ES2944723T3

ES2944723T3 - Componente de desgaste de material compuesto y método de fabricación

Info

Publication number: ES2944723T3
Application number: ES21712870T
Authority: ES
Inventors: Stéphane Desiles; François Lepoint; Burhan Tas
Original assignee: Magotteaux International SA
Current assignee: Magotteaux International SA
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: EP3938127B1; MX2021012526A; US20220023944A1; RU2021129012A; WO2021191199A1; KR20210145251A; CN116638064A; KR102723088B1; PT3938127T; JP2022188142A; CN113784810A; DK3938127T3; MX2025008497A; CN116638065A; JP7465319B2; ZA202107498B; AU2021243493B2; CN113784810B; PH12021552659A1; JP2022536449A

Abstract

La presente invención da a conocer un componente de desgaste compuesto jerárquico que comprende un refuerzo en la parte más expuesta al desgaste, comprendiendo el refuerzo una red interconectada tridimensionalmente de gránulos de material compuesto cerámico-metal milimétricos alternados periódicamente con intersticios milimétricos, comprendiendo dichos gránulos de material compuesto cerámico-metal al menos al menos 52 % en volumen, preferiblemente al menos 61 % en volumen, más preferiblemente al menos 70 % en volumen de partículas micrométricas de carburo de titanio incrustadas en una primera matriz metálica, teniendo los gránulos de material compuesto cerámico-metal una densidad de al menos 4,8 g/cm 3, estando incrustada la red tridimensionalmente interconectada de gránulos de material compuesto cerámico-metal con sus intersticios milimétricos en la segunda matriz metálica, comprendiendo dicho refuerzo en promedio al menos 23 % en volumen, más preferiblemente al menos 28 % en volumen, lo más preferiblemente al menos 30 % en volumen % de carburo de titanio, siendo la primera matriz metálica diferente de la segunda matriz metálica, comprendiendo la segunda matriz metálica la aleación ferrosa colada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Componente de desgaste de material compuesto y método de fabricación

Campo de la invención

La presente invención hace referencia a un componente de desgaste de material compuesto jerárquico fundido que tiene una resistencia mejorada a las tensiones de desgaste/impacto. La presente invención también hace referencia al método de fabricación del componente de desgaste de material compuesto jerárquico fundido. El componente de desgaste comprende una red tridimensional de gránulos de material compuesto cerámico-metálicos milimétricos agregados con intersticios milimétricos en donde las partículas micrométricas basadas en TiC se incrustan en un aglutinante, denominado primera matriz metálica, llenándose los intersticios milimétricos con el metal fundido, denominado segunda matriz metálica en la presente invención.

Técnica anterior y problema a resolver

La presente invención hace referencia a componentes de desgaste empleados en la industria de molienda y trituración, como fábricas de cemento, canteras y minas. Estos componentes suelen estar sometidos a elevadas tensiones mecánicas en la masa y a un elevado desgaste por abrasión en las caras de trabajo. Por lo tanto, es deseable que estos componentes presenten una alta resistencia a la abrasión y cierta ductilidad para poder soportar las tensiones mecánicas, como los impactos.

Dado que estas dos propiedades son difíciles de igualar con la misma composición de material, en el pasado se han propuesto componentes compuestos con un núcleo de aleación relativamente dúctil en el que se incrustan insertos cerámicos de buena resistencia al desgaste.

El documento US 4,119,459 (Sandvik, 1977) describe un cuerpo de desgaste compuesto de hierro fundido y gránulos triturados de carburo cementado sinterizado. El carburo cementado, en un metal ligante, es del tipo WC-Co con posibles adiciones de carburos de Ti, Ta, Nb u otros metales. No se indica el porcentaje en volumen de posible TiC en los gránulos o en la parte reforzada del cuerpo.

El documento US 4.626.464 (Krupp, 1984) describe un batidor para ser instalado en un martillo que comprende un material básico de aleación metálica y una zona resistente al desgaste que contiene partículas de metal duro además de una ferroaleación, las partículas de metal duro tienen un diámetro de 0,1 a 20 mm y el porcentaje de las partículas de metal duro en la zona resistente al desgaste está comprendido entre 25 y 95 por ciento en volumen; y en el que dichas partículas duras están firmemente incrustadas dentro de dicho material básico de aleación metálica. La concentración media en volumen de posible TiC en la pieza reforzada no se describe en el presente documento.

El documento US 5,066,546 (Kennametal, 1989) describe un cuerpo jerárquico resistente al desgaste que comprende al menos una capa de una serie de material de carburo, entre los cuales carburo de titanio incrustado en una matriz de acero fundido. El material de carburo tiene un tamaño de partícula entre 4,7 y 9,5 mm en el que dicho material de carburo está en forma de piezas trituradas, polvo o cuerpos prensados que tienen una forma irregular. Este documento no revela la concentración media de TiC en la parte reforzada del cuerpo de desgaste ni la constitución de la estructura de refuerzo.

El documento US 8,999,518 B2 describe un material compuesto jerárquico que comprende una aleación ferrosa reforzada con carburo de titanio según una geometría definida, en la que dicha parte reforzada comprende una macromicroestructura alternante de áreas milimétricas que están concentradas con partículas globulares micrométricas de carburo de titanio separadas por áreas milimétricas que están esencialmente libres de partículas globulares micrométricas de carburo de titanio, estando dichas áreas rellenas por una aleación ferrosa. En esta patente, la concentración máxima de TiC es de 72,2 % en volumen cuando una mezcla en polvo de Ti y C se compacta a una densidad relativa máxima del 95 %. La porosidad de los gránulos es superior al 5 % en volumen y, en ausencia de un posible moderador de reacción, sólo está presente una matriz metálica, el metal fundido. El material compuesto jerárquico se obtiene mediante síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS), en la que se alcanzan temperaturas de reacción generalmente superiores a 1.500°C, o incluso 2.000°C. Sólo se necesita poca energía para iniciar localmente la reacción. A continuación, la reacción se propagará espontáneamente a la totalidad de la mezcla de los reactivos.

