BRPI0913715B1

BRPI0913715B1 - Composite tooth for working in the soil and with rocks and process of manufacture by funding of a tooth of composite material

Info

Publication number: BRPI0913715B1
Application number: BRPI0913715-7A
Authority: BR
Inventors: Berton Guy
Original assignee: Magotteaux International S.A.
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2017-11-21
Also published as: HK1157824A1; US8646192B2; EP2329052A1; AU2009294779A1; EP2329052B1; ES2383142T3; ATE549425T1; PL2329052T3; CL2011000574A1; AU2009294779B2; BRPI0913715A2; KR101633141B1; PT2329052E; KR20110063467A; DK2329052T3; CA2743343A1; WO2010031660A1; BE1018127A3; MX2011003026A; US20110225856A1

Description

"DENTE COMPÔS I TO PARA O TRABALHO NO SOLO E COM ROCHAS E PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR FUNDIÇÃO DE UM DENTE DE MATERIAL COMPÓSITO" Objeto da invenção [001] A presente invenção tem por objeto um dente de material compósito destinado a equipar uma máquina para trabalhar na terra ou com rochas. Em particular, tem por objeto um dente que compreende uma matriz metálica reforçada por partículas de carboneto de titânio.

Definição [002] A expressão «dente» deve interpretar-se em sentido lato e engloba qualquer elemento, de qualquer dimensão, que apresente uma forma pontiaguda ou achatada, destinado, nomeadamente, a trabalhar no solo, nos fundos de rios ou dos mares, em rochas, quer sejam rochas de superfície quer em minas.

Estado da técnica [003] Conhecem-se poucos meios para modificar a dureza e a resistência ao impacto de uma liga de fundição, em profundidade «numa massa». Os meios conhecidos geralmente dizem respeito a modificações à superfície, de pouca profundidade (poucos mm). Para os dentes produzidos por fundição, os elementos de reforço devem estar presentes em profundidade para que possam resistir a solicitações localizadas e simultâneas importantes, em termos das tensões mecânicas, do desgaste e do impacto e também por que um dente é utilizado numa grande parte do seu comprimento.

[004] É conhecido o processo de recarga de dentes com carbonetos metálicos (Technosphère® - Technogenia) por soldadura oxiacetilénica. Essa recarga permite depositar, na superfície dum dente, uma camada de carboneto com alguns milímetros de espessura. Esse reforço, no entanto, não fica integrado na matriz metálica do dente e não garante o mesmo desempenho que um dente em que existe um reforço de carboneto completamente integrado na massa da matriz metálica.

[005] O documento da EP 1.450.973 BI descreve um reforço de peças de desgaste, que consiste em colocar no molde, destinado a receber o metal fundido, uma inserção constituída por uma mistura de pós reactivos que reagem entre si graças ao calor transmitido pelo metal durante o vazamento a temperaturas muito elevadas (> 1400 °C) . Depois da reacção, do tipo SHS, os pós reactivos da inserção vão formar uma aglomeração porosa, relativamente uniforme (conglomerado) de partículas duras; uma vez formada, esta aglomeração porosa será imediatamente infiltrada pelo metal fundido a alta temperatura. A reacção dos pós é exotérmica e auto-propagada, o que permite uma síntese dos carbonetos a alta temperatura e aumenta consideravelmente a molhabilidade da aglomeração porosa pelo metal de infiltração.

[006] O documento US 5.081.774 divulga diferentes maneiras de colocar, num dente com forma plana, inserções de ferro fundido com crômio, destinadas a aumentar o desempenho. Mas sabe-se que as limitações desta técnica são, por um lado, a solidez do reforço que tem tendência em fragilizar a peça e, por outro lado, a ligação (soldadura) insuficiente entre as inserções e o metal de base da peça.

[007] O documento US 5.337.801 (Materkowski) divulga um outro processo para depositar partículas duras de carboneto de tungsténio na superfície sujeita a esforço dos dentes. Neste caso, trata-se de preparar primeiro as inserções em aço contendo partículas duras; estas inserções são de seguida dispostas no molde e depois são incorporadas no metal de base fundido para construir a peça. Este procedimento além de ser demorado e dispendioso, não exclui a possibilidade de uma reacção entre o carboneto de tungsténio e o metal das inserções e nem sempre garante uma soldadura perfeita das partículas duras ao metal de base.

Finalidades da invenção [008] A presente invenção tem por objeto um dente de material compósito para equipar uma ferramenta de trabalho do solo ou de rochas, em particular para ferramentas para escavação ou dragagem, com uma resistência melhorada contra o desgaste, conservando ao mesmo tempo uma boa resistência aos choques. Esta propriedade é obtida através de uma estrutura de material compósito de reforço concebida especificamente para esta aplicação, material que alterna, à escala milimétrica, com zonas densas de finas partículas globulares micrométricas de carbonetos metálicos, com zonas praticamente isentas destas no interior da matriz metálica do dente.

