BRPI0707254A2 - processo para fabricar um componente ou construção de multimaterial - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA FABRICAR UM COMPONENTE OU CONSTRUçãO DE MULTIMATERIAL A presente invenção refere-se a um processo para a fabricação de um componente ou construção de multimaterial, por meio de um corpo (1, 7) que é formando no dito processo de um material básico e pelo menos uma peça (3, 4, 5, 9) formada de um material resistente ao desgaste sendo unida ao dito corpo a uma temperatura de não mais que 80% da temperatura do ponto de fusão mais baixo dos materiais a serem unidos. A presente in- venção também refere-se ao uso do componente ou construção de multima- terial fabricada por meio do dito processo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA FABRICAR UM COMPONENTE OU CONSTRUÇÃO DE MULTIMATERIAL".

A presente invenção refere-se à fabricação de componentes ouconstruções de multimaterial pela fabricação de peças pelo menos de doisdiferentes materiais, as ditas peças sendo unidas entre si para prover umcomponente ou construção de multimaterial.

Antecedentes

Construções e componentes resistentes ao desgaste são usa-dos, por exemplo, em equipamento para redução do tamanho da rocha,construção ou para material de reciclagem. Nestes processos, o material aser esmagado,prensado entre os componentes ou que colidem contra assuperfícies das construções ou componentes, desgasta as superfícies doscomponentes na extensão que depende da pressão da superfície dos con-tactos, velocidades, características do material das superfícies do compo-nente e das características físicas do material a ser esmagado, como a re-sistência compressiva e características de tribologia. Em outras palavras,também o movimento do material a ser esmagado com relação às superfí-cies dos componentes quando a sua penetração na superfície do componen-te tem influência sobre o desgasto do componente: o movimento do materialcom respeito às superfícies dos componentes causa corte e ranhura e o ma-terial que penetra na superfície produz rebarbas na área afetada, que comoresultado de procedimento repetido são facilmente soltos da superfície dasconstruções e componentes pela ruptura, fadiga ou formação de cortes. Aintensidade do desgaste das construções e componentes nas suas diferen-tes porções e geralmente no equipamento é definida pela geometria do e-quipamento, estado do movimento dos componentes e pelos parâmetros dofluxo do material a ser esmagado.

A vida útil eficaz das construções e componentes é em geral ten-tada para que seja aumentada não apenas por afetar a geometria e as con-dições do fluxo interno do equipamento, mas também particularmente pelaescolha de materiais vantajosos. As características da tribologia dos mate-riais de proteção contra desgaste metálico da técnica anterior são baseadas,por exemplo, nas ligas dos metais vantajosas em questão,e, eventual adiçãode partículas, nos processos de fabricação e seus tratamentos ulteriores,como tratamentos térmicos, pelo que as fases com melhor resistência dofenômenos de desgaste do que usual serão formadas na sua microestruturacomo um efeito combinado de todos estes fatores as ditas fases tipicamentesendo duras porém tendo freqüentemente baixa tenacidade de resistência àfadiga. Como também outras que não características de tribologia são re-queridas das construções e componentes, os mesmos usualmente não po-dem ser fabricados totalmente de materiais tendo a microestrutura acimadescrita. Por outro lado, também o controle da forma do desgaste das cons-truções e componentes, por exemplo, para manter a geometria e modelo defluxo interno do equipamento, pode requerer que diferentes porções dasconstruções e componentes sejam fabricados dos materiais diferentes umdo outro.

Os processos usados na fabricação de componentes de multi-material devem, quase sem exceção, ser adaptados de acordo com os equi-pamentos de todos os materiais que formam a construção, pelo que as ca-racterísticas alcançadas por cada material não correspondem ao nível dameta do respectivo material e, o desenho melhor possível da construção oudo componente não será conseguido. Um outro desafio significativo é man-ter as tolerâncias da medida e da forma das peças ou porções durante amontagem e seus tratamentos ulteriores, que serão experimentados pelaspeças ou porções e suas divisas, formadas de diferentes materiais. Destemodo, o comportamento diferente dos materiais em contacto ou unidos entresi, por exemplo, mudanças volumétricas diferentes, podem causar dano àsconstruções e componentes. Uma pluralidade de processos de fabricaçãoserá totalmente excluída ou pelo menos tornada irracionalmente mais com-plicada pelas exigências acima mencionadas, em termos de exploração co-mercial.

