BRPI1009083B1 - WEAR ELEMENT FOR LAND & ROCK MACHINERY, GROUNDING AND / OR LOADING MACHINES - Google Patents
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Abstract
elemento de desgaste para máquinas para movimentar terra e rocha, penetrar no solo e/ou carregar a terra elemento de desgaste com resistência aprimorada ao desgaste com relação a elementos de desgaste, tais como dentes de aço fundidos a serem especialmente utilizados em maquinaria para aplicações de remoção de terra, penetração no solo e/ou carregamento de pedras, bem como a insertos a serem incluídos nos elementos de desgaste para aumentar a sua resistência, de forma a prolongar ou estender a sua vida útil.wear element for machines for moving earth and rock, penetrating the ground and / or loading the earth wear element with improved wear resistance with respect to wear elements such as cast steel teeth to be especially used in machinery for application soil removal, ground penetration and / or stone loading, as well as inserts to be included in the wear elements to increase their strength to extend or extend their service life.
Description
ELEMENTO DE DESGASTE PARA MÁQUINAS PARA MOVIMENTAR TERRA E ROCHA, PENETRAR NO SOLO E/OU CARREGAR A TERRAWEAR ELEMENT FOR MACHINERY TO MOVE EARTH AND ROCK, PENETRATE INTO THE GROUND AND / OR LOAD THE EARTH
CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção refere-se a elementos de desgaste, tais como dentes de aço fundido, a serem especialmente utilizados em maquinaria para aplicações de remoção de terra, penetração no solo e/ou carregamento de pedras, bem como a insertos a serem incluídos nos elementos de desgaste para aumentar a sua resistência ao desgaste, de forma a prolongar ou estender a sua vida útil.FIELD OF THE INVENTION [001] The present invention relates to wear elements, such as cast steel teeth, to be specially used in machinery for earth removal, soil penetration and / or stone loading applications, as well as inserts to be included in the wear elements to increase their wear resistance, in order to prolong or extend their useful life.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] A moldagem por inserção de corpos duros em elementos de desgaste de aço fundido para aplicações de penetração no solo para aumentar a sua resistência ao desgaste foi descrita anteriormente no estado da técnica.BACKGROUND OF THE INVENTION [002] Molding by inserting hard bodies into cast steel wear elements for ground penetration applications to increase their wear resistance has been described in the prior art.
[003] No documento US 5.081.774 (Kuwano), por exemplo, é descrito um dente de escavação de composto substituível que compreende insertos de ferro moldado e Cr resistentes ao desgaste que possui dureza mais alta que um corpo de dente e que é moldado por inserção no corpo de dente. O desempenho do dente de escavação é aprimorado posicionando-se o material resistente ao desgaste como inserto integral em uma parte central do corpo de dente. O inserto estende-se a partir da extremidade em direção a uma parte de conexão do dente e termina em uma posição limitadora do uso potencial dos dentes. Embora ferro moldado e Cr seja um material que é um pouco similar a aço fundido e, portanto, aparentemente compatível como inserto em aço fundido, é desejável aumentar a dureza do inserto acima do ferro moldado com Cr com o propósito de aprimorar o comportamento de[003] In US 5,081,774 (Kuwano), for example, a replaceable compound excavating tooth is described which comprises wear-resistant cast iron and Cr inserts that have higher hardness than a tooth body and which is molded by insertion into the tooth body. The performance of the digging tooth is improved by positioning the wear-resistant material as an integral insert in a central part of the tooth body. The insert extends from the end towards a connecting part of the tooth and ends in a position that limits the potential use of the teeth. Although cast iron and Cr is a material that is somewhat similar to cast steel and therefore apparently compatible as a cast steel insert, it is desirable to increase the hardness of the insert above the cast iron with Cr in order to improve the behavior of
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 6/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 6/30
2/16 desgaste geral da peça, preservando, ao mesmo tempo, a rigidez de aço fundido no inserto.2/16 general wear of the part, while preserving the rigidity of molten steel in the insert.
[004] Também se deu atenção no estado da técnica ao uso de outros materiais com alta dureza para reforçar modelagens com base em ferro. Nessa técnica, os insertos selecionados são geralmente constituídos por materiais de cermet tais como partículas de WC cimentadas com um aglutinante metálico. O benefício fornecido por esses insertos é a boa união potencial desenvolvida com o aço despejado devido à natureza metálica similar entre o aglutinante e o aço. No campo de elementos de desgaste que encaixam no solo, entretanto, a modelagem por inserto de corpos de reforço com base em cermet limita-se a aplicações exigentes com alto custo de tempo de inativamento. Isso se deve principalmente ao alto valor econômico do material de cermet. É, portanto, desejável o desenvolvimento de elementos reforçados com alta resistência ao desgaste e custo mais baixo.[004] Attention was also paid in the state of the art to the use of other materials with high hardness to reinforce iron-based modeling. In this technique, the selected inserts are generally made up of cermet materials such as toilet particles cemented with a metallic binder. The benefit provided by these inserts is the good potential union developed with the poured steel due to the similar metallic nature between the binder and the steel. In the field of wear elements that fit into the ground, however, insert modeling of reinforcement bodies based on cermet is limited to demanding applications with high cost of downtime. This is mainly due to the high economic value of the cermet material. It is therefore desirable to develop reinforced elements with high wear resistance and lower cost.