[009] A presente invenção tem também por objeto um processo para a obtenção da referida estrutura de reforço.

Resumo da invenção [0010] A presente invenção tem por objeto um dente de material compósito destinado a equipar uma ferramenta para o trabalho do solo ou de rochas, em que o referido dente é constituído por uma liga ferrosa reforçada, pelo menos em parte, com carboneto de titânio, segundo uma geometria definida, na qual a referida parte reforçada compreende uma macro-microestrutura alternada, de zonas milimétricas concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio, separadas por zonas milimétricas praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio, formando as referidas zonas concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio uma microestrutura, na qual os interstícios micrométricos entre as referidas partículas globulares estão também ocupados pela referida liga ferrosa.

[0011] De acordo com modalidades particulares da presente invenção, o dente de material compósito compreende pelo menos uma ou uma combinação apropriada das seguintes características: as referidas zonas milimétricas concentradas têm uma concentração de carbonetos de titânio superior a 36, 9 % em volume; - a referida parte reforçada tem um teor global de carboneto de titânio entre 16,6 e 50,5 % em volume; - as partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio têm uma dimensão inferior a 50 pm;

[0012] a maior parte das partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio tem uma dimensão inferior a 20 pm; - as referidas zonas concentradas de partículas globulares de carboneto de titânio compreendem 36,9 à 72,2 %, em volume, de carboneto de titânio; - as referidas zonas milimétricas concentradas de carboneto de titânio têm uma dimensão que varia entre 1 e 12 mm; - as referidas zonas milimétricas concentradas de carboneto de titânio têm uma dimensão que varia entre 1 e 6 mm; - as referidas zonas concentradas em de carboneto de titânio têm uma dimensão que varia entre 1,4 e 4 mm;

[0013] A presente invenção tem também por objeto um processo de fabricação do dente de material compósito, de acordo com uma qualquer das reivindicações de 1 a 9, que compreende as seguintes etapas: - disponibilização de um molde compreendendo a cavidade do molde do dente com uma geometria de reforço pré-definida; - introdução, na parte da cavidade do dente destinada a formar a parte reforçada (5) , de uma mistura de pós compactados compreendendo carbono e titânio sob a forma de granulados milimétricos precursores do carboneto de titânio; - vazamento de uma liga ferrosa no molde, em que o calor do referido material em fusão desencadeia uma reacção exotérmica de síntese auto-propagada de carboneto de titânio a alta temperatura (SHS) no seio dos referidos granulados precursores; - formação, no seio da parte reforçada do dente compósito, de uma macro-microestrutura alternada de zonas milimétricas concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio no local dos referidos granulados precursores, estando as referidas zonas separadas entre si por zonas milimétricas praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio, estando igualmente as referidas partículas globulares separadas, no seio das referidas zonas milimétricas concentradas de carboneto de titânio por interstícios micrométricos; - infiltração dos interstícios milimétricos e micrométricos pela referida liga ferrosa vazada a alta temperatura, no seguimento da formação de partículas microscópicas globulares de carboneto de titânio.

[0014] De acordo com modalidades particulares da presente invenção, o processo compreende pelo menos uma das seguintes características ou uma combinação adequada das mesmas: - a mistura de pós compactados de titânio e de carbono compreende um pó de uma liga ferrosa; -o carbono referido é grafite.

[0015] A presente invenção tem também por objeto um dente de material compósito obtido de acordo com o processo de uma qualquer das reivindicações 11 a 13.

Breve descrição das figuras [0016] As figuras la e lb mostram uma vista, a três dimensões, dos dentes, sem reforço, de acordo com o estado da técnica;

[0017] As figuras lc a lh mostram uma vista, a três dimensões, de dentes com um reforço de acordo com a presente invenção;

[0018] A figura 2 apresenta exemplos ilustrativos de ferramentas em que estão montados dentes de acordo com a presente invenção; Ferramentas para escavações ou perfurações.

[0019] A figura 3a a 3h representa o processo de fabricação do dente representado na figura lb, de acordo com a presente invenção; - a etapa 3a mostra o dispositivo de mistura dos pós de titânio e de carbono; - a etapa 3b mostra a compactação dos pós entre dois rolos, seguida de uma trituração e de uma peneiração com reciclagem das partículas demasiado finas; - a figura 3c mostra um molde de areia onde se colocou uma barreira para conter os granulados de pó compactado no local de reforço do dente do tipo ld; - a figura 3d mostra uma ampliação da zona de reforço onde se encontram os granulados compactados compreendendo os reagentes precursores do TiC; - a etapa 3e mostra o vazamento da liga ferrosa no molde; - a figura 3f mostra um dente do tipo lb, resultante do vazamento; - a figura 3g mostra uma ampliação das zonas com forte concentração de nódulos de TiC - este esquema representa as mesmas zonas que as apresentadas na figura 4; - a figura 3h mostra uma ampliação, no seio da mesma zona, com uma forte concentração de esférulas de TiC - as esférulas micrométricos estão rodeadas individualmente pelo metal de vazamento;

