BR112021021597B1 - Material compósito à base de ligas, fabricado em situ, reforçado com carboneto de tungstênio e métodos de sua produção - Google Patents

Abstract

MATERIAL COMPÓSITO À BASE DE LIGAS, FABRICADO EM SITU, REFORÇADO COM CARBONETO DE TUNGSTÊNIO E MÉTODOS DE SUA PRODUÇÃO. A invenção está relacionada a um material compósito à base de ligas produzidas in situ, especialmente ligas à base de ferro, reforçadas com carboneto de tungstênio na forma de cristais e/ou partículas, que pode ser distinguido pelo fato de que a microestrutura do material compósito dentro da camada compósita e/ou da zona compósita compreende cristais facetados (6) e/ou partículas facetadas de carboneto de tungstênio que proveem distribuição macroscópica e microscópica uniforme, em que os cristais (6) e/ou partículas de carboneto de tungstênio incluem áreas (7) irregulares e/ou redondas e/ou e/ou nano ovais e/ou micro preenchidas com liga à base de metal. A invenção também está relacionada a composições de pós usadas para produção do material compósito e métodos de sua produção, bem como para fundir elemento de trabalho feito de tais materiais compósitos ou usando o referido método.

Description

[001] A invenção se refere a um material compósito à base de ligas, fabricado in situ, principalmente ligas à base de ferro, reforçadas com partículas de carboneto de tungstênio de maior resistência ao desgaste. O material é especialmente adequado para a produção de peças de desgaste. O objeto da invenção é um método para produção do referido material compósito na forma de uma camada compósita e na forma de uma zona compósita utilizando componentes reativos, isto é, revestimento de fundição compacto e líquido.

[002] Um dos problemas significativos relacionados à frequência de substituição de peças de máquinas é o desgaste excessivo de sua superfície. Tal desgaste se traduz na perda das dimensões e forma iniciais, causando deterioração ou perda total das características funcionais de um determinado elemento estrutural. Isso exige a substituição frequente desses elementos, o que reduz a lucratividade dos usuários de máquinas e dispositivos. Este fenômeno comum leva ao projeto de elementos funcionais de máquinas com camada externa endurecida. A espessura e a forma da área de desgaste dependem das condições de operação de um dado detalhe e podem ser até de várias dezenas de milímetros. Este problema se refere principalmente a setores da indústria como mineração, cimento, metalurgia, energia, agricultura, offshore, reciclagem, processamento, onde a abrasão é o fenômeno físico básico que permite a implementação de um determinado processo, por exemplo, trituração, fragmentação, fresagem, perfuração, formação de orifício, carregamento, transferência, incluindo energia de asas e marés, transporte de substâncias sólidas ou líquidas de misturas dos mesmos.

[003] Existem muitas soluções de materiais conhecidas na técnica que permitem a proteção de elementos estruturais, aumentando a resistência ao desgaste. Eles incluem principalmente vários tipos de ligas fundidas e ligas para formação de metal. As soluções destinadas à produção de peças de fundição funcionais são aplicadas com mais frequência, ou seja, com camada externa dura e resistente ao desgaste e mais macho de plástico. Nesse setor, predominam os materiais aplicados por meio de técnicas de soldagem, laser e plasma. A característica distintiva dos materiais abrasivos mais resistentes ao desgaste é o alto teor de fases cerâmicas, principalmente carbonetos arranjados em uma matriz devidamente selecionada com base em metal ou ligas metálicas. Os materiais mais resistentes ao desgaste incluem em sua microestrutura fases cerâmicas na forma de carboneto de titânio (TiC), carboneto de tungstênio (WC) das misturas dos mesmos, em quantidade não superior a 50% em volume. A alta participação em volume dos tipos de carbonetos mencionados faz com que os materiais aplicados nas peças das máquinas de produtos semiacabados apresentem melhor resistência ao desgaste em comparação com as ligas fundidas mais resistentes à abrasão ou destinadas à conformação de metais.

[004] No entanto, usar tecnologias de ponta é caro e demorado devido aos custos de usar dois ou mais processos tecnológicos e uma série de operações intermediárias para produção de um detalhe final. A outra desvantagem importante das tecnologias de enchimento e de ligas conhecidas na técnica é a falta prática da opção ou dificuldades na aplicação das camadas ou revestimentos resistentes ao desgaste abrasivo em locais de difícil acesso ou em locais de formatos complicados, por exemplo, tubos dobrados, peças de fundição de complicados formatos internos e externos. A rugosidade das superfícies acolchoadas é relativamente alta, fato que em muitos casos é uma limitação no uso desse grupo de métodos na produção de elementos de resistência ao desgaste de máquinas e dispositivos. Outra desvantagem significativa na produção de camada de resistência ao desgaste abrasivo usando técnicas de soldagem é a necessidade de preparar previamente uma superfície onde a camada será aplicada. Superfície preparada incorretamente causa fragilização do material aplicado. Ao mesmo tempo, no caso de aplicações de percussão, muitas vezes pode-se observar fragilização de fragmentos dos materiais aplicados, fato que leva à redução da vida.

[005] Existem outras soluções conhecidas na técnica que aumentam a resistência ao desgaste abrasivo da camada externa de máquinas e elementos de dispositivos, em que as camadas compósitas reforçadas com fases cerâmicas, por exemplo, TiC, são feitas in situ, diretamente durante o processo de fundição. Consistem na aplicação de um revestimento que compreende uma mistura de pós, substratos da reação de formação de TiC e fluido, ou seja, álcool, na cavidade do molde e, em seguida, o molde é submetido à secagem e enchimento com liga líquida à base de ferro. Tal método é apresentado no pedido de patente polonesa PL414755 A. As soluções permitem a criação de uma camada compósita dentro da peça de fundição, reforçada com cristais ou partículas de TiC ovais, no entanto a camada obtida usando este método não é contínua e uniforme e pode ter vários defeitos em a forma de aspereza gasosa. O problema resulta do fenômeno de fragmentação e emissão de gases que acompanham a reação de síntese do TiC puro. O problema da emissão de gases durante as reações SHS é discutido no artigo de Shchukin (Shchukin AS, Savchenko SG (2015). International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 24, págs. 227-30), onde é provado que dentro da primeira reação SHS TiC, há uma rápida desgaseificação de pós compactados de Ti e C, juntamente com a liberação de volumes significativos de gases. Isso leva ao encapsulamento dos gases liberados durante a cristalização da liga na forma de bolhas formando rugosidade dentro da zona da camada compósita. O aumento da temperatura da liga dentro da área de reação é o resultado da liberação de uma energia térmica que acompanha a reação de síntese de TiC altamente exotérmica, a entalpia de criação desta fase é de -187 kJ/mol. Para fins de comparação, a entalpia de formação de WC é -32 kJ/mol, cobre (Cu) apenas -13 kJ/mol. O fenômeno desfavorável de fragmentação é discutido no pedido de patente internacional WO2017081665 relativo à produção in situ de zonas de compósito reforçado com TiC dentro das peças de fundição. Ele revela que a infiltração reativa durante a síntese de TiC, na presença de liga líquida, leva à separação dos fragmentos da zona compósita que, então, são deslocados dentro da cavidade do molde. Em casos extremos, afeta a destruição total do reforço local ou provoca aumento do volume da matriz às custas de partículas de TiC. Este fenômeno é definido como fragmentação de zonas compósitas. A presença de rugosidade e não uniformidade de deslocamento de fases reforçada dentro da área da camada compósita afeta a deterioração da dureza e resistência ao desgaste abrasivo.

[006] O estado da técnica apresenta também o Pedido de Patente Europeu EP2334836 B1 que descreve um material compósito de estrutura hierárquica que inclui liga à base de ferro reforçada com partículas ovais de TiC de acordo com a geometria predefinida, em que a parte reforçada inclui macroestrutura alternada de zonas milimétricas enriquecidas com aglomerados micrométricos de partículas esféricas de TiC separadas por zonas milimétricas basicamente privadas de zonas micrométricas esféricas de TiC, em que tais partículas esféricas micrométricas de TiC enriquecidas formam uma microestrutura, onde lacunas micrométricas entre essas partículas esféricas também são preenchidas pela liga à base de ferro. O pedido acima também descreve um método para produção por fundição de um material compósito de estrutura hierárquica.