[005] Em um contexto mais geral, sabe-se bem que materiais cerâmicos com custo mais baixo podem sofrer infiltração de metais fundidos. Esse estado da técnica é descrito, por exemplo, em US 6.338.906 (Ritland et al, 1999) e Processing and Microstructure of Metal Matrix Composites Prepared by Pressureless Ti-Activated Infiltration Using FeBase and Ni-Base Alloys, Materials Science and Engineering A 393 (2005), 229-238 (Lemster et al). A primeira referência lida com vedações produzidas por meio da infiltração capilar de partículas cerâmicas porosas (previamente consolidadas ou sinterizadas) por metal fundido. A microestrutura resultante do componente é composta, portanto, de canais finos em volta[005] In a more general context, it is well known that ceramic materials with lower cost can suffer infiltration of molten metals. This state of the art is described, for example, in US 6,338,906 (Ritland et al, 1999) and Processing and Microstructure of Metal Matrix Composites Prepared by Pressureless Ti-Activated Infiltration Using FeBase and Ni-Base Alloys, Materials Science and Engineering A 393 (2005), 229-238 (Lemster et al). The first reference deals with seals produced by means of capillary infiltration of porous ceramic particles (previously consolidated or sintered) by molten metal. The microstructure resulting from the component is therefore composed of thin channels around
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 7/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 7/30
3/16 de partículas cerâmicas. Ensina-se que a cerâmica infiltrada por metal resultante possui bom comportamento tribológico e o seu uso é exemplificado em vedações de face mecânica, uniões giratórias, vedações de portais deslizantes, mancais, apoios e outros componentes deslizantes ou de atrito que necessitam de boas características de durabilidade e desgaste, boa resistência à corrosão e boa condução térmica. Sabe-se, entretanto, que a infiltração capilar necessita de canais finos e um saldo de energias interfaciais que dirige o metal líquido para os canais, enquanto, no reforço de elementos de desgaste para penetração no solo de acordo com a presente invenção, aço fundido geralmente é repelido pelos materiais cerâmicos de interesse (ou seja, aço fundido não umedece facilmente essa cerâmica), inibindo ou impedindo a ação capilar e exigindo canais mais espessos para permitir a penetração do metal. A segunda das referências descritas acima também se refere ao processamento de compostos de matriz de aço com partículas cerâmicas embutidas. Uma questão específica em exame nesta segunda referência é a melhoria das características de infiltração da cerâmica utilizando grãos de titânio (Ti) misturados nas partículas de cerâmica. Esta técnica permite, portanto, o processamento de compostos de matrizes metálicas com um grande teor de cerâmica. A microestrutura que resulta no estado da técnica mencionado acima envolve uma grande fração de grãos de cerâmica infiltrada por metal e, portanto, não cobre a consolidação de compostos de matriz metálica celular tridimensional com alto teor metálico, como os propostos na presente invenção. Além disso, a presença de uma grande fração metálica no composto não é conveniente na faixa de aplicações de desgaste3/16 of ceramic particles. It is taught that the resulting metal infiltrated ceramics has good tribological behavior and its use is exemplified in mechanical face seals, swivel joints, sliding portal seals, bearings, supports and other sliding or friction components that need good characteristics of durability and wear, good corrosion resistance and good thermal conduction. It is known, however, that capillary infiltration requires thin channels and a balance of interfacial energies that directs the liquid metal to the channels, while, in the reinforcement of wear elements for penetration into the soil according to the present invention, cast steel it is generally repelled by the ceramic materials of interest (that is, molten steel does not easily moisten this ceramic), inhibiting or preventing capillary action and requiring thicker channels to allow metal penetration. The second of the references described above also refers to the processing of steel matrix compounds with embedded ceramic particles. A specific issue under examination in this second reference is the improvement of the infiltration characteristics of the ceramic using titanium (Ti) grains mixed in the ceramic particles. This technique therefore allows the processing of metallic matrix compounds with a high ceramic content. The microstructure that results in the state of the art mentioned above involves a large fraction of ceramic grains infiltrated by metal and, therefore, does not cover the consolidation of three-dimensional cellular metallic matrix compounds with high metallic content, as proposed in the present invention. In addition, the presence of a large metallic fraction in the compound is not convenient in the range of wear applications
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 8/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 8/30
4/16 descritas no estado da técnica discutido acima, no qual coloca-se ênfase no aumento da dureza do material sem contrabalançar a resistência à compressão e a rigidez. Este equilíbrio das propriedades mecânicas, entretanto, é altamente desejável no campo de penetração no solo de dentes para aplicações de movimentação da terra, em que a dureza e a rigidez regem a vida útil e a velocidade de desgaste.4/16 described in the state of the art discussed above, in which emphasis is placed on increasing the hardness of the material without counterbalancing the compressive strength and stiffness. This balance of mechanical properties, however, is highly desirable in the field of penetration into the soil of teeth for earth moving applications, where hardness and rigidity govern the service life and wear speed.