[0020] A figura 4 representa uma vista binocular de uma superfície polida, não atacada, dum corte da parte reforçada do dente, de acordo com a presente invenção, com zonas milimétricas (cinzento claro) concentradas de carboneto de titânio globular micrométrico (esférulas de TiC). A parte sombreada representa a matriz metálica (aço ou ferro fundido) que preenche não só o espaço entre estas zonas concentradas de carboneto de titânio globular micrométrico mas também os espaços entre as próprias esférulas (ver fig. 5 e 6) ;

[0021] As figuras 5 e 6 representam vistas, tiradas através do microscópio electrónico de varrimento (SEM), de carboneto de titânio globular micrométrico nas superfícies polidas e não atacadas, com diferentes ampliações. Vê-se que, neste caso particular, a maior parte das esférulas de carboneto de titânio têm uma dimensão inferior a 10 pm; e [0022] A figura 7 representa uma vista de carboneto de titânio globular micrométrico numa superfície de ruptura feita no microscópio electrónico de varrimento (SEM). Vê-se que as esférulas de carboneto de titânio estão perfeitamente incorporadas na matriz metálica. Isto prova que o metal fundido infiltra-se (impregna) completamente os poros durante o vazamento, uma vez iniciada a reacção química entre o titânio e o carbono.

Legenda - zonas milimétricas concentradas de partículas globulares (nódulos) micrométricas de carboneto de titânio (zonas claras) - interstícios milimétricos cheios com a liga ferrosa vazada, praticamente isentos de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (zonas escuras) - interstícios micrométricos entre os nódulos de TiC igualmente infiltrados pela liga fundida vazada carboneto de titânio globular micrométrico nas zonas concentradas de carboneto de titânio - reforço de carboneto de titânio - defeitos causados pelo gás - (livre) - misturadora de pós de Ti e de C - tremonha - rolo - trituradora - grelha de saída - peneiro - reciclagem das partículas demasiado finas para a tremonha - molde de areia - barreira contendo os granulados compactados da mistura de Ti/C - panela de vazamento - dente do tipo ld Descrição detalhada da invenção [0023] Em ciência dos materiais, chama-se reacção SHS ou «self-propagating high temperature synthesis» a uma reacção de síntese a alta temperatura auto-propagada em que se atingem temperaturas de reacção geralmente superiores a 1500 °C, mesmo até 2000 °C. Por exemplo, a reacção entre o pó de titânio e o pó de carbono para se obter o carboneto de titânio TiC, é fortemente exotérmica. Há apenas necessidade de um pouco de energia para iniciar localmente a reacção. Em seguida, a reacção vai propagar-se espontaneamente à totalidade da mistura de reagentes graças às altas temperaturas atingidas. Após o início da reacção, há assim uma frente da reacção que se propaga espontaneamente (auto-propagada) e que permite a obtenção do carboneto de titânio a partir do titânio e do carbono. O carboneto de titânio assim obtido, diz-se «obtido in situ» porque não provém da liga ferrosa fundida.

[0024] As misturas de pós de reagentes compreendem pó de carbono e pó de titânio e são comprimidas em placas, sendo em seguida trituradas para se obter granulados cuja dimensão varia entre 1 e 12 mm, de preferência de 1 a 6 mm e de maneira particularmente preferida entre 1,4 e 4 mm. Estes granulados não se compactam a 100 %. Comprimem-se geralmente entre 55 e 95 % da densidade teórica. Estes granulados são de fácil utilização/manipulação (ver fig. 3a-h).

[0025] Os granulados milimétricos de pós de carbono e de titânio misturados, obtidos de acordo com os esquemas da figura 3a-3h, constituem os precursores do carboneto de titânio a preparar e permitem encher facilmente partes de moldes com formas diversas ou mesmo irregulares. Estes granulados podem ser mantidos no molde 15 com a ajuda, por exemplo, de uma barreira 16. A moldagem ou a montagem destes granulados pode fazer-se, igualmente, com a ajuda de uma cola.