[007] O pedido de patente internacional PCT/IB2016/056825 descreve um material e método de sua produção que consiste na obtenção de zonas compósitas in situ nas peças de fundição utilizando substratos de reação SHS que incluem um moderador na forma de mistura de pós metálicos. O moderador atua nesta solução como um estabilizador e evita fenômenos destrutivos de fragmentação das zonas compósitas reforçadas com TiC e possibilita a produção da matriz compósita de propriedades de projeto específicas. Esta solução permite obter uma zona compósita de distribuição macroscópica uniforme das partículas da fase de reforço, alta resistência ao desgaste e rugosidade relativamente baixa. Porém, a adição do moderador introduzido aos substratos da reação formando os carbonetos sujeitos à reação SHS provoca a redução do seu volume dentro da zona obtida o que por sua vez provoca a queda da resistência ao desgaste abrasivo. Além disso, no caso da reação de formação de WC, a adição do moderador incluindo Fe causa a formação da fase frágil eta, por exemplo, do tipo Fe2W2C. Portanto, na solução de acordo com a invenção, obteve-se surpreendentemente resultados que confirmam que é possível produzir zonas compósitas estáveis à base de WC in situ nas peças de fundição, em que a adição do moderador não é necessária. O material de acordo com a invenção inclui uma zona estável ou camada compósita reforçada com partículas e/ou cristais de carboneto de WC de morfologia característica inesperada. Esta morfologia atípica causa uma ligação muito boa das partículas de carboneto com a matriz, conforme confirmado pela presença de áreas ovais irregulares que incluem a liga. Essas áreas são formadas durante o crescimento do cristal e/ou partícula in situ na liga líquida e são encapsuladas, absorvidas pelo cristal e/ou partícula em crescimento e estão relacionadas à formação de soluções líquidas de composição específica durante a reação de síntese de WC. A ausência do moderador compósito por Fe limita drasticamente a participação das fases frágeis do tipo eta, o que afeta altíssima resistência ao desgaste e ao impacto desse material. Ao mesmo tempo, o material produzido de acordo com a invenção inclui um nível muito baixo de microporosidade de até 2% em volume, em comparação com outras soluções conhecidas na técnica. Isto significa que o material compósito de acordo com a invenção tem inesperadamente elevada resistência à flexão e resistência ao desgaste abrasivo.

[008] O objetivo da invenção é desenvolver um material compósito reforçado com partículas de carboneto de tungstênio que pode ser distinguido com maior dureza e resistência ao desgaste abrasivo dentro das superfícies de operação através da obtenção de cristais/partículas de carboneto de tungstênio uniformemente distribuídos duros e resistentes ao desgaste. Ao mesmo tempo, a invenção resolve o problema de fragmentação e alta infiltração que acompanha a reação de síntese in situ de TiC. Ambos os fenômenos podem causar danos à camada compósita quando se trata de fragmentação total ou reduzir significativamente o teor de partículas de TiC dentro da zona devido ao alto grau de infiltração, que não pode ser fisicamente evitado devido ao caráter altamente exotérmico da reação de síntese de TiC. Durante a síntese de TiC in situ, a quantidade de infiltração de liga líquida dentro da zona de compósito pode ser limitada usando certos métodos, no entanto, o volume final de carboneto de TiC nunca deve atingir tal nível que pode ser alcançado usando compósitos e métodos de acordo com a invenção em caixa de carboneto de tungstênio. Este é um progresso técnico no campo da produção de camadas compósitas resistentes à abrasão e zonas reforçadas com carboneto de tungstênio resistente no caso de peças de desgaste de máquinas, dispositivos e produtos semiacabados.

[009] De acordo com a invenção, métodos de produção de materiais compósitos reforçados com partículas de carboneto de tungstênio de morfologia específica também são propostos. Solução de acordo com a invenção que consiste na produção in situ, ou seja, diretamente no molde dentro de um processo de estágio único, de materiais compósitos reforçados com partículas uniformemente distribuídas e/ou cristais de carboneto de tungstênio ou mistura de diferentes tipos de carbonetos de tungstênio que elimina as desvantagens acima mencionadas.

[0010] O objetivo da invenção é um material compósito à base de ligas produzidas in situ, especialmente ligas à base de ferro, reforçadas com carboneto de tungstênio na forma de cristais e/ou partículas, que pode ser distinguido pelo fato de que a microestrutura do material compósito dentro da camada compósita e/ou a zona compósita contendo cristais facetados e/ou partículas de carboneto de tungstênio que proveem distribuição macroscópica e microscópica uniforme, em que os cristais e/ou partículas de carboneto de tungstênio incluem nano irregular e/ou redondo e/ou oval e/ou/microáreas preenchidas com liga à base de metal.

[0011] De um modo preferido, nano e/ou micro zonas irregulares e/ou ovais e/ou redondas preenchidas com uma liga à base de metal estão localizadas dentro da parte interna dos cristais e/ou partículas de carboneto de tungstênio, e dentro da parte externa, perto das paredes, sua estrutura é uniforme, e o cristal e/ou partículas são formados in situ dentro da liga líquida e estão presentes dentro da matriz, a referida matriz é formada após o processo de cristalização da liga.

[0012] De um modo preferido, o volume de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio dentro do material compósito é de 15 a 90% em volume, especialmente entre 25 e 75% em volume.

[0013] De um modo preferido, o tamanho dos cristais e/ou partículas de carboneto de tungstênio dentro do material compósito de acordo com a invenção está entre 0,5 e 30 μm.

[0014] De um modo preferido, dentro da área de carboneto de tungstênio dentro do material compósito de acordo com a invenção, o tamanho das áreas preenchidas com metal ou liga está entre 0,1 e 4,5 μm.

[0015] De um modo preferido, o material compósito de acordo com a invenção inclui tipos adicionais de carboneto de tungstênio ou boretos submetidos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação, especialmente TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2 ou suas misturas, com exceção de SiC, que é termodinamicamente instável em ligas à base de ferro e é dissolvido nelas.

[0016] O objeto da invenção é também a mistura de pós para a produção de material compósito de acordo com a invenção, compreendendo tungstênio na faixa de 90-97% em peso e carbono, especialmente na forma de carbono de alta pureza ou outro carreador de seu alto teor ou as misturas dos mesmos dentro do escopo 3 - 10% em peso, de um modo preferido tungstênio no escopo 93 - 95% em peso, e carbono no escopo 5 - 7% em peso, de um modo preferido tungstênio na quantidade de cerca de 94% em peso e carbono na forma de grafite em quantidade de cerca de 6% em peso

[0017] A invenção inclui também a mistura de pós para a produção do material compósito de acordo com a invenção que inclui: a) pó de tungstênio, especialmente na forma de pó microcristalino ou aglomerados de nanopartículas ou outro carreador de alto teor de tungstênio, b) pó de carbono, especialmente na forma de grafite ou outro carreador de alto teor de carbono ou suas misturas, e c) catalisador na forma de substratos de reações de formação de carbono, diferentes de WC ou boreto, que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação, especialmente TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2 ou misturas dos mesmos, com exceção de SiC.

[0018] De acordo com este aspecto, o objeto da invenção também é o método para produção do material compósito na forma de uma camada compósita, incluindo as seguintes etapas: a) revestir a cavidade ou macho de molde, especialmente o macho de areia, com revestimento de fundição líquido reativo que inclui uma mistura de pós de acordo com a invenção e um carreador, b) secar, especialmente em temperatura igual ou acima de 100°C, c) verter a cavidade do molde de fundição com uma liga, especialmente liga à base de ferro, em que o calor suprido pela liga líquida na forma de alta temperatura provê a energia necessária para iniciar a reação in situ da fase cerâmica na forma de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio ou carboneto de tungstênio com adição de outros tipos de carbonetos que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação e representam um catalisador para a reação de síntese de carboneto de tungstênio.

