ES2599369T3 - Polvo esférico y su preparación - Google Patents

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ES2599369T3 ES11721505.3T ES11721505T ES2599369T3 ES 2599369 T3 ES2599369 T3 ES 2599369T3 ES 11721505 T ES11721505 T ES 11721505T ES 2599369 T3 ES2599369 T3 ES 2599369T3
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Andrey Pavlovich Chukanov
Boris Vladimirovich Safronov
Yuri Gennadievich Nadezhdin
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Abstract

Un método para la fabricación de un polvo esférico que comprende carburo de wolframio, comprendiendo dicho método las etapas: a) proporcionar una cámara que comprende un crisol rotatorio, b) añadir material a dicho crisol rotatorio, c) fundir el material, en el que se efectúa el calentamiento por lo menos parcialmente usando una descarga de arco de plasma, d) rotar el crisol para formar gotas líquidas, con el subsecuente enfriamiento de las gotas para obtener un polvo, caracterizado por el hecho de que el material añadido a dicho crisol rotatorio se calienta hasta una temperatura de 40% a 80% de la temperatura de fusión del material antes de que entre en el crisol, y de que el material añadido al crisol comprende carbono (C) y wolframio (W).

Description

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DESCRIPCION
Polvo esferico y su preparacion Campo tecnico
La presente invencion se refiere generalmente a la preparacion de un polvo, por atomizacion termo-centnfuga. La invencion tambien se refiere a polvo esferico de carburo de wolframio. La invencion se refiere adicionalmente a un dispositivo para implementar el metodo.
Antecedentes
La resistencia al desgaste de materiales compuestos depende, por ejemplo, de factores que incluyen la concentracion y tamanos de las partfculas de refuerzo y de las propiedades de la matriz. En igualdad de condiciones el incremento adicional de la resistencia al desgaste se consigue mediante la mejora de las propiedades de las partfculas en el composite. La preparacion de partfculas por medio de la trituracion lingotes conduce a defectos, marcas del peine y otros defectos en las partfculas que actuan como asientos de destruccion bajo la influencia de cargas. De este modo en la tecnica anterior hay una necesidad de una mejora de la microestructura de las partfculas y consecuentemente, de sus propiedades mecanicas.
El documento SU 1802466 describe un metodo de preparacion de polvo de material refractario que incluye el procesado de barras con suministro de barras a la zona de fusion con un mecanismo de empuje, la fusion de barras con plasma, la colada de una aleacion lfquida con corriente de plasma de un segundo plasmatron, al nodulizador de bandeja y la atomizacion centnfuga.
Las desventajas incluyen que la tecnologfa requiere mayor intensidad de corriente de la descarga de plasma y que el uso de dos plasmatrones hace el procedimiento de preparacion de polvo mucho mas caro.
El documento SU 503688 describe una instalacion para la preparacion de materiales esfericos que comprende una camara de vacfo con un crisol rotatorio de grafito en el interior, con un alambre tubular no fusible movil incorporado que suministra polvo.
El documento SU 503688 muestra un metodo de preparacion de materiales esfericos que incluye una descarga electrica entre un crisol rotatorio de grafito que es un anodo y un catodo manga de wolframio no fusible que suministra la substancia original al crisol calentado bajo la accion del arco electrico. En el crisol aparece una aleacion lfquida que se eleva bajo la influencia de la fuerza centnfuga, y es empujada fuera del crisol, donde despues vuela y se solidifica en forma de gotas y cristaliza en el vuelo. El procedimiento se debe llevar a cabo en un medio gaseoso inerte - argon.
Las desventajas incluyen que el electrodo no fusible en el dispositivo no hace posible obtener parametros optimos de descarga electrica, la corriente se incrementa, sobre el borde del crisol se forma una masa de aleacion lfquida endurecida (denominada "barba") que conduce a la anormalidad en la estabilidad del proceso de atomizacion y a la sustitucion frecuente de un crisol y, consecuentemente, a la disminucion de la productividad de la instalacion y la calidad del polvo producido.
En el Journal of the Ukrainian SSR academy os siciences, No 72 (836), 1973 se describe un metodo para producir una aleacion de carburo de wolframio, con alta dureza, resistencia y ductilidad.