[0026] O dente de material compósito para o trabalho do solo ou de rochas, de acordo com a presente invenção, possui uma macro-microestrutura de reforço que também se pode chamar estrutura alternada de zonas concentradas de partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio separadas por zonas que estão praticamente isentas do carboneto. Obtém-se este tipo de estrutura por reacção, no molde 15, dos granulados compreendendo uma mistura de pós de carbono e de titânio. Esta reacção inicia-se pelo calor do vazamento do ferro fundido ou do aço utilizados para moldar ao mesmo tempo toda a peça, tanto a parte não reforçada como a parte reforçada, (ver fig. 3e) . O vazamento desencadeia assim uma reacção exotérmica de síntese auto-propagada a alta temperatura (self-propagating high-temperature synthesis -SHS) da mistura compactada de pós de carbono e de titânio sob a forma de granulados e previamente colocada no molde 15. A reacção tem então a particularidade de continuar a propagar-se desde o instante em que é desencadeada.

[0027] Esta síntese a alta temperatura (SHS) permite uma infiltração fácil em todos os interstícios milimétricos e micrométricos do ferro fundido ou do aço vazados (fig. 3g e 3h). Ao aumentar a molhabilidade, a infiltração pode-se fazer em qualquer espessura ou profundidade de reforço do dente. Esta permite criar, com vantagem, após a reacção SHS e a infiltração por um metal fundido exterior, uma ou mais zonas de reforço no dente compreendendo uma forte concentração em partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio micrométrico (que se poderia também designar por agrupamentos de nódulos) , zonas essas com uma dimensão da ordem de um ou de alguns milímetros e que alternam com zonas praticamente isentas de carboneto de titânio globular.

[0028] Logo que estes granulados tenham reagido, de acordo com uma reacção SHS, as zonas de reforço onde se encontravam estes granulados mostram uma dispersão concentrada de partículas globulares micrométricas 4 de carboneto TiC (esférulas) cujos interstícios micrométricos 3 também foram infiltrados pelo metal do vazamento, que neste caso é de ferro fundido ou de aço. É importante notar que os interstícios milimétricos e micrométricos são infiltrados pela mesma matriz metálica que a que constitui a parte não reforçada do dente; isto permite uma liberdade total na escolha do metal fundido. No dente finalmente obtido, as zonas de reforço, com forte concentração de carboneto de titânio, são compostas por partículas globulares micrométricas de TiC, numa percentagem importante (entre cerca de 35 e 70 % em volume) e da liga ferrosa de infiltração.

[0029] Por partículas globulares micrométricas, deve entender-se partículas praticamente esferóides com uma dimensão que vai de um pm a algumas dezenas de pm, no máximo, tendo a grande maioria destas partículas uma dimensão inferior a 50 pm e mesmo a 20 pm, até mesmo 10 pm. Os requerentes chamam também a estas partículas esférulas de TiC. Esta forma globular é característica de um processo de obtenção de carboneto de titânio por síntese auto-propagada SHS (ver fig. 6).

Obtenção dos granulados (versão Ti + C) para o reforço do dente [0030] O processo de obtenção dos granulados está ilustrado na fig. 3a-3h. Os granulados dos reagentes carbono/titânio obtêm-se por compactação entre os rolos 10 para obter tiras que se trituram em seguida numa trituradora 11. A mistura dos pós é feita num misturador 8 constituído por uma cuba equipada com pás, para facilitar a homogeneização. A mistura passa em seguida num aparelho de granulação, a tremonha 9. Esta máquina é composta por dois rolos 10 através dos quais se faz passar o material. Aplica-se uma pressão nos rolos 10, o que permite comprimir o material. Obtém-se, à saída, uma tira de matéria comprimida que é em seguida triturada para se obter os granulados. Estes granulados são em seguida peneirados com a granulometria desejada num peneiro 13. Um parâmetro importante é a pressão aplicada nos rolos. Quanto mais elevada for a pressão, tanto mais a tira e logo os granulados serão comprimidos. Pode-se assim fazer variar a densidade das tiras e, por consequência dos granulados, entre 55 e 95 % da densidade teórica que é de 3,75 g/cm3 para a mistura estequiométrica de titânio e de carbono. A densidade aparente (tendo em conta a porosidade) situa-se então entre 2,06 e 3,56 g/cm3.

[0031] O grau de compactação das tiras depende da pressão aplicada (em Pa) nos rolos (diâmetro de 200 mm, largura de 30 mm). Para um baixo nivel de compactação, da ordem de 10”6 Pa, obtêm-se uma densidade nas tiras da ordem de 55 % da densidade teórica. Após a passagem através dos rolos 10 para comprimir este material, a densidade aparente dos granulados é de 3,75 x 0,55, ou seja 2,06 g/cm3.

[0032] Para um nivel elevado de compactação, da ordem de 25xl06 Pa, obtêm-se uma densidade nas tiras da ordem de 90 % da densidade teórica, ou seja, uma densidade aparente de 3,38 g/cm3. Na prática, pode-se ir até 95 % da densidade teórica.

[0033] Em consequência, os granulados obtidos a partir da matéria-prima de Ti + C são porosos. Esta porosidade varia de 5 % para os granulados que sofrem uma compressão muito forte, a 45 % para os granulados com uma compressão ligeira.

