ES2304026T3

ES2304026T3 - Cuerpo de calibrado, calibre o dispositivo de medida, preferiblemente dispositivo de medida de roscas, y procedimiento de fabricacion de los mismos.

Info

Publication number: ES2304026T3
Application number: ES05818024T
Authority: ES
Inventors: Norbert Richter; Stefan Baumann; Bodo Benitsch; Thomas Schmid; Franz Fendt
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2008-09-01
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: EP1824797A1; WO2006066743A1; US7627953B2; US20070266572A1; DE502005003514D1; ATE390392T1; EP1824797B1; DE102004061438B3

Abstract

Procedimiento para fabricar un cuerpo de calibrado, un calibre o un dispositivo de medida, preferiblemente un dispositivo (12) de medida de roscas, consistente al menos parcialmente en un material de C-SiC que está constituido por un material poroso que contiene carbono y se ha infiltrado con Si líquido, transformándose el Si al menos en parte, por reacción con carbono, en SiC, caracterizado porque el material de C-SiC se produce a partir de un material de C-C a base de un material de fieltro de carbono producido por prensado de fibras individuales o fragmentos de fibras enredadas irregularmente unas en otras.

Description

Cuerpo de calibrado, calibre o dispositivo de medida, preferiblemente dispositivo de medida de roscas, y procedimiento de fabricación de los mismos.

Estado de la técnica

La invención concierne a un cuerpo de calibrado, un calibre o un dispositivo de medida, preferiblemente un dispositivo de medida de roscas, que está constituido al menos en parte por un cuerpo de C-SiC que está compuesto de un material poroso que contiene carbono y que se ha infiltrado con Si líquido, transformándose el Si al menos parcialmente, por reacción con carbono, en SiC así como a un procedimiento de fabricación de los mismos, según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 13.

En lo que sigue se deberá entender por un cuerpo de calibrado o un calibre una corporeización de medida para dictaminar por comparación si una estructura o una pieza estructural corresponde o no a la corporeización de medida, o para calibrar un dispositivo de medida. Por el contrario, los dispositivos de medida consisten en dispositivos que miden las dimensiones reales de una estructura o de una pieza estructural o suministran valores a partir de los cuales se pueden derivar estas dimensiones.

Un cuerpo de calibrado de carácter genérico y un procedimiento de carácter genérico son conocidos por el documento DE 100 03 176 A1. Para la fabricación del material de C/C-SiC allí descrito se tejen o tricotan fibras de carbono en forma de esterillas. Según esta referencia documental, una longitud de fibra inferior a 3 mm conduce a una reacción incrementada de las fibras con el silicio líquido con formación de SiC. Se conoce por el documento US 2004/0097360 A1 un material de C/C-SiC para cuerpos de calibrado en el que se emplean, como base de partida, haces de fibras de carbono.

Las fibras de carbono que no han participado en la reacción con Si están incrustadas en la matriz del material de C/C-SiC y contribuyen al aumento de la ductilidad del material. Además, la proporción total de Si y SiC asciende como máximo a un 60% en volumen. Resulta de esto un material que, debido a su dureza y ductilidad locales relativamente pequeñas, condicionadas por la fibra, no puede satisfacer los requisitos bastante altos impuestos a la resistencia al desgaste, los cuales juegan un papel esencial en cuerpos de calibrado y dispositivos de medida que entran en contacto repetido de rozamiento de deslizamiento con la estructura a probar o a medir.

Por consiguiente, el problema de la invención consiste en perfeccionar un cuerpo de calibrado, un calibre o un dispositivo de medida, así como un procedimiento de fabricación de los mismos, de tal manera que resulte una mayor resistencia al desgaste.

Este problema se resuelve con las características indicadas en las reivindicaciones 1 y 13.

La invención se basa en la idea de producir el material de C/SiC a partir de un material de C-C a base de un material de fieltro de carbono.