Os processos e as peças de desgaste, de acordo com as Publi-cações de Patente japonesa 5317731, 5317732 e 6079187, ao contrário, sãotentativas na fabricação de construções, onde o desgaste nas porções dese-jadas tende a se aumentar, e, assim a forma da superfície das peças dedesgaste é tentada ser controlada pela colocação de menos porções resis-tentes ao desgaste em uma parte do corpo sendo mais resistente ao desgaste.

Ns partes de desgaste descritas na Pulbicação de Patente Ja-ponesa 2001/1265146, um segundo material sendo mais resistente ao des-gaste é unido para controlar a forma do desgaste, porém apenas um proces-so de união que requer tolerância de forma e medida exatas é descrito parafabricação de construções de acordo com o alvo, que em termos da eficiên-cia do custo não é razoável.

Ainda, a Publicação de Patente Japonesa 7323238 visa a formamais preferida das partes de desgaste para a montagem da construção emtermos de funcionalidade pela montagem das peças de proteção contra des-gaste exatamente formadas, nos corpos do componente, pelo que o proces-so de fabricação de multiestágios oneroso tanto das partes do corpo comodas peças de proteção contra o desgaste não pode ser omitido.

As Publicações de Patente Japonesa 2001/1269589 e PatenteRussa 6 123 279 descrevem sobre as partes de desgaste correspondente-mente visando o aumento da resistência ao desgaste pela montagem dematerial resistente ao desgaste no corpo da parte de desgaste, porém usan-do a conexão de travamento em forma geométrica, bem como requerendo opedido de patente de tecnicamente demandar os processos de dar formaque aumenta o custo para os materiais de proteção contra o desgaste comdifícil utilidade e conformabilidade como metais duros de acordo com a últi-mo pedido de patente, antes da precisão dimensional e da forma requeridapara a montagem possa ser conseguida.

O Pedido de Patente Japonesa 2004160360 também descreveque a parte resistente ao desgaste deva ser formada (ranhurada) em umcerto modo para unir, o que não é técnica e economicamente lucrativo paraos materiais resistentes ao desgaste a serem usados no processo de acordocom a Patente.O Pedido de Patente Mudial WO 03/099443 A1 descreve sobreum processo de fabricação de construções de multimaterial, em que o mate-rial ou materiais resistentes ao desgaste são unidos em uma parte do corpofeita de material usinável por meio de prensa isostática a quente diretamentecom à junta de difusão direta ou por usar um material em pó adicionado en-tre o corpo e as peças resistentes ao desgaste. O encapsulamento estanqueao gás da construção requerido pelo processo e o fato que pelo menos umausinagem parcial é geralmente requerida para as peças a serem unidas,aumentam as fases de trabalho da fabricação de componentes e aumentamos custos de fabricação muito mais onerosa a utilização do processo paraser economicamente lucratível.

Descrição da Invenção

Por meio da solução de acordo com a presente invenção, umcomponente ou construção de multimaterial tipicamente usada como partede desgaste é provida por conectar peças feitas com exigências dimensionale da forma liberais em uma entidade que em todos os aspectos não atingirãouma formas ótima em termos de funcionalidade até o uso.

Mais precisamente, o processo de fabricação de acordo com ainvenção é caracterizado, pelo que é afirmado na parte da reivindicação 1, e,o uso do componente ou construção de multimaterial fabricada com o pro-cesso de acordo com a presente invenção é caracterizado como descrito naparte da reivindicação 10.