[0019] De um modo preferido, no método de acordo com a invenção, o carreador é uma solução de um solvente com adição de um polímero, de um modo mais preferido, o solvente é álcool, especialmente álcool etílico e de um modo mais preferido, o polímero é uma resina de baixo potencial de produção de gás, especialmente colofônia.

[0020] De um modo preferido, no método de acordo com a invenção, a densidade superficial do revestimento fundido reativo está dentro da faixa de 0,29 a 2 g/cm2, de um modo mais preferido de 0,29 a 0,6 g/cm2, do modo mais preferido é de 0,5 g/cm2.

[0021] De um modo preferido, no método de acordo com a invenção, a participação percentual da mistura de pó que representa os substratos da reação de formação de carboneto de tungstênio para o carreador é de 6:1 a 1:1, de um modo mais preferido 4:1.

[0022] De acordo com outro aspecto, o objeto da invenção é também o método para produção do material compósito na forma de uma zona compósita, incluindo as seguintes etapas: a) preparar a mistura de pó de acordo com a invenção, b) prensar a mistura de pó na forma de um bloco de fundição que pode ter diferentes formas, de um modo preferido grânulos, briquetes, pré-formas ou compactos, c) inserir pelo menos um compacto de fundição dentro da cavidade do molde de fundição usando elementos de instalação, d) verter a cavidade do molde de fundição com uma liga, especialmente liga à base de ferro, em que o calor suprido pela liga líquida na forma de alta temperatura provê a energia necessária para iniciar a reação in situ da fase cerâmica na forma de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio ou carboneto de tungstênio com adição de outros tipos de carbonetos que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação e representam um catalisador para a reação de síntese de carboneto de tungstênio.

[0023] De um modo preferido, a pressão da prensagem do reagente está entre 100 e 650 MPa, de um modo preferido 250 e 600 MPa, de um modo mais preferido 460 e 550 MPa, em que especialmente quando a pressão é obtida usando métodos de compactação, especialmente usando prensagem isostática a frio, um ou dois eixos a frio pressionando.

[0024] A invenção também se refere a um elemento estrutural fundido que compreende o material compósito de acordo com a invenção ou produzido de acordo com a invenção.

[0025] Um dos métodos mais comuns de produção in situ de compósitos é a Síntese de Alta Temperatura Autopropagada (SHS). O método é o método básico de produção de materiais compósitos na metalurgia do pó. No entanto, apesar de muitas vantagens, incluindo a baixa entrada de energia necessária para iniciar as sínteses das fases cerâmicas e alta saída, os produtos obtidos são distinguidos por alto grau de porosidade que reduz significativamente as propriedades mecânicas e de utilidade dos produtos manufaturados. Portanto, há trabalhos de pesquisa realizados relacionados à ligação do método SHS com as técnicas de fundição convencionais, onde o fator de iniciação da reação de síntese é a alta temperatura da liga fundida líquida vertida na cavidade do molde. A aplicação de tais métodos acoplados permite a obtenção de produtos privados de defeitos de fundição que podem ser distinguidos por uma ligação muito boa no limite das matrizes de fases cerâmica desprovidas de inclusões, rugosidade e com altas propriedades mecânicas, e ao mesmo tempo fabricadas em um processo tecnológico de estágio único. Como resultado do trabalho de pesquisa, foi obtido inesperadamente o material compósito reforçado com partículas de carboneto de tungstênio que é produzido usando um método de acordo com a invenção, usando revestimentos reativos líquidos e compactos de fundição reativos.

[0026] No caso das camadas compósitas, o processo tecnológico de sua obtenção inclui a produção de revestimentos de fundição reativos que incluem os reagentes formadores da fase cerâmica na forma de carboneto de tungstênio ou carboneto de tungstênio com adição de outros reagentes sujeitos à reação SHS. O fornecimento de calor necessário para que ocorra a reação de síntese in situ da fase cerâmica é obtido através da introdução de liga fundida líquida na cavidade do molde. A alta temperatura do metal líquido favorece a reação SHS do carboneto de tungstênio dentro da camada compósita/área de revestimento. O reforço compósito feito in situ na forma de camada compósita pode ser distinguido pelo fato que uma microestrutura representada por partículas ou cristais de carboneto de tungstênio de morfologia característica. Eles são separados uns dos outros com as áreas da matriz formadas após a cristalização da liga líquida derramada na cavidade do molde. Este fenômeno é resultado da infiltração reativa do revestimento reativo aplicado na cavidade do molde pela liga de fundição líquida.

[0027] De acordo com a invenção, existe também um método para produção de um material compósito reforçado com partículas de carboneto de tungstênio, por aplicação dos compactos de fundição reativos. Pelo menos um compacto é inserido no lugar da cavidade do molde, que nas condições reais deve refletir a área fundida reforçada localmente com a zona de compósito. A reação de síntese da fase cerâmica na forma de partículas de carboneto de tungstênio é iniciada pela alta temperatura da liga de fundição. O fornecimento de calor suficiente contribui para o início da reação SHS do carboneto de tungstênio dentro da área do compacto. O reforço compósito feito in situ na forma de zona compósita pode ser distinguido pelo fato que microestrutura uniforme representada por partículas ou cristais de carboneto de tungstênio de morfologia característica, arranjados dentro da matriz à base de liga, principalmente liga à base de ferro com carbono e outros elementos. No entanto, o volume da fase cerâmica é significativamente maior em comparação com a camada compósita. A camada é feita por aplicação de revestimento reativo líquido sem alta pressão que leva ao aumento da densidade do pó dos reagentes. Isto afeta menos a parcela de cristais de WC após a reação de síntese e cristalização da liga dentro da camada compósita de acordo com a invenção. A zona compósita reforçada com carboneto de tungstênio ou outros tipos de carbonetos e/ou boretos sujeitos à reação SHS, compreendendo a matriz, em que a referida matriz é formada após a cristalização da liga e é a consequência de um processo controlado de infiltração reativa que ocorre durante a reação de síntese. O processo controlado de infiltração de acordo com a invenção é realizado pela seleção adequada do método de pressão e compactação do pó, sua forma e composição química da mistura de pós. Dentro do escopo da composição da mistura, um catalisador na forma de substratos de reação formando outros tipos de carbonetos e boretos é adicionado aos substratos de reação formando carboneto de tungstênio na estequiometria apropriada. Os parâmetros como pressão de compactação dos pós, forma dos pós compactados, composição química da mistura dos pós, representam parâmetros que permitem ou produzem zonas compósitas in situ nas peças de fundição de máquinas, dispositivos e produtos semiacabados de diferentes formas e pesos.

[0028] A mistura de pós representando substratos de carboneto de tungstênio de formação de reação é preparada em uma estequiometria predeterminada. De um modo preferido, a mistura de pós em que a fração de massa de tungstênio está entre 90 e 96%, e o resto está na forma de grafite ou um carreador com alto teor de carbono ou suas misturas. De um modo mais preferido, a mistura de pós que representam substratos para a criação de carboneto de tungstênio é de cerca de 94% em peso de tungstênio e cerca de 6% em peso de carbono na forma de grafite ou outro veículo de alto teor de carbono ou suas misturas. As misturas de pós preparadas são submetidas a um processo de homogeneização para homogeneizar as propriedades dentro de todo o volume da mistura. Em outra etapa, eles são submetidos à secagem, de um modo preferido a uma temperatura de pelo menos 100°C, a fim de eliminar o álcool e a umidade absorvida na superfície dos pós. Dependendo do método selecionado de produção de um material reforçado com partículas de WC, eles representam material de base para produção de revestimentos de fundição reativos e compactos de fundição.

