ES2271341T3 - Piezas postizas de hilo de titanio en forma de arrollamiento helicodial para dispositivos de fijacion. - Google Patents
Piezas postizas de hilo de titanio en forma de arrollamiento helicodial para dispositivos de fijacion. Download PDFInfo
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Abstract
Pieza postiza de fijación, que comprende un cuerpo en forma de hilo metálico arrollado helicoidalmente, formado a partir de una aleación que comprende: a) como mínimo 70% en peso de titanio; b) entre 3, 2% en peso y 8, 8% en peso de vanadio; c) entre 2, 7% en peso y 7, 0% en peso de aluminio; d) entre 4, 0% en peso y 9, 0% en peso de cromo; e) hasta 5, 0% en peso de zirconio; f) entre 0, 02% en peso y 0, 60% en peso de hierro; g) entre 0, 1% en peso y 0, 25% en peso de oxígeno; y h) hasta 1, 0% en peso total de carbono, hidrógeno y nitrógeno.
Description
Piezas postizas de hilo de titanio en forma de
arrollamiento helicoidal para dispositivos de fijación.
La presente invención se refiere a piezas
postizas para dispositivos de fijación y, de manera más particular,
a piezas postizas de hilo de titanio en forma de arrollamiento
helicoidal para dispositivos de fijación que son útiles tanto para
substratos que tienen orificios roscados, como en montajes de
tuerca.
Los conjuntos o dispositivos de fijación son
fabricados con una variedad de formas, dimensiones, diseños y
materiales. Numerosos conjuntos de fijación incluyen no solamente un
dispositivo de fijación tal como un perno, un pasador o un
tornillo, sino que además incluyen una pieza postiza de fijación que
debe ser colocada dentro de un orificio roscado de un substrato o
en un orificio de tuerca roscada. Una pieza postiza de fijación de
este tipo se da a conocer en el documento
US-A-5 435 678 y puede ser
construida a partir de acero inoxidable o titanio
6AL-4V. Un tipo específico de pieza postiza de
fijación, que es útil en asociación con un dispositivo de fijación
roscado, es la pieza postiza de hilo metálico en forma de
arrollamiento helicoidal que se da a conocer en la Patente U.S. Nº
2.672.070 titulada "Wire Coil Screw Thread Insert for Molded
Material" ("Pieza postiza de hilo en forma de arrollamiento
helicoidal para material moldeado").
De manera general, los orificios roscados son
reforzados debido a la flexibilidad inherente de dichas piezas
postizas de hilo metálico en forma de arrollamiento helicoidal, dado
que dicha pieza postiza permite una distribución más equilibrada de
las cargas estáticas y dinámicas a lo largo del acoplamiento de
rosca. Esta flexibilidad compensa además la variación de error de
dirección y el error de ángulo.
Dado que las piezas postizas en forma de
arrollamiento helicoidal no exhiben generalmente rizado, unión
forzada de extremos, bloqueo o embutición y no requieren
enchavetado en posición, las piezas postizas de hilo metálico en
forma de arrollamiento helicoidal reducen en gran medida el esfuerzo
que, de otro modo, se transferiría al substrato receptor. Mientras
que dichas piezas postizas de hilo metálico en forma de
arrollamiento helicoidal generalmente son útiles como mecanismos de
anclaje para dispositivos de fijación roscados, a efectos de ser
utilizadas en aplicaciones de alta resistencia, dichas piezas
postizas deben estar formadas a partir de materiales de alta
resistencia. Hasta la actualidad, han sido utilizados aceros
inoxidables 3021304 para la fabricación de dichas piezas postizas
de fijación. En conjuntos dados a conocer en el documento US
2001/014263 A1, e incluyendo una tuerca y una pieza postiza de
fijación dispuesta dentro de dicha tuerca, la pieza postiza de
fijación está formada a partir de una aleación de acero inoxidable
reforzada con nitrógeno que es resistente a la abrasión.
La utilización de piezas postizas de acero
inoxidable en conjuntos de fijación, en los que la tuerca y/o los
dispositivos de fijación están formadas a partir de otras
aleaciones, conduce a ciertos problemas constatados tales como la
corrosión, de manera general, y la corrosión galvánica, en de manera
particular. Con el término "corrosión galvánica" se desea
significar corrosión electroquímica resultante de la corriente
producida en una celda galvánica entre dos metales distintos dentro
de un electrolito debido a la diferencia de potencial (emf) de los
dos metales.