A invenção será descrita, por meio do exemplo, em maiores de-talhes em conjunção com os desenhos que se seguem:

figura 1A mostra um corpo de material básico de um componen-te de multimaterial de acordo com a invenção,

figura 1B é ma vista seccional transversal tomada ao longo dalinha A - A do corpo de material básico da figura 1 A,

figura 2 mostra peças de material a serem unidas ao corpo dematerial básico das figuras 1A e 1B,

figura 3A mostra peças das figuras 1 e 2 unidas entre si em umcomponente de multimaterial,figura 3B é uma vista seccional transversal tomada ao longo dalinha A - A do componente de multimaterial da figura 3A,

figura 4 mostra um corpo de material básico alternativo do com-ponente de multimaterial de acordo com a invenção,

figura 5 mostra as peças de material a serem unidas ao corpo dematerial básico da figura 4, e

figura 6 mostra as peças das figuras 4 e 5 unidas entre si em umcomponente de multimaterial.

Um corpo de material básico 1 de um componente de multimate-rial de acordo com a presente invenção, mostrado nas figuras 1A e 1B com-preende uma peça formada de um material básico tendo pontos junção 2para as peças a serem unidas formadas prontas em determinados locais docorpo do material básico, os ditos pontos de junção no exemplo das figuras1A e 1B sendo cortes ou cavidades formadas na superfície do material. Ocorpo 1 é feito de um material básico a base de ferro (Fe >50%) incluindouma quantidade relativamente pequena de carbetos de metal, de preferênciamenos que 10%, por meio do processo de fabricação apropriado para o res-pectivo material, tipicamente pela fundição, em uma forma compreendendoos pontos de junção prontos 2.

Após a fabricação primária do corpo de material básico 1 e even-tualmente requeridos pós-tratamentos ou usinagem, o corpo é tratado aquente sob condições de processo apropriado para conseguir característicasmecânicas e de tribologia tão lucrativas quanto possíveis para o materialbásico.

A figura 2 mostra peças 3, 4 e 5 feitas de um material resistenteao desgaste, sendo no exemplo da figura manufaturado de três diferentesmateriais, cada um dos materiais tendo pelo menos características parcial-mente diferentes um do outro. Tais peças 3, 4 e 5 dos materiais resistentesao desgaste são manufaturadas por meio de um processo de fabricaçãobem apropriado para cada material, respectivamente, como por exemplo,pela fundição ou algum outro processo metalúrgico de metal derretido ou depó. Peças 3, 4 e 5 podem ser fabricadas diretamente até a forma final cor-respondente a seus respectivos pontos de junção ou após a fabricação pri-mária, as mesmas podem ser submetidas aos simples tratamentos de con-formação ou usinagem para conseguir a forma final.

Na solução de acordo com a invenção, as peças 3, 4 e 5 feitasde material resistente ao desgaste são de preferência feitas de uma liga demetal a base de ferro tendo um teor de carbono de mais que 1,9% em peso,dureza de mais que 50 HRC.de preferência mais que 54 HRC e a dita ligatendo na sua microestrutura uma porção de mais que 10% de carbetos demetal com um diâmetro de mais que 3 μιτι.

Na solução de acordo com a invenção, a porção volumétrica domaterial resistente ao desgaste da construção de multimaterial ou constru-ção a ser fabricada é de preferência mais que 4% e o volume da peça únicamaior fabricada do material resistente ao desgaste é de preferência nãomais que 25% do volume total do componente ou construção de multimaterial.

Após os processos de operação primário e eventual secundário,as peças resistentes ao desgaste 3, 4 e 5 são tratados a quente, eventual-mente nas condições de processo diferentes um do outro, a fim de provercaracterísticas mecânicas e de tribologia mais lucrativas para as peças. Ti-picamente, as peças resistentes ao desgaste são de liga a base de ferro in-cluindo na sua microestrutura um porção volumétrica maior de fases durasdo que o material básico, seu tamanho de grão e de partículas sendo de pre-ferência maiores do que aquele das mesmas ou de outras fases duras pre-sentes em menores quantidades no material básico.