[006] Estado da técnica adicional descrito em US 4.909.300 (T. Horie, 1989) e EP 1.593.757 (M. Freling et al, 2005) refere-se ao processamento de compostos de matriz metálica por meio da infiltração de espumas cerâmicas de baixo custo. A primeira das referências descritas acima refere-se a um método de produção de uma parte permeável a fluidos constituída por uma estrutura cerâmica porosa com membros cerâmicos ocos, cujos poros são infiltrados por um metal moldado, mas que mantêm a concatenação dos membros ocos (não infiltrados). Desta forma, permite-se a ocorrência do fluxo de um líquido lubrificante nos membros cerâmicos ocos durante o serviço. Esse fluxo no serviço não possui utilidade em elementos de penetração no solo. A falta de penetração dos membros cerâmicos ocos contíguos pelo metal fundido geraria, na verdade, baixa resistência a fraturas da parte reforçada do elemento de desgaste e, portanto, eliminaria o seu uso em aplicações de penetração no solo. A segunda referência descreve espumas classificadas funcionalmente infiltradas por metais fundidos, em que a porosidade dessa espuma foi elaborada de tal forma que a peça resultante exiba uma variação gradual do teor metálico relativo de um lado para o outro. Estes componentes infiltrados com espuma classificada são utilizados em motores com turbina a gás para aplicações[006] State of the art described in US 4,909,300 (T. Horie, 1989) and EP 1,593,757 (M. Freling et al, 2005) refers to the processing of metal matrix compounds through the infiltration of foams low-cost ceramics. The first of the references described above refers to a method of producing a fluid-permeable part consisting of a porous ceramic structure with hollow ceramic members, whose pores are infiltrated by a molded metal, but which maintain the concatenation of the hollow members (no infiltrated). In this way, a flow of lubricating liquid is allowed to occur in the hollow ceramic members during service. This flow in the service is not useful in elements that penetrate the ground. The lack of penetration of the contiguous hollow ceramic members by the molten metal would, in fact, generate low fracture resistance of the reinforced part of the wear element and, therefore, would eliminate its use in soil penetration applications. The second reference describes foams classified functionally infiltrated by molten metals, in which the porosity of this foam was elaborated in such a way that the resulting piece exhibits a gradual variation of the relative metallic content from one side to the other. These components infiltrated with classified foam are used in gas turbine engines for applications
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 9/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 9/30
5/16 de alta temperatura. Os componentes exibem condutividade térmica dirigida devido à variação gradual de conteúdo cerâmico/metálico, mas esta propriedade não é necessária nem útil para elementos de penetração no solo que necessitam de uma combinação de resistência, rigidez e resistência ao desgaste.5/16 high temperature. The components exhibit directed thermal conductivity due to the gradual variation of ceramic / metallic content, but this property is neither necessary nor useful for soil penetrating elements that require a combination of strength, stiffness and wear resistance.
[007] Nenhum dos documentos do estado da técnica mencionados acima descreve nem considera um elemento resistente ao desgaste tal como um dente de aço fundido para aplicações de movimentação de terra, que possuem uma união segura com baixa porosidade entre um inserto de espuma cerâmica celular reticulada e aço fundido que infiltra na cerâmica por meio de despejamento por gravidade.[007] None of the prior art documents mentioned above describe or consider a wear resistant element such as a molten steel tooth for earth moving applications, which have a secure connection with low porosity between a reticulated cellular ceramic foam insert and molten steel that infiltrates the ceramic by means of gravity dumping.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO [008] A presente invenção refere-se a elementos resistentes ao desgaste aprimorados para máquinas de movimentação de terra, penetração no solo e/ou carregamento de rochas, tal como dentes de caçambas para escavadoras e carregadores. O propósito da presente invenção é, portanto, de aumentar a vida útil do elemento de desgaste por meio da inclusão de insertos de espuma cerâmica celular dura in situ infiltrados por aço fundido resistente a impactos mais resistente.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION [008] The present invention relates to improved wear-resistant elements for earth-moving, soil-penetrating and / or rock-loading machines, such as bucket teeth for excavators and loaders. The purpose of the present invention is, therefore, to increase the life of the wear element by including inserts of hard cellular ceramic foam in situ infiltrated by more resistant impact resistant cast steel.
[009] O objetivo da presente invenção é, portanto, um elemento de desgaste com um inserto de reforço de espuma cerâmica conforme definido na reivindicação 1.[009] The purpose of the present invention is, therefore, a wear element with a ceramic foam reinforcement insert as defined in claim 1.
[0010] O elemento de desgaste reforçado desta forma exibe uma combinação notável de dureza, resistência, rigidez e resistência ao desgaste. Após o tratamento com calor por meio de métodos convencionais de normalização,[0010] The wear element reinforced in this way exhibits a remarkable combination of hardness, strength, stiffness and wear resistance. After heat treatment using conventional standardization methods,
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 10/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 10/30
6/16 resfriamento e têmpera, o elemento de desgaste reforçado é apropriado para aplicações nas quais a pressão aplicada à superfície de desgaste do elemento de desgaste não excede 1000 MPa.6/16 cooling and tempering, the reinforced wear element is suitable for applications where the pressure applied to the wear surface of the wear element does not exceed 1000 MPa.
[0011] O desempenho dos elementos reforçados e, especificamente, a ausência de falhas súbitas durante o serviço são influenciados criticamente pela qualidade da união que é desenvolvida entre a espuma cerâmica e o aço fundido. A qualidade da união é determinada diretamente por meio de boa penetração do aço fundido nos poros celulares da espuma, sem nenhuma lacuna ou rachadura das paredes celulares e dentro da microporosidade das paredes celulares. As paredes celulares da espuma possuem uma grande extensão reticulada que entra em contato e é rodeada e penetrada pelo aço fundido, de forma a ocorrer entrelaçamento mecânico robusto entre o metal moldado e o inserto cerâmico e assim constituir uma união de qualidade. O entrelaçamento mecânico robusto fornece ao elemento de desgaste a combinação de propriedades de resistência ao desgaste e alta dureza da cerâmica dura e a resistência e rigidez do aço.[0011] The performance of the reinforced elements and, specifically, the absence of sudden failures during service are critically influenced by the quality of the bond that is developed between the ceramic foam and the molten steel. The quality of the bond is determined directly by means of good penetration of the molten steel into the cellular pores of the foam, without any gap or crack in the cell walls and within the microporosity of the cell walls. The cell walls of the foam have a large reticulated extension that comes into contact and is surrounded and penetrated by the molten steel, in order to occur a robust mechanical entanglement between the molded metal and the ceramic insert and thus constitute a quality union. The robust mechanical interlacing provides the wear element with the combination of wear resistance and high hardness properties of hard ceramic and the strength and stiffness of steel.
