ES2243396T3

ES2243396T3 - Material resistente a la temperatura que comprende fibras cortas de metal.

Info

Publication number: ES2243396T3
Application number: ES01270399T
Authority: ES
Inventors: Ronny Losfeld; Lieven Anaf
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-12-10
Also published as: ES2322027T3; DE60138037D1; WO2002057035A1; DK1341630T3; WO2002047854A1; DE60112114D1; WO2002047855A1; US20040062925A1; EP1341630A1; US7048996B2; EP1341630B1; PT1341630E; US20060143882A1; EP1343599B1; ATE425831T1; DE60112114T2; AU2002217106A1; EP1343599A1; US20050233666A1; US7045219B2

Abstract

Un material resistente a la temperatura, que comprende una matriz resistente a la temperatura y un conjunto de fibras cortas de metal, dicha matriz resistente a la temperatura siendo un material cerámico, una cola cerámica o una cola resistente a la temperatura, caracterizado por que dicho conjunto de fibras cortas de metal representa 0.5% a 20% del peso de dicho material resistente a la temperatura, dicho conjunto de fibras cortas de metal teniendo un diámetro equivalente D en el rango de 1 a 150 m, dicho conjunto de fibras cortas de metal comprendiendo fibras curvadas y fibras enredadas, dichas fibras curvadas teniendo una longitud promedio Lc en el rango de 10 a 2000 m.

Description

Material resistente a la temperatura que comprende fibras cortas de metal.

Campo de la invención

La presente invención se relaciona con los materiales resistentes a la temperatura tales como material cerámico, cola resistente a la temperatura o cola cerámica que comprenden fibras cortas de metal. La invención además se relaciona con un método para mejorar la resistencia al impacto térmico de los materiales cerámicos y de las colas resistentes a la temperatura.

Antecedentes de la invención

Las colas resistentes a la alta temperatura, por ejemplo, colas cerámicas, son conocidas en el arte. Tales colas tienen en general la desventaja de volverse relativamente frágiles después de una exposición a temperaturas (muy altas), o degradarse con el tiempo cuando están sometidas a impactos térmicos, mostrando fragilidad y pequeñas fisuras. Las estructuras y los materiales cerámicos, que son resistentes a temperaturas incrementadas, también se vuelven frágiles y muestran pequeñas fisuras debido a los impactos térmicos con diferencias de temperatura relativamente importantes.

Además, es conocido adicionar polvo metálico a las colas para dar a la cola propiedades electro-conductoras.

Las fibras cortas de metal en general son conocidas en el arte.

Las fibras de metal que tienen una sección transversal preferiblemente plana, con un diámetro menor que 15\mum y una longitud menor que 400\mum son conocidas de US4703898.

Estas fibras tienen una forma de media luna y tiene un gancho pequeño semejante a una punta, en ambos extremos.

JP2175803 describe fibras cortas de metal similares, las cuales tienen una forma curvada.

Las fibras cortas de metal son también conocidas de GB889583. Estas fibras de metal pueden ser onduladas o "enroscadas" en toda su longitud. En este documento, estos términos significan que el eje mayor de las fibras cambia dos o más veces a lo largo de la fibra.

Sumario de la invención

De acuerdo a la presente invención como es reivindicado en la reivindicación 1, un material resistente a la temperatura, comprende una matriz resistente a la temperatura y un conjunto de fibras cortas de metal, dicha matriz resistente a la temperatura siendo un material cerámico, cola cerámica o cola resistente a la temperatura. El conjunto de fibras cortas de metal representa 0.5% a 20% del peso de dicho material resistente a la temperatura.

La matriz resistente a la temperatura, usada para proporcionar un material resistente a la temperatura, es material cerámico, cola cerámica o cola resistente a la temperatura. Preferiblemente, las matrices cerámicas o las colas cerámicas basadas en SiO_{2}, Al_{2}O_{3}, ZrO_{2} y/o MgO son usadas.