En lo que sigue se deberá entender por un fieltro un material producido por prensado de fibras individuales o fragmentos de fibras irregularmente enredadas una dentro de otra. Este fieltro de carbono tiene una menor densidad en comparación con las esterillas de carbono empleadas en el estado de la técnica, hechas de haces de fibras densamente empaquetados (mechas o segmentos de mechas) a base de fibras o filamentos paralelos y, en consecuencia, tiene más espacio entre las fibras para el silicio infiltrado, de modo que, debido a la mayor superficie de reacción disponible, sustancialmente todo el carbono del fieltro reacciona durante la infiltración con Si líquido convirtiéndose en SiC (carburo de silicio). El resultado es un cuerpo con una matriz formada por los tres componentes C, Si y SiC, mientras que, debido a la reacción casi completa del fieltro de carbono dentro de la matriz, ya no existen o casi no existen componentes de carbono que pudieran repercutir negativamente sobre la resistencia al desgaste, ya que éstos incrementan la ductilidad del material. Este material dominante en la matriz es excelentemente adecuado, debido a su buena resistencia al desgaste, para su empleo en cuerpos de calibrado, calibres o dispositivos de medida en los que ellos mismos o piezas estructurales de ellos entren repetidamente en contacto de rozamiento de deslizamiento con la estructura que se ha de probar.

Dibujo

Muestran en el dibujo:

La figura 1, un alzado lateral de un electrodo con una rosca interior cónica y una boquilla con una rosca exterior cónica; y

La figura 2, una representación en sección transversal de un dispositivo de medida de roscas para medir la rosca interior cónica del electrodo, que incluye cuerpos de SiC que se han fabricado según una forma de realización preferida del procedimiento conforme a la invención.

Descripción de ejemplos de realización

En la figura 1 se representa un tramo de un electrodo de grafito designado en su conjunto con 1, el cual se utiliza en la transmisión de corriente para fundir acero eléctrico en hornos eléctricos de arco voltaico. Dado que, debido al arco voltaico eléctrico, se consume aquí también con el tiempo el electrodo de grafito, se tienen que reajustar continuamente tramos 1 del electrodo de grafito en el lado alejado del arco voltaico, lo que se lleva a cabo atornillando por medio de una unión roscada 2 un nuevo tramo 1 de electrodo de grafito en el tramo que justamente se encuentra en uso. La unión roscada 2 comprende una boquilla 4 preferiblemente separada, de forma de doble cono, con una rosca exterior 5, una mitad de la cual está atornillada en la figura 1 en una rosca interior de un taladro ciego cónico 6 del tramo 1 del electrodo de grafito, el cual, por lo demás, es idéntico, pero está especularmente invertido con respecto a otro taladro ciego cónico 8 con rosca interior 10 que se representa en forma rota en la figura 1. Es fácil de imaginar que entonces está atornillado siempre, casi formando una fila continua, un tramo 1 del electrodo de grafito en el tramo que justamente se encuentra en uso y queda garantizado así el reajuste de material de electrodo que resulta necesario para un proceso de fusión continua.

Dado que los tramos 1 del electrodo de grafito son de construcción relativamente grande y son posicionados uno respecto de otro y atornillados a mano o por medio de robots, la configuración de la rosca interior 10 como una rosca cónica es ventajosa a consecuencia de la acción de centrado entonces producida y de un atornillamiento que se desarrolla con mayor rapidez. Para que queden garantizadas una unión segura y rígida y una alineación de los ejes centrales sin mayores desviaciones angulares entre los ejes de los tramos 1 de electrodo de grafito atornillados uno con otro, se tienen que mantener en la unión roscada 2 ciertas tolerancias de fabricación respecto de determinados valores caracterizantes de la unión, tales como, por ejemplo, el ángulo de cono y el diámetro máximo del taladro ciego
cónico 8.

