ES2243501T3 - Procedimiento de fabricacion de lana mineral, alegaciones a base de cobalto para el procedimiento y otras utilizaciones. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de lana mineral, alegaciones a base de cobalto para el procedimiento y otras utilizaciones.Info
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Abstract
Un procedimiento de fabricación de lana mineral por centrifugación interna, en el que se extiende un flujo de materia mineral en fusión en un plato de hilatura cuya banda periférica está perforada por una multitud de orificios a través de los que se infiltran filamentos de materia mineral fundida, que a continuación se estiran en forma de lana bajo la acción de un gas, caracterizado porque la temperatura de la materia mineral en el plato es de al menos 1100ºC y porque el plato de hilatura está constituido por una aleación exenta de B, Hf a base de cobalto, que comprende los elementos siguientes (en porcentaje ponderado de la aleación): Cr 23 a 34% Ni 6 a 12% Ta 4, 2 a 10% C 0, 2 a 1, 2% W 0 a 8% Fe menos que 3% Si menos que 1% Mn menos que 0, 5% Zr menos que 0, 1% estando el resto constituido por cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar del tántalo con respecto al carbono de al menos 0, 3.
Description
Procedimiento de fabricación de lana mineral,
aleaciones a base de cobalto para el procedimiento y otras
utilizaciones.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de fabricación de lana mineral por hilatura de una
composición mineral en fusión, mediante el uso de utensilios
fabricados en aleación a base de cobalto utilizables a temperatura
elevada, principalmente para la producción de artículos para la
elaboración y/o transformación en caliente de vidrio u otra materia
mineral, tales como piezas de máquinas de fabricación de lana
mineral.
Una técnica de hilatura, llamada centrifugación
interna, consiste en dejar caer continuamente vidrio líquido en el
interior de un conjunto de piezas de revolución que están girando a
una velocidad de rotación muy elevada alrededor de su eje vertical.
Una pieza maestra, denominada "plato", recibe el vidrio y lo
lanza contra una pared perforada llamada "banda", de manera que
el vidrio la atraviesa por efecto de la fuerza centrífuga,
extendiéndose por todas partes en forma de filamentos fundidos. Un
quemador anular situado encima del exterior del plato, que produce
una corriente de gas descendente a lo largo de la pared exterior de
la banda, desvía estos filamentos hacia la base estirándolos. Estos
filamentos se "solidifican" enseguida en forma de lana de
vidrio.
El plato es un utensilio de hilatura que debe
satisfacer grandes requerimientos térmicos (choques térmicos en las
arrancadas y paradas y establecimiento en uso de un gradiente de
temperaturas estabilizado a lo largo de la pieza), mecánicos (fuerza
centrífuga, erosión debida al paso del vidrio) y químicos (oxidación
y corrosión por efecto del vidrio fundido y de los gases calientes
que salen del quemador alrededor del plato). Los principales modos
de deterioración del plato son: deformación por fluencia en caliente
de las paredes verticales, aparición de fisuras horizontales o
verticales y desgaste por erosión de los orificios de hilatura, que
exigen la sustitución pura y simple de las piezas. Su material
constituyente debe, por tanto, resistir durante un tiempo de
producción lo suficientemente largo como para que sea compatible con
las presiones técnicas y económicas del proceso. A estos efectos, se
buscan materiales dotados de una cierta ductilidad, resistencia a la
fluencia y resistencia a la corrosión y/o oxidación.
Un material convencional para la realización de
estos utensilios es una superaleación a base de níquel y cromo
reforzada por carburos de cromo y wolframio, utilizable hasta una
temperatura máxima del orden de 1000º a 1050ºC.
Para hilar vidrios a temperatura más elevada,
especialmente para fabricar lana mineral a partir de vidrios muy
viscosos, tales como basalto, se ha propuesto utilizar
superaleaciones a base de cobalto, elemento refractario (punto de
fusión igual a 1495ºC) que aporta a la matriz de la aleación una
resistencia mecánica intrínseca a alta temperatura superior a la de
una matriz a base de níquel.
Estas aleaciones contienen siempre cromo para
conseguir resistencia a la oxidación, así como generalmente carbono
y wolframio para obtener un efecto de refuerzo por precipitación de
carburos. Contienen igualmente níquel en disolución sólida, que
estabiliza la red cristalina del cobalto en forma de red cúbica
centrada en las caras a cualquier temperatura.
Así, en el documento
WO-A-99/16919 se describe una
aleación a base de cobalto que posee propiedades mecánicas mejoradas
a alta temperatura y que comprende esencialmente los elementos
siguientes (en porcentaje ponderado de la aleación):
| Cr | 26 a 34% |
| Ni | 6 a 12% |
| W | 4 a 8% |
| Ta | 2 a 4% |
| C | 0,2 a 0,5% |
| Fe | Menos que 3% |
| Si | Menos que 1% |
| Mn | Menos que 0,5% |
| Zr | Menos que 0,1% |
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar de
tántalo con respecto al carbono del orden de 0,4 a
1.
La selección de las proporciones de carbono y
tántalo está destinada a formar en la aleación una red densa pero
discontinua de carburos intergranulares, esencialmente constituidos
por carburos de cromo bajo las formas Cr_{7}C_{3} y
(Cr,W)_{23}C_{6}, y por carburo de tántalo TaC. Esta
selección confiere a la aleación propiedades mecánicas y de
resistencia a la oxidación mejoradas a alta temperatura, permitiendo
la hilatura de un vidrio fundido cuya temperatura es de 1080ºC.
La invención tiene como objetivo realizar la
hilatura de vidrio o material similar a temperaturas todavía más
elevadas, para poder trabajar una gama más variada de composiciones
de materias minerales.
A este respecto, la invención tiene como objeto
un procedimiento de fabricación de lana mineral por centrifugación
interna, en el que se extiende un flujo de materia mineral en fusión
en un plato de hilatura cuya banda periférica está perforada por una
multitud de orificios a través de los que se infiltran los
filamentos de materia mineral fundida, que a continuación se estiran
en forma de lana bajo la acción de un gas, caracterizado porque la
temperatura de la materia mineral en el plato es de al menos 1100ºC
y porque el plato de hilatura está constituido por una aleación
exenta de B, Hf a base de cobalto, que comprende los elementos
siguientes (en porcentaje ponderado de la aleación):
| Cr | 23 a 34% |
| Ni | 6 a 12% |
| Ta | 4,2 a 10% |
| C | 0,2 a 1,2% |
| W | 0 a 8% |
| Fe | menos que 3% |
| Si | menos que 1% |
| Mn | menos que 0,5% |
| Zr | menos que 0,1% |
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar de
tántalo con respecto al carbono de al menos
0,3.
Este procedimiento se caracteriza particularmente
por la utilización de una aleación muy rica en tántalo con respecto
a las aleaciones conocidas. En tal composición de aleación, el
refuerzo intra- e intergranular corre a cargo esencialmente del
tántalo, presente particularmente en las juntas de grano bajo forma
de carburos TaC.
Se ha comprobado, de manera muy sorprendente, que
estas aleaciones presentan características mecánicas excelentes a
alta temperatura, del orden de 1200º a 1300ºC, lo que les permite
resistir a los muy elevados esfuerzos impuestos por la técnica de
hilatura por centrifugación a pesar de la presencia de medios
oxidantes (vidrio, aire caliente) muy agresivos.