El documento CN 108380850 A describe un componente de desgaste jerárquico de material compuesto de fundición que comprende un refuerzo en la parte más expuesta al desgaste, sin embargo este documento no describe una red interconectada de gránulos de material compuesto de metal cerámico sino una pluralidad de material compuesto en forma de varilla uniformemente distribuida envuelta en una matriz metálica.

El compuesto jerárquico del presente documento se obtiene mediante la reacción en un molde de gránulos que comprenden una mezcla de polvos de carbono y titanio. T ras el inicio de la reacción, se desarrolla un frente de reacción que se propaga espontáneamente (autopropagación) y que permite obtener carburo de titanio a partir de titanio y carbono. Se dice que el carburo de titanio así obtenido se "obtiene in situ" porque no procede de la aleación ferrosa fundida. Esta reacción se inicia por el calor de fundición del hierro fundido o del acero utilizado para fundir toda la pieza y, por tanto, tanto la parte no reforzada como la reforzada. La reacción Ti+C^TiC SHS es muy exotérmica con una temperatura adiabática teórica de 3290K.

Desgraciadamente, el aumento de la temperatura provoca la desgasificación de los reactivos, es decir, de los volátiles que contienen (H²O en el carbono, H², N²en el titanio). Todas las impurezas contenidas en los polvos reactantes, componentes orgánicos o inorgánicos alrededor o dentro del polvo/granos compactados, se volatilizan. Para atenuar la intensidad de la reacción entre el carbono y el titanio, se añade polvo de una aleación ferrosa como moderador para absorber el calor y disminuir la temperatura. Sin embargo, esto también disminuye la concentración máxima de TiC obtenible en la pieza de desgaste final y la concentración teórica del 72,2 % mencionada anteriormente ya no es alcanzable en la práctica a escala de producción.

El documento WO 2010/031663A1 hace referencia a un impactador compuesto para trituradoras de percusión, dicho impactador comprende una ferroaleación que está reforzada al menos parcialmente con carburo de titanio en una forma definida según el mismo método que el documento US 8,999,518 B2 descrito anteriormente. Para atenuar la intensidad de la reacción entre el carbono y el titanio, se añade polvo de aleación ferrosa. En un ejemplo del presente documento, las zonas reforzadas comprenden un porcentaje global en volumen de aproximadamente el 30 % de TiC. Para ello, se obtiene por compactación una banda de 85 % de densidad relativa. Tras la trituración de la banda, los gránulos obtenidos se tamizan para alcanzar una dimensión comprendida entre 1 y 5 mm, preferiblemente entre 1,5 y 4 mm. Se obtiene una densidad aparente del orden de 2g/cm3 (45 % de espacio entre los gránulos 15 % de porosidad en los gránulos). Los gránulos de la pieza de desgaste a reforzar comprenden así un 55 % en volumen de gránulos porosos. En tal caso, la concentración de TiC en la zona reforzada es sólo del 30 %, lo que no siempre es suficiente y puede tener un impacto negativo en el rendimiento de desgaste de la pieza fundida, en particular con granos de elevada porosidad antes de la reacción SHS.

El documento US 2018/0369905A1 describe un método que proporciona un control más preciso del proceso de SHS durante la fundición mediante el uso de un moderador. Los insertos de fundición se fabrican a partir de una mezcla de polvo que comprende los reactivos de formación de TiC y un moderador que tiene la composición de acero fundido de alto manganeso que contiene un 21 % de Mn.

Objetivos de la invención

La presente invención tiene por objeto proporcionar un componente de desgaste compuesto jerárquico fundido que comprende una matriz metálica de hierro fundido o acero, integrando una estructura reforzada con una alta concentración de partículas micrométricas de carburo de titanio embebidas en un aglutinante metálico (primera matriz metálica) formando gránulos compuestos cerámico-metálicos de baja porosidad. La primera matriz metálica que incluye las partículas micrométricas de carburo de titanio de la parte reforzada es diferente de la matriz metálica presente en el resto del componente de desgaste compuesto.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso seguro de fabricación de piezas de desgaste de material compuesto reforzado, evitando la liberación de gases, proporcionando un componente de desgaste de material compuesto mejorado, con una buena resistencia a los impactos y a la corrosión.

Resumen de la invención

El alcance de la presente invención está definido por las reivindicaciones independientes 1 y 4, y otras realizaciones de la invención se especifican en las reivindicaciones dependientes 2, 3, 5 y 6.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra el anillo del yunque de una fresadora en la que se realizaron las pruebas para la presente invención.

La figura 2 representa un yunque individual del anillo de yunques de la figura 1.

La figura 3 representa un yunque individual desgastado.

La figura 4 es una representación esquemática de la colocación de la estructura de refuerzo en la parte más expuesta al desgaste del yunque individual.

La figura 5 representa una vista global de la estructura de refuerzo definida como la red interconectada tridimensionalmente de gránulos milimétricos de material compuesto cerámico-metálico alternados periódicamente con intersticios milimétricos.

Las figuras 6 y 7 representan una vista ampliada de la estructura de refuerzo de la figura 5.

La figura 8 representa una vista en sección del componente de desgaste fundido con la inclusión milimétrica de gránulos de material compuesto cerámico-metálico con intersticios (huecos) rellenados por la segunda matriz metálica (la matriz metálica fundida).