[0034] Para além do nivel de compactação, é também possível regular a repartição granulométrica dos granulados, bem como a sua forma durante a operação de trituração das tiras e da peneiração dos granulados de Ti+C. As fracções granulométricas indesejadas (ver fig. 3b) podem ser recicladas à vontade. Os granulados obtidos têm, no geral, uma dimensão entre 1 e 12 mm, de preferência entre 1 e 6 mm e, de maneira particularmente preferida, entre 1,4 e 4 mm. Criação da zona de reforço, no dente de material compósito, de acordo com a presente invenção [0035] Os granulados são preparados tal como exposto anteriormente. Para se obter uma estrutura tridimensional ou uma superestrutura/macro-microestrutura com estes granulados, dispõem-se nas zonas do molde em que se deseja reforçar a peça. Este procedimento realiza-se aglomerando os granulados quer por meio de uma cola, quer confinando-os num recipiente ou ainda por qualquer outro meio (barreira 16).

[0036] A densidade a granel do empilhamento dos granulados de Ti + C mede-se de acordo com a norma ISO 697 e depende do nível de compactação das tiras, da repartição granulométrica dos granulados e do modo de trituração das tiras, que influencia a forma dos granulados.

[0037] A densidade a granel destes granulados de Ti + C é geralmente da ordem de 0,9 g/cm3 a 2,5 g/cm3 em função do nível de compactação destes granulados e da densidade do empilhamento.

[0038] Antes da reacção, tem-se assim um empilhamento de granulados porosos compostos por uma mistura de pó de titânio e de pó de carbono [0039] Durante a reacção de Ti + C TiC produz-se uma contracção volumétrica da ordem de 24 % quando se passa dos reagentes para os produtos (contracção resultante da diferença de densidade entre os reagentes e os produtos). Assim, a densidade teórica da mistura de Ti + C é de 3,75 g/cm3 e a densidade teórica do TiC é de 4,93 g/cm3. No produto final, após a reacção de obtenção do TiC, o metal fundido vazado irá infiltrar-se: - na zona porosa microscópica presente nos espaços com forte concentração de carboneto de titânio, dependendo do nível de compactação inicial destes granulados; nos espaços milimétricos entre as zonas com forte concentração de carboneto de titânio, dependendo do empilhamento inicial dos granulados (densidade a granel); - na zona de porosidade resultante da contracção volumétrica durante a reacção entre Ti + C para se obter o TiC.

Exemplos [0040] Nos exemplos que se seguem utilizaram-se as seguintes matérias-primas: - titânio, H.C. STARCK, Amperit 155.066, menos de 200 mesh, - carbono-grafite GK Kropfmuhl, UF4, > 99,5 %, menos de 15 μπι, Fe, sob a forma de aço HSS M2, menos de 25 μπι, proporções: Ti + C 100 g Ti - 24,5 g C

Ti + C + Fe 100 g Ti - 24,5 g C - 35,2 g Fe [0041] Misturou-se 15 minutos num misturador Lindor, em atmosfera de árgon.

[0042] A granulação foi efectuada com um granulador Sahut-Conreur.

[0043] Para as misturas de Ti+C+Fe e de Ti+C, obteve-se a compactação dos granulados fazendo variar a pressão entre os rolos de 10 a 250 x 105 Pa.

[0044] O reforço foi efectuado colocando granulados num recipiente metálico, que em seguida é colocado criteriosamente no molde no sitio do dente passível de ser reforçado. Em seguida vaza-se o aço ou o ferro fundido neste molde.

Exemplo 1 [0045] Neste exemplo, pretende-se preparar um dente cujas zonas reforçadas compreendem uma percentagem, em volume global de TiC, de cerca de 42 %. Com esta finalidade, produz-se uma tira por compactação a 85 % da densidade teórica de uma mistura de C e de Ti. Após trituração, os granulados são peneirados de modo a que a sua dimensão se situe entre 1,4 e 4 mm. Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 2,1 g/cm3 (35 % de espaço entre os granulados + 15 % de porosidade nos granulados).

[0046] Dispõe-se os granulados no molde no sítio da parte a reforçar que compreende assim 65 % em volume de granulados porosos. Em seguida vaza-se ferro fundido com crômio (3 % de C, 25 % de Cr) a cerca de 1500 °C num molde de areia não aquecido previamente. A reacção entre o Ti e o C inicia-se por acção do calor do ferro fundido. Esta fundição faz-se sem atmosfera de protecção. Após a reacção, obtém-se, na parte reforçada, 65 % em volume de zonas com uma forte concentração, de cerca de 65 % de carboneto de titânio globular ou seja, 42 % de volume global de TiC na parte reforçada do dente.

