, con la matriz de aluminio 1, una zona de transición 2 y una zona de precipitación 3. En la zona de precipitación 3, una multitud de partículas finas de material sólido conducen a una superficie extremadamente dura con HV>20. La superficie del componente 4 puede conformar, por ejemplo, una superficie de rodadura para émbolos, árboles o elementos de cojinete y está en condiciones de servicio gracias a un tratamiento puramente mecánico. En la zona de transición 2, se presenta una estructura de fundición de aluminio-silicio homogénea y sobresaturada que muestra un colorido gris uniforme. Hasta este punto, afecta el calor del haz de energía

3 3 ES T dirigido sobre la superficie, formando un frente de fusión. A través de la matriz 1, se evacúa el calor aportado al componente durante la aleación de la superficie. En el balance térmico pueden influir las velocidades de avance, el control de la energía y las medidas de refrigeración. La figura 2 representa la variación de la dureza de un componente fabricado según la invención en la zona superficial del componente. En el presente caso, la dureza empieza con 100 HV en la matriz y aumenta en escalones hasta alcanzar el valor máximo de 240 HV. Esta variación de la dureza va ligada a un comportamiento mejorado ante el choque térmico. Una zona de fase más sólida de silicio primario aleado con Si es suspendida sobre una aleación matriz, más elástica y más blanda. Un procedimiento para la fabricación de un componente con aleación superficial, en forma de cilindro o cilindro parcial, consiste en primer lugar en dirigir sobre la superficie de una pieza de trabajo, un haz de energía en forma lineal (también denominado enfoque lineal). Durante este proceso, la superficie de la pieza de trabajo se funde y se adiciona material sólido en polvo o polvo de aleación en la superficie fundida. En la zona de impacto del haz de energía, se forma un baño de fusión con un frente térmico y de fusión, una zona de dilución o de refusión y un frente de solidificación. El polvo aportado a la superficie de la pieza de trabajo se funde en el frente térmico y se sumerge en el baño de fusión. Los ensayos han mostrado que con una longitud de onda de entre 780 y 940 nm, el haz de energía se acopla óptimamente, de forma que el polvo se calienta rápidamente y se difunde en el baño de fusión en contacto con la aleación matriz licuada. Se produce una convección en la zona de solidificación, de modo que el proceso de homogeneización es acelerado en la zona de fusión. Esto es posible gracias al haz de energía con una potencia específica de, por lo menos, 10 w/cm 2. Las micrografías muestran que el material sólido en polvo o el polvo de aleación sólo se distribuye uniformemente en el baño de fusión cuando el enfoque lineal ha actuado el tiempo suficiente sobre la zona de dilución. Los valores exactos pueden establecerse en los ensayos. El material en polvo, distribuido uniformemente, se somete a continuación a una solidificación dirigida con una velocidad de enfriamiento en el frente de solidificación de entre 200 y 600 K/sec, siendo la velocidad de avance de entre 00 y 000 mm/min. En una variante ventajosa, el polvo se transporta en la corriente de gas sobre la superficie de la pieza de trabajo, de modo que la propia energía cinética permite entrar una cantidad determinada de polvo en la zona de fusión. Otros ensayos han mostrado que el haz de energía se divide de modo preferente antes de la zona de impacto, dirigiéndose un primer haz parcial a la zona de calentamiento y de fusión, y un segundo haz parcial a la zona por detrás del frente de solidificación, para el procesamiento térmico de la estructura. Este procedimiento permite controlar de modo selectivo la formación de la estructura. Otro modo de control de la estructura es posible por que el haz de energía en el frente de solidificación se dirige de modo intermitente sobre la superficie de la pieza de trabajo con una potencia específica de <1 kw/cm 2. Aquí se ha mostrado que el tiempo de actuación del haz de energía en el baño de fusión para la dilución y distribución homogénea de las fases de material sólido o intermetálicas es de entre 0,02 y 1 segundo. Los requisitos mencionados se alcanzan por medio de un láser de diodos de >3 kw que presenta un ancho del enfoque lineal ajustable. De este modo, al inicio y al término de un recubrimiento, el haz de energía puede reducirse dentro del ancho del enfoque lineal, en sentido transversal a la dirección de avance. De modo análogo, se puede controlar también la cantidad de polvo, de forma que en un procesado superficial se constataron sólo coincidencias mínimas en la cantidad de polvo adicionado o bien la energía irradiada. Cuando la pieza de trabajo se conforma como cilindro hueco, debería rotar preferentemente alrededor del haz de energía en posición horizontal, de modo que el haz de energía, mantenido estacionario respecto al sentido de rotación, sigue una dirección de avance continua durante la rotación, en el sentido del eje de rotación, con el fin de generar una zona de aleación superficial. Mediante la invención, pueden fabricarse componentes en forma de cilindro, cilindro parcial o cilindro hueco, con aleación superficial. Se componen de una aleación matriz de aluminio de fundición y una zona de precipitación que discurre hasta la superficie del componente procedente de una aleación base de aluminio con fases sólidas precipitadas. Entre la matriz y la zona de precipitación, hay una zona eutéctica sobresaturada por fases sólidas primarias (zona de sobresaturación), produciéndose el aumento de la dureza en etapas desde la matriz hasta la superficie del componente. Se consiguen condiciones especialmente ventajosas cuando la aleación matriz del tipo AlSiCu es hipoeutéctica y cuando en la zona de transición sobresaturada, eutéctica, se encuentra una aleación del tipo AlSi con fases de silicio primario con precipitación fina, menores de 1 µ, mientras que en la zona de precipitación, se encuentran fases de silicio primario de entre 2 y 20 µ. En este caso, se consiguen aumentos de la dureza hasta la superficie del componente, de por lo menos 200%. La relación de los grosores de la capa en un componente según la invención entre la zona de precipitación y la zona de transición es mayor a 2:1, medida desde la superficie del componente en dirección a la matriz de aluminio. Se pueden conseguir aumentos de la dureza entre la matriz y la superficie del componente en el intervalo de entre 1:1,:2 y 1:2:3. 6 3

