ES2393517A1 - Procedimiento para la aportación de materiales metálicos. - Google Patents

Procedimiento para la aportación de materiales metálicos. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la aportación de materiales metálicos.Procedimiento para la aportación de material metálico sobre una pieza (1), que comprende las siguientes etapas:a) aportación de material metálico, mediante un proceso térmico de fusión del material metálico, al menos parcialmente en la superficie de dicha pieza (1), formando una capa (3) de material metálico y una zona afectada térmicamente, y b) bruñir dicha capa (3),y donde las etapas a) y b) se realizan mediante al menos un cabezal combinado (5) que comprende al menos un dispositivo de aportación (2) de dicho material metálico y al menos una herramienta de bruñido (4), y realizándose ambas etapas con un retraso suficiente para que la zona afectada térmicamente se encuentre todavía a una temperatura donde la tensión de fluencia a compresión sea menor que la presión bruñido.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA APORTACIÓN DE MATERIALES METÁLICOS
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento para la aportación de material metálico sobre una determinada pieza y la posterior etapa de bruñido; así como el sistema de aportación de material metálico asociado a dicho procedimiento. La invención se encuadra en el sector técnico de los procesos de fabricación mediante aporte de material, aplicados tanto a piezas de revolución como de diferentes geometrías, y para materiales tales como aceros, aceros especiales, aleaciones base níquel y base titanio y otras aleaciones metálicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidos distintos procesos térmicos de fusión de material metálico sobre determinadas piezas, tales como el aporte por láser (también conocido por el término inglés 'Laser Cladding'), el cual es un proceso de alto interés industrial debido a que ofrece la posibilidad de aportar un material sobre una pieza base con una alta calidad de aporte y una elevada selectividad en la zona tratada. El aporte por láser se puede utilizar como una técnica de recubrimiento o como una técnica de fabricación y conformado rápida capa a capa. De manera particular, en cualquiera de las dos variantes, su uso en piezas de revolución es elevada ya que se puede colocar un dispositivo de aporte por láser y hacer girar la pieza mediante un centro de torneado o similar.
Una de las principales dificultades que implica la técnica de aporte por láser es la de garantizar la integridad de los recubrimientos generados. De hecho, en ocasiones se requieren unas características específicas de estos recubrimientos que difícilmente se pueden lograr directamente mediante dicha técnica de aporte por láser. El principal problema proviene del propio proceso en sí, el cual se basa en la fusión de una fracción de material de la pieza base sobre el que se inyecta un material de aporte, y el cual puede fundirse también. El movimiento de la pieza, rotacional y/o longitudinal,
hace
que el láser deje de incidir en esa zona y se
produce
un enfriamiento rápido que solidifica el
material
previamente fundido, creando así una capa
sólida de recubrimiento diluido con parte de material de la pieza base. Este proceso implica que existe una zona que ha vuelto a solidificarse después de la fusión y una zona afectada térmicamente.
Además, es común la presencia de poros o huecos como resultacto de la operación de aporte por láser, a pesar de trabajar con condiciones óptimas de proceso tales como trabajar en vacío y/o atmósferas inertes. Este hecho disminuye las propiedades mecánicas de las piezas y en ocasiones obliga a realizar un control exhaustivo de las piezas fabricadas mediante esta técnica, incrementando por tanto los costes de mantenimiento y prevención de fallos en servicio.
Por otro lado, existen procesos de mejora de las propiedades superficiales de las piezas fabricadas mediante deformación plástica. Uno de estos procesos es el conocido como bruñido mecánico (también conocido por su nombre inglés 'Burnishing') El proceso de bruñido mecánico tiene generalmente dos variantes en función del tipo de herramienta que se utiliza: bruñido con rodillo