El documento RU 2301133 describe un metodo y un dispositivo para la preparacion de polvo de material refractario, en particular, carburo de wolframio fundido. El dispositivo comprende un crisol rotatorio en una camara en la que se funde el material. Se usa nitrogeno como gas inerte. Se forman gotas cuando rota el crisol. El calentamiento se proporciona por descarga de arco de plasma. La formacion de una "barba" se evita moviendo la corriente de plasma. La distribucion de la produccion de calor del plasma se puede variar desde el borde del crisol hasta la superficie interna del crisol para evitar la formacion de barba.
El documento EP 0 687 650 describe la fabricacion metalurgica de materiales duros u oxidos que se solidifican rapidamente con morfologfa esferica que comprende fundir materiales solidos o en polvo usando plasma y a continuacion enfriar rapidamente para solidificar usando un crisol movil/rotatorio.
El documento US 5.089.182 describe un procedimiento para fabricar esferas de carburo de wolframio, sin ningun contenido de material de salpicaduras, en forma de esferas solidas. El carburo de wolframio se calienta a alrededor de 150-300°C por encima del punto de fusion, y a continuacion el carburo de wolframio colado se funde y granula en gas inerte estacionario.
En la tecnica anterior todavfa hay una necesidad de reducir la corriente de la descarga de plasma requerida para fundir la materia prima. Tambien hay una necesidad de un metodo mejorado para mantener con seguridad la temperatura de la aleacion lfquida por encima de su punto de fusion. Tambien hay una necesidad de reducir las perdidas de calor, mejorar la homogeneidad de la aleacion lfquida y la homogeneidad del polvo obtenido.
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La aleacion de carburo de wolframio fabricada usando tecnologfa convencional, es decir, fusion con trituracion subsecuente, tiene insuficiente resistencia, debido a la presencia de microgrietas.
Sumario
Es un objetivo de la presente invencion obviar por lo menos algunas de las desventajas de la tecnica anterior y proporcionar un metodo y dispositivo mejorados para la preparacion de un polvo, asf como un polvo mejorado.
En un segundo aspecto, se proporciona un metodo para la fabricacion de un polvo, comprendiendo dicho metodo las etapas de: a) proporcionar una camara que comprende un crisol rotatorio, b) anadir material a dicho crisol rotatorio, c) fundir el material, en el que el calentamiento por lo menos parcialmente se efectua usando una descarga de arco de plasma, d) hacer rotar el crisol para atomizar el material fundido bajo la fuerza centnfuga para formar gotas lfquidas, con el subsecuente enfriamiento de las gotas para obtener un polvo, en el que el material anadido a dicho crisol rotatorio se calienta a una temperatura por encima del 40% de la temperatura de fusion del material antes de que entre en el crisol.
En un tercer aspecto, se proporciona un dispositivo apropiado para fabricar un polvo, que comprende una camara, un cierre, una antorcha de plasma movil, un crisol cilmdrico enfriado, un dispositivo de recogida para el polvo fabricado, en el que el dispositivo comprende un dispositivo de calentamiento para el material a anadir al crisol.
Se definen aspectos y realizaciones adicionales en las reivindicaciones adjuntas, que se incorporan espedficamente aqrn como referencia.
Las ventajas de la invencion incluyen que es posible reducir la corriente de la descarga de plasma requerida para fundir la materia prima, pero tambien mantener con seguridad la temperatura de la aleacion lfquida por encima de su punto de fusion. Como resultado se reducen las perdidas de calor, la aleacion lfquida se vuelve una composicion homogenea, y el polvo esferico obtenido durante la atomizacion se vuelve homogeneo en su composicion y estructura.
Una ventaja adicional es que la distribucion de tamano de partfcula se hace mas estrecha, de modo que se incrementa el rendimiento de un tamano de partfcula deseado.
Otra ventaja mas es que el coste de la energfa se reduce significativamente. En una realizacion el consumo de energfa es mas de 3,8 veces menor en comparacion con la fabricacion de polvo esferico con calentamiento por induccion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion se describe ahora, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 presenta un esquema de instalacion para una realizacion de la preparacion de polvo de material refractario. 15 denota la entrada y salida de un medio de enfriamiento.
La Fig. 2 presenta el esquema de una realizacion del crisol de la instalacion para la preparacion de polvo de material refractario.
Descripcion detallada
Se debe entender tambien que la terminologfa empleada aqrn se usa con el proposito de describir realizaciones particulares y no se pretende que sea limitante dado que el alcance de la presente invencion esta limitado solo por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
Se debe senalar que, tal como se usa en esta memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "uno, una", "un, una" y "el, la" incluyen referentes al plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
Si no se define nada mas, cualquier termino y terminologfa cientffica usada aqrn se desea que tenga los significados comunmente entendidos por los expertos en la tecnica a la que pertenece esta invencion.