La figura 9 representa partículas esferoidales microscópicas de TiC incrustadas en la primera matriz metálica, el aglutinante de las partículas de TiC. La imagen es una gran ampliación de un único grano de compuesto cerámico-metálico representado en la figura 8.

La figura 10 es una representación esquemática del concepto de la presente invención basado en una diferencia de escala entre las partículas micrométricas de TiC incrustadas en una primera matriz metálica que forma gránulos milimétricos de compuesto cerámico-metálico integrados en forma de red tridimensional en la parte reforzada del componente de desgaste.

La figura 11 es una representación de un corte transversal de una muestra que comprende gránulos, corte transversal que se utiliza en el método para obtener la granulometría media de los gránulos cerámicometálicos (como se explica más adelante).

La figura 12 es una representación esquemática del método para medir el diámetro Feret (con los diámetros Feret mínimo y máximo). Estos diámetros de Feret se utilizan en el método para obtener el tamaño de partícula medio del gránulo cerámico-metálico (como se explica a continuación).

Descripción de las realizaciones preferidas de la invención

La presente invención hace referencia a un componente de desgaste de material compuesto jerárquico fundido. Consiste en una matriz metálica que comprende una estructura de refuerzo particular que comprende gránulos de material compuesto cerámico-metálico irregulares densos (baja porosidad < 2 % en volumen) con un tamaño medio milimétrico de 0,5 a 10 mm, preferiblemente de 0,8 a 6 mm, más preferiblemente de 1 a 4 mm, incluso más preferiblemente de 1 a 3 mm.

Los materiales compuestos cerámica-metal están formados por partículas cerámicas unidas por un aglutinante metálico, denominado en la presente invención primera matriz metálica. Para aplicaciones de desgaste, la cerámica proporciona la alta resistencia al desgaste mientras que el metal mejora, entre otras propiedades, la tenacidad. Los compuestos cerámico-metálicos de TiC comprenden partículas esferoidales micrométricas de carburo de titanio (52 a 95 % en volumen de los gránulos, preferiblemente 61 a 90 % en volumen, más preferiblemente 70 a 90 % en volumen, tamaño de 0,1 a 50μm, preferiblemente 0,5 a 20μm, más preferiblemente 1 a 10μm) unidas por una fase metálica (primera matriz metálica) que puede ser, por ejemplo, a base de Fe, Ni o Mo. Una aleación ferrosa, preferiblemente hierro fundido al cromo o acero (segunda matriz metálica), se funde en el molde y se infiltra únicamente en los intersticios de dicha estructura de refuerzo.

En la presente invención, la expresión TiC no debe entenderse en un sentido químico estequiométrico estricto, sino como carburo de titanio en su estructura cristalográfica. El carburo de titanio posee un amplio rango de composición con una estequiometría C/Ti que varía de 0,47 a 1, siendo preferible una estequiometría C/Ti superior a 0,8.

El contenido volumétrico de gránulos de material compuesto cerámico-metálico en el inserto que forma el volumen reforzado de la pieza de desgaste (excluidas las partes huecas o rebajes, en su caso) suele estar comprendido entre 45 y 65 % en volumen, preferiblemente entre 50 y 60 % en volumen, lo que da lugar a concentraciones medias de TiC en el volumen reforzado comprendidas entre 23 y 62 % en volumen, preferiblemente entre 28 y 60 % en volumen, más preferiblemente entre 30 y 55 % en volumen.

La parte reforzada jerárquica del componente de desgaste se produce a partir de una agregación de gránulos milimétricos irregulares de material compuesto cerámico-metálico que tienen un tamaño medio de aproximadamente 0,5 a 10 mm, preferiblemente de 0,8 a 6 mm, más preferiblemente de 1 a 4 mm, incluso más preferiblemente de 1 a 3 mm.

Los gránulos de material compuesto cerámico-metálico se agregan preferiblemente en una forma tridimensional deseada con un adhesivo (inorgánico como las conocidas colas inorgánicas de vidrio de silicato sódico (o potásico) o colas orgánicas como resinas de poliuretano o fenólicas) o dentro de un contenedor o detrás de una barrera (normalmente metálica pero dicho contenedor o barrera también podría ser de naturaleza cerámica, inorgánica en general u orgánica). Esta forma deseada constituye una estructura abierta formada por una red interconectada tridimensionalmente de gránulos compuestos cerámico-metálicos aglomerados / agregados unidos por un aglutinante o mantenidos en su forma por un contenedor o barrera, en la que el empaquetamiento de los gránulos deja intersticios milimétricos abiertos entre los gránulos, siendo los intersticios milimétricos rellenables por un metal fundido líquido. Este aglomerado se coloca o sitúa en un molde antes del vertido de la aleación ferrosa para formar la parte reforzada del componente de desgaste. El metal líquido se vierte entonces en el molde y el metal líquido rellena los intersticios abiertos entre los gránulos. Por intersticios milimétricos debe entenderse intersticios de 0,1 a 5 mm, preferiblemente de 0,5 a 3 mm, dependiendo de la compactación de la estructura de refuerzo y del tamaño de los gránulos.

Los gránulos compuestos de cerámica y metal suelen fabricarse de forma convencional, por pulvimetalurgia, dando forma a una mezcla de polvos cerámicos y metálicos de distribución de tamaño adecuada, seguida de una sinterización en fase líquida.