[0029] O termo revestimento de fundição reativo significa a mistura de pós compreendendo substratos das reações de formação de carbonetos e/ou boretos que estão sujeitos à reação SHS, cujos componentes são representados por pós de grafite e tungstênio e um carreador. De um modo preferido, além dos pós de tungstênio e grafite e do carreador, o revestimento reativo pode incluir outros aditivos na forma de substratos da reação formando carboneto de titânio ou outros carbonetos e/ou boretos, com exceção de SiC. O processo tecnológico de formação do material compósito com a aplicação dos revestimentos fundidos reativos, compreende: preparação de uma quantidade pesada de pós cerâmicos formando substratos homogeneizados em todo o volume; em seguida, a solução de álcool com a adição de um polímero, por exemplo, colofônia, que é usada como um agente de colagem de secagem ao ar e afeta as propriedades físicas, químicas e tecnológicas dos revestimentos, é adicionada à mistura de pó; a seguir, pelo menos na camada da composição obtida, representando o revestimento fundido está sendo aplicado no macho fundido ou na cavidade do molde de fundição usando uma escova, imersão ou spray, em que, no estágio inicial do processo, cada um dos camadas ou todos juntos é seco a fim de eliminar os produtos de decomposição térmica do solvente e aditivos aplicados. Em seguida, a cavidade do molde de fundição sem ou com o macho de fundição é preenchida com o material selecionado dentre o grupo de ligas à base de ferro com carbono e outros elementos, de um modo preferido de composição química de ferros fundidos e aços fundidos, porém a reação de síntese é condicionada pela temperatura adequada da liga básica e sua construção adequada do arranjo de enchimento. Da mesma forma, em vez de usar ligas à base de ferro, é possível usar outras ligas, incluindo ligas de fundição preferíveis, por exemplo, à base de cobalto ou níquel, onde a reação de síntese pode ser iniciada. O parâmetro-chave do processo é o equilíbrio de calor entre o revestimento fundido reativo aplicado na cavidade do molde e/ou macho, que inclui pós de substratos de reação de formação de WC, e a liga líquida na fundição e sua seleção de modo que a quantidade de calor permita para iniciar a reação. Quando a quantidade de calor dentro da cavidade do molde não é suficiente, a reação de síntese do WC não será iniciada e a camada compósita reforçada com WC não se formará na peça de fundição. O parâmetro de equilíbrio de calor deve ser determinado experimentalmente ou empiricamente para um determinado tipo da peça de fundição de peso e forma especificados. A aplicação de um catalisador na forma de substratos de reação de formação de TiC com participação percentual pré-definida é para apoiar o curso da reação de síntese de WC, aumentar a quantidade de energia gerada durante a reação, fato que prevê a opção de criar camadas mais espessas e melhor ligadas com os elementos estruturais como resultado da infiltração. A quantidade de substratos da reação que forma TiC como um catalisador da reação que forma WC deve ser selecionada experimentalmente ou empiricamente para um dado formato ou peso da peça de fundição. O papel do catalisador pode ser desempenhado pelos substratos de uma reação formando carboneto diferente de TiC ou boreto que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação, especialmente TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2. Dentre os carbonetos, o SiC não pode ser o catalisador porque é termodinamicamente instável, entre outras coisas para o grupo das ligas à base de ferro.

[0030] O parâmetro que define a quantidade de revestimento de fundição aplicada na cavidade do molde de fundição ou macho de fundição é a densidade da superfície que deve ser interpretada como o peso do revestimento fundido na área expressa em g/cm2. A densidade superficial do revestimento fundido reativo aplicado de acordo com a invenção está dentro da faixa de 0,29 g/cm2 a 2 g/cm2, de um modo preferido de 0,29 a 0,6 g/cm2, do modo mais preferido é de 0,5 g/cm2.

[0031] A fração de massa da mistura de pó que representa os substratos de reação de formação de carboneto de tungstênio é de 1 a 6 partes em peso a 1 parte em peso do carreador. De um modo mais preferido, a razão de massa da mistura que representa os substratos de reação de formação de carboneto de tungstênio para o carreador é de 4: 1.

[0032] O suporte foi desenvolvido com o objetivo de aumentar a adesão do revestimento à cavidade do molde de fundição. O carreador pode ser uma solução de um aglutinante na forma de um polímero de baixo grau de potencial de produção de gás dentro do solvente na forma de um álcool com concentração percentual entre 1 e 10% em peso. Os melhores resultados foram alcançados com o carreador compósito por solução de colofônia a 10% com álcool etílico. A aplicação de materiais distinguidos com baixo grau de emissão de gases durante a decomposição térmica evitou a formação de porosidade na área da camada compósita.

[0033] A bloco de fundição é uma mistura prensada sob pressão de substratos de carboneto de tungstênio na forma de grafite ou tungstênio. O processo tecnológico de criação do material compósito com aplicação do inserto inclui: preparação da quantidade pesada de pós do substrato formando a cerâmica faseada do tipo MeC homogeneizada dentro de todo o volume, onde Me é metal, C é carbono, então a quantidade pesada dos pós é submetido a prensagem a frio com a aplicação de prensas de um eixo ou método de prensagem isostática, em que a bloco de fundição produzida, pelo menos uma, de dimensões adequadas é inserida dentro da cavidade do molde de fundição ou no macho usando elementos do sistema de instalação na forma de pregos , parafusos, cestos metálicos, levando a integração de todo o sistema com o processo de fundição. Finalmente, o molde de fundição preparado sem/com o macho é preenchido com a liga de fundição selecionada, de um modo mais preferido de entre o grupo à base de Fe, em que a reação de síntese é condicionada pela temperatura adequada e estrutura adequada do arranjo de enchimento. A aplicação dos aditivos na forma de substratos formando TiC é para apoiar a reação de síntese de WC, provendo energia adicional na forma de calor de reação de síntese de TiC. A seleção da quantidade de aditivos depende do peso, da forma da peça de fundição e da liga base e deve ser determinada a cada vez de forma experimental para se obter a energia necessária na fundição, necessária para iniciar a reação de síntese. De acordo com a invenção, o molde de fundição juntamente com o compacto nele instalado, após o enchimento com liga líquida, é tratado como um reator de síntese in situ de carbonetos.