[0012] Os elementos de desgaste reforçados de acordo com a presente invenção permitem a extensão do tempo de trabalho efetivo em substituições consecutivas e, portanto, podem substituir elementos ou ferramentas de penetração no solo convencionais tais como dentes de caçambas escavadoras e carregadores, que geralmente são fabricados exclusivamente com aços de baixa liga. A presente invenção refere-se, portanto, a realizações de reforço de elementos de desgaste de aço fundido cujo uso destina-se a um amplo espectro de aplicações que compreende essencialmente aquelas[0012] The reinforced wear elements according to the present invention allow the extension of the effective working time in consecutive replacements and, therefore, can replace conventional ground penetrating elements or tools such as digging bucket teeth and loaders, which generally they are manufactured exclusively with low alloy steels. The present invention therefore relates to embodiments of reinforcing cast steel wear elements whose use is intended for a wide spectrum of applications that essentially comprises those
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 11/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 11/30
7/16 em que o elemento de desgaste é submetido a solicitações de desgaste abrasivo em penetração no solo, em que a pressão aplicada durante o serviço não excede um limite na faixa de 1000 MPa de tensão de compressão na parte de desgaste do elemento ou não excede um valor crítico relativo a esse limite de tensão por compressão, conforme determinado, por7/16 where the wear element is subjected to abrasive wear stresses penetrating the ground, where the pressure applied during service does not exceed a limit in the range of 1000 MPa of compressive stress on the wear part of the element or not exceeds a critical value for that compression stress limit as determined by
[0013] O presente relatório descritivo inclui as figuras a seguir para ilustrar a presente invenção:[0013] The present specification includes the following figures to illustrate the present invention:
[0014] - a Figura 1 é um desenho esquemático tridimensional de um elemento de desgaste de acordo com a presente invenção com o inserto no seu interior;[0014] - Figure 1 is a three-dimensional schematic drawing of a wear element according to the present invention with the insert inside it;
[0015] - a Figura 2 é um desenho esquemático em elevação lateral que indica um plano seccional (A) de um elemento de desgaste de acordo com a presente invenção com o inserto no seu interior;[0015] - Figure 2 is a schematic drawing in lateral elevation that indicates a sectional plane (A) of a wear element according to the present invention with the insert inside it;
[0016] - a Figura 3 é um desenho esquemático de um plano seccional (A) de um elemento de desgaste de acordo com a presente invenção com o inserto no seu interior;[0016] - Figure 3 is a schematic drawing of a sectional plane (A) of a wear element according to the present invention with the insert inside it;
[0017] - a Figura 4 é uma micrografia que exibe a estrutura de uma região composta de espuma cerâmica e aço (2) de um elemento de desgaste de acordo com a presente invenção;[0017] - Figure 4 is a micrograph showing the structure of a region composed of ceramic foam and steel (2) of a wear element according to the present invention;
[0018] - a Figura 5 é uma micrografia de alta ampliação de uma área (B) em uma região composta de espuma cerâmica e aço (2) de um elemento de desgaste de acordo com a presente invenção; e[0018] - Figure 5 is a high magnification micrograph of an area (B) in a region composed of ceramic foam and steel (2) of a wear element according to the present invention; and
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 12/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 12/30
8/16 [0019] - a Figura 6 é uma plotagem gráfica de resultados de teste de compressão uniaxial, que exibe a tensão com relação ao estiramento de três amostras obtidas de região composta de espuma cerâmica e aço (2) de um elemento de desgaste de acordo com a presente invenção.8/16 [0019] - Figure 6 is a graphical plot of uniaxial compression test results, which shows the tension with respect to the stretching of three samples obtained from a region composed of ceramic foam and steel (2) of a wear element according to the present invention.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES PREFERIDAS [0020] Conforme indicado anteriormente, o objeto da presente invenção é um elemento de desgaste reforçado para máquinas de encaixe e movimentação de terra e rochas que compreende aço fundido por gravidade e pelo menos um inserto de espuma cerâmica celular reticulada tridimensional que possui uma estrutura porosa com células abertas que é substancial ou completamente penetrada pelo aço fundido. Durante a moldagem do dito elemento de desgaste, infiltração de aço fundido da espuma cerâmica ocorre sem o uso de nenhum meio externo para aumentar a pressão de infiltração. Essa infiltração sem pressão é possível porque a combinação das propriedades fluídicas do aço líquido sob temperaturas de moldagem e da estrutura celular altamente aberta da espuma cerâmica é suficiente para permitir a infiltração e penetração das células abertas da espuma, bem como a infiltração e a penetração nas paredes celulares da espuma cerâmica.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0020] As indicated above, the object of the present invention is a reinforced wear element for earth and rock fitting and moving machines comprising gravity-melted steel and at least one three-dimensional reticulated cellular ceramic foam insert. which has a porous structure with open cells that is substantially or completely penetrated by molten steel. During the molding of said wear element, infiltration of molten steel from the ceramic foam occurs without the use of any external means to increase the infiltration pressure. This pressure-free infiltration is possible because the combination of the fluidic properties of liquid steel under molding temperatures and the highly open cell structure of the ceramic foam is sufficient to allow the infiltration and penetration of the open foam cells, as well as the infiltration and penetration into the cell walls of ceramic foam.
[0021] Com referência à Figura 1, um elemento de penetração no solo reforçado de acordo com a presente invenção, conforme exemplificado por um dente (1), é exibido incluindo uma região composta de espuma celular e aço (2). Na Figura 2, uma vista em elevação lateral do dente (1) é ilustrada e identifica um plano seccionado (A), que é ortogonal à direção de observação e passa através do dente[0021] With reference to Figure 1, a reinforced soil penetrating element according to the present invention, as exemplified by a tooth (1), is displayed including a region composed of cellular foam and steel (2). In Figure 2, a side elevation view of the tooth (1) is illustrated and identifies a sectioned plane (A), which is orthogonal to the observation direction and passes through the tooth
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 13/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 13/30
9/16 (1) e através da região composta (2). A Figura 3 ilustra uma visão seccional do dente (1) de acordo com o plano seccional (A) que exibe a região composta (2) rodeada por aço fundido (3) .9/16 (1) and through the composite region (2). Figure 3 illustrates a sectional view of the tooth (1) according to the sectional plane (A) showing the composite region (2) surrounded by molten steel (3).