Típicamente, los polvos tienen un diámetro de 0,1 - 50gm y comprenden TiC como componente principal y de 5 a 48 por ciento de un aglutinante metálico que puede ser un polvo constituyente individual o polvos ya aleados (primera matriz metálica). Los polvos se mezclan y/o trituran primero (en función del tamaño inicial del polvo) en un molino de bolas, por vía húmeda (con alcohol para evitar la oxidación del polvo metálico, por ejemplo). Pueden añadirse algunos coadyuvantes orgánicos con fines de dispersión o de ayuda a la conformación. Es necesario un paso de secado. Esto puede hacerse, por ejemplo, mediante secado al vacío o secado por pulverización. La conformación se realiza normalmente mediante prensado isostático uniaxial en frío o moldeo por inyección o cualquier otro método de conformación para formar una tira, una varilla o una lámina.

Las tiras de chapas, por ejemplo, pueden triturarse hasta obtener gránulos y, en su caso, tamizarse. Puede ser una ventaja conseguir formas de gránulos irregulares sin una orientación fácil de arrancar (gránulos muy bien retenidos mecánicamente en el metal fundido). A continuación, los gránulos prensados, extruidos o triturados se sinterizan a una temperatura adecuada bajo vacío bajo o alto vacío, gas inerte, hidrógeno o combinaciones de los mismos. Durante la sinterización en fase líquida, se produce una reorganización de las partículas, impulsada por las fuerzas de capilaridad.

La aleación fundida (segunda matriz metálica) que recubre los gránulos de material compuesto cerámico-metálico de la pieza de desgaste es preferiblemente una aleación férrica (hierro blanco al cromo, acero, acero al manganeso...) o una aleación de níquel o molibdeno. Esta aleación puede elegirse para conseguir propiedades localmente optimizadas en función de la solicitud final en la pieza de desgaste (por ejemplo, el acero al manganeso proporcionará una alta resistencia al impacto, el hierro blanco con alto contenido en cromo proporcionará una mayor resistencia al desgaste, la aleación de níquel proporcionará una mayor resistencia al calor y a la corrosión, etc.).

Ventajas

La presente invención permite obtener, dentro de una colada convencional, una concentración de partículas de TiC que puede ser muy elevada en los gránulos de material compuesto cerámico-metálico (52 a 95 % en volumen), sin riesgo de defectos dentro de la estructura de la colada (agujeros de gas, grietas, heterogeneidades...) ni de reacciones y proyecciones incontroladas y peligrosas en cuanto a la formación in situ de TiC en una reacción exotérmica autopropagada (SHS, véase más arriba).

En la presente invención, se pueden alcanzar buenas concentraciones medias de TiC en el volumen reforzado de la pieza de desgaste, gracias a la baja porosidad de los gránulos de material compuesto cerámico-metálico. En función de la compactación/apilamiento de los gránulos de material compuesto cerámico-metálico en el volumen reforzado, pueden alcanzarse valores de hasta aproximadamente 62 % en volumen.

El componente de desgaste jerárquico de la presente invención está libre, en esencia, de porosidad y grietas, lo que resulta en mejores propiedades mecánicas y de desgaste.

El tamaño de las partículas de carburo de titanio y de los gránulos compuestos de cerámica y metal (TiC aglutinante) de la presente invención puede controlarse ampliamente durante el proceso de fabricación (elección de las materias primas, molienda, proceso de conformado y condiciones de sinterización). El uso de gránulos compuestos cerámicometálicos milimétricos sinterizados a base de TiC, fabricados mediante la conocida pulvimetalurgia, permite controlar el tamaño de grano y la porosidad, utilizar diversas composiciones de aleaciones metálicas como primera matriz metálica, una elevada concentración de TiC, dar forma fácilmente a las plaquitas sin gran necesidad de mano de obra, y una buena salud interna de los granos tras el vertido incluso en condiciones de alto choque térmico.

Fabricación de los gránulos compuestos de cerámica y metal:

La molienda y/o la mezcla del polvo inorgánico de TiC (52 a 95 % en volumen, preferiblemente 61 a 90 % en volumen, más preferiblemente 70 a 90 % en volumen) y los polvos metálicos como primera matriz metálica (5 a 48 % en volumen, preferiblemente 10 a 39 % en volumen, más preferiblemente 10 a 30 % en volumen) se realiza, como se ha mencionado anteriormente, en un molino de bolas con un líquido que puede ser agua o alcohol, en función de la sensibilidad del aglutinante metálico a la oxidación. También pueden añadirse diversos aditivos (antioxidante, dispersante, aglutinante, plastificante, lubricante, cera para prensado,...) con diversos fines.

Una vez alcanzado el tamaño de partícula medio deseado, inferior a 10 gm (preferiblemente inferior a 5gm), la suspensión se seca (mediante secado al vacío o secado por pulverización) para conseguir aglomerados de polvo que contengan los auxiliares orgánicos.

El polvo aglomerado se introduce en un aparato de granulación a través de una tolva. Esta máquina consta de dos rodillos sometidos a presión, a través de los cuales se hace pasar el polvo y se compacta. A la salida, se obtiene una banda continua (lámina) de material comprimido que se tritura para obtener los gránulos de material compuesto cerámico-metálico. A continuación, estos gránulos se tamizan hasta obtener la granulometría deseada. Las fracciones granulométricas no deseadas se reciclan a voluntad. Los gránulos obtenidos tienen generalmente una densidad relativa del 40 al 70 % (dependiendo del nivel de compactación de las características del polvo y de la composición de la mezcla).

También es posible ajustar la distribución del tamaño de los gránulos, así como su forma, a una forma más o menos cúbica o plana en función del método de trituración (la trituración por impacto proporcionará gránulos más cúbicos, mientras que la trituración por compresión dará gránulos más planos). Los gránulos obtenidos tienen globalmente un tamaño que proporcionará, tras la sinterización, gránulos de entre 0,5 y 10 mm, preferiblemente de 0,8 a 6 mm, más preferiblemente de 1 a 4 mm, aún más preferiblemente de 1 a 3 mm. Los gránulos también pueden obtenerse por prensado clásico, uniaxial o granulación de la mezcla de polvos directamente como granos o en partes mucho más grandes que se triturarán posteriormente en gránulos, antes o después de la sinterización.