Las piezas postizas de fijación de acero
inoxidable han sido recubiertas con cromato de cinc en un esfuerzo
por impedir la corrosión galvánica. Sin embargo, la aplicación de
cromato de cinc requiere estrictos controles cuantitativos y se
considera como una tarea que requiere mucha mano de obra. La
aplicación de demasiado cromato de cinc puede restringir el
movimiento. Además, las herramientas de montaje requerirían tareas
de limpieza frecuentes para impedir la acumulación indeseada de
cromato de cinc en los mandriles de las herramientas. La aplicación
de una cantidad insuficiente de cromato de cinc resulta en otros
problemas tales como, por ejemplo, una protección inapropiada
contra la corrosión.
Otro enfoque reciente para impedir la corrosión
galvánica en orificios roscados se da a conocer en la solicitud de
patente en trámite Nº de serie 09/356.988. De acuerdo con dicho
documento, se observaron mejoras en la prevención de la corrosión
galvánica como resultado del recubrimiento de las piezas postizas de
fijación hechas a partir de acero inoxidable con un compuesto
fluoropolimérico. La etapa adicional de aplicación de un
recubrimiento, sellador o recubrimiento electrolítico a la pieza
postiza puede aumentar los costes del proceso de fabricación.
El documento
US-A-4 067 734 da a conocer
aleaciones de titanio que son especialmente útiles en aplicaciones
de estructuras de fuselajes. Estas aleaciones carecen, o tienen una
pequeña cantidad, de cromo y el contenido de oxígeno está limitado
a un máximo de 0,13% en peso, preferentemente a 0,11% en peso.
Además, el contenido de vanadio permanece dentro de la estrecha
franja por debajo del 4,5% en peso, preferentemente del 3,5% en
peso.
Por lo tanto, un objetivo primario de la
presente invención es dar a conocer piezas postizas de fijación de
aleación de titanio en forma de arrollamiento helicoidal que tiendan
a limitar, si no eliminar, la corrosión galvánica en los conjuntos
de fijación.
Aún otro objetivo de la presente invención es
dar a conocer piezas postizas de fijación de aleación de titanio en
forma de arrollamiento helicoidal que sean significativamente más
ligeras que las piezas postizas de fijación de acero inoxidable con
tamaños y formas similares, por ejemplo, que tengan cocientes
resistencia-peso mejorados.
A efectos de lograr, entre otros, dichos
objetivos, la presente invención da a conocer piezas postizas de
fijación que incluyen un cuerpo en forma de arrollamiento helicoidal
fabricado a partir de una aleación de titanio, comprendiendo:
- a)
- como mínimo 70% en peso de titanio;
- b)
- entre 3,2% en peso y 8,8% en peso de vanadio;
- c)
- entre 2,7% en peso y 7,0% en peso de aluminio;
- d)
- entre 4,0% en peso y 9,0% en peso de cromo;
- e)
- entre 0,02% en peso y 0,60% en peso de hierro;
- f)
- entre 0,1% en peso y 0,25% en peso de oxígeno;
- g)
- hasta 5,0% en peso de zirconio; y
- h)
- hasta 1,0% en peso total de carbono, hidrógeno y nitrógeno.
Dado que la aleación está siendo modelada en
forma de hilo metálico, dicho hilo metálico puede ser dotado de una
forma con una geometría deseada de sección transversal y ser
arrollado subsiguientemente. Después de permitir que el hilo
metálico se enfríe hasta los 23ºC de forma aproximada, dicho hilo
metálico debe ser tratado térmicamente tal como será descrito con
mayor detalle a continuación, a efectos de obtener valores
específicos de par de torsión y de resistencia a la tracción. Las
piezas postizas de fijación resultantes tendrán una excelente
resistencia a la corrosión, serán ligeras y proporcionarán una
resistencia superior.
La figura 1 es una vista detallada, en
perspectiva, de un conjunto de fijación que incluye una pieza
postiza de fijación de aleación de titanio arrollada en forma de
helicoidal;
la figura 2 es una vista en sección transversal
del conjunto de fijación de la figura 1, en situación de
ensamblaje;
la figura 3 es una vista detallada, en
perspectiva, de un conjunto de tuerca que incluye una pieza postiza
de fijación de aleación de titanio arrollada en forma
helicoidal;
la figura 4 es una vista, en sección
transversal, del conjunto de tuerca de la figura 3, en situación de
ensamblaje;
la figura 5 es una vista en perspectiva de una
pieza postiza de fijación con bloqueo, de aleación de titanio;
la figura 6 es una vista en sección a lo largo
de un segmento de bloqueo de una pieza postiza de fijación de
aleación de titanio; y
la figura 7 es una vista frontal, en sección, de
una pieza postiza de fijación que muestra una dimensión preferente
en sección transversal.