Exemplo 2 [0047] Neste exemplo, pretende-se preparar um dente cujas zonas reforçadas compreendem uma percentagem, em volume global de TiC, de cerca de 30 %. Com esta finalidade, produz-se uma tira por compactação a 70 % da densidade teórica de uma mistura de C e de Ti. Após trituração, os granulados são peneirados de maneira a que a sua dimensão se situe entre 1,4 e 4 mm. Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 1,4 g/cm3 (45 % de espaço entre os granulados + 30 % de porosidade nos granulados). Dispõe-se os granulados na parte a reforçar que compreende assim 55 % em volume de granulados porosos. Após a reacção, obtém-se, na parte reforçada, 55 % em volume de zonas com uma forte concentração, de cerca de 53 % em carboneto de titânio globular, ou seja, cerca de 30 % em volume global de TiC na parte reforçada do dente.

Exemplo 3 [0048] Neste exemplo, pretende-se preparar um dente cujas zonas reforçadas compreendem uma percentagem, em volume global de TiC, de cerca de 20 %. Com esta finalidade, produz-se uma tira por compactação a 60 % da densidade teórica de uma mistura de C e de Ti. Após trituração, os granulados são peneirados de maneira a que a sua dimensão se situe entre 1 e 6 mm. Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 1,0 g/cm3 (55 % de espaço entre os granulados + 40 % de porosidade nos granulados). Dispõe-se os granulados na parte a reforçar que compreende assim 45 % em volume de granulados porosos. Após a reacção, obtém-se, na parte reforçada, 45 % em volume de zonas concentradas com cerca de 45 % de carboneto de titânio globular ou seja, 20 % em volume global de TiC, na parte reforçada do dente.

Exemplo 4 [0049] Neste exemplo, procurou-se atenuar a intensidade da reacção entre o carbono e o titânio juntando-lhes uma liga ferrosa em pó. Como no exemplo 2, pretende-se preparar um dente cujas zonas reforçadas comportem uma percentagem, em volume global de TiC, de cerca de 30 %. Com esta finalidade, produz-se uma tira por compactação a 85 % da densidade teórica de uma mistura, em peso, de 15 % de C, 63 % de Ti e 22 % de Fe. Após trituração, os granulados são peneirados de maneira a que a sua dimensão se situe entre 1,4 e 4 mm.

Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 2 g/cm3 (45 % de espaço entre os granulados + 15 % de porosidade nos granulados). Dispõem-se os granulados na parte a reforçar que compreende assim 55 % em volume de granulados porosos. Após a reacção, obtém-se, na parte reforçada, 55 % em volume de zonas com uma forte concentração, de cerca de 55 % de carboneto de titânio globular, ou seja, 30 % em volume global de carboneto de titânio, na macro-microestrutura reforçada do dente.

[0050] Os quadros que se seguem mostram as numerosas combinações possíveis.

Quadro 1 (Ti + 0,98 C) [0051] Percentagem global de TiC obtido na macro- raicroestrutura reforçada após a reacção de Ti + 0,98 C na oarte reforçada do dente._______________________________________ [0052] Este quadro mostra que, com um nível de compactação indo de 55 a 95 % para as tiras e portanto para os granulados, podem praticar-se níveis de enchimento com os granulados, na parte reforçada, indo de 45 a 70 % em volume (relação entre o volume total dos granulados e o volume do seu confinamento). Assim, para se obter uma concentração global de TiC, na parte reforçada, de cerca de 29 % em volume (em letras a negro no quadro), pode-se proceder a diferentes combinações como por exemplo 60 % de compactação e 65 % de enchimento ou 70 % de compactação e 55 % de enchimento, ou ainda 85 % de compactação e 45 % de enchimento. Pâra se obter níveis de enchimento com os granulados, na parte reforçada, indo até 70 % em volume, é-se obrigado a aplicar uma vibração para comprimir os granulados. Neste caso, já não é aplicável a norma ISO 697 para a medição da taxa de enchimento e mede-se a quantidade de matéria num dado volume.

Quadro 2 [0053] Relação entre o nível de compactação, a densidade teórica e a percentagem de TiC obtido após a reacção no granulado.

[0054] Aqui, os requerentes representaram a densidade dos granulados em função do seu nível de compactação e daí deduziram a percentagem volúmica de TiC obtido após a reacção e portanto com uma contracção de cerca de 24 % em volume. Os granulados compactados a 95 % da sua densidade teórica permitem assim obter, após a reacção, uma concentração de 72,2 % em volume de TiC.

Quadro 3 Densidade a granel do empilhamento dos granulados. {*) Densidade a granel (1,3) = densidade teórica (3,75 g/cm3)) x 0,65 (enchimento) x 0,55 (compactação) [0055] Na prática, estes quadros servem de ábacos para o utilizador desta tecnologia, em que se fixa a percentagem global de TiC a preparar na parte reforçada do dente e, em função desta, determina-se o nível de enchimento e de compactação dos granulados que se vão utilizar. Construíram-se os mesmos quadros para uma mistura de pós de Ti + C + Fe.