Un conjunto de fibras cortas de metal usadas para proporcionar el material resistente a la temperatura como el sujeto de la invención está caracterizado por la presencia de dos grupos diferentes de fibras cortas de metal, siendo fibras "enredadas" y fibras "curvadas".

Un conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención comprende fibras cortas de metal con un diámetro equivalente "D" entre 1 y 150 \mum preferiblemente entre 2 y 100. Más preferiblemente el diámetro equivalente oscila entre 2 y 50\mum o aún entre 2 y 35\mum tal como 2, 4, 6.5, 8, 12 o 22 \mum.

Con el término "diámetro equivalente" se identifica el diámetro de un círculo imaginario, el cual tiene la misma superficie que la superficie de una fibra, cortada de forma perpendicular por el eje mayor de la fibra.

El conjunto de fibras cortas de metal comprende fibras enredadas. El número de fibras enredadas en un conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención oscila entre 5 a 35%. Preferiblemente más que el 10% de todas las fibras cortas de metal en el conjunto de fibras cortas de metal están enredadas. Estas fibras son de aquí en lo adelante referidas como "fibras enredadas". Para tener un porcentaje estadísticamente confiable, una muestra de al menos 50 fibras, seleccionadas de manera aleatoria del conjunto de fibras cortas de metal son evaluadas.

El porcentaje de fibras enredadas es medido y calculado como:

% fibras enredadas = 100 x (#enredadas / #total)

\newpage

donde

#enredadas = número de fibras enredadas de la muestra;

#total = número de fibras de la muestra.

Las fibras enredadas del conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención tienen una longitud promedio "Le", la cual es considerablemente más larga que el promedio de longitud de las fibras curvadas "Lc". La longitud promedio de las fibras enredadas es al menos 5 veces la longitud promedio de las fibras curvadas. Preferiblemente, la longitud promedio de las fibras enredadas es más de 10 veces la longitud promedio de las fibras curvadas. Preferiblemente, la longitud promedio de las fibras enredadas es mayor que 200\mum, o aún mayor que 300\mum, más preferiblemente mayor que 1000\mum. Las fibras enredadas pueden ser enredadas entre ellas mismas (individualmente) o pueden ser enredadas juntas con algunas otras fibras enredadas. Las fibras enredadas, tanto individualmente o junto con otras fibras enredadas, no pueden ser individualizadas como un fibra esencialmente recta de la forma, que está definida por el enredamiento de las fibras. El eje mayor de cada fibra cambia tan a menudo y de manera impredecible, que la fibra puede estar enredada de muchas formas diferentes. Alguna de las fibras están presentes en una forma, la cual semeja un ovillo. El efecto es comparable al llamado efecto de frisado, bien conocido en la industria textil, y más en particular en la industria de la alfombra. Una o más fibras quedan atrapadas en una pequeña bola. Las fibras atrapadas no pueden ser separadas de esta bola nunca más. Otras fibras lucen más semejantes a una cola de cerdo. Ellas están caracterizadas por un eje mayor el cual cambia muchas veces de una manera impredecible, por lo tanto una forma relativamente caótica puede ser proporcionada.

Las otras fibras cortas de metal del conjunto de fibras cortas de metal son de aquí en lo adelante referidas como fibras "curvadas".

La longitud promedio "Lc" de las fibras curvadas del conjunto de fibras cortas de metal oscilan de 10 a 2000 \mum, preferiblemente desde 30 a 1000 \mum tal como 100 \mum, 200\mum o 300 \mum. Cuando una distribución de la longitud es medida a partir de esas fibras curvadas como parte de un conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención, una distribución gamma es obtenida. Esta distribución gamma es identificada por una longitud promedio Lc y un factor de forma "S". De acuerdo a la presente invención, la distribución gamma de la longitud de las fibras curvadas, tiene un factor de forma S que oscila entre 1 y 10.