Para la comprobación de la tolerancia sirve el dispositivo 12 de medida de roscas mostrado en la figura 2, el cual comprende dos discos circulares 14, 16 de diámetros diferentes, cuyas superficies periféricas radialmente exteriores son de configuración cónica complementaria de la del taladro ciego 8 que, por ejemplo, se ha de comprobar y están provistas cada una de ellas de una rosca exterior 20, 22, de modo que se pueden atornillar en el taladro ciego 8 primero el disco 16 más pequeño, inferior en la figura 2, y luego el disco 14 más grande, superior en la figura 2. El diámetro del disco 14 más grande está dimensionado aquí preferiblemente de tal manera que, en el estado completamente atornillado, la superficie exterior 26 del mismo que mira hacia fuera del fondo 24 del taladro ciego 8, es aproximadamente coplanaria con la superficie frontal plana 28 del tramo 1 del electrodo de grafito, al menos en la zona del borde del taladro ciego 8. El disco 14 de mayor tamaño lleva en su superficie exterior 26 un primer instrumento de medida 30 con el cual se puede obtener como primera medida característica la profundidad de atornillamiento de dicho disco con respecto a una superficie de referencia que está formada preferiblemente por la superficie frontal 28 del tramo 1 del electrodo de grafito.

Asimismo, los dos discos 14, 16 están unidos uno con otro por medio de una espiga 32 que, fijada central y verticalmente en el disco 16 más pequeño, encaja en una abertura de paso central 34 del disco 14 más grande con una pequeña holgura y, cuando el disco 16 más pequeño está también completamente atornillado, no se extiende, con su superficie frontal 36 que mira hacia fuera del fondo 24 del taladro ciego 8, completamente hasta el plano de la superficie exterior 26 del disco 14 más grande, con lo que está presente una segunda medida característica que depende de la posición relativa de los dos discos 14, 16 o de la profundidad de atornillamiento del disco 16 más pequeño y que puede ser captada por un segundo instrumento de medida 38 llevado por el disco 14 más grande. Dependiendo de las dos medidas características se pueden calcular entonces, por ejemplo, el ángulo de cono y el diámetro máximo del taladro ciego cónico 8 o de la rosca interior 10.

Para manejar el dispositivo 12 de medida de roscas se han dispuesto en las respectivas superficies 26, 42 de los dos discos 14, 16 que miran hacia fuera del fondo 24 del taladro ciego 8 unas asas 44, 46 que están hechas preferiblemente de aluminio. Dado que los tramos 1 del electrodo de grafito y especialmente sus uniones roscadas 2 se comprueban con regularidad respecto de su exactitud dimensional, es necesario para la medición atornillar repetidamente el dispositivo 12 de medida de roscas en taladros ciegos 8, entrando las roscas exteriores 20, 22 de los dos discos 14, 16 en contacto de rozamiento de deslizamiento con las roscas interiores 10. En una profundidad de atornillamiento relativamente grande resultaría entonces un desgaste demasiado grande en las superficies periféricas radialmente exteriores de los dos discos 14, 16 y, por tanto, se falsearía el resultado de medida. En consecuencia, es deseable una alta resistencia al desgaste de los dos discos 14, 16.

Por este motivo, se fabrican preferiblemente al menos las zonas roscadas de los dos discos 14, 16 del dispositivo 12 de medida de roscas a base de un material especialmente resistente al desgaste, cuya fabricación se describe en lo que sigue.

Los dos discos 14, 16 consisten, al menos en la zona roscada, en sendos cuerpos de SiC que están constituidos por un material poroso que contiene carbono y que se ha infiltrado con Si líquido, transformándose el Si al menos parcialmente, por reacción con carbono, en SiC. Los cuerpos 14, 16 de SiC se producen a partir de un material de C-C a base de un material de fieltro de carbono y/o estructuras de carbono de poros finos y abiertos y/o a base de madera pirolizada.

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El material de fieltro de carbono puede ser, por ejemplo, un fieltro de lana celulósica, un fieltro de poliacrilonitrilo (PAN) o un fieltro de viscosa o una combinación de estos materiales. El material del fieltro de carbono puede presentar una estructura en forma de capas, es decir que, para la formación de placas de un espesor determinado, el fieltro está estratificado en varias capas paralelas. Sin embargo, el material de fieltro puede presentarse también en forma
irregular.