o bruñido con bola. En ambos casos se utiliza una herramienta de elevada dureza. El bruñido con rodillo utiliza una herramienta con forma de rodillo y se aplica a piezas de revolución, mientras que en el bruñido con bola, la herramienta es una esfera capaz de desplazarse en cualquier dirección y se puede aplicara a cualquier geometría de pieza. A su vez, estos procesos se pueden llevar a cabo con diferentes métodos de generación de la presión necesaria: muelle mecánico, bomba hidráulica,
Independiente del tipo de bruñido que se trate, el proceso se basa en deformar plásticamente una capa de material. La mejora que se obtiene es doble: por un lado se mejora la rugosidad superficial, y por otro lado, se introducen tensiones residuales de compresión en la superficie y por debajo de ella, lo que incrementa la resistencia a fatiga de las piezas tratadas con esta técnica.
Algunos sistemas como el presentado en la solicitud W0-2009124034 buscan la aplicación de un recubrimiento mediante técnicas de bruñido, lo que consigue un aporte de material que queda adherido de modo mecánico a una pieza base.
Por otro lado, existen diversas soluciones presentadas para ambos procesos de forma independiente.
Así, hay soluciones para el bruñido de diferentes componentes como pistas de rodamientos, véase la solicitud W0-2009109303; de cigüeñales, véase la solicitud W0-2006135014; de engranajes, véase wo2008088748; de piezas de revolución, véase wo
2007045649; incluso el diseño de herramientas de bruñido para geometrías de piezas específicas, como por ejemplo las solicitudes W0-2008050012 y W0-2008037905. Todas estas solicitudes se basan en desarrollar herramientas específicas de bruñido para su aplicación final en piezas ya fabricadas.

Por otro lado, y de la misma manera, existen
diferentes invenciones en los procesos de recubrimientos de piezas, tanto en el equipamiento que lleva a cabo el proceso como boquillas coaxiales, elementos de arrastre del polvo etc. Véanse solicitudes tales como W02005028151, W0-2005084875, W0-2007022567, y US-7259353. Como también en la aplicación del proceso de recubrimiento. Estos procesos se ejecutan en diferentes campos como por ejemplo para los implantes de cadera, véase US-7632575; como en recubrimientos biocompatibles, véase ES-2143938; como en reparación de moldes de botellas, véase W0-2 O O 90 90 622; y como en reparación de
turbinas
aeronáuticas, véase W0-200112381. De nuevo,
todas
las invenciones se centran en el proceso de
recubrimiento.
Existen algunas invenciones más cercanas del estado de la técnica que combinan los procesos de recubrimiento por aporte de material y posterior proceso de acabado de la superficie, fundamentalmente pulido abrasivo como por ejemplo la solicitud JP-4083862, y el rectificado o mecanizado. En algún caso se plantea el uso combinado de herramientas de aporte de material y acabado como por ejemplo la solicitud estadounidense US2005107003; pero tratándose de nuevo de procesos de arranque de material mediante procesos abrasivos: pulido
o rectificado.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento para la aportación de material metálico sobre una determinada pieza y la posterior etapa de bruñido, donde dicho procedimiento para la aportación de material metálico sobre una pieza comprende las siguientes etapas:

a) aportación de material metálico, mediante un proceso térmico de fusión del material metálico, al menos parcialmente en la superficie de dicha
pieza, formando una capa de material metálico y
una zona afectada térmicamente, y
b) bruñir dicha capa,
donde las etapas a) y b) se realizan mediante al menos un cabezal combinado que comprende al menos un dispositivo de aportación de dicho material metálico y al menos una herramienta de bruñido, y realizándose las etapas con un retraso suficiente para que la zona afectada térmicamente se encuentre todavía a una temperatura donde la tensión de fluencia a compresión sea menor que la presión de bruñido
El resultado es la mejora de la integridad estructural de las piezas obtenidas, independientemente del material metálico con el que se trabaje, siempre y cuando éste tenga una capacidad de deformación plástica susceptible de ser bruñido mecánicamente; ya que el dispositivo de aportación de material metálico genera una capa de material aportado y donde, a continuación, la herramienta de bruñido deforma el material en caliente plásticamente generando una capa de menor rugosidad superficial y de mayor integridad estructural.
Al deformar plásticamente la pieza obtenida se consigue mejorar sustancialmente la rugosidad superficial y se reducen las tensiones residuales de compresión en la propia superficie como debajo de ella; incrementando por tanto la resistencia a fatiga de las piezas obtenidas por este procedimiento.