[0022] O elemento de desgaste reforçado de acordo com a presente invenção, tal como um dente de carregador ou escavador (1), inclui uma região composta de espuma celular e aço (2) . Embora a região composta (2) possa possuir um formato de caixa retangular simples na parte de extremidade do dente (1), será evidente para os técnicos no assunto que outras formas e locais da região composta (2) podem ser adotados como adequados ao desenvolvimento de erosão durante o serviço esperado e ao padrão de desgaste do elemento de desgaste. Embora a região composta (2) possa ocupar apenas uma certa parte do dente (1), geralmente é desejável que o tamanho da região composta (2) seja suficientemente extenso, de forma a fornecer resistência máxima ao desgaste ao dente (1), minimizando ao mesmo tempo o custo do inserto de espuma cerâmica e a complexidade da disposição de moldagem por fusão.[0022] The reinforced wear element according to the present invention, such as a loader or digger tooth (1), includes a region composed of cellular foam and steel (2). Although the composite region (2) may have a simple rectangular box shape at the end of the tooth (1), it will be apparent to those skilled in the art that other shapes and locations of the composite region (2) can be adopted as suitable for development of erosion during the expected service and the wear pattern of the wear element. Although the composite region (2) can occupy only a certain part of the tooth (1), it is generally desirable that the size of the composite region (2) is sufficiently large, in order to provide maximum wear resistance to the tooth (1), minimizing at the same time the cost of the ceramic foam insert and the complexity of the melt molding arrangement.
[0023] Particularmente, o inserto incluído no elemento de desgaste é uma espuma cerâmica celular reticulada tridimensional com uma estrutura porosa com células abertas que é penetrada substancial ou completamente por aço fundido durante a modelagem por gravidade do elemento. O material do dito inserto é preferencialmente uma cerâmica com base em zircônia, tal como um composto de zircônia-ítria (ZrO2-Y2O3) , zircônia-magnésia (ZrO2-MgO), zircônia-cálcia (ZrO2-CaO) ou também de zircônia-alumina (ZrO2-Al2O3).[0023] In particular, the insert included in the wear element is a three-dimensional cross-linked cellular ceramic foam with a porous structure with open cells that is substantially or completely penetrated by molten steel during gravity modeling of the element. The material of said insert is preferably a ceramic based on zirconia, such as a compound of zirconia-yttria (ZrO2-Y2O3), zirconia-magnesia (ZrO2-MgO), zirconia-calcium (ZrO2-CaO) or also zirconia- alumina (ZrO2-Al2O3).
[0024] O inserto cerâmico pode ser composto, por[0024] The ceramic insert can be composed, by
Petição 870190076181, de 07/08/2019, pág. 14/30Petition 870190076181, of 07/08/2019, p. 14/30
10/16 outro lado, de silicatos de alumina (AI2O3-SÍO2) , tais como mulita ou materiais com alto teor de alumina (Al2O3) , tais como alumina branca ou tabular ou materiais de aluminato, tais como espinela de aluminato ou alumina endurecida por zircônia, ou mesmo carbetos cerâmicos, tais como carbeto de silício (SiC). A partir dos materiais mencionados acima, cerâmicas com alto teor de alumina, aluminato e carbeto de silício exibem a dureza mais alta e pode-se esperar, portanto, que eles forneçam resistência ao desgaste mais alta quando adequadamente infiltrados e unidos a um aço mais mole, mas mais resistente. Sabe-se bem, entretanto, que a capacidade de umectação de cerâmica com base em alumina por aço líquido é comparativa e significativamente mais baixa que a de cerâmica com base em zircônia e também se sabe bem que carbeto de silício pode ser facilmente dissolvido por aço fundido. Neste contexto, reconheceu-se que o revestimento de espumas cerâmicas com alto teor de alumina, aluminato e carbeto de silício com um material cerâmico com melhor capacidade de umectação por aço fundido, tal como material de silicato de alumina, como mulita, ou material com base em zircônio, facilita a infiltração e a união. A espuma cerâmica revestida desta maneira pode ser formada por meio da imersão de espumas cerâmicas pouco umectáveis em uma calda do material de revestimento, seguida pela sua ignição.10/16 on the other hand, of alumina silicates (AI2O3-SiO2), such as mullite or materials with a high alumina content (Al2O3), such as white or tabular alumina or aluminate materials, such as aluminate spinel or alumina-hardened alumina. zirconia, or even ceramic carbides, such as silicon carbide (SiC). From the materials mentioned above, ceramics with a high content of alumina, aluminate and silicon carbide exhibit the highest hardness and can therefore be expected to provide higher wear resistance when properly infiltrated and bonded to a softer steel , but more resistant. It is well known, however, that the wetting capacity of ceramic based on alumina by liquid steel is comparative and significantly lower than that of ceramic based on zirconia and it is also well known that silicon carbide can be easily dissolved by steel cast. In this context, it was recognized that the coating of ceramic foams with a high content of alumina, aluminate and silicon carbide with a ceramic material with better wetting capacity by molten steel, such as alumina silicate material, such as mullite, or material with zirconium base, facilitates infiltration and bonding. Ceramic foam coated in this way can be formed by immersing low-wettable ceramic foams in a syrup of the coating material, followed by ignition.