[0034] A invenção é apresentada em modalidades que não limitam o escopo de proteção da invenção e na figura a seguir, em que: A Fig. 1 apresenta uma camada (a) de material compósito (b) com cristais/partículas de carboneto de tungstênio dentro da matriz com base na liga à base de ferro de morfologia característica (c) compreendendo a área preenchida com uma liga presente dentro da parte interna do cristal (área I) e área privada das áreas preenchidas com liga dentro da parte externa do cristal (área II), fabricado com o revestimento fundido reativo in situ, A Fig. 2 apresenta uma seção transversal do macho que representa um elemento do molde de fundição para a produção de uma fundição de um corpo de bomba com o revestimento de fundição reativo aplicado (a) e o diagrama de um corpo de bomba (b) com a camada compósita produzida in situ reforçada com carboneto de tungstênio de morfologia característica, bem como diagramas relativos à seção em T (c, d), A Fig. 3 apresenta a morfologia característica do cristal de carboneto de tungstênio facetado dentro da camada, incluindo áreas ovais irregulares preenchidas com uma liga à base de metal; A Fig. 4 apresenta histogramas da distribuição de tamanho de partículas/cristais de carboneto de tungstênio, bem como tamanhos de áreas preenchidas com a liga dentro da área de partículas/cristais individuais de carboneto de tungstênio, A Fig. 5 apresenta a microestrutura da seção transversal da camada compósita produzida in situ na fundição, reforçada com partículas/cristais de carboneto de tungstênio juntamente com áreas selecionadas e ampliadas, A Fig. 6 apresenta microestruturas exemplares da camada com o compósito com determinado teor de área de superfície da fase cerâmica, ou seja, carboneto de tungstênio, matriz da camada compósita e teor de área de superfície de grafite sendo o componente do ferro fundido cinzento usado para produção da fundição, A Fig. 7 apresenta a microestrutura da camada compósita, bem como o tamanho médio das partículas de carboneto de tungstênio determinado como suas duas diagonais se cruzando em ângulo reto, A Fig. 8 apresenta fotos do ferro fundido cinzento com a camada compósita feita in situ, obtida com o uso de diferentes densidades de superfície do revestimento reativo de fundição de acordo com a invenção, A Fig. 9 apresenta a microestrutura da camada compósita in situ produzida a partir da mistura de reagentes da reação formando dois tipos de carboneto (tungstênio e titânio), sujeitos à reação de síntese autopropagada em alta temperatura, A Fig. 10 apresenta o teor da área de superfície de fases individuais que representam a microestrutura da camada compósita in situ produzida usando a mistura de mistura de substrato da reação formando dois tipos de carboneto (tungstênio e titânio), sujeito à síntese de autopropagação de alta temperatura reação, A Fig. 11 apresenta fotos das cavidades do molde de fundição com os revestimentos de fundição reativos aplicados em suas superfícies para a síntese in situ de camadas compósitas reforçadas com carboneto de tungstênio, A Fig. 12 apresenta o efeito da densidade superficial do revestimento fundido reativo sobre a macroestrutura da camada compósita produzida in situ reforçada com carboneto de tungstênio na fundição de chapas de diferentes espessuras, A Fig. 13 apresenta uma microestrutura do material compósito usando o compacto reativo (a) na peça de fundição de aço fundido compreendendo cristais de carboneto de morfologia característica (b) compreendendo áreas ovais irregulares preenchidas com uma liga e áreas privadas deles, A Fig. 14 apresenta uma microestrutura do material compósito tendo cristais/partículas de carboneto de tungstênio juntamente com o gráfico apresentando o seguinte teor de área superficial de: fase cerâmica na forma de diferentes tipos de carboneto de tungstênio e matriz de metal compósito, A Fig. 15 apresenta uma microestrutura de partículas/cristais de diferentes tipos de estrutura de carboneto de tungstênio, incluindo carboneto do tipo WC, A Fig. 16 apresenta resultados comparativos de dureza de zonas compósitas de acordo com a invenção com a liga de fundição de referência resistente ao desgaste de aço fundido de manganês reforçado, bem como material compósito reforçado com partículas de carboneto de titânio (TiC) feitas in situ dentro da fundição, A Fig. 17 apresenta resultados comparativos de zonas de compósito de desgaste abrasivo de acordo com a invenção com a liga de fundição de referência resistente ao desgaste de aço fundido de manganês reforçado, bem como material compósito reforçado com partículas de carboneto de titânio (TiC) feitas in situ dentro da fundição, A Fig. 18 apresenta diagramas exemplares de elementos estruturais e suas seções transversais com as zonas produzidas in situ compreendendo o material compósito com cristais e/ou partículas de carboneto de tungstênio de morfologia específica de acordo com a invenção, A Fig. 19 apresenta o processo esquemático de fabricação do material compósito de acordo com a invenção dentro da camada de fundição (a) e zona de fundição (b).

Exemplo 1

[0035] De acordo com uma modalidade, o macho 1 de molde de fundição para produção da peça de fundição do corpo da bomba 4 ou seção em T é revestido com o revestimento reativo 2 usando um pulverizador 3, como mostrado na fig. 2a e 2c. Como resultado, a peça de fundição do corpo da bomba 4 ou seção em T com a camada 5 compreendendo material compósito (fig. 2b, 2d) feita in situ produzido com morfologia visível de carboneto de tungstênio facetado 6 consistindo em duas formas, uma na parte interna de uma partícula contendo áreas irregulares, redondas, ovais preenchidas com a liga e outra na parte externa de uma partícula desprovida de áreas preenchidas com a liga 6, como mostrado na fig. 3 O diagrama do processo de produção do revestimento é apresentado na fig. 19a.

[0036] Para formar a camada 5 de compósito reforçado com WC na superfície interna do corpo da bomba 4 ou secção em T sujeita a desgaste intenso, foi preparado o macho 1 do molde de fundição. O revestimento de fundição reativa 2 é aplicado diretamente na superfície do macho 1 feito de areia de quartzo e resina de furano. O revestimento 2 é feito pela mistura de pó de tungsténio com tamanho de partícula ca. 5 μm e pó de grafite com tamanho de partícula ca. 5 μm. A mistura dos pós foi feita usando 94% em peso de tungstênio e 6% em peso de grafite. Em seguida, as quantidades pesadas de pós foram introduzidas na solução líquida de resina no álcool representando o carreador e no agente de colagem seco ao ar. A razão mútua da mistura de pós de tungstênio e grafite para a solução líquida do agente de colagem em ambos os casos foi de 4: 1 partes em peso O todo foi sujeito a mistura, a fim de obter consistência reativa uniforme do revestimento reativo fundido 2. O revestimento fundido reativo misto 2 foi aplicado por meio de uma pistola de pulverização 3 no macho de fundição 1, representando a forma interna da seção em T 4. O revestimento foi aplicado em camadas até a obtenção de densidade superficial de 0,5 g/cm2 e 0,45 g/cm2. Em seguida, o macho 1 foi instalado dentro da cavidade do molde e, em seguida, cada um dos moldes foi montado e preenchido com liga líquida com temperatura de 1380°C. Usando o método acima mencionado, um corpo 4 da bomba ou seção em T foi feito.

[0037] O corpo 4 da bomba fabricada usando este método tinha a área do macho igual a ca. 3789 cm2. Para isso, foram utilizadas misturas de pó de duas composições diferentes, em que uma compreendia 96% em peso de W e 4% em peso C, e o outro 94% em peso de W e 6% em peso de C. Em ambos os casos, os fundidos produzidos tinham liga de base com uma microestrutura característica para ferro fundido cinzento com grafite em flocos separados, cuja superfície externa foi reforçada com a camada compósita 5 compreendendo partículas de carboneto de tungstênio 6. A aplicação dos machos fundidos 1 com a mesma área e densidade superficial semelhante do revestimento fundido reativo aplicado 2 foi planejada e realizada de modo a mostrar o impacto da estequiometria aplicada da mistura de pós na continuidade da camada compósita. Os resultados são apresentados nas Figs. 8 A.1-A.3 e B.1-B.3. As observações realizadas mostraram que a aplicação do revestimento 2 de fundição reativo compreendendo a mistura de pós 96% em peso de W a 4% em peso de C permitiu obter a continuidade da camada ao nível ca. de 80%, e no caso da mistura 94% em peso de W a 6% em peso de C especificado no pedido de patente como destinado à produção da camada compósita in situ, distinguida com a continuidade ao nível de 100%. Em ambos os tipos de corpos de bombas 4, as camadas compósitas foram feitas reforçadas com WC, utilizando revestimentos fundidos reativos 2 de densidade superficial dada na Tabela 1, a fim de obter continuidade ao nível entre 100% e 80% da superfície interna da bomba. Isso mostra que junto com o aumento da participação do tungstênio atômico na mistura dos pós, a reação de síntese se deteriora resultando na falta de camada compósita contínua. No entanto, a continuidade da camada no nível de 80% pode ser aceitável em certas aplicações industriais. Tabela 1

[0038] Como resultado da reação de síntese, reforços compósitos locais reforçados com partículas de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio é formado na fundição do aço da peça de fundição. O macho 2 da fundição, após o processo de cristalização possuía a microestrutura característica para o determinado grau de aço fundido, porém os cristais in situ 6 são formados dentro da superfície da fundição. Esse cristal 6 tem uma morfologia que consiste em duas áreas diferentes. Uma das áreas está dentro da parte interna do cristal 6 de carboneto de tungstênio e compreende microáreas 7 de formato semelhante a oval, preenchidas com uma liga à base de metal, e a outra é um aro 8 envolvendo-o desprovido de micro oval -áreas preenchidas com liga, como mostrado na fig. 3 O tamanho médio das partículas está de um modo preferido na faixa de 4 a 18 μm, o tamanho médio das áreas preenchidas com a liga de base é de 0,05 a 0,45 μm, como mostrado na fig. 4

[0039] O índice de desgaste - determinado pelo método Ball-on-disk - da camada 5 com material compósito reforçado com carboneto de tungstênio no corpo da bomba 4 fundição de ferro fundido cinzento com grafite em flocos, representando a liga de base, é de 5 a 8 * 10-6 mm3/N * m, e no corpo da bomba 4 de ferro fundido cinzento com grafite em flocos representando a liga de base sem a camada de reforço é 37,6 * 10-6 mm3/N * m. Ou seja, a camada com o material compósito de acordo com a invenção desgasta de 4,7 a 7,5 vezes menos em comparação com a pompa de ferro fundido cinzento.