Para longitudes promedio Lc mayores que 1000 \mum, usualmente un factor de forma S mayor que 5 es medido. Para longitudes promedio Lc entre 300 \mum y 1000 \mum, un factor de forma S entre 2 y 6 es usualmente medido. Para longitudes promedio Lc menores que 300 \mum, usualmente un factor de forma S menor que 3 es medido. Para tener una distribución estadísticamente confiable, al menos 50 fibras curvadas, seleccionadas de manera aleatoria del conjunto de fibras cortas de metal son medidas.

La proporción L/D de un conjunto de fibras cortas de metal como el asunto de la invención tiene una proporción L/D de más de 5, preferiblemente mayor que 10, donde L es la longitud promedio de todas las fibras, presentes en una muestra representativa de fibras del conjunto de todas las fibras cortas de metal. Como es descrito arriba, esta muestra comprende al menos 50 fibras del conjunto de fibras cortas de metal. Preferiblemente, pero no necesariamente, las fibras curvadas del conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención tienen una proporción Lc/D de más de 5, preferiblemente mayor que 10.

Además, una mayoría de estas fibras curvadas tienen un eje mayor, el cual cambia en un ángulo de al menos 90º. Este ángulo es el ángulo mayor el cual puede ser medido entre dos tangentes de este eje mayor. Preferiblemente, 40% de las fibras curvadas tienen un eje mayor, que cambia más de 90º, por ejemplo más del 45%, o preferiblemente más del 50%. Para medir esas curvas del eje mayor, una imagen microscópica con una agrandamiento apropiado es tomada de varias fibras cortas de metal. Usando un sistema de imagen por computadora, las tangentes del eje mayor y el mayor ángulo entre ellas es calculado. Para tener una muestra estadísticamente confiable, al menos 50 fibras curvadas, seleccionadas de manera aleatoria del conjunto de fibras cortas de metal son medidas.

Una mezcla de fibras cortas de metal y cerámica o matriz cerámica o cola resistente a alta temperatura, que comprende hasta 15% o incluso 20% por peso de fibras cortas de metal, parece resistir las expansiones térmicas en una gran extensión, comparada con la cola resistente a la temperatura o la cerámica pura, una vez que la cola o la matriz que comprende fibras cortas de metal son curadas. Una mayor resistencia a las fisuras térmicas en la cola fue obtenida. Estos resultados positivos fueron obtenidos especialmente cuando un conjunto de fibras cortas de metal es usado el cual comprende fibras curvadas y enredadas de las cuales más del 10% del conjunto de fibras cortas de metal son fibras individualmente enredadas.

Sorprendentemente, solo un cambio relativamente pequeño en la conductividad eléctrica fue notado cuando la cantidad del conjunto de fibras cortas de metal es mantenido por debajo de 10% por peso del material resistente a la temperatura, por ejemplo en el rango de 1% a 9.5%, al mismo tiempo proveyendo suficiente resistencia a las fisuras e impactos térmicos.

Las fibras cortas de metal que tienen fibras curvadas y enredadas pueden ser obtenidas por un método que comprende las siguientes etapas. Primero, las fibras de metal, que están presentes en un manojo de fibras, en una estructura textil o un hilado, o incluso como fibras discontinuas, son individualizadas en alguna extensión mediante la operación de cardado.

Estas fibras más o menos individualizadas son llevadas dentro de un dispositivo de trituración. En este dispositivo, cada fibra es cortada en fibras de metal cortas mediante cuchillas rotatorias rápidas. La lámina de estas cuchillas, teniendo un cierto grosor de lámina, topan o "golpean" las fibras usualmente en la dirección radial. Las fibras son de manera mecánica plásticamente deformadas y enredadas o posiblemente cortadas en una longitud más pequeña. Debido a la fuerza centrífuga, las fibras cortas de metal así proporcionadas (curvadas o enredadas) son empujadas exteriormente contra la pared externa del dispositivo de trituración. Esta pared externa comprende un tamiz con aberturas bien definidas. De acuerdo a esas aberturas, las fibras cortas de metal con una cierta longitud pueden pasar a través del tamiz, mientras las fibras cortas de metal demasiado largas permanecerán en el dispositivo de trituración y posiblemente sean golpeadas otra vez, hasta que las longitudes sean lo suficientemente pequeñas para pasar el tamiz, o hasta que ellas estén lo suficientemente enredadas para permitir el paso a través del tamiz.