Según una forma de realización especialmente preferible del procedimiento de fabricación, se emplea un material de fieltro de carbono y se impregna éste con un polímero, preferiblemente resina fenólica, y se le endurece, con lo que se obtienen placas de carbono mezclado con fibras de carbono (CFK). A continuación se carbonizan o pirolizan estos semiproductos de CFK. La temperatura de carbonización o pirolización está situada aquí en un intervalo de preferiblemente 900ºC a 1000ºC. Este paso del procedimiento puede repetirse varias veces. Mediante el número de las llamadas compactaciones posteriores consistentes en reimpregnación y carbonización se puede ajustar la porosidad de las placas de CFK e igualmente se reduce el tamaño de los poros por reimpregnación con resina fenólica bajo carbonización subsiguiente. No obstante, el empleo de material de filtro estratificado en capas como producto de partida tiene la consecuencia de que las placas de CFK fabricadas a partir del mismo pueden presentar propiedades anisótropas del material a causa de los planos de separación horizontales entre las capas del fieltro. Sin embargo, esto no juega ningún papel decisivo para la finalidad de utilización como material de disco en dispositivos de medida de roscas.

Por el contrario, para minimizar o excluir completamente un comportamiento anisótropo del material, se puede moler el fieltro, con lo que se deshace la estructura en capas del material. Las partículas de fieltro así obtenidas, mezcladas con resina, pueden ser prensadas para obtener placas de CFK. Para eliminar otros componentes volátiles de las placas pirolizadas se grafitizan preferiblemente estas placas, ascendiendo la temperatura de grafitización como máximo a 3000ºC.

Puesto que el material de C-C, comparado con el material de C-SiC obtenido según el último paso de fabricación, es relativamente blando, se mecanizan las placas de C-C hasta una medida próxima al contorno final, lo que en el presente caso significa que a partir de las placas se confeccionan los dos discos 14, 16 con un diámetro sustancialmente próximo al de la forma final.

A continuación, se transforman los discos 14, 16 de C-C, por infiltración en estado líquido de Si, en discos 14, 16 de material de C-SiC. En este caso, el carbono del fieltro de carbono se transforma al menos en parte, idealmente por completo, por reacción con Si, en SiC, de modo que, como resultado, se obtiene un cuerpo de cerámica formado por los tres componentes SiC, Si y C, no estando ya presente ninguna fibra de carbono o casi ninguna fibra de carbono a consecuencia de la reacción casi completa del carbono del fieltro de carbono con el Si infiltrado. La textura de la estructura es muy fina y la densidad de los cuerpos 14, 16 de C-SiC asciende, por ejemplo, a 2,7 g/cm^{3}.

Los discos 14, 16 de C-SiC sustancialmente exentos de fibras de carbono presentan una proporción de Si y SiC entre 70% en peso y 90% en peso y una proporción de carbono entre 10% en peso y 30% en peso. Preferiblemente, la proporción de Si puede estar entre 30% en peso y 35% en peso, la proporción de SiC entre 50% en peso y 60% en peso, y la proporción de carbono entre 10% en peso y 15% en peso.

En las Tablas 1.1 y 1.2 se relacionan propiedades mecánicas y térmicas seleccionadas del material de C-SiC de los discos 14, 16 cuando se emplea como material de partida un fieltro de carbono con estructura en forma de capas.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 1.1

1

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TABLA 1.2

2

Por el contrario las Tablas 2.1 y 2,2 muestran las propiedades mecánicas y térmicas del material de C-SiC de los discos 14, 16 cuando se prensan placas de CFK a partir de fieltro de carbono molido.

En el último paso del procedimiento se mecanizan los dos discos 14, 16 mediante pulido hasta el diámetro final y se forman las roscas exteriores 20, 22 por amolado.