Conseguir as características mecânicas e de tribologia mais van-tajosas tanto do corpo de material básico e das peças resistentes ao desgas-te 3, 4 e 5, neste aspecto significa que, por exemplo, as temperaturas deendurecimento e de têmpera das ligas a base de ferro que diferem uma daoutra em termos do seu teor de carbono ou outros elementos de ligas sãoselecionadas dependendo do material, de modo que a dureza e a tenacida-de conseguidas por cada um dos materiais são tão vantajosas quanto possí-veis na finalidade de uso em termos da carga exercida em cada parte docomponente de multimaterial.

As figuras 3A e 3B mostram o componente de multimaterial finalsendo formado unindo as peças resistentes ao desgaste 3, 4 e 5 no corpo domaterial de base 1 nos ótimos pontos com base no desgaste exercido sobreo componente de multimaterial e nas características das peças resistentesao desgaste. As peças resistentes ao desgaste 3, 4 e 5 têm sido unidas aocorpo de material básico 1 com um processo em que as peças resistentesao desgaste e a armação não formam um depósito de banho de metal líqui-do e em que, principalmente porém não necessariamente,uma camada dematerial adicional 6 de uma espessura adequada tem sido provida entre aspeças resistentes ao desgaste e o corpo, o dito material adicional 6 tendoformado uma junta também entre as peças resistentes ao desgaste 3, 4 e 5e assim unidas todas em uma construção de multimaterial combinada. Ummaterial adicional apropriado 6 é capaz de formar uma junta entre todas aspeças resistentes ao desgaste da construção de multimaterial em questão eo corpo feito de um material básico, porém não tendem a formar produtos dereação prejudicai nem sozinho nem com os materiais de junção nas circuns-tâncias requeridas pelo processo de junção ou nas condições de uso daconstrução ou do componente.

É,também,importante para a escolha do material adicional 6 a-lém das características dos materiais a serem unidos que as restrições ter-modinâmicas e cinéticas não previnam o fluxo do material adicional, de mo-do que embora o corpo e as peças resistentes ao desgaste sejam fabricadoscom tolerância de medição flexível e freqüentemente com formas não aca-badas, o espaço entre os mesmos serão enchidos totalmente ou quase to-talmente durante o processo de junção. Levando em consideração todas asrestrições acima descritas, a soldagem ou fundição em conjunto diretamentecom os depósitos de banho de metal líquido correspondente à estrutura daspeças 1, 3, 4 ou 5, por exemplo, não é um processo de junção possível.

O material adicional 6 usado na solução de acordo com a inven-ção pode vantajosasmente ser algum adesivo apropriado, o mais preferíveldeles incluindo adesivos a base de epóxi, misturas de borracha e epóxi emisturas de poliuretana e epóxi. Também um outro material adicional total ouparcialmene orgânico por meio do qual as propriedades mecâncias corres-podentes às tolerâncias típicas dos ditos adesivos (por exemplo, resistência,resistência ao cisalhamento, dureza D e tenacidade de escleroscópio deShore) podem ser conseguidas, é também apropriado para uso no processode acordo com a invenção. Alternativamente, também uma liga de soldadormetálica ou a base de metal, mais de preferência um soldador ou uma ligade soldador a base de níquel ou cobre, pode ser usada em um processotendo uma temperatura de não mais que 80% da temperatura de ponto defusão mais baixo dos materiais a serem unidos e uma atmosfera tendo taispressões de gases parciais, que favorecem a formação da composição, mi-croestrutura e propriedades mecânicas desejadas na junta e na zona de jun-ção. A solução da invenção, todavia, não está limitada ao uso de materialadicional na união das peças de material resistente ao desgastas ao corpodo material básico.