Por último, la sinterización en fase líquida puede realizarse en un horno a una temperatura de 1000-1600°C durante varios minutos u horas, en vacío, N², Ar, H²o mezclas, dependiendo de la fase metálica (tipo y cantidad de aglutinante) hasta alcanzar la porosidad deseada inferior al 2 % en volumen.

Realización de la estructura tridim ensional de refuerzo (núcleo)

Como ya se ha mencionado, los gránulos de material compuesto cerámico-metálico se aglomeran bien mediante un adhesivo, bien confinándolos en un recipiente o por cualquier otro medio. La proporción del adhesivo no supera el 10 % en peso con respecto al peso total de los gránulos y se sitúa preferiblemente entre el 2 y el 7 % en peso. Este adhesivo puede ser inorgánico u orgánico. Puede utilizarse un adhesivo a base de silicato sódico o potásico o un adhesivo a base de poliuretano o resina fenólica.

Los gránulos de material compuesto cerámico-metálico de baja porosidad se mezclan con un adhesivo, normalmente una cola de silicato inorgánico, y se colocan en un molde (por ejemplo de silicona) de la forma deseada. Tras el fraguado del pegamento (obtenido a 100°C tras el secado con agua del pegamento de silicato inorgánico, por ejemplo, el fraguado del pegamento también podría obtenerse mediante gasificación con CO²o gas a base de amina para el pegamento a base de poliuretano, por ejemplo), el núcleo se endurece y puede desmoldarse. Dependiendo de la forma de los gránulos, la distribución de tamaños, la vibración durante la colocación de los gránulos o el golpeteo del lecho de gránulos mientras se fabrica el núcleo, éste suele estar compuesto por un 30 a 70 % en volumen, preferiblemente un 40 a 60 % en volumen de gránulos densos y un 70 a 30 % en volumen, preferiblemente un 60 a 40 % en volumen de huecos (intersticios milimétricos) en una red 3D interconectada.

Fundición de la pieza de desgaste

El núcleo (estructura tridimensional de refuerzo) se coloca y fija con tornillos o cualquier otro medio disponible en la parte del molde de la pieza de desgaste que se desea reforzar. A continuación, se vierte en el molde una aleación ferrosa líquida caliente, preferiblemente hierro blanco al cromo o acero.

De este modo, la aleación ferrosa líquida y caliente sólo rellena los intersticios milimétricos entre los gránulos del núcleo. Si se utiliza un pegamento inorgánico, la fusión limitada del aglutinante metálico (primera matriz metálica) en la superficie del gránulo induce una unión muy fuerte entre los gránulos y la segunda aleación matriz. Si se utiliza un pegamento orgánico compuesto por silicato sódico, la unión metálica es limitada, pero aún puede producirse en las superficies de los gránulos que no están cubiertas por el pegamento.

Contrariamente al estado de la técnica, no se produce ninguna reacción (reacción exotérmica o desprendimiento de gas) ni contracción (contracción del volumen del 24 % para la reacción Ti+C^TiC) durante el vertido, y el metal fundido se infiltrará en los intersticios (espacios milimétricos entre los gránulos) pero no se infiltrará en los gránulos compuestos de cerámica y metal, ya que no son porosos.

Métodos de medición

Para medir la porosidad, los gránulos o el tamaño de las partículas, se prepara una muestra para el examen metalográfico que no presente marcas de esmerilado ni pulido. Debe tenerse cuidado para evitar el desgarro de partículas que puede conducir a una evaluación errónea de la porosidad. Las directrices para la preparación de la muestra pueden encontrarse en ISO 4499-1:2020 e ISO 4499-3:2016, 8.1 y 8.2.

Determinación de la porosidad:

La fracción volumétrica de porosidad de los gránulos libres puede calcularse a partir de la densidad medida y de la densidad teórica de los gránulos.

La fracción volumétrica de porosidad del gránulo incrustado en la matriz metálica se mide de acuerdo con la norma ISO 13383-2:2012. Aunque esta norma se aplica específicamente a la cerámica fina, el método descrito para medir la fracción volumétrica de porosidad también puede aplicarse a otros materiales. Dado que las muestras no son cerámicas finas puras, sino compuestos de metales duros, la preparación de las muestras debe realizarse de acuerdo con las normas ISO 4499-1:2020 e ISO 4499-3:2016, 8.1 y 8.2. El grabado no es necesario para la medición de la porosidad, pero puede realizarse de todos modos, ya que no cambiará el resultado de la medición.

Tamaño medio de las partículas de carburo de titanio:

El tamaño medio de las partículas de carburo de titanio incrustadas se calcula mediante el método de intersección lineal con arreglo a la norma ISO 4499-3:2016. Se toman cinco imágenes de la microestructura de cinco gránulos diferentes con un microscopio óptico o electrónico a un aumento conocido, de forma que haya de 10 a 20 partículas de carburo de titanio en todo el campo de visión. Se trazan cuatro líneas de intersección lineal a través de cada imagen calibrada de manera que ninguna partícula individual sea atravesada más de una vez por una línea.

Cuando una línea intercepta una partícula de carburo de titanio, la longitud de la línea (li) se mide utilizando una regla calibrada (donde i = 1,2,3...n para los granos 1°, 2°, 3°, ..., enésimo). Las partículas incompletas que tocan los bordes de la imagen deben ignorarse. Deben contarse al menos 200 partículas.