[0025] Particularmente, o aço fundido é constituído por um aço de baixa liga que é facilmente endurecido por meio de tratamento a quente por normalização, resfriamento e têmpera, que possui análise química, em percentuais em peso: teor de carbono de 0,15% a 0,35%, teor de silício de 0,5% a 2%, teor de manganês de 0,5% a 1,5%,[0025] Particularly, molten steel consists of a low alloy steel that is easily hardened by means of hot treatment by standardization, cooling and quenching, which has chemical analysis, in weight percentages: carbon content of 0.15 % to 0.35%, silicon content from 0.5% to 2%, manganese content from 0.5% to 1.5%,
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11/16 teor de cromo de 0,5% a 2,5%, teor de níquel de 0% a 2%, teor de molibdênio de 0,15% a 0,35%, bem como pequenos teores de adições de alumínio e zircônio para desoxidação e níveis residuais de enxofre, fósforo e outras impurezas ou componentes menores. O teor de silício do aço fundido é mais influente no fornecimento ao aço líquido de propriedades fluidas sob temperatura de moldagem que obtêm a penetração desejada dos insertos de espuma cerâmica. No contexto da obtenção de uma união de qualidade entre o aço fundido e o inserto de espuma cerâmica, as propriedades fluídicas preferidas do aço fundido são obtidas em aços que contêm teores de silício de mais de 1% em peso.11/16 chromium content from 0.5% to 2.5%, nickel content from 0% to 2%, molybdenum content from 0.15% to 0.35%, as well as small amounts of aluminum additions and zirconium for deoxidation and residual levels of sulfur, phosphorus and other impurities or minor components. The silicon content of molten steel is most influential in providing liquid steel with fluid properties under molding temperature that achieve the desired penetration of the ceramic foam inserts. In the context of achieving a quality bond between the molten steel and the ceramic foam insert, the preferred fluidic properties of the molten steel are obtained in steels containing silicon contents of more than 1% by weight.
[0026] A Figura 4 é uma micrografia de área seccional polida na região composta de espuma cerâmica e aço (2) de um elemento de acordo com a presente invenção. Aço fundido infiltrado (21) da dita composição acima constitui as características escuras da micrografia, enquanto as características mais claras compreendem as paredes da espuma cerâmica (22) que, neste caso, é um material cerâmico com base em zircônia. A parte da micrografia que exibe uma mistura fina de características claras e escuras é uma parte na qual o metal moldado infiltrado (21) penetrou nas paredes celulares da espuma cerâmica (22). Também é identificada na Figura 4 uma certa área (B) da fotomicrografia que inclui uma parte de penetração fina das paredes cerâmicas (22) pelo aço[0026] Figure 4 is a micrograph of sectional area polished in the region composed of ceramic foam and steel (2) of an element according to the present invention. Infiltrated molten steel (21) of said composition above constitutes the dark characteristics of the micrograph, while the lighter characteristics comprise the walls of the ceramic foam (22) which, in this case, is a ceramic material based on zirconia. The part of the micrograph that exhibits a fine mixture of light and dark characteristics is a part in which the infiltrated molded metal (21) has penetrated the cell walls of the ceramic foam (22). Also identified in Figure 4 is a certain area (B) of the photomicrograph that includes a part of fine penetration of the ceramic walls (22) by the steel
pelo aço infiltrado (21). Novamente nesta micrografia, asinfiltrated steel (21). Again in this micrograph, the
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12/16 características escuras são o aço infiltrado (21) e as características claras compreendem as paredes da espuma cerâmica (22). A parte escura voltada para a parte esquerda da micrografia é aço infiltrado (21) que se encontra dentro do que uma vez foi uma célula aberta da espuma antes da infiltração, enquanto a parte colorida voltada para o lado direito da micrografia é uma mistura fina de características claras e escuras que indica a penetração fina da microporosidade das paredes celulares (22) pelo aço infiltrado (21) .12/16 dark characteristics are infiltrated steel (21) and the light characteristics comprise the ceramic foam walls (22). The dark part facing the left part of the micrograph is infiltrated steel (21) which is inside what was once an open foam cell before infiltration, while the colored part facing the right side of the micrograph is a fine mixture of light and dark characteristics that indicates the fine penetration of the microporosity of the cell walls (22) by the infiltrated steel (21).
[0028] A Figura 4 e a Figura 5 evidenciam o excelente entrelaçamento de aço infiltrado (21) e as paredes da espuma cerâmica (22) que fornece a união de qualidade atingida na região composta de espuma cerâmica e aço (2) de um elemento de acordo com a presente invenção.[0028] Figure 4 and Figure 5 show the excellent interlacing of infiltrated steel (21) and the walls of ceramic foam (22) that provides the quality union achieved in the region composed of ceramic foam and steel (2) of an element according to the present invention.
[0029] Testes de infiltração realizados utilizando as espumas cerâmicas mencionadas acima e aço fundido comprovaram que é possível penetrar adequadamente em espumas com porosidade celular média de 10 a 60 poros por polegada (ou seja, 10 a 60 ppi) e, preferencialmente, 20 a 30 ppi. Ao fazê-lo, as propriedades de desgaste aprimoradas do composto de espuma cerâmica e aço resultante (2) são garantidas pela sua macro e microestrutura fina. Para aprimorar ainda mais as propriedades de impacto ao desgaste da parte composta de espuma infiltrada com aço fundido resultante (2) do elemento de desgaste, também é apropriado que a fração de volume da fase cerâmica exceda 10% mas não exceda 35% da região composta (2) do elemento.[0029] Infiltration tests carried out using the ceramic foams mentioned above and molten steel proved that it is possible to properly penetrate foams with an average cell porosity of 10 to 60 pores per inch (ie 10 to 60 ppi) and, preferably, 20 to 30 ppi. In doing so, the improved wear properties of the resulting ceramic foam and steel compound (2) are guaranteed by its fine macro and microstructure. In order to further improve the wear impact properties of the foam compound infiltrated with molten steel resulting (2) from the wear element, it is also appropriate that the volume fraction of the ceramic phase exceeds 10% but does not exceed 35% of the composite region (2) of the element.