As figuras de 4 a 6 mostram um exemplo alternativo da soluçãode acordo com a invenção, com um corpo de material básico 7 tendo umaforma cônica. As cavidades similares ao sulco 8 para unir as peças resisten-tes ao desgaste 9 têm sido formadas no corpo de material básico 7 durantea fabricação. O componente de multimaterial final é formado pela junção daspeças resistentes ao desgaste 9 por meio de material adicional 10 nas cavi-dades formadas no corpo de material básico 7.

A solução de acordo com a invenção, todavia, não está limitadaao uso do material adicional para unir as peças resistentes ao desgaste aocorpo de material básico. A junta pode também ser provida pela junção daspeças uma com outra, por exemplo, por meio de pressão e o fluxo de mate-rial resultante, a dita pressão sendo gerada mecanicamente ou por meio por-tador de pressão entre as superfícies a serem unidas, em um processo, emque a temperatura nas peças a serem unidas é aproximadamente não maisque 60% da temperatura do ponto de fusão mais baixo dos materiais a se-rem unidos.

Na solução de acordo com a invenção, a função principal do ma-terial do corpo das partes de desgaste é para carregar a carga mecânicaexposta em uso nos componentes ou partes e para transportar via as super-fícies de suporte para a armação do aparelho que atua como uma base demontagem, pelo que uma resistência adequada, tenacidade e resistência àfadiga são requeridas do seu material. A função das peças resistentes aodesgaste nas ditas construções e componentes de multimaterial é principal-mente limitada à proteção contra o desgaste, pelo que suas característicaspodem ser escolhidas quase exclusivamente de acordo com o perfil das ca-racterísticas requerido por tal função. Deste modo, as exigências essenciaissão especialmente a dureza do material e sua capacidade em resistir à pro-pagação do fenômeno de desgaste e as mudanças do material resultantestípicas das circunstâncias da respectiva aplicação. Enquanto propagando, odesgaste tipicamente causará a ranhura, cratera, rebarba, corte ou rupturado material de construção ou componente, porém com um material resisten-te ao desgaste apropriadamente selecionado e processado, a ocorrência detais fenômenos é menor em comparação com o material de corpo da cons-trução e outros materiais geralmente usados do pedido.

Para a montagem da construção ou componente resistente aodesgaste, o corpo de material básico e as peças resistentes ao desgaste sãolimpos das zonas afetadas da superfície como zonas de oxidação ou dasimpurezas como resíduos de fluido de corte causados pela fabricação primá-ria ou trabalho e/ou usinagem seguinte, que todos podem ter um efeito dedeterioração nas características da zona de junção formada na montagempelo material de corpo, pelas peças resistentes ao desgaste e pelo materialadicional. Para formar uma junta, um material adicional apropriado para orespectivo par de material, como uma camada de uma espessura apropriadaé adicionado entre o corpo e as peças resistentes ao desgaste preparadascomo descrito acima. Os parâmetros do processo de junção devem ser sele-cionados de modo que as características do material adicional nas condi-ções do processo possibilitem um umedecimento adequado das superfíciesa serem unidas e o fluxo do material adicional, de modo que o espaço entreo corpo e as peças resistentes ao desgaste é enchido tão perfeitamentequanto possível. Por outro lado, as condições não devem favorecer reaçõesmuito fortes do material adicional com qualquer um dos materiais dados najunção.

Na solução de acordo com a invenção, as características dosmateriais resistentes ao desgaste e os tamanhos das peças são de prefe-rência determinados com a seguinte fórmula:

((Soma das proporções volumétricas dos materiais resistentesao desgaste do volume da construção total)/5) + ((dureza de HRC dos mate-riais resistentes ao desgaste como uma média pesada das suas proporçõesvolumétricas)/10).

Deste modo, o índice a ser recebido da fórmula deverá ser maiordo que 6 e de preferência maior do que IO.

As construções e componentes de multimateriais fabricados como processo de acordo com a invenção são também apropriados para usonas partes de desgaste nas aplicações de demanda como, por exemplo, naredução do tamanho da rocha, edifício e/ou material de reciclagem.