Exemplo 2

[0040] No exemplo da fundição resistente ao desgaste com a camada de material compósito, o revestimento é feito misturando pó de tungstênio com partículas de tamanho de cerca de 5 μm e pó de grafite com partículas de tamanho abaixo de 5 μm. A mistura dos pós foi feita usando 96% em peso de tungstênio e 4% em peso de grafite. Em seguida, as quantidades pesadas de pós foram introduzidas na solução líquida de resina no álcool representando o carreador e no agente de colagem seco ao ar. A razão mútua da mistura de pós de tungstênio e grafite para a solução líquida do agente de colagem em ambos os casos foi de 4: 1 partes em peso O todo foi sujeito a mistura, a fim de obter consistência reativa uniforme do revestimento reativo fundido 2. O revestimento fundido reativo misturado 2 foi aplicado por pulverização com uma pistola de pulverização 3 na cavidade do molde de fundição. O revestimento 2 foi aplicado em camadas até a obtenção de densidade superficial de pelo menos 0,5 g/cm2. Nelas o molde foi montado e preenchido com liga líquida de aço fundido ao manganês com o seguinte teor dos principais elementos de liga, 1,3% C, 0,6% Si, 12,2% Mn e o restante de Fe.

[0041] A camada compósita apresentada na fig. 1 de dureza 724 HV30 (1253 HV1), com a dureza da liga básica totalizando ca. Foi obtido 247 HV30 (517 HV1). Os parâmetros obtidos indicam obtenção de dureza quase três vezes maior do que a do aço fundido ao manganês resistente ao desgaste.

Exemplo 3

[0042] A fim de produzir a camada compósita in situ 5 reforçada com WC, o macho de areia do molde de fundição 1 foi preparado, à base de areia de quartzo e silicato de sódio soprado com CO2. A cavidade do molde de fundição 1 foi revestida com revestimento de fundição reativo 2. O revestimento 2 é feito misturando pó de tungstênio com tamanho de partícula de 5 μm e pó de grafite com tamanho de partícula ca. 5 μm. A mistura dos pós foi feita usando 94% em peso de tungstênio e 6% em peso de grafite. Em seguida, as quantidades pesadas de pós foram introduzidas na solução líquida de resina no álcool representando o carreador e no agente de colagem seco ao ar. A razão mútua da mistura dos pós de tungstênio e grafite para o agente de colagem líquido era de 4: 1 partes em peso O todo foi sujeito a mistura, a fim de obter consistência reativa uniforme do revestimento reativo fundido 2. O revestimento de fundição reativo misturado 2 foi aplicado por pulverização com uma pistola de pulverização 3. O revestimento 2 foi aplicado em camadas até obter densidade superficial de 0,29 g/cm2 ou 0,4 g/cm2. Em seguida, a cavidade do molde de fundição foi seca para remoção de resíduos de álcool e umidade, seguida de preenchimento com liga líquida em temperatura ca. 1400°C. A peça de fundição, após o processo de cristalização teve a microestrutura de ferro fundido cinzento com flocos de grafite, porém dentro da área da camada compósita, formaram-se os cristais 6 in situ e/ou partículas de WC, possuindo uma estrutura formada por duas áreas distintas. Uma das áreas está dentro da parte interna do cristal 6 ou partícula WC e compreende microáreas 7 de formato semelhante a oval, preenchidas com uma liga à base de metal, e a outra é um aro 8 envolvendo-o privado de micro oval -áreas preenchidas com liga. A seção transversal da camada com as áreas ampliadas selecionadas é apresentada na fig. 5 A fim de avaliar a participação da fase de reforço, um determinado teor de área superficial das fases identificadas dentro da microestrutura, ou seja, grafite em flocos e liga de base representando a matriz da camada compósita e carboneto de tungstênio representando a fase de reforço. Microestruturas exemplares com determinada participação de superfície e os resultados obtidos são apresentados na fig. 6 A participação superficial dos carbonetos de tungstênio neste caso é de 25% e da matriz 70%, o restante é grafite sendo o componente da liga básica usada para produção da peça de fundição. Além disso, o tamanho médio de partícula de carboneto de tungstênio foi estimado e determinado como uma média de duas medições de diagonais interseccionadas no ângulo reto. Os resultados mostram uma distribuição bimodal do tamanho do carboneto de tungstênio dentro da camada compósita que atinge o primeiro máximo de distribuição para a distribuição de 0,5 a 6 μm, e a outra de 7 a 30 μm. Os resultados são apresentados na forma de histograma, conforme ilustrado na fig. 7

Exemplo 4

[0043] A fim de produzir a camada interna do corpo da bomba 4 que está sujeita a intenso desgaste, as camadas 5 constituídas pelo material compósito reforçado com partículas de fases cerâmicas, como tungstênio e carbonetos de titânio, foi preparado o macho de molde 1. O revestimento de fundição reativo 2 foi aplicado diretamente na superfície do macho 1 feito de areia de quartzo e vidro de água e soprado com CO2. O revestimento 2 foi feito com base na mistura de 80% em peso de substratos de reação formando carboneto de tungstênio e 20% em peso de substratos de reação formando carboneto de titânio. A mistura de pós de substratos de reação formando carboneto de tungstênio foi feita na razão em peso W: C igual a 94: 6% em peso Substratos de reação formando TiC foram preparados na razão atômica de Ti: C igual a 55: 45%. Neste caso, foram usados os seguintes pós: tungstênio de morfologia microcristalina e tamanho de partícula ca. 4,5 μm, titânio de morfologia esponjosa de tamanho de partícula de 44 μm e grafite de morfologia de floco de tamanho de partícula abaixo de 5 μm. A mistura preparada de pós foi introduzida em solução líquida de resina de colofônia em álcool etílico representando o carreador e agente de colagem seco ao ar. A razão mútua dos pós de tungstênio e grafite para o agente de colagem líquido era de 4: 1 partes em peso O revestimento fundido foi preparado a partir de 600 g de mistura de pós e 150 g de solução. O todo foi sujeito a mistura, a fim de obter consistência reativa uniforme do revestimento reativo fundido 2. O revestimento de fundição reativo misturado 2 foi aplicado por pulverização com uma pistola de pulverização 3. Em seguida, o macho 1 juntamente com o revestimento de fundição reativo aplicado 2 foi seco a temperatura acima de 100°C, a fim de remover resíduos de álcool e umidade. O macho 1 foi instalado dentro da cavidade do molde de fundição e, em seguida, o molde foi montado e preenchido com liga líquida. A fundição 4, após o processo de cristalização teve a microestrutura de ferro fundido cinzento com grafite em flocos, porém dentro da área da camada compósita 5, foram formadas as partículas in situ de tungstênio e carbonetos de titânio (fig. 9). As microestruturas obtidas foram utilizadas para determinar a parte superficial de fases individuais que representam a microestrutura da camada compósita in situ produzida. Os resultados são apresentados na fig. 10 considerando a divisão das fases presentes na área da matriz e da camada compósita. A presença de partículas não facetadas de TiC dentro da microestrutura indica a adição de participação percentual de substratos de reação de formação de TiC puros. O ensaio de dureza realizado pelo método Vickers (HV1) sob a carga de 1kG ou seja, 9,81 N dentro da área da liga de base e da camada compósita mostrou os valores ao nível de 312,3 HV1 e 767,1 HV1 respectivamente. Os resultados obtidos indicam um aumento de mais de duas vezes na dureza da camada externa da peça de fundição confeccionada em conjunto com a camada compósita in situ.