En efecto, los autores de la invención han podido
observar que para temperaturas de hilaturas tan elevadas como
1150º-1200ºC y superiores, la resistencia mecánica es el factor
preponderante en la duración de la vida de los platos. Mientras que
otras aleaciones, particularmente según el documento
WO-A-99/16919, poseen una excelente
resistencia a la oxidación y a la corrosión por el vidrio, sus
propiedades mecánicas se muestran insuficientes a partir de 1100ºC,
en particular de 1150ºC, lo que causa la rápida destrucción del
plato.
El procedimiento según la invención se
caracteriza por la utilización de aleaciones que presentan un buen
compromiso entre la resistencia mecánica y la resistencia a la
oxidación a partir de 1100ºC, ventajosamente a partir de 1150ºC.
Esta situación de compromiso se obtiene con aleaciones cuyas zonas
intergranulares son ricas en precipitados de carburo de tántalo, que
tienen un punto de fusión elevado y juegan un papel de refuerzo
mecánico al oponerse a la fluencia intergranular a muy alta
temperatura. El contenido elevado en tántalo presente en la aleación
tiene además un efecto notable sobre la resistencia a la
oxidación:
- -
- en la matriz, el tántalo presente en disolución sólida o en forma de finos carburos TaC intragranulares puede formar óxidos Ta_{2}O_{5}, que se mezclan a la capa superficial de óxido de cromo Cr_{2}O_{3} de auto-pasivación, a la que aportan más cohesión y adherencia con respecto a la aleación;
- -
- en las juntas de grano, los carburos de tántalo intergranulares próximos a la superficie del plato se oxidan en el local a Ta_{2}O_{5}, formando "tapones" que impiden la penetración del medio agresivo (vidrio líquido, gases calientes) en los espacios intergranulares.
La aleación así obtenida permanece estable a alta
temperatura gracias a una disolución en estado sólido limitada por
TaC a 1200º-1300ºC.
El procedimiento según la invención permite, por
tanto, hilar vidrio o una composición mineral fundida similar que
tiene una temperatura de fusión T_{liq} del orden de 1100ºC o
superior, más particularmente 1140ºC o superior.
En general, la hilatura de estas composiciones
minerales fundidas se puede efectuar en una gama de temperaturas
(para la composición fundida que llega al plato) comprendida entre
T_{liq} y T_{log2,5}, donde T_{log2,5} es la temperatura a la
que la composición fundida presenta una viscosidad de 10^{2,5}
poises (dPa.s). Para fabricar hilaturas según la invención a partir
de 1150ºC, las composiciones correspondientes son preferentemente
aquéllas cuya T_{liq} es de al menos 1140ºC.
Entre estas composiciones de materia mineral, se
pueden preferir composiciones que contienen una cantidad
significativa de hierro, que son menos corrosivas con respecto al
metal constituyente de las piezas de hilatura.
Así, en el procedimiento según la invención se
utiliza ventajosamente una composición de materia mineral oxidante
con respecto al cromo en particular, capaz de reparar o reconstituir
la capa protectora de óxido Cr_{2}O_{3} que se establece en la
superficie. A este respecto, se pueden preferir composiciones que
contienen hierro, esencialmente en forma férrica (óxido
Fe_{2}O_{3}), particularmente con una relación molar de los
grados de oxidación II y III expresada por una relación
\frac{FeO}{FeO + Fe_{2}O_{3}} del orden de 0,1 a 0,3,
especialmente de 0,15 a 0,20.
Ventajosamente, la composición de materia mineral
contiene un contenido en hierro elevado que permite una cinética
rápida de reconstitución del óxido de cromo con un índice de óxido
de hierro (índice llamado "hierro total", correspondiente al
contenido total en hierro expresado convencionalmente bajo la forma
de Fe_{2}O_{3} equivalente) de al menos 3%, preferentemente de
al menos 4%, especialmente del orden de 4% a 12% y en particular de
al menos 5%. En la gama de redox arriba expuesta, eso corresponde a
un contenido en hierro férrico Fe_{2}O_{3} solo de al menos
2,7%, preferentemente de al menos 3,6%.
Tales composiciones se conocen por el documento
WO-99/56525 en especial y comprenden ventajosamente
los constituyentes siguientes:
| SiO_{2} | 38-52%, de preferencia 40-48% |
| Al_{2}O_{3} | 17-23% |
| SiO_{2} + Al_{2}O_{3} | 56-75%, de preferencia 62-72% |
| RO (CaO + MgO) | 9-26%, de preferencia 12-25% |
| MgO | 4-20%, de preferencia 7-16% |
| MgO/CaO | \geq 0,8, de preferencia \geq 1,0 ó \geq1,15 |
| R_{2}O (Na_{2}O + K_{2}O) | \geq 2% |
| P_{2}O_{5} | 0-5% |
| Hierro total (Fe_{2}O_{3}) | \geq 1,7%, de preferencia \geq 2% |
| B_{2}O_{3} | 0-5% |
| MnO | 0-4% |
| TiO_{2} | 0-3% |
Otras composiciones se muestran particularmente
apropiadas para el procedimiento según la invención.
Estas composiciones se caracterizan por los
porcentajes ponderados siguientes:
| SiO_{2} | 39-55% | de preferencia | 40-52% |
| Al_{2}O_{3} | 16-27% | - - | 16-25% |
| CaO | 3-35% | - - | 10-25% |
| MgO | 0-15% | - - | 0-10% |
| Na_{2}O | 0-15% | - - | 6-12% |
| K_{2}O | 0-15% | - - | 3-12% |
| R_{2}O (Na_{2}O + K_{2}O) | 10-17% | - - | 12-17% |
| P_{2}O_{5} | 0-3% | - - | 0-2% |
| Hierro total (Fe_{2}O_{3}) | 0-15% | - - | 4-12% |
| B_{2}O_{3} | 0-8% | - - | 0-4% |
| TiO_{2} | 0-3% |
estando el MgO comprendido entre 0%
y 5%, en particular entre 0% y 2% cuando R_{2}O \leq
13,0%.
Ventajosamente, la composición de lana mineral
comprende los constituyentes que se indican a continuación, según
los porcentajes ponderados siguientes:
| SiO_{2} | 39-55% | de preferencia | 40-52% |
| Al_{2}O_{3} | 16-25% | - - | 17-22% |
| CaO | 3-35% | - - | 10-25% |
| MgO | 0-15% | - - | 0-10% |
| Na_{2}O | 0-15% | - - | 6-12% |
| K_{2}O | 0-15% | - - | 6-12% |
| R_{2}O (Na_{2}O + K_{2}O) | 13,0-17% | ||
| P_{2}O_{5} | 0-3% | - - | 0-2% |
| Hierro total (Fe_{2}O_{3}) | 0-15% | - - | 2-3% |
| B_{2}O_{3} | 0-8% | - - | 0-4% |
| TiO_{2} | 0-3% |
Las composiciones pueden contener hasta un 2% ó
3% de compuestos a considerar como impurezas no analizadas, como ya
se conoce en este tipo de composición.