Entre outros, as seguintes vantagens são providas pela soluçãode acordo com a presente invenção:

(i) Pela limitação do uso de material resistente ao desgastenas construções e componentes apenas nas áreas em queé inevitável para a parte da proteção contra o desgaste, oscustos de fabricação dos produtos em questão podem serreduzidos.

(ii) Os materiais simples a serem unidos em um componenteou construção de multimaterial por meio da solução de acor-do com as invenção podem ser fabricados separadamentepor meio dos processos bem apropriados para sua fabrica-ção, pelo que suas características técnicas desejadas po-dem ser conseguidas com mais confiabilidade e, como re-sultado, o desempenho e a confiabilidade das construçõese componentes serão melhorados.

(iii) Pela liberação das tolerâncias dimensional e da forma re-querida pela montagem das construções, significativas e-conomias podem ser conseguidas.

(iv) Através do uso reduzido de materiais resistentes ao des-gaste e das matérias primas requeridas para a fabricaçãodos mesmos, a eficiência ecológica das construções ecomponentes a serem produzidos será melhorada.

Claims (10)

1. Processo para fabricação de um componente ou construçãomultimaterial, o dito processo compreendendo as seguintes etapas:- formar um corpo (1, 7) com um material básico, o dito corpocompreendendo pelo menos um ponto de junção (2, 8) pelo menos parauma das peças (3, 4, 5, 9) formadas com material resistente ao desgaste,- formar com pelo menos um material resistente ao desgastepelo menos uma peça (3, 4, 5, 9) a ser unida ao corpo (2, 8) formado commaterial básico,- unir pelo menos uma peça (3, 4, 5, 9) formada com materialresistente ao desgaste no corpo (2, 8) formado com material básico,caracterizado pelo fato de que pelo menos uma peça (3, 4, 5, 9)feita de material resistene ao desgaste é unida ao corpo (1, 7) formado dematerial básico em uma temperatura que não é mais que 80% da temperatu-ra de ponto de fusão mais baixa dos materiais a serem unidos.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o corpo (2, 8) formado do material básico é fabricado de uma ligaa base de ferro (Fe >50%), em que a porção de carbetos de metal na micro-estrutura é menos do que 10%.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que pelo menos uma peça (3, 4, 5, 9) feita de material resistenteao desgaste é fabricada de uma liga de metal a base de ferro tendo um teorde carbono de mais que 1,9% em peso, dureza de mais de 50 HRC,de pre-ferência de mais que 54 HRC e a microestrutura da ditas ligas tendo umaporção de mais que 10% de carbetos de metal com um diâmetro de maisque 3 μπι.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de-1 a 3, caracterizado pelo fato de que a porção volumétrica do material resis-tente ao desgaste (3, 4, 5, 9) no componente ou construção de multimateriala ser fabricada é maior que 4%.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o volume da peça simples maior(3, 4, 5, 9) fabricada de material resistente ao desgaste não é mais que 25%do volume do componente ou construção de multimaterial todo.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de-1 a 5, caracterizado pelo fato de que o corpo (1, 7) formado do material bási-co e pelo menos uma peça de material resistente ao desgaste (3, 4, 5, 9)sãounidos entre si com um material adicional (6,IO).

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que o material adicional (6, 1.0) é um adesivo.

8. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que o material adicional (6, 10) é uma liga de soldador metálico ou abase de metal.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de-1 a 8, caracterizado pelo fato de que as características dos materiais resis-tentes ao desgaste (3,4,5,9) e os tamanhos da peça são determinados coma seguinte fórmula:((soma das proporções volumétricas dos materiais resistentes aodesgaste do volume da construção total)/5)+ (dureza HRC dos materiais re-sistentes ao desgaste como uma média pesada de suas proporções volumé-triças)/10)de modo que o índice resultante é mais que 6,de preferênciamais que 10.

10. Uso de componente ou construção de multimaterial fabricadacom um processo como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a-9 na redução do tamanho da rocha, edifício e/ou material de reciclagem.