Exemplo 5

[0044] Neste exemplo, o objetivo era ligar a densidade da superfície do revestimento compósito e a espessura da parede fundida como um parâmetro que afeta o curso e a eficácia da reação de síntese de carboneto de tungstênio. As observações realizadas indicaram que a aplicação da razão mútua de pós W: C no valor de 96: 4% em peso é menos favorável do que 94: 6% em peso portanto, em outro experimento, utilizou-se a composição de W: C igual a 94: 6% em peso Os pós, com tal composição, foram introduzidos na solução líquida de colofônia no álcool que representa o carreador e no agente de colagem seco ao ar. A razão mútua da mistura dos pós de tungstênio e grafite para o agente de colagem líquido era de 4: 1 partes em peso O todo foi sujeito a mistura, a fim de obter consistência reativa uniforme do revestimento reativo fundido 2. O revestimento de fundição reativo misturado 2 foi aplicado por pulverização com uma pistola de pulverização 3.

[0045] Foram preparados moldes de fundição para a produção de peças de fundição de chapas de 10 e 90 mm de espessura, sendo cada uma das cavidades dividida em três partes iguais. Cada uma das áreas separadas do molde de areia foi coberta com o revestimento fundido até obter a densidade superficial 0,3 g/cm2, 0,4 g/cm2, 0,5 g/cm2, 0,6 g/cm2, 0,7 g/cm2 e 0,8 g/cm2, como mostrado na fig. 11 Por sua vez, a fig. 12 apresenta a macroestrutura das peças de fundição com camadas compósitas produzidas in situ. As observações da macroestrutura das peças de fundição indicam que no caso de densidade superficial de 0,3 g/cm2, 0,4 g/cm2 e 0,5 g/cm2 é possível obter uma peça de fundição de superfície de operação contínua reforçada com uma camada compósita sem impacto significativo da espessura da parede fundida. No caso de aumentar a quantidade do revestimento aplicado para 0,6 g/cm2, 0,7 g/cm2 e 0,8 g/cm2 respectivamente para a peça de fundição de parede fina com espessura de parede de 10 mm, pode-se observar que não há reação de síntese - falta da camada compósita na superfície fundida. No caso da peça de fundição com espessura de parede de 90 mm, a macroestrutura apresenta áreas desprovidas da camada compósita, que se caracterizam por uma estrutura semelhante a uma “concha”. A aplicação da densidade de superfície do revestimento fundido reativo 2 entre 0,6 g/cm2 - 0,8 g/cm2 resulta na falta de infiltração total devido à falta de energia suficiente para que a reação de síntese de WC in situ ocorra. Ressalta-se que este resultado está relacionado a peças de fundição de pequenas dimensões e baixo peso, o que não deve limitar os casos de peças de fundição de maior peso, em que o uso de densidades superficiais maiores dos revestimentos fundidos reativos 2 permite a obtenção de camada compósita contínua.

Exemplo 6

[0046] Na modalidade usando o compacto reativo, foram providos reforços compósitos locais, reforçados com pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio na forma de cristais/partículas. Para isso, foi preparada uma mistura de pós de tungstênio e carbono com fração de massa W: C igual a 90: 10% em peso. O tamanho das partículas de tungsténio e grafite foi de 4,5 μm e abaixo de 5 μm, respectivamente. A quantidade pesada de pós preparada foi misturada durante 60 minutos e depois seca à temperatura de 175°C para evaporar a humidade absorvida. As quantidades pesadas preparadas de pós de peso predeterminado foram prensadas sob pressão de 500 MPa usando compactação a frio de um eixo. As almofadas de fundição reativas preparadas foram inseridas no molde de fundição e fixadas a ele em local predeterminado por meio de parafusos. Em seguida, foi preenchido com uma liga à base de ferro fundido - aço fundido compreendendo 0,28% C, 1,85% Cr, 0,6% Mn, 1,58% Si e o resto era Fe (GS30) à temperatura de 1580°C. A reação entre o tungstênio e o carboneto é iniciada pelo fornecimento de energia térmica por meio da liga de fundição líquida. Devido à reação de síntese, a zona compósita foi formada reforçada com partículas/cristais de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio. O macho da fundição, após o processo de cristalização possuía a microestrutura característica para o determinado grau de aço fundido, porém os cristais in situ são formados dentro da área do bloco de fundição. Os cristais 6 e/ou partículas têm morfologia compósita por duas áreas diferentes. Uma das áreas está dentro da parte interna do cristal 6 e/ou partícula de carboneto de tungstênio e compreende microáreas 7 de formato semelhante a oval, preenchidas com uma liga à base de metal, e a outra é um aro fino 8 circundando desprovido de microáreas ovais preenchidas com liga, como mostra a fig. 13b.

Exemplo 7

[0047] Um outro experimento que foi realizado foi semelhante ao exemplo 6, no entanto, a fração de massa de tungstênio para pós de grafite foi de 94 : 6% em peso, e a temperatura de enchimento foi de 1560°C e a pressão de prensagem de 500 MPa. Após a reação de síntese no molde de fundição, obteve-se o volume da fase reforçada no nível máximo de ca. 74% (fig. 14). Conforme apresentado na fig. 15, a microestrutura da área da zona compósita pode ser distinguida pela presença de carboneto de tungstênio WC de morfologia característica apresentada na fig. 13b e carboneto tipo W2Fe2C. Para verificar a composição química, foram realizados testes de microanálise de energia dispersiva de raios-X. No caso do método de pesquisa aceito, a fração de massa do carbono deve ser tratada apenas qualitativamente, não quantitativamente. Os resultados das medições em itens individuais são apresentados na Tabela 2. A peça de fundição produzida pesava ca. 1,5 kg. Tabela 2

[0048] Obteve-se a zona compósita de dureza acima de 1100 HV30 (fig. 16, WC - tipo 2), com a dureza da liga base totalizando ca. 250-300 HV30. Os parâmetros obtidos indicam a obtenção de arnês comparável a soluções conhecidas na técnica que consistem em síntese dentro das peças de fundição, em que zonas compósitas são produzidas com base em carboneto de titânio, em que a zona tem dureza de ca. 500 a 1200 HV30 (fig. 16), no entanto, na solução de acordo com a invenção, uma distribuição uniforme de dureza dentro de toda a zona foi inesperadamente alcançada, como manifestado pelo baixo valor de desvio padrão mostrado na fig. 16

[0049] Como resultado dos experimentos realizados, um material de excepcional resistência ao desgaste foi obtido inesperadamente, onde o índice de desgaste abrasivo, determinado usando o método Ball-on-disk foi de 0,16 * 10-6 mm3/N*m (fig. 17, WC - tipo 2) em relação aos materiais conhecidos na técnica fabricados usando a técnica de síntese in situ em peças de fundição usando componentes reativos, em que, no caso dos materiais selecionados, o índice de desgaste abrasivo foi de 2,7 a 3,83 * 10-6 mm3/N*m ( fig. 17).

Exemplo 8

[0050] Neste caso, o objetivo era formar reforços compósitas locais dentro da fundição da chapa. Para tanto, foi preparada uma mistura de pós contendo reagentes WC, que foi prensada sob pressão de 450 MPa. A composição química da mistura foi preparada com a participação percentual W: C totalizando 94: 6% em peso. Dimensões da chapa 300 mm, espessura ca. 30 mm e largura 75 mm. As almofadas de fundição de 5 mm de espessura foram instaladas dentro da cavidade do molde de fundição nos locais de maior desgaste usando elementos de metal que representam um sistema de instalação. Para iniciar a reação de síntese do WC, a cavidade do molde de fundição pronta foi preenchida com aço fundido de liga de alto teor de manganês. Como resultado, foram obtidas chapas fundidas localmente reforçadas com zonas compósitas à base de Fe.