Mediante la asociación de un índice de alúmina
elevado, comprendido entre 16% y 27%, de preferencia superior a 17%
y/o de preferencia inferior a 25%, particularmente inferior a 22%,
para una suma de elementos formadores, sílice y alúmina, comprendida
entre 57% y 75%, de preferencia superior a 60% y/o de preferencia
inferior a 72%, particularmente inferior a 70%, con una cantidad de
óxidos de metales alcalinos (R_{2}O: soda y potasa) elevada y
comprendida entre 10% y 17%, con MgO comprendido entre 0% y 5%,
particularmente entre 0% y 2%, cuando R_{2}O \leq 13,0%, las
composiciones poseen la propiedad notable de ser susceptibles de ser
hiladas en una extensa gama de temperaturas, confiriéndose además a
las fibras obtenidas un carácter biosoluble a pH ácido. Según formas
de realización particulares, el índice de alcalinos es de
preferencia superior a 12%, particularmente superior a 13,0% e
incluso a 13,3% y/o de preferencia inferior a 15%, particularmente
inferior a 14,5%.
Esta gama de composiciones se muestra
particularmente interesante dado que se observa que, contrariamente
a las opiniones recibidas, la viscosidad del vidrio fundido no
disminuye significativamente con el aumento del índice de alcalinos.
Este efecto notable permite aumentar el intervalo entre la
temperatura correspondiente a la viscosidad de la hilatura y la
temperatura de fusión de la fase que cristaliza, mejorando así
considerablemente las condiciones de hilatura y convirtiendo en
particularmente posible la hilatura mediante centrifugación interna
de una nueva familia de vidrios biosolubles.
Según un modo de realización, las composiciones
que poseen índices de óxido de hierro comprendidos entre 5% y 12%,
particularmente entre 5% y 8%, pueden permitir obtener colchones de
lanas minerales con resistencia al fuego.
Ventajosamente, estas composiciones cumplen la
relación:
(Na_{2}O + K_{2}O)/Al_{2}O_{3} \geq
0,5, de preferencia (Na_{2}O + K_{2}O)/Al_{2}O_{3} \geq
0,6 y particularmente (Na_{2}O + K_{2}O)/Al_{2}O_{3} \geq
0,7, que parece favorecer la obtención de una temperatura a la
viscosidad de hilatura superior a la temperatura de fusión.
Según una variante, las composiciones según la
invención poseen de preferencia un índice de cal comprendido entre
10% y 25%, particularmente superior a 12%, de preferencia superior a
15% y/o de preferencia inferior a 23%, particularmente inferior a
20% e incluso inferior a 17%, asociado con un índice de magnesio
comprendido entre 0% y 5%, con menos que 2% de magnesio
preferentemente, particularmente menos que 1% de magnesio y/o un
índice de magnesio superior 0,3%, particularmente superior a
0,5%.
Según otra variante, el índice de magnesio está
comprendido entre 5% y 10% para un índice de cal comprendido entre
5% y 15%, y de preferencia entre 5% y 10%.
La adición de P_{2}O_{5}, que es opcional, en
contenidos comprendidos entre 0% y 3%, particularmente superior a
0,5% y/o inferior a 2%, puede permitir aumentar la biosolubilidad a
pH neutro. Opcionalmente, la composición puede también contener
óxido de boro, que puede permitir mejorar las propiedades térmicas
de la lana mineral, particularmente tendiendo a disminuir su
coeficiente de conductividad térmica en la componente radiactiva e
igualmente aumentar la biosolubilidad a pH neutro. Se puede
igualmente incluir TiO_{2} en la composición de manera opcional,
por ejemplo, hasta un 3%. Otros óxidos, tales como BaO, SrO, MnO,
Cr_{2}O_{3} y ZrO_{2}, pueden estar presentes en la
composición, cada uno de ellos hasta contenidos de 2%
aproximadamente.
Para estas composiciones, la diferencia entre la
temperatura correspondiente a una viscosidad de 10^{2,5} poises
(decipascal.segundo), representada como T_{log2,5}, y la
temperatura de fusión de la fase que cristaliza, representada como
T_{Liq}, es preferencialmente de al menos 10ºC. Esta diferencia,
T_{log2,5}-T_{Liq}, define el "intervalo de
trabajo" de las composiciones de la invención, es decir, la gama
de temperaturas en las que se puede hilar, específicamente mediante
centrifugación interna. Se establece que esta diferencia es
preferentemente de al menos 20º ó 30ºC, e incluso de más de 50ºC,
particularmente de más de 100ºC.
La invención se puede llevar a cabo de diversas
formas ventajosas en base a la elección de la composición de la
aleación.
El níquel, presente en la aleación en forma de
disolución sólida en calidad de elemento estabilizante de la
estructura cristalina del cobalto, se utiliza en la gama de
proporciones habituales, del orden de 6% a 12%, ventajosamente de 8%
a 10% en peso de aleación.
El cromo contribuye a la resistencia mecánica
intrínseca de la matriz, en la que está presente en parte en
disolución sólida y en parte en forma de carburos, esencialmente del
tipo Cr_{23}C_{6} en forma de dispersión fina en el interior de
los granos, a los que aporta resistencia a la fluencia
intragranular. El cromo puede contribuir igualmente al refuerzo
intergranular de la aleación bajo forma de carburos del tipo
Cr_{7}C_{3} o Cr_{23}C_{6} presentes en las juntas de grano,
que impiden el deslizamiento grano sobre grano. Un tratamiento
térmico que se detalla más adelante permite convertir los carburos
Cr_{7}C_{3} en Cr_{23}C_{6}, más estables a alta
temperatura. El cromo contribuye a la resistencia a la corrosión en
calidad de precursor de óxido de cromo, que forma una capa
protectora en la superficie expuesta al medio oxidante. Para la
formación y el mantenimiento de esta capa protectora es necesaria
una cantidad mínima de cromo. Un contenido en cromo demasiado
elevado es, sin embargo, nefasto para la resistencia mecánica y la
tenacidad a temperaturas elevadas, ya que lleva a una rigidez
demasiado elevada y a una capacidad de elongación bajo esfuerzo
demasiado débil, incompatible con las tensiones a alta
temperatura.
De forma general, el contenido en cromo de una
aleación utilizable según la invención será de 23% a 34% en peso,
preferentemente del orden de 26% a 32% en peso, ventajosamente de
aproximadamente 28% a 30% en peso.
El tántalo está presente en disolución sólida en
la matriz de cobalto, de manera que este átomo pesado distorsiona
localmente el retículo cristalino y dificulta, léase bloquea, la
progresión de las dislocaciones cuando el material es sometido a un
esfuerzo mecánico, contribuyendo así a la resistencia intrínseca de
la matriz. El tántalo es además capaz de formar con el carbono
carburos TaC, presentes, por una parte, en el interior de los granos
en forma de dispersión fina, en donde impiden la fluencia
intragranular y, por otra parte, en las juntas de grano, donde
aportan refuerzo intergranular, eventualmente completado por
carburos de cromo.
El contenido mínimo en tántalo que permite
obtener la resistencia mecánica a muy alta temperatura según la
invención es del orden de 4,2%, pudiendo escogerse un límite
superior de aproximadamente 10%. El contenido en tántalo es,
preferentemente, del orden de 4,2% a 10%, muy ventajosamente de 4,5%
a 10%, más particularmente de 5% a 10%. La cantidad de tántalo es
más ventajosamente del orden de 5,5% a 9% en peso, en particular de
aproximadamente 6% a 8,5%.
El carbono es un constituyente esencial de la
aleación, necesario para la formación de precipitados de carburos
metálicos.