La expresion "alrededor de" tal como se usa en relacion con un valor numerico en toda la descripcion y en las reivindicaciones denota un intervalo de precision, familiar y aceptable para una persona experta en la tecnica. Dicho intervalo es de ± 10%.
La expresion "densidad aparente" se usa en toda la descripcion y las reivindicaciones para indicar el peso de un volumen del polvo esferico. La densidad aparente se mide a menudo en gramos por cm3.
La expresion "carga de rotura" se usa en toda la descripcion y las reivindicaciones y denota la tension que, cuando se aplica de manera constante a una partfcula de polvo esferica individual es justo la suficiente para romper o quebrarla. La carga de rotura se mide presionando una partfcula de polvo esferica entre dos superficies planas con
una fuerza creciente hasta que la partfcula de polvo esferica se rompe o colapsa.
El termino "eutectico" se usa en toda la descripcion y las reivindicaciones para denotar una mezcla de compuestos o elementos que tiene una sola fase que solidifica a una temperature mas baja que cualquier otra composicion.
El termino "microdureza" se usa en toda la descripcion y las reivindicaciones para denotar el ensayo de dureza de 5 materiales con bajas cargas aplicadas. Otra expresion es " ensayo de dureza por microindentacion." En el ensayo de dureza por microindentacion, un indentador de diamante de geometna espedfica se imprime en la superficie de la muestra de ensayo usando una fuerza aplicada conocida comunmente denominada una carga de ensayo. La microdureza siempre se mide usando el ensayo de dureza Vickers HV 0,1 segun la norma EN-ISO-6507 (ISO 65071: 2005).
10 El termino "esfericas" se usa en toda la descripcion y las reivindicaciones en relacion con partfculas de polvo para denotar que las partfculas individuales son esencialmente esfericas. El termino esfericas en relacion con un polvo no significa que todas las partfculas de polvo son esferas perfectas, significa que la mayona de las partfculas, tal como mas de 90%, preferentemente 95%, mas preferentemente 99% de las partfculas de polvo son esencialmente esfericas. Las partfculas esfericas se pueden desviar de una esfera geometricamente perfecta pero con tal de que 15 sean esencialmente esfericas se denota que son esferas.
La capacidad de cambiar la composicion de la atmosfera de gas, el flujo del gas de enfriamiento junto con la capacidad de cambiar los parametros dinamicos y geometricos del flujo de gas, la temperatura, la intensidad de corriente de descarga de plasma, la composicion y la velocidad de alimentacion del gas de plasma, la velocidad de rotacion del crisol puede conseguir un amplio intervalo de tamano de polvo de una variedad de materiales 20 refractarios. Los ejemplos de materiales refractarios que se pueden utilizar incluyen pero no estan limitados a wolframio y molibdeno, carburos de metales refractarios, mezclas de carburos de metales refractarios, por ejemplo, una mezcla eutectica de carburo de wolframio (WC-W2C); boruros, nitruros, y carbonitruros.
Una mezcla eutectica de carburos de wolframio (WC y W2C) con un contenido de carbono (C) de 3,8-4,2% en peso tiene una alta resistencia al desgaste abrasivo y de la cuna. Es una parte de las composiciones, usada para fabricar 25 herramientas y revestimientos resistentes a la abrasion dentro de, por ejemplo, la ingeniena de construccion, equipos de minena, y equipo qrnmico, que trabaja en contacto con materiales duros.
Se describe un polvo de carburo de wolframio esferico, en el que el material tiene una microdureza mayor de 3.600 kgf/mm2, y en el que el polvo tiene una densidad aparente de 9,80 a 11,56 g/cm3.
En una realizacion, el material descrito tiene una microdureza de 3.600 a 4.200 kgf/mm2. En una realizacion 30 alternativa, el material descrito tiene una microdureza de 3.600-4.800 kgf/mm2.
En una realizacion, el polvo comprende de 3,8 a 4,2% en peso de carbono (C).
En una realizacion, el polvo contiene menos de 0,1% en peso de hierro (Fe).
En una realizacion, el carburo de wolframio es una mezcla eutectica de W2C y WC.
En una realizacion, el diametro de las esferas es de 20 a 1.800 pm.