Adicionalmente se observa cómo el dispositivo de aportación se realiza de manera combinada aprovechando el calor residual en la pieza para que el bruñido se realice de tal forma que se precise de una menor presión y donde el requerimiento energético sea menor frente al estado de la técnica actual.
El nivel de porosidad tras ambas etapas es mínimo gracias a la segunda etapa de bruñido y el tiempo de ejecución de todo el proceso es muy reducido debido a la aplicación de un cabezal combinado con ambos procedimientos; a tener en cuenta que el proceso puede estar completamente automatizado para la realización de piezas conformadas de esta forma y en grandes series. Además la homogeneidad del recubrimiento de material metálico es muy superior a las operaciones del aporta de material metálico de manera aislada.
Preferentemente la capa superficial a deformar plásticamente y obtenida mediante la aportación de material metálico, oscila entre las 5 y las 350 micras de espesor.
Se contempla la posibilidad de que la pieza a conformar sea una pieza de revolución, de modo que pueda ser anclada en sus extremos, y mediante un eje de giro se proceda a realizar ambas etapas mediante el cabezal combinado pudiendo ser los movimientos:
de avance por parte del propio cabezal combinado; es decir, longitudinalmente y cubriendo parcialmente o la totalidad de la pieza de revolución a conformar; o
de
avance por parte del eje
de
revolución;
siendo esta opción
minoritaria
para la mayoría de los
casos.
El sistema para la aportación de materiales metálicos comprende al menos un sistema de arrastre que regula la distancia entre dicha, al menos una, herramienta de bruñido respecto de dicho, al menos un, dispositivo de aportación de material metálico.

De esta manera y mediante un sistema sencillo se
podrá regular el retraso de la aplicación de dicha, al menos una, herramienta de bruñido según el material a conformar o el material metálico a aportar; permitiendo disminuir la distancia para materiales con alto grado de conductividad térmica y viceversa.
Adicionalmente el sistema de aportación podrá ser guiado mediante una máquina tipo centro de torneado para el caso de piezas a conformar de revolución; un robot o cualquier plataforma cinemática capaz de guiar dicho, al menos un, sistema de aportación de material metálico.
Preferentemente el sistema de arrastre comprende una regla graduada con una corredera dispuesta sobre ella, de manera que la regulación se estime mediante unidades de longitud dotando al conjunto de una elevada precisión y pudiendo realizar unos parámetros que relacionan la distancia frente a tiempo de espera de la aplicación de dicha, al menos una, herramienta de bruñido.
El sistema de arrastre puede estar controlado de manera completamente automatizada, por ejemplo para grandes series de piezas; o servocontrolada mediante la incorporación de un eje adicional al sistema objeto de invención donde se ejecute dichas operaciones.
Se
contemplan distintas opciones referentes a la
posibilidad
de utilizar un tipo de dispositivo de
aportación
u otro, pudiendo ser:
un
dispositivo láser, y/o
un
dispositivo de plasma.