El contenido en carbono determina directamente la
cantidad de carburos presentes en la aleación. El contenido debe ser
de al menos 0,2% para obtener el refuerzo mínimo deseado, aunque
debe estar limitado a 1,2% como máximo, para evitar que la aleación
se convierta en dura y difícil de procesar debido a una densidad de
refuerzos demasiado grande. La falta de ductilidad de la aleación
con tales contenidos le impide asimilar sin quebrarse una
deformación impuesta (por ejemplo, de origen térmico) y resistir
suficientemente a la propagación de fisuras.
Ventajosamente, el contenido en carbono es del
orden de 0,3% a 1,1%, preferentemente del orden de 0,35% a 1,05% en
peso.
Según la invención, la composición de la aleación
se ajusta para tener una presencia significativa de carburos de
tántalo en las juntas de grano.
En un modo de realización preferido, la
composición de la aleación es tal que todos los carburos
intergranulares son carburos de tántalo. Este hecho se puede
realizar si se elige un contenido en tántalo lo suficientemente
elevado como para desplazar las reacciones de formación de carburo
en favor de la formación de TaC.
\newpage
Con este propósito, se escogen ventajosamente
contenidos en tántalo y en carbono tales que la proporción molar
Ta/C es superior o igual a 0,9, siendo preferentemente de
aproximadamente 1 a 1,2.
Los carburos de tántalo TaC presentan a alta
temperatura una estabilidad notable; en efecto, los autores de la
invención han observado mediante cortes metalográficos que la
estructura de estos carburos se ve poco afectada por una exposición
a temperatura elevada, del orden de 1300ºC. Apenas se puede observar
una "disolución" limitada de los carburos TaC, por salida
probable de Ta y C, en la matriz, sin consecuencia para las
propiedades mecánicas. Así, una aleación cuyo refuerzo intergranular
está constituido únicamente por carburos de tántalo TaC garantiza la
perennidad del refuerzo en condiciones de utilización extremas a muy
alta temperatura.
Los carburos de tántalo contribuyen igualmente a
la resistencia a la oxidación de la aleación en tales condiciones,
debido a que al oxidarse parcialmente a partículas de
Ta_{2}O_{5} forman a nivel de las juntas de grano acumulaciones
que se comportan como tapones que impiden la penetración del medio
oxidante en el interior del material. El medio oxidante permanece en
la superficie del utensilio, en la que la capa protectora de óxido
de cromo conserva una buena adherencia a la aleación de base, parece
que gracias a la formación en la zona superficial del plato de
Ta_{2}O_{5}, que favorece el anclaje del Cr_{2}O_{3} sobre
la aleación.
Se obtiene así un refuerzo eficaz y duradero, lo
que permite no utilizar más que un contenido en carbono
relativamente pequeño que no perjudica al procesado del
material.
En este modo de realización, el contenido en
carbono es ventajosamente de aproximadamente 0,3% a 0,55% en peso de
aleación, preferentemente de aproximadamente 0,35% a 0,5%.
Estos contenidos bastante bajos en carbono
permiten obtener una fase de refuerzo precipitado intergranular
suficientemente denso pero no continuo, que no favorece, por tanto,
la propagación de las fisuras en las juntas de
grano.
grano.
En un modo de realización menos preferido, la
composición de la aleación es tal que los carburos intergranulares
no contienen únicamente carburos de tántalo, si bien están presentes
en cantidad bastante grande. Esto se puede realizar si se escoge un
contenido en carbono relativamente elevado, para que la proporción
de TaC con respecto a los carburos intergranulares totales
proporcione la cantidad de carburos de tántalo deseada.
Con este propósito, se escoge ventajosamente un
contenido en carbono del orden de 0,8% a 1,2%, preferentemente del
orden de 0,9% a 1,1% y en particular de aproximadamente 0,95 a
1%.
Con tales contenidos en carbono, la red de
carburos intergranulares es muy densa, pero no se manifiesta como
perjudicial para una utilización a temperatura elevada, superior a
1150ºC. En efecto, a partir de esta temperatura, una parte de los
carburos M_{23}C_{6} presenta una tendencia a disolverse en
disolución sólida, de forma que la fase precipitada intergranular
gana poco a poco en discontinuidad y lucha activamente contra la
propagación de las fisuras.
Una proporción molar de tántalo a carbono Ta/C
inferior a 0,9 puede entonces ser tan pequeña como 0,3, de
preferencia 0,35, siendo la proporción de TaC de entre el total de
los carburos intergranulares del orden de 50% en volumen, estando el
resto constituido por carburos de tipo M_{23}C_{6}, donde M es
esencialmente cromo.
Ventajosamente, la proporción molar Ta/C es del
orden de 0,35 a 0,45.
A pesar de la presencia de carburos
M_{23}C_{6}, menos estables a alta temperatura, el refuerzo
intergranular se mantiene eficaz a 1200º-1300ºC, gracias a la
presencia en cantidad suficiente de TaC intactos u oxidados a
Ta_{2}O_{5}. La presencia de cromo en las juntas de grano
constituye además una fuente de difusión de cromo, útil para la
resistencia a la corrosión.
El wolframio puede eventualmente estar presente
en la aleación del plato. En este caso, se encuentra en disolución
sólida en la matriz, de la que mejora la resistencia mecánica
intrínseca por un efecto de distorsión del retículo cristalino del
cobalto. El wolframio puede también participar con el cromo en la
formación de carburos M_{23}C_{6} intergranulares (en cuyo caso
se representan como (Cr,W)_{23}C_{6}) cuando la
proporción molar Ta/C es inferior a 0,9.
Parece sin embargo que, para los dos modos de
realización anteriormente presentados, la presencia de wolframio
podría ejercer un efecto perjudicial sobre la resistencia mecánica
de la aleación.
En efecto, se ha observado que las aleaciones que
contienen wolframio presentan una microestructura que revela la
formación de una nueva fase intergranular que estaría constituida
por una de las fases TCP (Topologically Close Compact), la fase
sigma CoCr, que fragilizaría la aleación. La formación de esta fase
sería debida a una muy fuerte presencia de los elementos
considerados al introducirse en disolución en el cobalto
cristalizado. Al caracterizarse ya las aleaciones según la invención
por una relativamente alta proporción de tántalo, la presencia
adicional de wolframio además de cromo, níquel y carbono forzaría a
una parte de los elementos de la matriz a asociarse en las juntas de
grano o incluso en la matriz. Por otra parte, se ha podido observar,
después de la exposición de aleaciones que contienen wolframio a
temperaturas muy elevadas, del orden de 1300ºC, que la composición
química local lleva a una fusión en las juntas de grano a la manera
de un eutéctico. En ausencia de wolframio, el punto de fusión en las
juntas de grano sería más elevado y no se observaría esta fusión
local a 1300ºC: de hecho, no se observa esta fusión, quedando
intactas las juntas de grano incluso a 1300ºC.