35 En un segundo aspecto se proporciona un metodo para la fabricacion de un polvo, comprendiendo dicho metodo las etapas: a) proporcionar una camara que comprende un crisol rotatorio, b) anadir material a dicho crisol rotatorio, c) fundir el material, en el que el calentamiento por lo menos parcialmente se efectua usando una descarga de arco de plasma, d) hacer rotar el crisol para atomizar el material fundido por la fuerza centnfuga para formar gotas de lfquido, con el subsecuente enfriamiento de las gotas para obtener un polvo, en el que el material anadido a dicho crisol 40 rotatorio se calienta a una temperatura por encima del 40% de la temperatura de fusion del material antes de que entre en el crisol.
En un realizacion, el material anadido en dicho crisol rotatorio se calienta a una temperatura de 40% a 80% de la temperatura de fusion del material antes de entrar al crisol.
En una realizacion el anteriormente descrito polvo de carburo de wolframio se fabrica por el metodo.
45 En una realizacion el material anadido al crisol comprende carbono (C) y wolframio (W). En una realizacion el material anadido al crisol comprende 3,7-3,9% en peso de carbono (C).
En una realizacion, se usa en dicha camara un gas que comprende por lo menos un gas seleccionado del grupo que cosiste en argon, helio, y nitrogeno. En una realizacion la camara se limpia de oxfgeno perjudicial bombeando hasta vacfo la camara y llenandola con un gas. En una realizacion se usa una mezcla de gases para llenar la camara, 50 mientras que se usa otra mezcla de gases como gas para generar plasma. Tanto el gas en la camara como el gas para generar plasma se seleccionan como se describe anteriormente.
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En una realizacion el arco de plasma primero se dirige hacia el centro del crisol y a continuacion se dirige hacia el borde del crisol. En una realizacion el arco de plasma alternativamente si dirige hacia el centro del crisol y hacia el borde del crisol.
En una realizacion la temperatura del material fundido se mantiene por encima de la temperatura de fusion del material. En una realizacion la temperatura del material fundido esta mas del 20°C por encima de la temperatura de fusion del material. En una realizacion la temperatura del material fundido esta de 20 a 100°C por encima de la temperatura de fusion del material.
En una realizacion el crisol rota a una velocidad rotacional de 500 a 20.000 rpm.
En una realizacion dicho polvo comprende carburo de wolframio. En una realizacion dicho polvo comprende una mezcla eutectica de fases WC y W2C.
En una realizacion dicho crisol esta enfriado con agua.
En una realizacion el metodo de preparacion de polvo de carburo de wolframio incluye el suministro de material de la composicion requerida a un crisol rotatorio localizado en la camara, la fusion de la materia prima con descarga de arco de plasma entre el crisol que es un anodo, a traves del material, y el catodo plasmatron con el uso de nitrogeno como gas de soporte del plasma, la atomizacion de una aleacion lfquida en atmosfera gaseosa bajo la influencia de la fuerza centnfuga formando gotas de aleacion lfquida y la cristalizacion de las gotas al enfriar. En una realizacion el anodo y catodo se cambian de modo que el crisol es el catodo y el plasmatron un anodo.
La fusion del material en el dispositivo se hace por lo menos parcialmente con plasma directamente en el crisol. El calentamiento directo de una materia prima dura hasta la temperatura que excede del punto de fusion requiere una energfa considerable lo que conduce a un incremento de los costes para efectuar el procedimiento y reduce la productividad.
El precalentamiento de la materia prima original en un calentador por encima de la temperatura de 0,4 x Tfusion antes de su suministro al crisol hace posible no solo reducir la densidad de corriente de la descarga de plasma requerida para fundir la materia prima, sino tambien mantener con seguridad la temperatura de la aleacion liquida mas alta que su punto de fusion. Como resultado se disminuyen las perdidas de calor, la aleacion lfquida se vuelve una composicion homogenea, y el polvo esferico obtenido durante la atomizacion se vuelve homogeneo en su composicion y estructura. Con la misma intensidad de corriente de la descarga de plasma el precalentamiento de la materia prima proporciona productividad incrementada del procedimiento de atomizacion.
Se usan como gas en una realizacion argon, helio, nitrogeno o sus mezclas, En una realizacion la materia prima contiene por lo menos un material refractario. El crisol se va a hacer rotar a una velocidad necesaria para la formacion de gotas de granulos esfericos de la composicion de partfcula requerida en la cristalizacion. La velocidad de rotacion del crisol es en una realizacion de 500 a 20.000 rpm. Como resultado se obtiene un polvo de por lo menos un metal refractario o aleaciones de metal refractario o por lo menos un carburo, boruro o carbonitruros y otras composiciones de metal refractario, en particular, polvo de mezcla eutectica de carburo de wolframio WC-W2C.