De acuerdo al uso específico de las fibras cortas de metal, diferentes metales y/o aleaciones pueden ser usadas para proporcionar las fibras cortas de metal.

La aleación de las fibras de metal es seleccionada con vistas a proporcionar las propiedades requeridas tales como resistencia a la temperatura o conductividad eléctrica. Fibras de acero inoxidable entre las aleaciones de tipo AISI 300, por ejemplo AISI 316L o fibras basadas en aleaciones de tipo INCONEL® tal como INCONEL®601 o aleaciones del tipo NICROFER® tal como NICROFER® 5923 (hMo Aleación 59) y NICROFER 6023, o fibras basadas en aleaciones Fe-Cr-Al pueden ser usadas. También fibras de Ni, fibras de Ti, fibras de Al, fibras de Cu o fibras distintas de las fibras de Cu u otras aleaciones pueden ser usadas.

Las fibras de metal por ejemplo pueden estar cortadas o en forma de manojo, o proporcionadas por cualquier otro proceso como los conocidos en el arte.

El conjunto de fibras cortas de metal y la matriz resistente a la temperatura son mezclados usando técnicas como las conocidas en el arte. Usualmente, un procedimiento de curado es seguido después de la aplicación del material resistente a la temperatura no curado, especialmente en caso de que el material resistente a la temperatura sea una cola resistente a la temperatura.

Breve descripción de los dibujos

La invención será ahora descrita con más detalles con referencia a los dibujos que se acompañan donde

- Las Figuras 1A, 1B, 1C, 1D, 1E y 1F son imágenes de fibras cortas de metal, todas formando parte de un conjunto de fibras cortas de metal que comprenden fibras de metal curvadas y enredadas.

- La Figura 2 muestra una fibra curvada que forma parte de un conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención.

- La Figura 3 muestra un gráfico de la distribución de la longitud de un conjunto de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención.

- La Figura 4 muestra un gráfico de la distribución de las fibras curvadas del conjunto de las fibras cortas de metal como el sujeto de la invención.

Descripción de las realizaciones preferidas de la invención

Una realización preferida de un conjunto de fibras cortas de metal es mostrada en las Figuras 1A, 1B, 1C, 1D, 1E y 1F, todas las cuales muestran fibras cortas de metal del mismo conjunto de fibras cortas de metal. Las fibras cortas de metal, que tienen un diámetro equivalente de 22\mum, son obtenidas proporcionando un manojo de fibras en forma de manojo AISI 316L a un dispositivo de cardado y luego a un dispositivo de trituración. Como puede ser observado a partir de la Figura 1A a 1F, la forma de las fibras cortas de metal puede ser muy diferente. Algunas fibras cortas de metal son claramente fibras enredadas, tales como las fibras 11, 12 y 13. Las fibras 12 son más rizadas irregularmente, proporcionando una forma no definida. Las fibras 13 son enredadas individualmente en una forma no definida. Las fibras 11, 12 y 13 deben ser entendidas como "fibras enredadas". Otras fibras 14 son claramente curvadas, aunque los ángulos de curvatura son impredecibles. Algunas fibras curvadas, tales como la fibra 15, pueden tener una curvatura limitada. Un ejemplo de tal fibra curvada es mostrada esquemáticamente en la Figura 2. Una fibra curvada tiene dos extremos, teniendo un primer extremo 21 y un segundo extremo 22. Un eje mayor 23 conecta el centro de los cortes transversales en toda la longitud de la fibra. La dirección del eje mayor 23 cambia en un ángulo \alpha. El ángulo \alpha es un valor absoluto del ángulo más grande el cual puede ser medido entre dos vectores 24 que tienen una dirección igual a la tangente del eje mayor, siendo el punto de inicio un punto del eje mayor, y una indicación del sentido desde el primer extremo 21 al segundo extremo 22.