Así, en un procedimiento preferido según la
invención, se utiliza una aleación desprovista de wolframio o
sensiblemente desprovista de wolframio, entendiéndose que se puede
tolerar una cantidad de wolframio mínima, del orden de magnitud de
trazas de una impureza metálica habitualmente admisible en el
sentido metalúrgico. Esta aleación se prefiere en particular para
temperaturas de trabajo muy elevadas, especialmente cuando la
composición mineral llega al plato con una temperatura de al menos
1150ºC, en particular si la composición mineral tiene una
temperatura de fusión de 1140ºC o superior. Además, esta aleación
presenta igualmente propiedades mecánicas interesantes a temperatura
más baja, del orden de 1000ºC en el plato, concretamente una
resistencia a la fluencia mejorada, que permite nuevas condiciones
de hilatura en lo que respecta a las dimensiones del plato o a la
velocidad de rotación. En un procedimiento muy preferido, la
aleación desprovista de wolframio se refuerza exclusivamente con
carburos de tántalo y no sufre más que una ligera modificación de la
densidad de refuerzo intergranular.
La aleación puede contener otros elementos
constituyentes usuales o impurezas inevitables. En general,
contiene:
- -
- silicio, como desoxidante del metal fundido cuando se elabora y moldea la aleación, en cantidad menor que 1% en peso;
- -
- manganeso, igualmente desoxidante, en cantidad menor que 0,5% en peso;
- -
- zirconio, como secuestrante de elementos indeseables, tales como azufre o plomo, en cantidad menor que 0,1% en peso;
- -
- hierro, en proporción que puede llegar hasta 3% en peso sin alterar las propiedades del material;
- -
- la cantidad acumulada de otros elementos introducidos como impurezas con los constituyentes esenciales de la aleación ("impurezas inevitables") representa ventajosamente menos que 1% en peso de la composición de la aleación.
Las aleaciones según la invención están exentas
de B, Hf y de preferencia exentas de Y, Dy, Re y otras tierras
raras.
Entre las aleaciones descritas anteriormente,
algunas son igualmente objetos de la invención.
La invención tiene como objeto en particular una
aleación a base de cobalto dotada de resistencia mecánica a alta
temperatura en medio oxidante, que comprende además cromo, níquel,
tántalo y carbono, caracterizada porque no contiene wolframio, B y
Hf y porque se compone esencialmente de los elementos siguientes
(las proporciones están indicadas en porcentaje ponderado de la
aleación):
| Cr | 23 a 34% |
| Ni | 6 a 12% |
| Ta | 4,2 a 10% |
| C | 0,2 a 1,2% |
| Fe | menos que 3% |
| Si | menos que 1% |
| Mn | menos que 0,5% |
| Zr | menos que 0,1% |
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar Ta/C de
al menos 0,3, preferentemente de al menos
0,35.
Esta aleación según la invención se caracteriza
esencialmente por un contenido en tántalo elevado y por la ausencia
de wolframio. Estas características permiten constituir fases de
refuerzo, precipitadas o en disolución sólida, principalmente a base
de tántalo, que garantizan una resistencia elevada a alta
temperatura.
Los contenidos en cromo, níquel y carbono pueden
escogerse entre los intervalos ventajosos anteriormente
indicados.
El contenido en tántalo es preferentemente del
orden de 4,2% a 10%, muy ventajosamente de 4,5% a 10%.
Preferentemente, la relación molar Ta/C es
superior o igual a 0,9; ventajosamente, es aproximadamente de 1 a
1,2. El contenido en carbono es entonces ventajosamente de 0,3% a
0,55% en peso, preferentemente de aproximadamente 0,35% a 0,5%.
En una variante, el contenido en carbono es del
orden de 0,8% a 1,2%, preferentemente de 0,9% a 1,1%, en particular
de aproximadamente 0,95% a 1%. La relación molar Ta/C es entonces
ventajosamente de 0,3 a 0,5, ventajosamente de 0,35 a 0,45.
Estas aleaciones desprovistas de wolframio son
particularmente apreciables para efectuar procedimientos a
temperaturas elevadas, de al menos 1150º a 1200ºC, si bien pueden,
por supuesto, emplearse en procedimientos de fabricación de lana
mineral más habituales, en los que el plato se lleva a una
temperatura del orden de 900º a 1100ºC.
Otra aleación a base de cobalto objeto de la
invención comprende los elementos siguientes:
| Cr | 23 a 34% |
| Ni | 6 a 12% |
| Ta | 4,2 a 10% |
| W | 4 a 8% |
| C | 0,8 a 1,2% |
| Fe | menos que 3% |
| Si | menos que 1% |
| Mn | menos que 0,5% |
| Zr | menos que 0,1% |
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar Ta/C de
al menos 0,3, preferentemente del orden de 0,3 a 0,5 y
ventajosamente de al menos 0,35, en particular de 0,35 a
0,45.
Los contenidos en cromo, níquel, tántalo y
carbono pueden escogerse en los intervalos ventajosos anteriormente
indicados.
Las aleaciones utilizables según la invención,
desprovistas de elementos altamente reactivos, tales como B, Hf y
tierras raras, entre ellas Y, Dy y Re, pueden ser muy fácilmente
moldeadas por fusión y colada clásica con medios convencionales,
particularmente por fusión inductiva bajo atmósfera al menos
parcialmente inerte y colada en molde de arena.
Estas aleaciones que contienen una cierta
proporción de wolframio son menos preferidas que las aleaciones
precedentes, ya que permiten trabajar preferentemente en torno de
1100º a 1150ºC. Como anteriormente, pueden utilizarse en
procedimientos en los que el utensilio se lleva a una temperatura de
900º a 1100ºC.
Después de la colada, puede alcanzarse
ventajosamente una microestructura particular mediante un
tratamiento térmico en dos etapas, que permite en particular
convertir los carburos del tipo M_{7}C_{3} en
M_{23}C_{6}:
- -
- una fase de disolución que comprende un recocido a una temperatura de 1100º a 1250ºC, particularmente del orden de 1200º a 1250ºC, durante un periodo de tiempo que puede ir particularmente de 1 a 4 horas, ventajosamente del orden de 2 horas; y,
- -
- una fase de precipitación de carburos que comprende un recocido a una temperatura de 850º a 1050ºC, particularmente del orden de 1000º, durante un periodo de tiempo que puede ir particularmente de 5 a 20 horas, ventajosamente del orden de 10 horas.
La invención tiene igualmente como objeto un
procedimiento de fabricación de artículos por fundición a partir de
las aleaciones descritas anteriormente como objeto de la invención,
eventualmente con las etapas de tratamiento térmico anteriormente
expuestas.
El procedimiento puede comprender al menos una
etapa de enfriamiento, después de la colada y/o después de la
primera fase de tratamiento térmico, así como al final del
tratamiento térmico.
Los enfriamientos intermedios y/o final se pueden
llevar a cabo, por ejemplo, mediante enfriamiento al aire,
particularmente con una vuelta a la temperatura ambiente.
El procedimiento puede comprender además una
etapa de forja después de la colada.
Las aleaciones objeto de la invención pueden
utilizarse para fabricar toda clase de piezas de las que se
requieren resistencia mecánica a alta temperatura y/o trabajo en
medio oxidante o corrosivo. La invención tiene además como objeto
tales artículos fabricados a partir de una aleación según la
invención, particularmente por fundición.
Entre tales aplicaciones se puede citar en
particular la fabricación de artículos utilizables para la
elaboración o la transformación en caliente del vidrio, por ejemplo,
platos de hilatura para la fabricación de lana mineral.
Aunque la fabricación se ha descrito
principalmente en el marco de la fabricación de lana mineral, puede
aplicarse en general a la industria del vidrio, para fabricar
elementos o accesorios de horno, extrusoras o alimentadores,
particularmente para la producción de hilos de vidrio textil y de
vidrio de embalaje.