[0030] Uma característica específica da presente invenção é o fato de que a infiltração de aço do inserto de[0030] A specific feature of the present invention is the fact that the steel infiltration of the
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13/16 espuma cerâmica, que forma a região composta (2), ocorre tanto nas células relativamente grandes em escala macroscópica bem como nas paredes celulares em escala microestrutural, de forma a fornecer forte entrelaçamento mecânico entre a cerâmica e o aço fundido. A boa união produzida desta forma entre metal e cerâmica foi evidenciada por meio de teste de compressão uniaxial das espumas infiltradas com aço (ou seja, região composta (2)) após o tratamento a quente por normalização, resfriamento e têmpera do elemento de desgaste. Os resultados demonstram uma reação um tanto elástica aos níveis de tensão uniaxial até a faixa de 700 MPa a 1000 MPa, conforme determinado com compensação de estiramento de 0,01%. Sob tensões de mais de 1000 MPa, podem ocorrer processos de deformação inelástica e falta de coesão entre paredes de células cerâmicas e aço. Utilizando o mesmo método de teste, o limite elástico do aço fundido não infiltrado (3) após o tratamento a quente por normalização, resfriamento e têmpera do elemento de desgaste foi determinado como estando na faixa de 1400 a 1500 MPa. Um limite elástico mínimo de 700 MPa fornece, entretanto, uma ampla faixa de utilidade dos elementos reforçados em aplicações de penetração no solo, que envolve pressões aplicadas de até 1000 MPa, que incluem dentes com alta resistência ao desgaste para escavadoras e carregadores de propósitos gerais.13/16 ceramic foam, which forms the composite region (2), occurs both in relatively large cells on a macroscopic scale as well as on cell walls on a microstructural scale, in order to provide a strong mechanical entanglement between the ceramic and the molten steel. The good union produced in this way between metal and ceramic was evidenced by means of a uniaxial compression test of the foams infiltrated with steel (ie, composite region (2)) after the heat treatment by normalizing, cooling and tempering the wear element. The results demonstrate a somewhat elastic reaction to uniaxial stress levels up to the range of 700 MPa to 1000 MPa, as determined with 0.01% stretch compensation. Under stresses of more than 1000 MPa, processes of inelastic deformation and lack of cohesion between ceramic cell walls and steel can occur. Using the same test method, the elastic limit of the non-infiltrated cast steel (3) after the heat treatment by normalizing, cooling and quenching the wear element was determined to be in the range of 1400 to 1500 MPa. A minimum elastic limit of 700 MPa, however, provides a wide range of usefulness of the reinforced elements in soil penetration applications, which involves applied pressures of up to 1000 MPa, which include teeth with high wear resistance for general purpose excavators and loaders. .
[0031] Os resultados acima podem ser observados na Figura 6, na qual é exibida uma plotagem gráfica de tensão de compressão com relação ao estiramento de compressão para três amostras típicas obtidas da região composta de espuma cerâmica e aço (2) de um elemento de desgaste tratado a quente normalizado, resfriado e temperado de acordo com a presente invenção. Como se[0031] The above results can be seen in Figure 6, in which a graphical plot of compression stress is displayed in relation to the compression stretch for three typical samples obtained from the region composed of ceramic foam and steel (2) of an element of normalized, cooled and tempered wear treated according to the present invention. As if
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14/16 pode observar na Figura 6, a reação de tensão de compressão da região composta (2) exibe um comportamento um tanto elástico (ou seja, uma relação de linha quase reta entre tensão e estiramento) do nível de tensão zero até níveis de tensão de compressão uniaxial na faixa de 700 MPa a 1000 MPa. Sob tensões de mais de cerca de 1000 MPa, ocorre deformação plástica (ou seja, inelástica ou permanente) do aço em conjunto com falta de coesão entre as paredes de células cerâmicas e o aço.14/16 can see in Figure 6, the compression stress reaction of the composite region (2) exhibits a somewhat elastic behavior (that is, an almost straight line relationship between tension and stretching) from the zero stress level to levels of uniaxial compression stress in the range of 700 MPa to 1000 MPa. Under stresses of more than about 1000 MPa, plastic deformation (that is, inelastic or permanent) of the steel occurs together with a lack of cohesion between the ceramic cell walls and the steel.
[0032] Uma realização adicional da presente invenção consiste de um inserto híbrido, ou seja, um primeiro inserto de espuma cerâmica conforme descrito acima com um segundo inserto que é introduzido no dito primeiro inserto, de tal forma que o dito primeiro inserto esteja rodeando, ao menos parcialmente, o dito segundo inserto. O dito segundo inserto é preferencialmente composto por um cermet, de preferência superior de carbeto de tungstênio cimentado, que é introduzido em um inserto de espuma cerâmica dos tipos descritos anteriormente. Um inserto de cermet fornece aumento adicional da resistência ao desgaste em comparação com elementos de desgaste reforçados apenas com a região composta de aço e cerâmica (2).[0032] A further embodiment of the present invention consists of a hybrid insert, that is, a first ceramic foam insert as described above with a second insert that is inserted in said first insert, such that said first insert is surrounding, at least partially, said second insert. Said second insert is preferably composed of a cermet, preferably superior to cemented tungsten carbide, which is introduced into a ceramic foam insert of the types described above. A cermet insert provides a further increase in wear resistance compared to wear elements reinforced only with the region composed of steel and ceramic (2).