Dispositivos utilizados actualmente y que comprenden una serie de características que permiten ser usados para el aporte de material metálico sobre distintos tipos de piezas.
De manera adicional se contemplan distintas herramientas de bruñido las cuales pueden ser:
mediante una herramienta de rodillo,
y/o
mediante una herramienta de bola.
Donde dicha, al menos una, herramienta de bruñido podrá estar accionada mediante un elemento elástico tipo muelle mecánico o muelle hidrostático ya que no es necesaria una presión excesiva para el correcto conformado de dicha, al menos una, herramienta de bruñido.
Así pues, de acuerdo con la invención descrita, procedimiento para la aportación de material metálico y el sistema asociado al mismo que la invención propone constituye un avance en los procedimientos de aportación de material metálico hasta ahora utilizados, y resuelve de manera plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en la línea permitir el aporte de material metálico, aplicado tanto a piezas de revolución como de diferentes geometrías, de manera que combine un procedimiento de conformado superficial que reduzca la porosidad, que mejora la integridad estructural de las piezas conformadas mediante dicho procedimiento y pudiendo además automatizarle para la realización de piezas en grandes series.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.-Muestra una vista esquemática de
la
estructura del sistema mostrando la acción combinada
de
sus dos elementos principales, el dispositivo
de
aportación
de material metálico y la herramienta de
bruñido
que la invención propone.
La figura 2.-Muestra un esquema más detallado y en vista lateral de los elementos y su disposición.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como en una de las posibles realizaciones del sistema asociado al procedimiento para la aportación de material metálico que la invención propone comprende las siguientes etapas:
a) aportación de material metálico, mediante un proceso térmico de fusión del material metálico, en la totalidad de la superficie de una pieza
(1), formando una capa (3) de material metálico y una zona afectada térmicamente, y b) bruñir dicha capa (3), donde las etapas a) y b) se realizan mediante un
cabezal combinado (5) que comprende un dispositivo de aportación (2) de dicho material metálico y una herramienta de bruñido (4), y realizándose ambas etapas con un retraso suficiente para que la zona afectada térmicamente se encuentre todavía a una temperatura donde la tensión de fluencia a compresión sea menor que la presión de bruñido.

Tal y como se refleja en la figura 1, la pieza es una pieza de revolución tipo cilindro; de manera que facilite tanto la aportación del material metálico como la posterior etapa de bruñido.
Adicionalmente el sistema de aportación
comprende
un sistema de arrastre ( 6) que regula la
distancia
entre dicha herramienta de bruñido ( 4)
respecto
de dicho dispositivo de aportación (2) de
material
metálico, comprendiendo dicho sistema de
arrastre
( 6) una regla graduada con una corredera
dispuesta
sobre ella.
A la vista de ambas figuras puede observarse que el dispositivo de aportación (2) es un dispositivo láser, y la herramienta de bruñido ( 4) es una herramienta tipo rodillo.

A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento para la aportación de material metálico sobre una pieza (1), que comprende las siguientes etapas:
    a) aportación de material metálico, mediante un
    proceso térmico de fusión del material metálico,
    al menos parcialmente en la superficie de dicha
    pieza (1), formando una capa (3) de material
    metálico y una zona afectada térmicamente, y
    b) bruñir dicha capa (3),
    estando el procedimiento caracterizado porque las etapas a) y b) se realizan mediante al menos un cabezal combinado (5) que comprende al menos un dispositivo de aportación (2) de dicho material metálico y al menos una herramienta de bruñido (4) , y realizándose ambas etapas con un retraso suficiente para que la zona afectada térmicamente se encuentre todavía a una temperatura donde la tensión de fluencia a compresión sea menor que la presión de bruñido.
  2. 2.-Sistema para la aportación de materiales metálicos, según el procedimiento definido por la reivindicación 1, caracterizado porque la pieza (1) es una pieza de revolución.
  3. 3.-Sistema según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende al menos un sistema de arrastre (6) que regula la distancia entre dicha, al menos una, herramienta de bruñido (4) respecto de dicho, al menos un, dispositivo de aportación (2) de material metálico.
  4. 4.-Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque dicho, al menos un, dispositivo de aportación (2) comprende un dispositivo láser.
  5. 5.
    Sistema
    reivindicaciones
    2 a 4,
    menos
    un, dispositivo
    dispositivo
    de plasma.
    5
  6. 6.
    Sistema
    reivindicaciones
    2 a
    herramienta
    de bruñido
    rodillo.
    10
  7. 7.
    Sistema
    reivindicaciones
    2 a
    herramienta
    de bruñido
    bola.
    15
    según cualquiera de las caracterizado porque dicho, al
    de aportación (2) comprende un
    según cualquiera de las 5, caracterizado porque la
    (4) comprende una herramienta de
    según cualquiera de las 6, caracterizado porque la
    (4) comprende una herramienta de
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