Independientemente de la industria del vidrio, la
invención se puede aplicar a la fabricación de artículos muy
diversos en los casos en que deben presentar una resistencia
mecánica elevada en medio oxidante y/o corrosivo, en particular a
alta temperatura.
De manera general, estas aleaciones pueden servir
para realizar todo tipo de piezas, fijas o móviles, en aleación
refractaria, siendo útiles para el funcionamiento o explotación de
hornos de tratamiento térmico a alta temperatura (por encima de
1100ºC), cambiadores de calor o reactores de la industria química.
Así, pueden actuar, por ejemplo, en aspas de ventiladores calientes,
en soportes de cocción, en materiales para horno... Estas aleaciones
pueden también utilizarse para realizar cualquier tipo de
resistencia calefactora destinada a funcionar en atmósfera caliente
y oxidante y para fabricar elementos de turbinas incluidas en
motores de vehículos terrestres, marítimos o aéreos, o en cualquier
otra aplicación que no incluye vehículos, por ejemplo, en
centrales.
Así, la invención tiene como objeto la
utilización en atmósfera oxidante a una temperatura de al menos
1100ºC de un artículo constituido por una aleación de cobalto tal
como se ha definido anteriormente.
La invención se ilustra mediante los ejemplos
siguientes así como mediante los dibujos anexados en las figuras 1 a
7, en las que:
- en la figura 1 se representa una observación
microfotográfica de la estructura de una aleación según la
invención,
- en la figura 2 se presenta un gráfico que
ilustra las propiedades mecánicas de esta aleación,
- en las figuras 3 y 4 se representan
observaciones microfotográficas de la estructura de una aleación
comparativa,
- en las figuras 5 y 6 se presentan gráficos que
ilustran comparativamente las propiedades mecánicas de diferentes
aleaciones,
- en la figura 7 se representa una observación
microfotográfica de la estructura de otra aleación utilizada según
la invención.
Ejemplo
1
Se prepara, mediante la técnica de fusión
inductiva bajo atmósfera inerte (particularmente argón), una carga
fundida con la composición siguiente, que se moldea a continuación
por simple colada en molde de arena:
| Cr | 28,3% | |
| Ni | 8,68% | |
| C | 0,37% | |
| Ta | 5,7% | |
| Materiales | W | 0% |
| Residuales | Fe | <3% |
| Si | <1% | |
| Mn | <0,5% | |
| Zr | <0,1% | |
| Suma de otros | <1% |
estando el resto constituido por
cobalto.
A continuación de la colada se efectúa un
tratamiento térmico, que consta de una fase de disolución durante 2
horas a 1200ºC y una fase de precipitación de los carburos
secundarios durante 10 horas a 1000ºC, terminándose cada una de
estas etapas con un enfriamiento al aire hasta alcanzarse la
temperatura ambiente.
La microestructura de la aleación obtenida,
determinada por microscopia óptica o electrónica mediante las
técnicas metalográficas clásicas y eventualmente mediante
microanálisis X, está compuesta por una matriz de cobalto
estabilizada en una estructura cúbica centrada en las caras por la
presencia de níquel, que contiene en disolución sólida cromo y
tántalo con precipitados de carburos presentes en el interior de los
granos y en las juntas de grano. Esta estructura se muestra en la
figura 1, en la que se representa una observación de la aleación en
microscopio electrónico de barrido (MEB), con una magnificación de
250: las juntas de grano que no aparecen en la microfotografía con
la magnificación utilizada se han representado con trazo fino
mediante la líneas 1. En el interior de los granos delimitados por
las líneas 1, la fase intragranular está constituida por carburos
secundarios finos, 2, de tipo Cr_{23}C_{6} y TaC, precipitados
de forma regular en la matriz y que aparecen en forma de pequeños
puntos. En las juntas de grano se encuentra una fase intergranular
densa pero discontinua, compuesta exclusivamente por carburos de
tántalo TaC, 3, que aparecen como pequeños islotes de forma
generalmente alargada, bien diferenciados los unos de los otros.
Esta microestructura es debida a la proporción
molar del tántalo con respecto al carbono en la composición de la
aleación, que es igual a 1,07.
La estabilidad térmica de esta microestructura se
ha demostrado mediante el tratamiento siguiente:
Una muestra de aleación sometida al tratamiento
térmico anteriormente citado de disolución y precipitación por
recocidos, se llevó durante 5 horas a la temperatura de 1300ºC,
después de lo cual se realizó un templado al agua para fijar la
microestructura.
Se observó la estructura de la muestra al MEB con
una magnificación de 250. Esta observación demuestra que la
estructura de las juntas de grano ha sido apenas un poco afectada
por el tratamiento térmico: no se observa comienzo de fusión de la
aleación y los TaC son todavía numerosos.
Las propiedades de resistencia mecánica a alta
temperatura de la aleación se han evaluado en ensayos de resistencia
a la fluencia en flexión en tres puntos a diferentes temperaturas
(1200º, 1250º y 1300ºC) y bajo diferentes cargas (21 MPa, 31 MPa y
45 MPa). Los ensayos se han llevado a cabo sobre una probeta
paralelepipédica de 30 mm de largo y 3 mm de espesor, ejerciéndose
la carga en el medio de una distancia entre ejes de 3,7 mm, sometida
sucesivamente a las tres cargas en orden creciente para cada una de
las temperaturas indicadas. Se ha efectuado otra serie de medidas
bajo carga constante a temperatura variable. Los resultados se
ilustran en la figura 2, que presenta en un mismo gráfico la
deformación (en \mum) de la probeta en función del tiempo (en
horas) para cada ensayo. La tabla 1 indica la pendiente de las
curvas de fluencia en tres puntos según la temperatura y tensión
aplicadas y la duración bajo carga.
La aleación presenta excelentes propiedades en
fluencia a 1200ºC y 1250ºC y una resistencia todavía apreciable a
1300ºC bajo la carga aplicada.
Las propiedades de resistencia a la oxidación se
han evaluado mediante ensayos de termogravimetría a 1200ºC: se
obtiene una constante parabólica de oxidación K_{p} de
96,5.10^{-12} g^{2}.cm^{-4}.s^{-1} y una constante
parabólica de evaporación K_{v} de 3,96.10^{-19}
g.cm^{-2}.s^{-1}.
Las propiedades de resistencia mecánica de la
aleación a temperatura menos elevada bajo fuerte carga se han
evaluado mediante ensayos de resistencia a la fluencia en flexión en
tres puntos a 1000ºC bajo una carga de 103 MPa. Los resultados se
presentarán más adelante a la luz de los ejemplos comparativos.
La capacidad de esta aleación para ser utilizada
para constituir una maquinaria de moldear vidrio fundido se ha
evaluado mediante su aplicación para la fabricación de lana de
vidrio. Se ha fabricado un plato de hilatura de 200 mm de diámetro
de forma clásica, mediante colada y tratamiento térmico como se ha
explicado anteriormente, utilizándose a continuación en condiciones
industriales para hilar un vidrio cuya composición se da a
continuación, con una temperatura del plato comprendida entre 1150º
y 1210ºC:
| SiO_{2} | Al_{2}O_{3} | Hierro total | CaO | MgO | Na_{2}O | K_{2}O | Varios |
| (Fe_{2}O_{3}) | |||||||
| 45,7 | 19 | 7,7 | 12,6 | 0,3 | 8 | 5,1 | 1 |
Se trata de un vidrio relativamente oxidante con
respecto a un vidrio clásico, dado su contenido elevado en hierro y
un redox de 0,15. Su temperatura de fusión es de 1140ºC.