Haciendo referencia a continuación a las figuras
1 a 2, se muestra una pieza postiza (10) formada a partir de una
aleación de titanio de acuerdo con la descripción de la presente
invención. La pieza postiza de fijación, que puede tener una
variedad de formas y dimensiones, se muestra en forma de hilo
metálico arrollado helicoidalmente utilizado en asociación con un
dispositivo de fijación roscado (12). Tal como se muestra, la pieza
postiza es de tipo de deslizamiento libre en oposición a una pieza
postiza de fijación con bloqueo, que puede resultar útil para
ciertos tipos de conjuntos de fijación. La pieza postiza de fijación
está dispuesta dentro de una abertura roscada o un orificio roscado
(16) dispuesto a lo largo de un substrato (14) para asegurar un
objeto (30) en combinación con un dispositivo de fijación. El
término deslizamiento libre se refiere a que la pieza postiza de
fijación de titanio tiene un arrollamiento helicoidal
substancialmente simétrico en toda su longitud, mientras que una
pieza postiza de fijación con bloqueo incluye como mínimo una espira
o circunvolución que no es simétrica, usualmente incluyendo
segmentos rectos tal como se muestra en la figura 5.
De manera preferente, las piezas postizas de
fijación (10) son fabricadas de modo tal que presentan un diámetro
más grande, antes de ser instaladas, que el diámetro de los
orificios roscados dentro de los cuales son utilizadas para
garantizar que queden firmemente aseguradas. En cuanto a las piezas
postizas de fijación en forma de arrollamiento helicoidal, es
preferible que los arrollamientos tengan un paso de rosca de
tornillo interno de 60º, que pueda alojar virtualmente cualquier
perno roscado o tornillo de tipo estándar. Además, las piezas
postizas de fijación pueden incluir una espiga o lengüeta
desmontable o desacoplable que es útil durante el proceso de
inserción.
Haciendo referencia a continuación a las figuras
3 y 4, se muestra un conjunto de tuerca (20) que incorpora una
pieza postiza de fijación de titanio (10). Dicho conjunto de tuerca
puede incluir una pieza postiza de fijación del tipo de
deslizamiento libre o de bloqueo, según sea necesario y tal como ha
sido descrito anteriormente. La tuerca (22), que puede ser
fabricada en una máquina de fabricación de tuercas convencional,
incluye un cuerpo cilíndrico u orificio interior (24) con un paso
de rosca y un diámetro generalmente constantes. Después del montaje
de la pieza postiza (10) dentro del cuerpo cilíndrico (24) de la
tuerca, las roscas internas de la tuerca pueden deformarse en cada
extremo (32) y (32A), respectivamente, para impedir que la pieza
postiza se desacople de la tuerca.
Durante la formación del conjunto de tuerca
(20), un dispositivo de fijación, tal como un perno roscado o un
perno sin cabeza, puede ser insertado dentro de la tuerca incluyendo
la pieza postiza de fijación para retener un objeto (30). El
conjunto de tuerca no solo es resistente a la corrosión galvánica,
tal como ha sido definida anteriormente, sino que además
proporciona un par de torsión más uniforme y una fijación u
operación de precarga más precisa.
Tal como se muestra en las figuras 5 y 6, una
realización preferente de una pieza postiza de fijación incluye
múltiples espiras (40) que tienen paredes interiores dotadas de un
ángulo (42) y (42A). La combinación de paredes interiores dotadas
de ángulos complementarios sirve para acoplar de forma estrecha con
las roscas (18) existentes a lo largo del dispositivo de fijación
(12) tal como se muestra en las figuras 2 y 4.
En una realización altamente preferente, las
múltiples espiras también tienen paredes exteriores dotadas de
ángulos (44) y (44A) para acoplarse de forma ajustada con las roscas
de un orificio roscado y roscado (16) o una tuerca (22) dependiendo
de la aplicación. Debido a que las paredes interiores y exteriores
dotadas de ángulos se extienden, de manera típica, a lo largo de la
misma espira de la pieza postiza de fijación, una serie de espiras
tiende a tener una forma de diamante en sección transversal.