El tamaño medio-lineal-intercepto de las partículas se define como:

Granulometría media de los gránulos cerámico-metálicos:

Se realiza una panorámica fotomicrográfica, de forma que haya al menos 250 gránulos cerámico-metálicos en todo el campo de visión, de la sección transversal pulida de la muestra, mediante stitching (el proceso de combinar una serie de imágenes digitales de diferentes partes de un sujeto en una panorámica de todo el sujeto que conserve una buena definición) utilizando un programa informático y un microscopio óptico (por ejemplo, una panorámica de campo de imagen general obtenida por un Alicona Infinite Focus). Una umbralización adecuada permite segmentar la imagen en escala de grises en rasgos de interés (los gránulos) y fondo (véase la figura 11). Si el umbral no es homogéneo debido a la mala calidad de la imagen, se utiliza una etapa manual que consiste en dibujar a mano los gránulos, la barra de escala, si existe, y el borde de la imagen en un papel de calco y, a continuación, escanear el papel de calco.

El diámetro Feret, que es la distancia entre dos tangentes colocadas perpendicularmente a la dirección de medición, se mide en todas las direcciones para cada gránulo mediante un programa informático de análisis de imágenes (por ejemplo, imágenes). En la Figura 12 se muestra un ejemplo.

Se determina el diámetro Feret mínimo y máximo de cada gránulo de la imagen. El diámetro Feret mínimo es el diámetro Feret más corto del conjunto de diámetros Feret medidos. El diámetro Feret máximo es el diámetro Feret más largo del conjunto de diámetros Feret medidos. Los gránulos que tocan los bordes de la imagen se deben ignorar. El valor medio de los diámetros Feret mínimo y máximo de cada gránulo se toma como el diámetro equivalente x. A continuación se calcula la distribución volumétrica qs(x) de los gránulos a partir de esferas de diámetro x. D⁵⁰de los gránulos debe entenderse como el tamaño medio ponderado por volumen x1,3 según la norma ISO 9276-2:2014.

Tamaño de partícula medio de los gránulos cerámico-metálicos durante la fabricación de los gránulos:

El tamaño de los gránulos se mide mediante análisis dinámico de imágenes de acuerdo con la norma ISO 13322-2:2006 con la ayuda de un Camsizer de Retsch. El diámetro de las partículas utilizado para la distribución del tamaño es Xc min , que es la cuerda más corta medida en el conjunto de cuerdas máximas de una proyección de partículas (para un resultado próximo al cribado/tamizado).

Gránulo d⁵⁰es el tamaño medio ponderado por volumen de la distribución de volumen basada en Xc min .

Medición del tamaño de las partículas del polvo durante la molienda:

El tamaño de partícula del polvo durante la molienda se mide por difracción láser con la teoría MIE según las directrices dadas en ISO 13320:2020 por medio de un Mastersizer 2000 de Malvern. El índice de refracción para el TiC se fija en 3 y la absorción en 1. El oscurecimiento debe situarse entre el 10 y el 15 % y el residuo ponderado debe ser inferior al 1 %.

Medición de la densidad de los gránulos sinterizados:

La determinación de la densidad de los gránulos sinterizados se realiza con agua según la norma ISO 3369:2006. Para gránulos sin porosidad abierta, también puede utilizarse un picnómetro de desplazamiento de gas (como el AccuPyc II 1345 Pycnometer de Micromeritics), que da, en esencia, el mismo valor de densidad.

Reducción a la práctica - pieza de desgaste del yunque

Las piezas de desgaste del yunque utilizadas en un impactador de eje vertical se han realizado de acuerdo con la invención. El volumen reforzado de las piezas de desgaste comprende diferentes porcentajes medios en volumen de TiC, desde aproximadamente 30 hasta 50 % en volumen.

Se compararon con una pieza de desgaste fabricada según el US 8,999,518 B2, ejemplo 4 del inventor (con un porcentaje de volumen global de TiC de aproximadamente 32 % en volumen en el volumen reforzado).

La razón de esta comparación es que el ejemplo 4 es una composición típica "in situ" (Ti C y moderador en una reacción autopropagada) que puede gestionarse con cuidado en las plantas a pesar de que sigue creando muchas llamas, gases y proyección de metal líquido caliente durante el vertido.

Ejemplos

Preparación de gránulos:

Se utilizaron las siguientes materias primas para 3 tipos diferentes de gránulos compuestos de cerámica y metal:

• Polvo de TiC de menos de 325 mallas

• Polvo de hierro de menos de 325 mesh

• Manganeso en polvo inferior a 325 mesh

• Níquel en polvo inferior a 325 mesh

Tabla 1

Los polvos según las composiciones de la tabla 1 se han mezclado y molido en un molino de bolas con alcohol y bolas metálicas durante 24h hasta alcanzar un tamaño de partícula medio de 3 gm.

Se añade un aglutinante de cera orgánica, 4 % en peso de polvo, y se mezcla con el polvo. El alcohol se elimina mediante un secador de vacío con cuchillas giratorias (el alcohol se condensa para ser reutilizado). A continuación, el polvo aglomerado obtenido se tamiza a través de un tamiz de 100 gm. Se fabrican tiras del 60 % de la densidad teórica de las mezclas de polvo inorgánico/metálico mediante compactación entre los rodillos giratorios de un granulador compactador de rodillos. A continuación, las tiras se trituran hasta obtener gránulos irregulares haciéndolas pasar por un tamiz con el tamaño de malla adecuado. Tras la trituración, los gránulos se tamizan con el fin de obtener una dimensión comprendida entre 1,4 y 4 mm. A continuación, estos gránulos irregulares porosos se sinterizan a alta temperatura (1000-1600°C durante varios minutos u horas) en un horno de vacío con baja presión parcial de argón hasta alcanzar una porosidad mínima (< 2 % en volumen) y una densidad superior a 5g/cm3.