En lugar de un fieltro de carbono se pueden emplear también como material de partida cualquier clase de estructuras de carbono de poros finos y abiertos y/o madera pirolizada. Por tanto, la invención propone por primera vez un uso de un material de C-SiC - basado en fieltro de carbono y/o estructuras de carbono de poros finos y abiertos y/o a base de madera pirolizada - para cuerpos de calibrado, calibres y dispositivos de medida o para partes destinadas a aumentar la resistencia al desgaste y no se limita a la aplicación en aparatos de medida de roscas.

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TABLA 2.1

3

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TABLA 2.2

4

Claims

1. Procedimiento para fabricar un cuerpo de calibrado, un calibre o un dispositivo de medida, preferiblemente un dispositivo (12) de medida de roscas, consistente al menos parcialmente en un material de C-SiC que está constituido por un material poroso que contiene carbono y se ha infiltrado con Si líquido, transformándose el Si al menos en parte, por reacción con carbono, en SiC, caracterizado porque el material de C-SiC se produce a partir de un material de C-C a base de un material de fieltro de carbono producido por prensado de fibras individuales o fragmentos de fibras enredadas irregularmente unas en otras.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material de fieltro de carbono es un fieltro de lana celulósica, un fieltro de poliacrilonitrilo (PAN) o un fieltro de viscosa o una combinación de estos materiales.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el material de fieltro de carbono presenta una estructura en forma de capas.

4. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material de fieltro de carbono se impregna al menos una vez con un polímero, se prensa, se endurece y se carboniza para formar un material de carbono mezclado con carbono.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la temperatura de carbonización está comprendida dentro de un intervalo de 900ºC a 1000ºC.

6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el polímero está formado por una resina fenólica.

7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque el material de fieltro de carbono se emplea en forma molida.

8. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque se grafitiza el material de carbono mezclado con carbono.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque la temperatura de grafitización asciende como máximo a 3000ºC.

10. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se mecaniza el material de carbono mezclado con carbono hasta una forma próxima a su contorno final.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque el material de carbono mecanizado hasta una forma próxima a su contorno final y mezclado con carbono se transforma, por infiltración en estado líquido de Si, en el material de C-SiC

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por la mecanización final del material de C-SiC hasta obtener un cuerpo (14, 16) de C-SiC.

13. Cuerpo de calibrado, calibre o dispositivo de medida, preferiblemente dispositivo (12) de medida de roscas, consistente al menos parcialmente en un material de C-SiC que está constituido por un material poroso que contiene carbono y se ha infiltrado con Si líquido, transformándose el Si al menos en parte, por reacción con carbono, en SiC, caracterizado porque el material de C-SiC está sustancialmente exento de fibras de carbono y presenta una proporción de Si y SiC entre 70% en peso y 90% en peso y una proporción de carbono entre 10% en peso y 30% en peso.

14. Cuerpo de calibrado, calibre o dispositivo de medida, preferiblemente dispositivo (12) de medida de roscas, según la reivindicación 13, caracterizado porque éste o éstos están constituidos por el material de C-SiC al menos en la zona de las superficies de contacto con el medio (1) que se ha de comprobar.

15. Cuerpo de calibrado, calibre o dispositivo de medida, preferiblemente dispositivo (12) de medida de roscas, según la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque la densidad del material de C-SiC es de 2,7 g/cm^{3}.

16. Dispositivo (12) de medida de roscas, especialmente para roscas cónicas, según al menos una de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque presenta al menos un cuerpo del material de C-SiC realizado en forma de anillo, segmento de anillo o disco (14, 16) y dotado de una rosca (20, 22) destinada a atornillarse con una rosca (10) que se ha de comprobar.

17. Dispositivo (12) de medida de roscas para roscas cónicas según la reivindicación 16, caracterizado porque están previstos dos discos (14, 16) de diámetros diferentes, pudiendo obtenerse medidas características de la rosca (10) a verificar a partir de la posición de los dos discos (14, 16) - atornillados con la rosca (10) a verificar - uno con relación a otro y/o con relación a al menos una superficie de referencia (28, 36).

18. Dispositivo de medida de roscas para roscas cónicas según la reivindicación 17, caracterizado porque al menos un disco (14, 16) lleva un instrumento de medida (30, 38).