El plato se utiliza con una tirada de 2,3
toneladas por día hasta que se decide su parada como consecuencia de
la destrucción del plato, declarada por un deterioro visible o por
una calidad de fibra producida convertida en insuficientemente
buena. La temperatura de la composición mineral que llega al plato
es del orden de 1200º a 1240ºC. La temperatura del metal que sigue
el perfil del plato está comprendida entre 1160º y 1210ºC. La
duración de la vida (en horas) del plato así medida es de 390
horas.
Durante el ensayo de hilatura el plato ha
soportado numerosos choques térmicos, con una quincena de paradas y
vueltas a poner en marcha, sin aparición de fisuras. Este hecho
demuestra la buena ductilidad de la aleación a 1100º-1200ºC.
La gran resistencia del plato está unida a la
buena resistencia a la fluencia de la aleación a 1200ºC bajo
esfuerzo medio (condiciones mecánicas resultantes de la geometría
del plato).
\newpage
La asociación de la aleación del ejemplo 1 y del
vidrio convertido en menos corrosivo por la presencia de hierro
proporciona condiciones favorables para la fabricación de lana
mineral a muy alta temperatura.
Ejemplo comparativo
1
Con fines comparativos, se ha preparado y
ensayado en las mismas condiciones una aleación según el documento
WO-99/16919 con la composición siguiente:
| Cr | 29% | |
| Ni | 8,53% | |
| C | 0,38% | |
| Ta | 2,95% | |
| Materiales | W | 5,77% |
| Residuales | Fe | <3% |
| Si | <1% | |
| Mn | <0,5% | |
| Zr | <0,1% | |
| Suma de otros | <1% |
estando el resto constituido por
cobalto.
Con una relación Ta/C igual a 0,51, la
microestructura de esta aleación, representada en la figura 3,
muestra la presencia en las juntas de grano de aproximadamente 50%
de carburos (Cr,W)_{23}C_{6} (visibles en 4 en forma de
superficies eutécticas) y 50% de carburos TaC (visibles en 3).
La estabilidad térmica de la microestructura de
esta aleación a muy alta temperatura es muy inferior a la del
ejemplo 1, como se muestra en la figura 4, en la que se representa
la observación al MEB de una muestra de la aleación del ejemplo
comparativo 1 después de 5 horas a 1300ºC y templado al agua.
Se observa que los carburos intergranulares han
desaparecido, incluidos los carburos de tántalo, y que han aparecido
zonas líquidas (fundidas), 5, a 1300ºC que se han resolidificado con
el templado.
Mediante ensayos de resistencia a la fluencia, se
verifica que la resistencia mecánica a alta temperatura de la
aleación comparativa es inferior a la de la aleación del ejemplo 1.
Estos resultados están agrupados en el gráfico de la figura 5, en el
que se presentan comparados los resultados de resistencia a la
fluencia a 1200ºC bajo 31 MPa, en el gráfico de la figura 6, en el
que se presentan comparados los resultados de resistencia a la
fluencia a 1000ºC bajo 103 MPa, y en la tabla 1.
Las propiedades de resistencia a la oxidación a
1200ºC, evaluadas por termogravimetría, son las siguientes: K_{p}
= 92,4.10^{-12} g^{2}.cm^{-4}.s^{-1} y K_{v} =
4,86.10^{-9} g.cm^{-2}.s^{-1}.
Ejemplo comparativo
2
Las figuras 5 y 6 y la tabla 1 presentan también
las características mecánicas a alta temperatura de otra aleación
comparativa de naturaleza diferente: se trata de una superaleación
de tipo ODS cuya matriz está constituida por
níquel-cromo y que está reforzada por una fase de
óxidos, tales como óxido de itrio.
Estas aleaciones muy preformadas no pueden
obtenerse por colada, sino por la técnica delicada de metalurgia de
polvos, mediante la que se obtiene una aleación mecánica por
mecanosíntesis de polvos metálicos y cerámicos, sinterización bajo
carga, trabajo termomecánico complejo y tratamiento térmico a muy
alta temperatura, con un costo de fabricación muy elevado como
consecuencia de todo ello.
La variedad ensayada en el ejemplo comparativo 2
es la MA 758 de SPECIAL METALS.
Es de destacar que la aleación ODS del ejemplo
comparativo 2 posee una resistencia a la fluencia mucho mejor que la
aleación de cobalto del ejemplo comparativo 1: la pendiente de la
curva de fluencia a 1200ºC es 15 veces más importante para la
aleación comparativa de cobalto.
La aleación del ejemplo 1 queda por debajo de la
aleación ODS, con una pendiente de curva a 1200ºC de 2 a 3 veces más
importante, si bien constituye una mejora considerable con respecto
a la aleación del ejemplo comparativo 1.
A 1000ºC se observa una diferencia de
comportamiento similar.
Ejemplo
2
Otra aleación según la invención, con la
composición que se indica a continuación, se prepara como en el
ejemplo 1, evaluándose sus propiedades también de la misma
forma:
| Cr | 28,5% | |
| Ni | 8,9% | |
| C | 0,5% | |
| Ta | 8,5% | |
| Materiales | W | 0% |
| Residuales | Fe | <3% |
| Si | <1% | |
| Mn | <0,5% | |
| Zr | <0,1% | |
| Suma de otros | <1% |
estando el resto constituido por
cobalto.
Su microestructura es parecida a la de la
aleación del ejemplo 1, con una fase intergranular constituida
exclusivamente por carburos de tántalo TaC (relación molar Ta/C =
1,13).
Los resultados de los ensayos de resistencia
mecánica se muestran en la figura 5 y en la tabla 1.
Ejemplo
3
Otra aleación según la invención, con la
composición que se indica a continuación, se prepara como en el
ejemplo 1, evaluándose sus propiedades también de la misma
forma:
| Cr | 29% | |
| Ni | 8,86% | |
| C | 0,98% | |
| Ta | 6% | |
| Materiales | W | 0% |
| Residuales | Fe | <3% |
| Si | <1% | |
| Mn | <0,5% | |
| Zr | <0,1% | |
| Suma de otros | <1% |
estando el resto constituido por
cobalto.
Su microestructura se distingue de las de las
aleaciones de los ejemplos 1 y 2 por la presencia en las juntas de
grano de, además de la misma cantidad de carburos de tántalo,
carburos de cromo Cr_{23}C_{6}. El alto contenido en carbono
produce una fuerte densidad de carburos entre los cuales el reparto
es de aproximadamente 50% de Cr_{23}C_{6} para 50% de TaC, en
razón de la relación molar Ta/C igual a 0,39.
Los resultados de los ensayos de resistencia
mecánica se muestran en la figura 5 y en la tabla 1.
Ejemplo
4
Se utiliza otra aleación, que contiene wolframio,
con la composición siguiente:
| Cr | 28,2% | |
| Ni | 8,74% | |
| C | 0,37% | |
| Ta | 5,84% | |
| Materiales | W | 5,6% |
| Residuales | Fe | <3% |
| Si | <1% | |
| Mn | <0,5% | |
| Zr | <0,1% | |
| Suma de otros | <1% |
estando el resto constituido por
cobalto.