Los gránulos sinterizados con baja porosidad < 2 % en volumen se mezclan a continuación con aproximadamente un 4 % en peso de un pegamento de silicato inorgánico y se vierten en un molde de silicona (pueden aplicarse vibraciones para facilitar el empaquetado y asegurarse de que todos los gránulos están correctamente empaquetados) de la forma deseada de 100x30x150 mm. Tras secarse a 100 °C durante varias horas en una estufa para eliminar el agua de la cola de silicato, los núcleos están suficientemente duros y se pueden desmoldar.

Estos núcleos, como se representa en la FIG. 5, comprenden aproximadamente 55 % en volumen de gránulos densos (45 % en volumen de vacíos/intersticios milimétricos entre los gránulos). Cada núcleo/estructura tridimensional de refuerzo se coloca en los moldes en la parte de las piezas de desgaste a reforzar (como se representa en la FIG. 4). A continuación, se vierte en los moldes hierro blanco caliente líquido de alto contenido en cromo. De este modo, el hierro blanco caliente y líquido con alto contenido de cromo rellena aproximadamente el 45 % de los intersticios milimétricos entre los gránulos del núcleo. Tras el vertido, en la parte reforzada, se obtiene un 55 % en volumen de zonas con una alta concentración de aproximadamente 57 % en volumen a 90 % en volumen de partículas de carburo de titanio unidas por una fase metálica diferente (primera matriz metálica) que en el resto de la pieza de desgaste, donde está presente la aleación fundida (segunda matriz metálica). El contenido global en volumen de TiC en la macromicroestructura reforzada de la pieza de desgaste varía en los ejemplos 1 a 3 de aproximadamente 32 a 50 % en volumen, pero pueden alcanzarse valores incluso superiores.

Comparación con el estado de la técnica

Las piezas de desgaste según la invención se comparan con la pieza de desgaste obtenida de forma análoga al ejemplo 4 del documento US 8,999,518 B2.

El anillo del yunque de la fresadora en la que se realizaron estas pruebas se ilustra en la FIG. 1.

En esta máquina, el inventor colocó alternativamente un yunque que comprendía un inserto (como se representa en las FIG. 2 y 3) según la presente invención rodeado a ambos lados por un yunque reforzado según el estado de la técnica US 8,999,518 B2, ejemplo 4 para evaluar el desgaste bajo exactamente las mismas condiciones.

El material a triturar se proyecta a gran velocidad sobre la cara de trabajo de los yunques (en la FIG. 2). Durante la trituración, la cara de trabajo se desgasta. El yunque desgastado se representa en la FIG. 3.

Para cada yunque, la pérdida de peso se mide pesando cada yunque antes y después de su uso.

pérdida de peso = (peso final - peso inicial) / peso inicial

A continuación se define un índice de rendimiento, siendo la pérdida de peso de referencia la pérdida de peso media del yunque US 8.999.518 B2, ejemplo 4, a cada lado del yunque de prueba.

PI = pérdida de peso de referencia / pérdida de peso del yunque de prueba

Un índice de rendimiento superior a 1 significa que el yunque de prueba está menos desgastado que la referencia, e inferior a 1 significa que el yunque de prueba está más desgastado que la referencia.

• Índice de rendimiento (PI) del yunque reforzado según el ejemplo 1 de la presente invención (granos de material compuesto cerámico-metálico que contienen un 57 % en volumen por (45 % en peso) de carburo de titanio): 1,05 (el mayor rendimiento de los granos de material compuesto cerámico-metálico con un contenido en volumen local cercano al US 8.999.518 B2, ejemplo 4 puede explicarse por los menores defectos como grietas y porosidad en la pieza)

• Índice de rendimiento (PI) del yunque reforzado según el ejemplo 2 de la presente invención (granos de material compuesto cerámico-metálico que contienen 75 % en volumen (65 % en peso) de carburo de titanio): 1,16

• Índice de rendimiento (PI) del yunque reforzado según el ejemplo 3 de la presente invención (granos de material compuesto cerámico-metálico que contienen 90 % en volumen (85 % en peso) de carburo de titanio): 1,24

Tabla 2

Densidad del compuesto en función de la porosidad y la densidad de los compuestos (carburo de titanio y aleaciones)

A continuación se presentan dos tablas con la densidad del compuesto en función del % en volumen de TiC y del % en volumen de porosidad (para las aleaciones a base de hierro y níquel).

Tabla 3

Tabla 4

Tabla 5

Ventajas de la presente invención

La presente invención presenta las siguientes ventajas en comparación con el estado de la técnica en general:

• Mejor resistencia al desgaste gracias a un mayor % de TiC en los gránulos (imposible de conseguir en la práctica con las tecnologías SHS actuales).

• Mejora del rendimiento frente al desgaste o de las propiedades mecánicas de la pieza de desgaste mediante la adaptación del tamaño y el contenido en volumen del carburo de titanio y el uso de un aglutinante de fase metálica (primera matriz metálica) como, por ejemplo, acero al manganeso de altas propiedades mecánicas en los gránulos de compuesto cerámico-metálico de TiC combinados con la aleación fundida (segunda matriz metálica) como, por ejemplo, hierro blanco con alto contenido en cromo para la pieza de desgaste, siendo la primera matriz metálica diferente de la segunda matriz metálica.

• Mejor comportamiento ante el desgaste o propiedades mecánicas de la pieza de desgaste debido a una menor porosidad y/o menores defectos de fisuración, ya que no se genera gas durante el vertido y la dispersión de TiC es homogénea.

• Mayor seguridad durante la fabricación, ya que no se producirá ninguna reacción exotérmica peligrosa con desprendimiento de gases inflamables ni proyección de metal líquido fundido durante el vertido.