[0033] A natureza e o objeto da presente invenção tornar-se-ão evidentes por meio da descrição detalhada a seguir de uma realização preferida da presente invenção.[0033] The nature and object of the present invention will become apparent from the following detailed description of a preferred embodiment of the present invention.
[0034] O objeto desta realização é, conforme indicado anteriormente, um elemento de desgaste, ou seja, um dente de aço fundido, a ser utilizado especialmente em aplicações de carregamento. O propósito principal do elemento de desgaste é o carregamento de minerais/pedras soltas em caminhões, basculantes ou qualquer outro meio de transporte em minas, pedreiras ou similares.[0034] The object of this realization is, as indicated above, a wear element, that is, a molten steel tooth, to be used especially in loading applications. The main purpose of the wear element is to load minerals / loose stones on trucks, dump trucks or any other means of transport in mines, quarries or similar.
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15/16 [0035] O dente de carregamento da presente realização compreende um inserto de espuma cerâmica com base em zircônia para aumentar a resistência ao desgaste do dente, de forma a prolongar a sua vida útil. A confiabilidade do dente reforçado é garantida por meio da obtenção de união de qualidade entre o inserto de espuma cerâmica de reforço e o aço fundido que constitui o dente. Foi atingida a penetração completa do aço fundido nos poros celulares da espuma e dentro da microporosidade das paredes celulares.15/16 [0035] The loading tooth of the present embodiment comprises a ceramic foam insert based on zirconia to increase the wear resistance of the tooth, in order to prolong its useful life. The reliability of the reinforced tooth is guaranteed by obtaining a quality bond between the reinforcing ceramic foam insert and the molten steel that constitutes the tooth. Complete penetration of the molten steel into the cellular pores of the foam and into the microporosity of the cell walls has been achieved.
[0036] O inserto de acordo com a presente realização é uma espuma cerâmica com base em zircônia com 130 mm de comprimento por 90 mm de largura e 25 mm de altura. A espuma cerâmica foi obtida por meio da impregnação de uma espuma polimérica com células abertas com uma calda do material com base em zircônia e por meio de ignição subsequente. A espuma cerâmica obtida desta forma é caracterizada por possuir macroporosidade celular aberta de 20 ppi. As paredes cerâmicas foram microporosas e continham algumas lacunas e rachaduras.[0036] The insert according to the present embodiment is a ceramic foam based on zirconia, 130 mm long by 90 mm wide and 25 mm high. The ceramic foam was obtained by impregnating a polymeric foam with open cells with a syrup of the material based on zirconia and by means of subsequent ignition. The ceramic foam obtained in this way is characterized by having an open cellular macroporosity of 20 ppi. The ceramic walls were microporous and contained some gaps and cracks.
[0037] O aço fundido utilizado para produzir o elemento de desgaste da presente realização apresentou composição que compreendia, em percentuais em peso: 0,27% de carbono, 1,5% de silício, 0,9% de manganês, 2,1% de cromo e 0,3% de molibdênio.[0037] The molten steel used to produce the wear element of the present embodiment presented a composition that comprised, in weight percentages: 0.27% carbon, 1.5% silicon, 0.9% manganese, 2.1 % chromium and 0.3% molybdenum.
[0038] O elemento de desgaste foi produzido utilizando moldagem de areia com base em sílica unida por resina sem cozimento, comumente denominada processo ISOCURE. O molde não foi previamente aquecido e apresentou razão entre areia e aço de 1,6 kg de areia por kg de aço fundido.[0038] The wear element was produced using sand molding based on silica joined by resin without baking, commonly called the ISOCURE process. The mold was not previously heated and had a sand to steel ratio of 1.6 kg of sand per kg of molten steel.
[0039] O peso de aço despejado no molde para constituir o elemento de desgaste e infiltrar o inserto de[0039] The weight of steel poured into the mold to constitute the wear element and infiltrate the
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16/16 espuma cerâmica foi de 20,3 kg. Foram empregadas temperaturas de despejamento de aço na faixa de 1550 a 1650 °C. Estas temperaturas representam um superaquecimento 50 a 150 °C acima da temperatura de fusão do aço fundido com baixa liga utilizado para constituir o elemento de desgaste. Em todos os casos, foi preservada a integridade da espuma cerâmica (ou seja, sem rompimento devido ao choque térmico) e atingiu-se infiltração desejada da espuma (macro e microinfiltração).16/16 ceramic foam was 20.3 kg. Steel dumping temperatures in the range of 1550 to 1650 ° C were used. These temperatures represent a superheat 50 to 150 ° C above the melting temperature of the low alloy cast steel used to constitute the wear element. In all cases, the integrity of the ceramic foam was preserved (that is, without breaking due to thermal shock) and the desired foam infiltration (macro and microleakage) was achieved.
[0040] Os elementos de desgaste foram tratados a quente por meio de uma prática típica de normalização, resfriamento e têmpera sob baixa temperatura, de forma a obter, no aço fundido do elemento de desgaste, uma microestrutura que consiste principalmente de martensita temperada dura e rígida.[0040] The wear elements have been hot treated using a typical practice of normalization, cooling and tempering under low temperature, in order to obtain, in the cast steel of the wear element, a microstructure that consists mainly of hard tempered martensite and rigid.
[0041] Os elementos de desgaste reforçados da presente realização exibiram durante o serviço um aumento de cerca de 50% da vida/duração em comparação com elementos de desgaste não reforçados com a mesma geometria, composição de aço similar e tratamento a quente similar.[0041] The reinforced wear elements of the present embodiment showed during the service an increase of about 50% of the life / duration compared to non-reinforced wear elements with the same geometry, similar steel composition and similar hot treatment.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (7)
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