Para formar las piezas postizas de fijación
útiles en asociación con las realizaciones anteriormente descritas,
se utiliza una aleación de titanio que comprende:
- a)
- como mínimo 70% en peso de titanio;
- b)
- entre 3,2% en peso y 8,8% en peso de vanadio;
- c)
- entre 2,7% en peso y 7,0% en peso de aluminio;
- d)
- entre 4,0% en peso y 9,0% en peso de cromo;
- e)
- entre 0,02% en peso y 0,60% en peso de hierro;
- f)
- entre 0,1% en peso y 0,25% en peso de oxígeno;
- g)
- hasta 5,0% en peso de zirconio; y
- h)
- hasta 1,0% en peso total de carbono, hidrógeno y nitrógeno.
Para conformar en frío al hilo metálico a
efectos de lograr paredes interiores en ángulo a lo largo de una
serie de espiras que tengan substancialmente forma de diamante en
sección transversal, como mínimo, a lo largo de la mayor parte de
la longitud del hilo metálico, las velocidades de alimentación de
dicho hilo metálico deben ser controladas de manera cuidadosa. Por
ejemplo, las velocidades de alimentación para piezas postizas de
fijación con deslizamiento libre generalmente son aproximadamente
10-20% menores que las velocidades para realizar el
enrollamiento de hilo de acero inoxidable para impedir que la
aleación de titanio desarrolle puntos de tensión o defectos
superficiales. Si bien las piezas postizas resultantes pueden tener
dimensiones variadas, para aplicaciones industriales tales como la
fabricación aeroespacial o automotriz, a modo de ejemplo no
limitativo, las piezas postizas tendrán de manera general una
longitud entre 0,2 y 2,0 pulgadas, diámetros exteriores entre 0,2
pulgadas y 2,0 pulgadas, con proporciones de longitud a diámetro
exterior generalmente dentro del rango de 1:1 a 3:1.
Una vez que el hilo de aleación de titanio está
dotado de forma y arrollado helicoidalmente con dimensiones
apropiadas, los arrollamientos resultantes son tratados de manera
general térmicamente. Generalmente, este tratamiento térmico se
lleva a cabo en una solución con temperaturas entre
780-940ºC, por ejemplo, 50-90ºC por
encima de la temperatura de transición beta para la aleación,
durante un período de 10-60 minutos. En el caso de
que el tratamiento térmico no se lleve a cabo por inmersión dentro
de una solución, resulta preferente que dicho tratamiento térmico
sea llevado a cabo en vacío o en una atmósfera de gas de entrada de
manera de evitar la formación de un alfa que resulta de la
absorción de oxígeno. Durante el tratamiento térmico, generalmente
se mantiene la etapa beta cúbica de cuerpo centrado. A continuación,
el hilo enrollado es endurecido por envejecimiento a temperaturas
entre 450-500ºC durante 6 a 14 horas. Dicho
envejecimiento resulta en la precipitación de componentes de fase
alfa en dispersión fina.
De manera opcional, una vez que el hilo de
aleación de titanio es arrollado en forma helicoidal para formar la
pieza postiza, dicha pieza postiza puede ser sometida a un proceso
de recubrimiento por conversión electrolítica también denominado en
el presente documento como anodizado. Para llevar a cabo el proceso
de anodizado, las piezas postizas de fijación deben ser limpiadas
con un solvente no halogenado para eliminar toda la grasa, aceite,
jabón, elementos alcalinos y otros contaminantes.
Durante la limpieza, las piezas postizas son
anodizadas preferentemente por inmersión en una solución
electrolítica, que generalmente contiene iones de Ni+, en la que la
pieza postiza sirve como ánodo y el depósito del baño sirve como
cátodo. La inmersión de las piezas postizas se lleva a cabo de
manera preferente con agitación para asegurar que se eliminen todas
las burbujas de aire. Mediante el anodinado de las piezas postizas
de titanio, las piezas postizas resultantes pueden ser dotadas de
un recubrimiento electrolítico de forma más sencilla, en caso
deseado, y exhiben mejores propiedades de oxidación a altas
temperaturas y corrosión debida a la tensión o fatiga.
Las piezas postizas de fijación de aleación de
titanio resultantes de la presente invención tendrán de manera
preferente una resistencia a la tracción como mínimo de 160.000 psi
y pueden tener de forma general una resistencia a la tracción hasta
200.000 psi. Además, las piezas postizas de fijación de aleación de
titanio tendrán generalmente una dureza del orden de 35 HRC como
mínimo y un rango de dureza entre 35 y 50 HRC de forma aproximada.