La Figura 3 muestra la distribución del ángulo del cambio del eje mayor de las fibras curvadas del conjunto de fibras cortas de metal de las Figuras 1A a 1F. Una muestra de 316 fibras, seleccionadas de manera aleatoria del total del conjunto de fibras cortas de metal fue tomada. Cada barra 33 en el gráfico representa el número de fibras (a ser leídas en la ordenada izquierda 34), teniendo un eje mayor que cambia con un ángulo \alpha, siendo \alpha menor que el valor del ángulo que aparece debajo de la barra, el cual está relacionado con esa barra, pero mayor que el ángulo, relacionado con la barra que se encuentra a su lado izquierdo. Por ejemplo la barra relacionada con 90º, indica el número de fibras curvadas, que tienen un ángulo \alpha menor que 90º, pero mayor que 80º. Los números relacionados son resumidos en la Tabla I.

TABLA I

Ángulo \alpha de las fibras	Número en la muestra	% curvadas con ángulo	% curvadas con ángulo \alpha
		\alpha/total de fibras curvadas	o enredadas/fibras totales
0	0	0.00	0.00
10	2	0.65	0.55
20	3	0.97	0.83
30	10	3.24	2.77
40	16	5.18	4.43
50	16	5.18	4.43
60	19	6.15	5.26
70	22	7.12	6.09
80	21	6.80	5.82
90	18	5.83	4.99
100	17	5.50	4.71
110	10	3.24	2.77
120	14	4.53	3.88
130	14	4.53	3.88
140	15	4.85	4.16
150	28	9.06	7.76
160	18	5.83	4.99
170	31	10.03	8.59
180	35	11.33	9.70
Enredadas	52	-	14.40
total enredadas	52
total curvadas	309
total	361

La línea 31 indica la curva acumulativa del número de fibras curvadas que tienen un ángulo \alpha, menor que el valor del ángulo en la abscisa. Este número es expresado, como es indicado en la ordenada derecha 35, en porcentaje comparado con el número total de fibras curvadas en la muestra. Más del 50% de las fibras curvadas tienen una dirección del eje mayor que cambia más de 90º.

Como es también indicado en la Figura 3, más del 10% de todas las fibras cortas de metal del conjunto de fibras cortas de metal son fibras enredadas. Esto es indicado por los puntos 32, los cuales representan el porcentaje de fibras, también a ser leído en la ordenada derecha 35, comprendido en la barra relacionada 33, comparado con el número total de fibras cortas de metal de la muestra tomada del conjunto de fibras cortas de metal.

La Figura 4 muestra la distribución de la longitud de las fibras curvadas de dos conjuntos de fibras cortas de metal como el sujeto de la invención.

Una primera distribución de la longitud 41, indicada con las barras negras, es una distribución de la longitud de las fibras curvadas de un conjunto de fibras cortas de metal, que tienen un diámetro equivalente de 8\mum. Este conjunto de fibras cortas de metal fue proporcionado usando fibras de acero inoxidable en forma de manojo, aleación AISI 302. Una muestra representativa seleccionada de manera aleatoria de 227 fibras fue tomada. Una longitud promedio Lc de 420 \mum fue encontrada. La distribución de la longitud es una distribución gamma 42, estando caracterizada por un factor de forma S de 3,05. Las barras de distribución 41 deben ser entendidas como el porcentaje de fibras curvadas de la muestra (leer en la ordenada 43), la cual tiene una longitud (expresada en \mum e indicada en la abscisa 44) en el rango con límite superior como el indicado debajo de la barra, y siendo el límite inferior la longitud indicada debajo de la barra izquierda adyacente a está. De la misma forma, la distribución gamma lee el porcentaje de fibras en la ordenada 43 en el rango indicado en la abscisa 44 como se explicó anteriormente.