• Mayor seguridad durante la fabricación gracias a la manipulación de materias primas menos peligrosas para fabricar los gránulos (el polvo de Fe es un polvo menos expuesto que el Ti, que es un polvo muy expuesto).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Componente de desgaste de fundición de material compuesto jerárquico que comprende un refuerzo en la parte más expuesta al desgaste, el refuerzo comprende una red interconectada tridimensionalmente de gránulos milimétricos de material compuesto cerámico-metálico alternados periódicamente con intersticios milimétricos, dichos gránulos de material compuesto cerámico-metálico comprenden al menos un 52 % en volumen, preferiblemente al menos un 61 % en volumen, más preferiblemente al menos un 70 % en volumen de partículas micrométricas de carburo de titanio incrustadas en una primera matriz metálica, los gránulos de material compuesto cerámico-metálico tienen una densidad de al menos 4,8 g/cm3 y una porosidad del gránulo inferior a 2 % en volumen, midiéndose la fracción volumétrica de porosidad del gránulo embebido en la primera matriz metálica según la norma ISO 13383-2:2012, estando la red tridimensionalmente interconectada de gránulos de material compuesto cerámico-metálico con sus intersticios milimétricos embebida en la segunda matriz metálica, teniendo los gránulos de material compuesto cerámico-metálico embebidos un tamaño de partícula medio d50 comprendido entre 0.5 y 10 mm, preferiblemente 1 y 5 mm, midiéndose el tamaño medio de las partículas mediante la realización de una vista panorámica fotomicrográfica, de tal manera que haya al menos 250 gránulos cerámico-metálicos en todo el campo de visión de la sección transversal pulida de la muestra, mediante cosido utilizando un programa informático y un microscopio óptico en el que una umbralización adecuada permita una segmentación de los gránulos en la imagen en escala de grises y en el fondo, dicho refuerzo comprende en promedio al menos 23 % en volumen, más preferiblemente al menos 28 % en volumen, más preferiblemente al menos 30 % en volumen de carburo de titanio, siendo la primera matriz metálica diferente de la segunda matriz metálica, comprendiendo la segunda matriz metálica la aleación de fundición ferrosa.

2. Componente de desgaste de fundición compuesto jerárquico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las partículas de carburo de titanio embebidas tienen un tamaño de partícula medio d50 comprendido entre 0,1 y 50 gm, preferiblemente entre 1 y 20 gm, calculándose el tamaño de partícula medio de las partículas de carburo de titanio embebidas por el método de intersección lineal según la norma ISO 4499-3:2016.

3. Componente de desgaste de fundición compuesto jerárquico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la segunda matriz metálica comprende hierro blanco al cromo, acero, acero al manganeso, una aleación de níquel o molibdeno.

4. Método de fabricación del componente de desgaste fundido de material compuesto jerárquico según las reivindicaciones 1 a 3 que comprende las etapas de:

- composiciones de polvo de molienda que comprenden TiC y la primera matriz metálica en presencia de un disolvente; - mezclando de 1 a 10 %, preferiblemente de 1 a 6 % de cera a la composición en polvo;

- eliminar el disolvente por secado para obtener un polvo aglomerado;

- compactar el polvo aglomerado en tiras, láminas o barras;

- triturar las tiras, láminas o barras hasta obtener gránulos con un tamaño de partícula medio d50 comprendido entre 0,5 y 10 mm, midiéndose el tamaño del gránulo mediante análisis dinámico de imagen conforme a la norma ISO 13322-2:2006;

- sinterizar a una temperatura comprendida entre 1000-1600°C en un horno al vacío o en atmósfera inerte hasta alcanzar una densidad de al menos 4,8 g/cm3 y una porosidad del gránulo inferior a 2 % en volumen;

- mezclar los gránulos compuestos de cerámica y metal obtenidos con 1 a 8 % en peso, preferiblemente 2 a 6 % en peso de cola;

- verter y compactar la mezcla en un primer molde;

- secar la mezcla a temperatura y tiempo adecuados para eliminar el disolvente de la cola o permitir el endurecimiento; - desmoldear la mezcla secada y obtención de la red tridimensionalmente interconectada de gránulos milimétricos de material compuesto cerámico-metálico alternados periódicamente con intersticios milimétricos, que se utilizará como refuerzo en la parte expuesta al desgaste del componente de desgaste jerárquico;

- colocar la red interconectada tridimensionalmente de gránulos milimétricos de material compuesto cerámico-metálico alternados periódicamente con intersticios milimétricos en la parte del volumen del molde del componente de desgaste fundido de material compuesto jerárquico que se va a fundir;

- verter una segunda matriz metálica en un segundo molde, el molde de la pieza de desgaste fundida, e infiltrar simultáneamente los intersticios milimétricos de la red interconectada tridimensionalmente;

- desmoldear el componente de desgaste de fundición compuesto jerárquico.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la etapa de molienda de las composiciones de polvo que comprenden TiC y la primera matriz metálica en presencia de un disolvente se realiza hasta que se obtiene un tamaño de partícula medio d50 entre 1 y 20gm, preferiblemente entre 1 y 10gm, midiéndose el tamaño de partícula del polvo por difracción láser con la teoría MIE según las directrices dadas en la norma ISO 13320:2020 en la que el índice de refracción para TiC se fija en 3, la absorción en 1 y el oscurecimiento en el intervalo de 10 a 15 % y el residuo ponderado es inferior al 1 %.

6. Método según las reivindicaciones 4 o 5, en el que los gránulos triturados a partir de tiras, láminas o barras tienen un tamaño de partícula medio d50 comprendido entre 1 y 5 mm.