Su microestructura, ilustrada en la figura 7, en
la que se presenta una vista obtenida en microscopio electrónico de
barrido, revela la existencia una red intergranular bastante densa
de carburos de tántalo eutécticos TaC, 6, con la disolución sólida
de cobalto. Cuando la microestructura se observa al microscopio
óptico después del ataque metalográfico adecuado, parece que están
presentes diferentes tipos de carburos MC, probablemente debidos a
la participación del wolframio en la constitución de estos
carburos.
La microestructura revela de manera clara una
fase, 7, en forma de superficies compactas y dispersas ricas en
cobalto y cromo a partes casi iguales, que estarían constituidas por
una de las fases TCP "Topologically Close Compact", la fase
sigma CoCr conocida por fragilizar la aleación.
Estas fases no aparecen sobre la microstructuta
de la aleación del ejemplo 1, a pesar de ser muy parecida en
composición, si no fuese por la ausencia de wolframio. En este
ejemplo 4, la presencia de un 5,6% de wolframio sumada al 28% de
cromo, 8% de níquel y 6% de tántalo, parece haber hecho pasar el
contenido total en elementos que quedan en disolución sólida por
encima de una especie de límite de solubilidad.
Se ha evaluado por termogravimetría la
resistencia a la oxidación de esta aleación: se obtiene un valor de
K_{p} = 190.10^{-12} g^{2}.cm^{-4}.s^{-1} y de K_{v} =
4,17.10^{-9} g.cm^{-2}.s^{-1}.
En un ensayo de resistencia a la fluencia en
flexión en 3 puntos a 1200ºC bajo 31 MPa, esta aleación manifiesta
una velocidad de fluencia del orden de 7 a 8 \mum.h^{-1}, valor
un poco peor que los de las aleaciones de los ejemplos 1 a 3, si
bien constituye una mejora neta con respecto a la aleación del
ejemplo comparativo 1.
Estas propiedades convierten a la aleación en
apta para ser utilizada en atmósfera oxidante hasta temperaturas del
orden de 1100º a 1150ºC.
Claims (27)
1. Un procedimiento de fabricación de lana
mineral por centrifugación interna, en el que se extiende un flujo
de materia mineral en fusión en un plato de hilatura cuya banda
periférica está perforada por una multitud de orificios a través de
los que se infiltran filamentos de materia mineral fundida, que a
continuación se estiran en forma de lana bajo la acción de un gas,
caracterizado porque la temperatura de la materia mineral en
el plato es de al menos 1100ºC y porque el plato de hilatura está
constituido por una aleación exenta de B, Hf a base de cobalto, que
comprende los elementos siguientes (en porcentaje ponderado de la
aleación):
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar del
tántalo con respecto al carbono de al menos
0,3.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la temperatura de la materia mineral en
el plato es de al menos 1150ºC.
3. Un procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque la composición de materia mineral
contiene un índice de hierro férrico expresado como Fe_{2}O_{3}
de al menos 3% en peso, particularmente de al menos 5% en peso.
4. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
composición de materia mineral comprende los porcentajes ponderados
siguientes:
estando el MgO comprendido entre 0%
y 5%, en particular entre 0% y 2% cuando R_{2}O \leq
13,0%.
5. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
composición de la aleación del plato comprende de 5,5% a 9% en peso
de tántalo.
\newpage
6. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
composición de la aleación del plato presenta una relación molar
Ta/C superior o igual a 0,9.
7. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
contenido en tántalo de la aleación se escoge de tal manera que la
fase intergranular presente en las juntas de grano de dicha aleación
está exclusivamente compuesta por carburo de tántalo TaC.
8. Un procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque la composición de la aleación del plato
comprende de 0,3% a 0,55% en peso de carbono.
9. Un procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque la composición de la aleación comprende
de 0,8% a 1,2% en peso de carbono.
10. Un procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque la composición de la aleación del plato
presenta una relación molar Ta/C del orden de 0,3 a 0,5.
11. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
composición de la aleación del plato está desprovista de
wolframio.
12. Un procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado porque la materia mineral funde a una
temperatura de fusión del orden de 1140ºC o superior.
13. Una aleación a base de cobalto dotada de
resistencia mecánica a alta temperatura en medio oxidante, que
comprende además cromo, níquel, tántalo y carbono,
caracterizada porque está exenta de B, Hf y está compuesta
por los elementos siguientes (las proporciones se indican en
porcentaje ponderado de la aleación):
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar del
tántalo con respecto al carbono de al menos
0,3.
14. Una aleación a base de cobalto dotada de
resistencia mecánica a alta temperatura en medio oxidante, que
comprende además cromo, níquel, tántalo y carbono,
caracterizada porque no contiene wolframio, está exenta de B,
Hf y porque está compuesta por los elementos siguientes (las
proporciones se indican en porcentaje ponderado de la aleación):
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar Ta/C de
al menos
0,3.
\newpage
15. Una aleación según la reivindicación 13 ó 14,
caracterizada porque las proporciones de los elementos se
encuentran en los intervalos siguientes:
16. Una aleación según la reivindicación 14 ó 15,
caracterizada porque la relación molar del tántalo con
respecto al carbono es de al menos 0,9.
17. Una aleación según la reivindicación 16,
caracterizada porque el contenido en carbono es del orden de
0,3% a 0,55%.
18. Una aleación según la reivindicación 14 ó 15,
caracterizada porque el contenido en carbono es del orden de
0,8% a 1,2%.
19. Una aleación según la reivindicación 14 ó 15,
caracterizada porque la relación molar Ta/C es del orden de
0,3 a 0,5.
20. Una aleación a base de cobalto dotada de
resistencia mecánica a alta temperatura en medio oxidante, que
comprende además cromo, níquel, tántalo y carbono,
caracterizada porque está exenta de B, Hf y está compuesta
por los elementos siguientes (las proporciones se indican en
porcentaje ponderado de la aleación):
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar Ta/C de
al menos 0,3, preferentemente de al menos 0,35 y ventajosamente del
orden de 0,35 a
0,5.
21. Un artículo, en particular un artículo
especialmente utilizable para la elaboración o la transformación en
caliente del vidrio, realizado en una aleación según cualquiera de
las reivindicaciones 13 a 20, especialmente por fundición.
22. Un artículo según la reivindicación 21,
obtenido por fundición.
23. Un artículo según la reivindicación 22, que
se ha sometido a tratamiento térmico una vez colada la aleación.
24. Un artículo según la reivindicación 22, que
se ha sometido a forjado una vez colada la aleación.
25. Un artículo según una de las reivindicaciones
21 a 24, consistente en un plato de hilatura para la fabricación de
lana mineral.
26. Un procedimiento de fabricación de un
artículo según la reivindicación 23, que comprende la colada de la
aleación fundida en un molde apropiado y un tratamiento térmico del
artículo moldeado, que comprende un primer recocido a una
temperatura de 1100º a 1250ºC y un segundo recocido a una
temperatura de 850º a 1050ºC.
27. Utilización en atmósfera oxidante a una
temperatura de al menos 1100ºC de un artículo constituido por una
aleación exenta de B, Hf a base de cobalto, que comprende los
elementos siguientes (en porcentaje ponderado de la aleación):
\newpage
estando el resto constituido por
cobalto e impurezas inevitables, y siendo la relación molar del
tántalo con respecto al carbono de al menos
0,3.
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