Tal como será entendido por las personas especializadas en la
técnica, HRC es un estándar de dureza en la escala C de
Rockwell.
Las piezas postizas de fijación de titanio y, de
manera particular, las piezas de fijación de titanio anodizado de
la presente invención, presentan mejoras considerables en cuanto a
resistencia a la corrosión galvánica en comparación con las piezas
postizas de fijación de acero inoxidable. Para analizar las
características de corrosión galvánica, las piezas postizas de
titanio fueron instaladas dentro de bloques de prueba con
recubrimiento de conversión de aluminio 2024. Se montó un perno de
acero al carbón dentro de cada pieza postiza helicoidal de titanio.
Los bloques de aluminio montados fueron sometidos entonces a pruebas
con rocío salino (niebla) de acuerdo con ASTM B
117-97. Las pruebas fueron llevadas a cabo durante
96 y 168 horas con un volumen promedio de solución salina por 80
cm^{2} de 1,7 ml/h; una concentración promedio de solución salina
(%) de 4,9; y un pH promedio de solución salina de 6,7.
Una vez finalizadas las pruebas no se detectó
corrosión en el bloque de aluminio o las piezas postizas de
titanio. Después de finalización de las pruebas, no se observó
corrosión en el bloque de aluminio o en las piezas postizas de
titanio. Después de desmontar los pernos de acero al carbón y
seccionar los bloques de aluminio a lo largo del eje de los
orificios roscados, no se observó corrosión entre las roscas del
bloque de aluminio y las roscas de la pieza postiza de titanio. Se
observó una corrosión muy leve únicamente en la interfaz de los
pernos de acero al carbón y los bloques de aluminio, que tomó lugar
sólo durante las primeras 96 horas de prueba. Se lograron
resultados similares cuando las piezas postizas de titanio fueron
probadas en bloques de prueba de magnesio con pruebas de rocío
salino (niebla).
Tal como será entendido por las personas
especializadas en la técnica, las piezas postizas de fijación de
aleación de titanio de la presente invención producen ahorros en
peso generalmente como mínimo del 50 por ciento en comparación con
piezas postizas de fijación de acero inoxidable. Las piezas postizas
de fijación de aleación de titanio también tienen una alta
proporción de resistencia a peso que es particularmente importante
para aplicaciones en la aviación y la industria aeroespacial, a modo
de ejemplo no limitativo. Aún otra ventaja, tal como queda
demostrado por los resultados de las pruebas anteriores, se refiere
a la mejora significativa de la resistencia a la corrosión
galvánica en comparación con las piezas postizas de fijación de
acero inoxidable, habitualmente utilizadas.
Claims (10)
1. Pieza postiza de fijación, que comprende un
cuerpo en forma de hilo metálico arrollado helicoidalmente, formado
a partir de una aleación que comprende:
- a)
- como mínimo 70% en peso de titanio;
- b)
- entre 3,2% en peso y 8,8% en peso de vanadio;
- c)
- entre 2,7% en peso y 7,0% en peso de aluminio;
- d)
- entre 4,0% en peso y 9,0% en peso de cromo;
- e)
- hasta 5,0% en peso de zirconio;
- f)
- entre 0,02% en peso y 0,60% en peso de hierro;
- g)
- entre 0,1% en peso y 0,25% en peso de oxígeno; y
- h)
- hasta 1,0% en peso total de carbono, hidrógeno y nitrógeno.
2. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicho cuerpo en forma de arrollamiento
helicoidal tiene paredes interiores en
ángulo.
ángulo.
3. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicho cuerpo en forma de arrollamiento
helicoidal tiene sección transversal substancialmente en forma de
diamante.
4. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicho cuerpo en forma de arrollamiento
helicoidal tiene una espira de rosca interna de 60º.
5. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicho cuerpo en forma de arrollamiento
helicoidal incluye una lengüeta extrema desmontable de forma
selectiva.
6. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicha pieza postiza incluye como mínimo
una ranura.
7. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicha pieza postiza tiene una
resistencia a la tracción como mínimo de 160.000 psi.
8. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicha pieza postiza tiene una dureza
como mínimo de 35 HRC de forma aproximada.
9. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicho cuerpo es tratado
térmicamente.
10. Pieza postiza de fijación, según la
reivindicación 1, en la que dicha pieza postiza es anodizada para
dotar a dicho cuerpo de una capa exterior de óxido de titanio.
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