4 ES T3 6 REIVINDICACIONES 1. Componente en forma de cilindro, cilindro parcial o cilindro hueco, con aleación superficial, que se compone de una aleación matriz de aluminio de fundición y una zona de precipitación que discurre hasta la superficie del componente formada por una aleación base de aluminio con fases sólidas precipitadas, caracterizado porque entre la matriz y la zona de precipitación, se encuentra una zona eutéctica, sobresaturada por fases sólidas primarias (a continuación: zona de transición) y porque el aumento de la dureza desde la matriz hasta la superficie del componente sucede por etapas. 2. Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque para la fabricación de un bloque de cilindro de metal ligero, la aleación matriz del tipo AlSiCu o AlSiMg es hipoeutéctica y porque en la zona de transición eutéctica, sobresaturada se encuentra una aleación del tipo AlSi con fases de silicio primario de precipitación fina de <1 µ, mientras que en la zona de precipitación se encuentran fases de silicio primario de 2-20 µ, siendo el aumento de la dureza hasta la superficie del componente de por lo menos 200% Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque para la fabricación de elementos de freno que presentan superficies de rozamiento y de fricción, aparte de la fase pura de aluminio, en la capa superficial, se adicionan de 10 a 14% de AlSi eutéctica y se encuentra de a 20% de silicio primario. 4. Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque para la fabricación de componentes con solicitación vibratoria, se embeben en la superficie sólidos de silicio primario que presentan una dureza de 160 a 240 HV.. Componente según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la relación de los grosores de la capa, medida desde la superficie del componente en dirección a la matriz de aluminio, entre la zona de precipitación y la zona de transición es mayor que 2:1. 6. Componente según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el aumento de la dureza entre la matriz y la superficie del componente sucede por escalones, siendo la relación entre el aumento de la dureza en la matriz, en la zona de transición y en el área de precipitación de entre 1:1,:2 y 1:2:3, y siendo la dureza final en la superficie del componente superior a 200 HV NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva del art del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposición Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicación del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a España y solicitadas antes del , no producirán ningún efecto en España en la medida en que confieran protección a productos químicos y farmacéuticos como tales. Esta información no prejuzga que la patente esté o no incluida en la mencionada reserva. 4

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