Ti + Of 98 C + Fe [0056] Neste caso, o requerente pretendeu uma mistura que permitisse obter 15 % em volume de ferro após a reacção. A proporção de mistura utilizada foi de: 100 g Ti - 24,5 g C - 35,2 g Fe Entende-se por pó de ferro: ferro puro ou liga de ferro. Densidade teórica da mistura: 4,25 g/cm3 Retracção volumétrica durante a reacção: 21 % Quadro 4 [0057] Percentagem global de TiC obtido na macro-microestrutura reforçada, após a reacção de Ti + 0,98 C + Fe, na parte reforçada do dente [0058] De novo, para se obter uma concentração global de TiC na parte reforçada de cerca de 26 % em volume (em letras a negro no quadro), pode-se proceder a diferentes combinações como por exemplo 55 % de compactação e 70 % de enchimento ou 60 % de compactação e 65 % de enchimento ou 70 % de compactação e 55 % de enchimento ou ainda 85 % de compactação e 45 % de enchimento.

Quadro 5 [0059] Relação entre o nivel de compactação, a densidade teórica e a percentagem de TiC obtido após a reacção no granulado, tendo em conta a presença de ferro Quadro 6 [0060] Densidade a granel do empilhamento dos granulados {Ti + C + Fe) ________________________________________________ [0061] (*) Densidade a granel (1,5) = densidade teórica(4,25) x 0,65 (enchimento) x 0,55 (compactação) Vantagens [0062] A presente invenção apresenta as seguintes vantagens em relação ao estado da técnica em geral: - Melhor resistência aos choques [0063] Com o presente processo, conseguem-se granulados milimétricos porosos que estão inseridos na liga metálica de infiltração. Estes granulados milimétricos são eles próprios compostos por partículas microscópicas de TiC com tendência globular, também inseridas na liga metálica de infiltração. Este sistema permite obter um dente com uma zona de reforço compreendendo uma macroestrutura no seio da qual existe uma microestrutura idêntica mas a uma escala cerca de mil vezes inferior.

[00 64] O fato de a zona de reforço do dente compreender pequenas partículas globulares de carboneto de titânio, duras e finamente dispersas numa matriz metálica que as envolve, permite evitar a formação e a propagação de fissuras (ver fig. 4 e 6) . Obtém-se assim um duplo sistema dissipador das fissuras.

[0065] As fissuras têm origem, em geral, nos sítios mais frágeis, que, neste caso, são as partículas de TiC ou a interface entre estas partículas e a liga metálica de infiltração. Se uma fissura se origina na interface ou na partícula micrométrica de TiC, a sua propagação é depois travada pela liga de infiltração que envolve esta partícula. A tenacidade da liga de infiltração é superior à da partícula cerâmica TiC. A fissura tem necessidade de mais energia para passar de uma partícula para a outra, para vencer os espaços micrométricos que existem entre as partículas.

[0066] Flexibilidade máxima para os parâmetros de execução [0067] Para além do nível de compactação dos granulados, pode-se fazer variar dois outros parâmetros, que são a fracção granulométrica e a forma dos granulados e portanto a sua densidade a granel. Por outro lado, numa técnica de reforço por inserção, só se pode fazer variar o nível de compactação dos granulados numa gama limitada. Ao nível da forma que se pretende dar ao reforço, atendendo ao desenho do dente e do sítio que se deseja reforçar, a utilização de granulados permite mais possibilidades e uma melhor adaptação.

Vantagens ao nível do fabricação [0068] A utilização de um enchimento de granulados porosos, como reforço, apresenta algumas vantagens ao nível do fabricação: - menor libertação de gases, - menor susceptibilidade à fissuração, - melhor localização do reforço no dente.

[0069] A reacção entre o Ti e o C é fortemente exotérmica. A elevação da temperatura provoca uma desgaseificação (libertação de gases) dos reagentes, isto é, a libertação das matérias voláteis compreendidas nos reagentes (H2O no carbono, H2, N2 no titânio). Quanto mais elevada for a temperatura da reacção, mais significativa é esta libertação. A técnica que utiliza os granulados permite limitar a temperatura, limitar o volume gasoso e permite uma saída mais fácil dos gases, o que reduz os defeitos provocados pelo gás. (ver fig. 7 com uma bolha de gás indesejável).