[0051] Obteve-se a zona compósita de dureza acima de ca. 750 HV30 (fig. 16, WC - tipo 1), com a dureza da liga básica ca. 250-300 HV30, e após o endurecimento 400-500 HV30 (dados não incluídos na fig. 16). Os parâmetros obtidos indicam a obtenção de arnês comparável a soluções conhecidas na técnica que consistem em síntese dentro das peças de fundição, em que zonas compósitas são produzidas com base em carboneto de titânio, em que a zona tem dureza de ca. 500 a 1200 HV30 (fig. 16), no entanto, na solução de acordo com a invenção, uma distribuição uniforme de dureza dentro de toda a zona foi inesperadamente alcançada, como manifestado pelo baixo valor de desvio padrão mostrado na fig. 16.

[0052] Como resultado dos experimentos realizados, um material de excepcional resistência ao desgaste foi obtido inesperadamente, onde o índice de desgaste abrasivo, determinado usando o método Ball-on-disk foi de 0,58 * 10-6 mm3/N*m (fig. 17, WC - tipo 1) em relação a materiais conhecidos na técnica fabricados usando a técnica de síntese in situ em peças de fundição usando componentes reativos, em que, no caso dos materiais selecionados, o índice de desgaste abrasivo foi de 2,7 a 3,83 * 10-6 mm3/N*m (fig. 17).

[0053] Diagramas exemplares dos elementos estruturais compreendem a zona compósita produzida in situ, em que a zona compreende o material compósito de acordo com a invenção, em que cristais e/ou partículas de carboneto de tungstênio de morfologia específica estão presentes na Fig. 18. Os diagramas apresentados não limitam a área de aplicação no caso de produção de outros elementos estruturais fundidos.

Claims (18)

1. Método para produção de um material compósito à base de ligas produzidas in situ reforçado com carboneto de tungstênio na forma de cristais e/ou partículas, em que a microestrutura do material compósito dentro da camada compósita compreende cristais facetados (6) e/ou partículas facetadas de carboneto de tungstênio que proveem distribuição macroscópica e microscópica uniforme, em que os cristais (6) e/ou partículas de carboneto de tungstênio incluem nano e/ou micro áreas irregulares e/ou redondas e/ou ovais preenchidas com liga à base de metal, caracterizado pelo fato de que inclui as seguintes etapas: a) cobrir uma cavidade ou macho de molde, especialmente o macho de areia, com revestimento de fundição reativo a líquido (2) incluindo uma mistura de pós compreendendo tungstênio na faixa de 90-97% em peso e carbono no escopo de 3 - 10% em peso e um carreador, b) secar, especialmente em temperatura igual ou acima de 100°C, c) verter a cavidade do molde com uma liga, especialmente liga à base de ferro, em que o calor suprido pela liga líquida na forma de alta temperatura provê a energia necessária para iniciar a reação in situ da fase cerâmica na forma de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio ou carboneto de tungstênio com adição de outros tipos de carbonetos que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação e representam um catalisador para a reação de síntese de carboneto de tungstênio.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o carreador é uma solução de um solvente com adição de um polímero, de um modo preferido, o solvente é álcool, especialmente álcool etílico e de um modo preferido, o polímero é uma resina de baixo potencial de produção de gás, especialmente colofônia.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma densidade superficial do revestimento fundido reativo está em uma faixa de 0,29 a 2 g/cm2, de um modo mais preferido de 0,29 a 0,6 g/cm2, de um modo mais preferido é de 0,5 g/cm2.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão percentual da mistura de pós para o carreador é de 6:1 a 1:1, de um modo preferido 4:1.

5. Método para produção de um material compósito à base de ligas produzidas in situ reforçado com carboneto de tungstênio na forma de cristais e/ou partículas, em que a microestrutura do material compósito dentro da zona compósita compreende cristais facetados (6) e/ou partículas facetadas de carboneto de tungstênio que proveem distribuição macroscópica e microscópica uniforme, em que os cristais (6) e/ou partículas de carboneto de tungstênio incluem nano e/ou micro áreas irregulares e/ou redondas e/ou ovais preenchidas com liga à base de metal, compreendendo as seguintes etapas: a) preparar uma mistura de pós compreendendo tungstênio e carbono em um escopo, b) prensar a mistura de pós em uma forma de compacto de molde de fundição, que podem ter diferentes formas, principalmente grânulos, briquetes, pré-formas ou compactos, c) inserir pelo menos um compacto de fundição dentro de uma cavidade do molde usando elementos de instalação, d) verter a cavidade do molde com uma liga, especialmente liga à base de ferro, em que o calor suprido pela liga líquida na forma de alta temperatura provê a energia necessária para iniciar a reação in situ da fase cerâmica na forma de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio ou carboneto de tungstênio com adição de outros tipos de carbonetos que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação e representam um catalisador para a reação de síntese de carboneto de tungstênio, caracterizado pelo fato de que a mistura de pós compreende tungstênio em uma faixa de 90-97% em peso e carbono dentro de um escopo de 3 - 10% em peso.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que uma pressão de prensagem de um reagente está entre 100 e 650 MPa, de um modo preferido 250 e 600 MPa, de um modo mais preferido 460 e 550 MPa, em que especialmente quando a pressão é obtida usando métodos de compactação, usando especialmente prensagem isostática a frio, prensagem a frio de um ou dois eixos geométricos.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a mistura de pós compreende tungstênio em um escopo de 93 - 95% em peso, e carbono em um escopo 5 - 7% em peso.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a mistura de pós compreende tungstênio na quantidade de 94% em peso e carbono na forma de grafite em quantidade de 6% em peso.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a mistura de pós compreende: a. pó de tungstênio, especialmente na forma de pó microcristalino ou aglomerados de nanopartículas ou outro carreador de alto teor de tungstênio, b. pó de carbono, especialmente na forma de grafite ou outro carreador de alto teor de carbono ou suas misturas, e c. catalisador na forma de substratos de reações de formação de carbono, diferentes de WC, que estão sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação, especialmente TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC ou misturas dos mesmos, com exceção de SiC.

10. Mistura de pós para produção de um material compósito de acordo com um método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que compreende tungsténio em uma faixa de 90-97% em peso e carbono em um escopo de 3 - 10% em peso.

11. Mistura de pós de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de compreender tungstênio em um escopo de 93 - 95% em peso, e carbono em um escopo de 5 - 7% em peso.

12. Mistura de pós de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de compreender tungstênio na quantidade de 94% em peso e carbono na forma de grafite na quantidade de 6% em peso.

13. Elemento estrutural fundido, caracterizado pelo fato de que compreende um material compósito à base de ligas produzidas in situ, reforçado com carboneto de tungstênio na forma de cristais e/ou partículas, em que a microestrutura do material compósito dentro da camada compósita e/ou a zona compósita compreende cristais facetados (6) e/ou partículas facetadas de carboneto de tungstênio que proveem distribuição macroscópica e microscópica uniforme, em que os cristais (6) e/ou partículas de carboneto de tungstênio incluem nano e/ou micro áreas irregulares e/ou redondas e/ou ovais preenchidas com liga à base de metal, obtido como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

14. Elemento estrutural fundido de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que as nano e/ou micro zonas irregulares e/ou ovais e/ou redondas (7) preenchidas com uma liga à base de metal estão localizadas dentro da parte interna dos cristais (6) e/ou partículas de carboneto de tungstênio, e dentro da parte externa, perto das paredes, sua estrutura é uniforme (8), e os cristais (6) e/ou partículas são formados in situ dentro da liga líquida e estão presentes dentro da matriz, a referida matriz é formada após o processo de cristalização da liga.

15. Elemento estrutural fundido de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato que o volume de pelo menos um tipo de carboneto de tungstênio é de 15 a 90% em volume, de um modo preferido de 25 a 75% em volume.

16. Elemento estrutural fundido de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato que o tamanho das partículas e/ou cristais (10) de carboneto de tungstênio é de um modo preferido entre 0,5 e 30 μm.

17. Elemento estrutural fundido de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato que dentro da área do cristal (6) do carboneto de tungstênio, o tamanho das áreas preenchidas com metal ou liga é de 0,1 a 4,5 μm.

18. Material compósito de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que compreende tipos adicionais de carbonetos ou boretos sujeitos à reação de síntese de alta temperatura de autopropagação, especialmente TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2 ou suas misturas, com exceção de SiC.