Otra distribución de la longitud 45 es mostrada en la Figura 4, indicada por barras blancas, la cual es la distribución de la longitud de las fibras curvadas de un conjunto de fibras cortas de metal, que tienen un diámetro equivalente de 12\mum. El conjunto de fibras cortas de metal fue proporcionado usando fibras de acero inoxidable en forma de manojo, aleación AISI 316L. Una muestra representativa seleccionada de manera aleatoria de 242 fibras fue tomada. Esta distribución de la longitud concuerda con la distribución gamma 46, la cual está caracterizada por un factor de forma S de 3,72. Una longitud promedio Lc de las fibras curvadas de 572 \mum fue medida.

Un conjunto de fibras cortas de metal como las de la Figura 3, fue usado para mejorar la resistencia a las fisuras térmicas y a los impactos térmicos de una cola cerámica basada en ZrO_{2}-MgO.

Un material cerámico, siendo una pasta cerámica, la cual puede ser usada como cola cerámica, fue preparada usando 77 gramos de un compuesto basado en ZrO_{2}-MgO y 10 gramos de agua. Una cantidad de un conjunto de fibras cortas de metal que tienen un diámetro equivalente promedio de 22\mum, cuya distribución de la longitud es proporcionada como se indica con el 45 en la Figura 4, es mezclada en esta pasta cerámica, como es indicado en la Tabla I.

La pasta cerámica fue calentada a una temperatura de 600ºC, y esta temperatura fue mantenida durante 90 segundos después de lo cual fue enfriada hasta la temperatura ambiente en 60 segundos. El número de fisuras en una superficie igual fue contado, y está resumido en la Tabla II.

TABLA II

Matriz resistente a la	Conjunto de fibras de	% del peso de las fibras	Número de fisuras (-)
temperatura (matriz	metal de 12\mum cortas	cortas de metal (%)
cerámica) (gramos)	(gramos)
77	0	0	20
77	2	2.5	16
77	4	4.9	8
77	8 (muestra I)	9.4	0
77	8 (muestra II)	9.4	2

Un resultado idéntico fue obtenido usando un conjunto de fibras cortas de metal de diámetro equivalente a 22\mum.

Claims

1. Un material resistente a la temperatura, que comprende una matriz resistente a la temperatura y un conjunto de fibras cortas de metal, dicha matriz resistente a la temperatura siendo un material cerámico, una cola cerámica o una cola resistente a la temperatura, caracterizado por que dicho conjunto de fibras cortas de metal representa 0.5% a 20% del peso de dicho material resistente a la temperatura, dicho conjunto de fibras cortas de metal teniendo un diámetro equivalente D en el rango de 1 a 150 \mum, dicho conjunto de fibras cortas de metal comprendiendo fibras curvadas y fibras enredadas, dichas fibras curvadas teniendo una longitud promedio Lc en el rango de 10 a 2000 \mum.

2. Un material resistente a la temperatura como el de la reivindicación 1, donde dicho conjunto de fibras cortas de metal es menor que el 10% por peso de dicho material resistente a la temperatura.

3. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, teniendo dichas fibras enredadas una longitud promedio Le, dicha Le siendo más de 5 veces dicha Lc.

4. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde al menos 10% de dichas fibras cortas de metal son fibras enredadas.

5. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde las longitudes de dichas fibras curvadas están distribuidas de acuerdo a una distribución gamma.

6. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, siendo L la longitud promedio de dicho conjunto de fibras de metal, dicha L/D es mayor que 5.

7. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde dicha Lc/D es mayor que 5.

8. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde dichas fibras cortas de metal son fibras de acero inoxidable.

9. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde dichas fibras curvadas tienen un eje mayor, dicho eje mayor teniendo una dirección, dicha dirección cambiando más de 90º para al menos 40% de dichas fibras curvadas.

10. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, siendo dicha matriz resistente a la temperatura un material cerámico.

11. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, siendo dicha matriz resistente a la temperatura una cola cerámica.

12. Un material resistente a la temperatura como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, siendo dicha matriz resistente a la temperatura una cola resistente a la temperatura.