Fraca susceptibilidade à fissuração durante o fabricação do dente de acordo com a presente invenção [0070] O coeficiente de dilatação do reforço de TiC é inferior ao da matriz da liga ferrosa (coeficiente de dilatação do TiC: 7,5xlO_6/K e da liga ferrosa: cerca de 12,0xl0”6/K) . Esta diferença entre os coeficientes de dilatação tem como consequência gerar tensões no material durante a fase de solidificação e também durante o tratamento térmico. Se estas tensões forem muito significativas, podem surgir fissuras mais profundas (fendas) na peça o que leva à sua refutação. Na presente invenção, utiliza-se uma percentagem baixa de reforço de TiC (menos de 50 % em volume), o que leva a menos tensões na peça. Além disso, a presença de uma matriz mais dúctil entre as partículas globulares micrométricas de TiC em zonas alternadas de fraca e forte concentração permite gerir melhor as tensões locais.

Excelente conservação do reforço no dente [0071] Na presente invenção, a fronteira entre a parte reforçada e a parte não reforçada do dente não é abrupta, pois existe uma continuidade da matriz metálica entre a parte reforçada e a parte não reforçada, o que permite proteger a peça contra o arranque completo do reforço.

Resultados do ensaio [0072] As vantagens do dente, de acordo com a presente invenção, em relação aos dentes não compósitos, são uma melhoria da resistência ao desgaste, da ordem dos 300 %. De forma mais pormenorizada e conforme as circunstâncias do ensaio (dragagem), verificaram-se os seguintes desempenhos (expressos em tempo de vida útil do dente em função de um determinado volume de trabalho) para os produtos preparados de acordo com a presente invenção (reforço tipo da fig. lf, compreendendo, em geral, uma percentagem, em volume, de TiC de 30 % vol. - exemplo 2), em comparação com dentes idênticos de aço temperado. - calcário duro: 2,5 vezes; - mistura de argila dura, areia e gravilha compactadas: 2,9 vezes; - mistura de areia e argila dura: 3,2 vezes; - mistura de xisto e de areia: 3,4 vezes.

[0073] De uma maneira geral, o tempo de vida útil do dente tipo lf (ver fig. lf) com 30 % em volume de TiC na parte reforçada é 2,5 a 3,4 vezes superior ao de um dente idêntico em aço temperado.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Dente compósito para o trabalho no solo e com rochas, caracterizado pelo fato de compreender uma liga ferrosa reforçada, pelo menos em parte (5), com carboneto de titânio, segundo uma geometria definida, em que a referida parte reforçada (5) compreende uma macro-microestrutura alternada de zonas milimétricas (1) concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4), separadas por zonas milimétricas (2) praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4) , formando as referidas zonas concentradas em partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4) uma micro-estrutura na qual os interstícios micrométricos (3) , entre as referidas partículas globulares (4), estarem também ocupados pela referida liga ferrosa.

2. Dente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as referidas zonas milimétricas concentradas terem uma concentração de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4) superior a 36,9 % em volume.

3. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a referida parte reforçada ter um teor global de carboneto de titânio entre 16,6 e 50,5 % em volume.

4. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de as partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio (4) terem uma dimensão inferior a 50pm.

5. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato da maior parte das partículas micrométricas globulares de carbonetos de titânio (4) terem uma dimensão inferior a 20 μπι.

6. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de as referidas zonas concentradas de partículas globulares de carboneto de titânio (1) compreenderem 36,9 a 72,2 %, em volume, de carboneto de titânio.

7. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio (1) terem uma dimensão que varia entre 1 e 12 mm.

8. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio (1) terem uma dimensão que varia entre 1 e 6 mm.

9. Dente, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio (1) terem uma dimensão que varia entre 1,4 e 4 mm.

10. Processo de fabricação por fundição de um dente de material compósito, conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de compreender as etapas seguintes: disponibilização de um molde compreendendo a cavidade do molde do dente com uma geometria de reforço pré-definida; introdução, na parte da cavidade do molde destinada a formar a parte reforçada (5) , de uma mistura de pós compactados compreendendo carbono e titânio sob a forma de granulados milimétricos precursores do carboneto de titânio; vazamento de uma liga ferrosa no molde, em que o calor do referido material em fusão desencadeia uma reacção exotérmica de síntese auto-propagada de carboneto de titânio a alta temperatura (SHS) no seio dos referidos granulados precursores; formação, no seio da parte reforçada (5) do dente, de uma macro-microestrutura alternada de zonas milimétricas concentradas (1) de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4) no local dos referidos granulados precursores, sendo as referidas zonas separadas entre si por zonas milimétricas (2) praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4), estando igualmente as referidas partículas globulares (4) separadas, no seio das referidas zonas milimétricas concentradas (1) de carboneto de titânio por interstícios micrométricos (3); infiltração dos interstícios milimétricos (2) e micrométricos (3) pela referida liga ferrosa vazada a alta temperatura, no seguimento da formação de partículas microscópicas globulares de carboneto de titânio (4).

11. Processo de fabricação, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a mistura de pós compactados de titânio e cobre compreender um pó de uma liga ferrosa.

12. Processo de fabricação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato de o referido carbono ser grafite.