El dispositivo de calentamiento para el suministro de materia prima original al crisol esta hecho en una realizacion en forma de una bandeja con un calentador tubular alrededor o hecho en forma de un calentador tubular, por ejemplo, de material de composite de carbono-carbono. El angulo de conexion del dispositivo calentado para el suministro de la materia prima original al crisol es mayor que el angulo de deslizamiento natural de la materia prima. El crisol en una realizacion esta hecho de cobre, se hace una insercion localizada en la pared interior del crisol, por ejemplo, de material de composite de carbono-carbono.
En una realizacion el material se anade a dicho crisol por medio de un alimentador vibratorio. En una realizacion el material se anade a dicho crisol por medio de un alimentador rotatorio. Se incluyen combinaciones de un alimentador vibratorio y un alimentador rotatorio.
En una realizacion el crisol vibra. En tal realizacion se debe seleccionar una combinacion de frecuencia de vibracion, diametro del crisol, y velocidad rotacional del crisol para minimizar la formacion de barba.
En un tercer aspecto se proporciona un dispositivo apropiado para fabricar un polvo, que comprende una camara, un cierre, una antorcha de plasma movil, un crisol cilmdrico enfriado, un dispositivo de recogida para el polvo fabricado, en el que el dispositivo comprende un dispositivo de calentamiento para el material a anadir al crisol.
En una realizacion dicho dispositivo de calentamiento es una bandeja que comprende un calentador. En una realizacion dicho dispositivo de calentamiento es un calentador tubular. En una realizacion dicho dispositivo de calentamiento esta hecho de un material de carbono.
En una realizacion el dispositivo comprende adicionalmente un mecanismo de alimentacion adaptado para alimentar el material a dicho crisol por vibraciones. En una realizacion el dispositivo comprende adicionalmente un mecanismo de alimentacion adaptado para alimentar el material a dicho crisol por rotacion. Tambien se incluyen combinaciones
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de vibraciones y rotacion.
En una realizacion el crisol esta adaptado para vibrar.
En una realizacion el dispositivo para la preparacion de polvo de carburo de wolframio contiene una camara cilmdrica con una cubierta en la que a lo largo del eje de la camara esta situado un mecanismo de alimentacion para el suministro de la materia prima original, con una puerta en el fondo que tiene un dispositivo para la descarga del polvo, dispositivo de atomizacion, situado en lmea con el mecanismo de alimentacion dentro de la camara y hecho como crisol conductor de corriente rotatorio enfriado, plasmatron de arco fijado a un angulo con respecto al eje de rotacion del crisol con la posibilidad para su alternancia.
Una realizacion del dispositivo representado en la fig. 1 comprende una camara (13) cilmdrica con un fondo inclinado y una cubierta. El plasmatron (5) y el mecanismo (10) de alimentacion estan montados dentro de la cubierta en direcciones diferentes del eje. El plasmatron (5) esta conectado al accionador (4). El mecanismo de alimentacion esta conectado a la tolva (8) de almacenamiento con la materia prima (7) original fuera de la camara que tiene un mecanismo (9) de dosificacion. En la camara en lmea con ella esta situado un spaying crisol (2) fijado sobre un mecanismo (l) de rotacion. El dispositivo calentado para suministro de materia prima (12) original al crisol (2) situado en la camara (13) esta conectado al mecanismo (10) de alimentacion. El dispositivo de calentamiento puede comprender una bandeja con un calentador (6) tubular alrededor.
El calentador (6) tubular en una realizacion esta hecho de un material de composite de carbono-carbono, y sirve en una realizacion como dispositivo de calentamiento para el suministro de polvo en el caso de ausencia de una bandeja (11). En la parte inferior del fondo inclinado de la camara (13) esta situada una tolva (14) conectada a ella para recoger el polvo.
El crisol (2) de atomizacion enfriado por agua presentado en la figura 2 comprende un armazon (15) cilmdrico hecho de material conductor, una insercion (16) situada sobre la pared interior del armazon hecha de un material inactivo a la fusion y una insercion (17) situada en el fondo del armazon hecha de material conductor.
En una realizacion del metodo el dispositivo se hace funcionar segun lo siguiente. La materia prima (7) original en la forma de material abrasivo del almacenamiento (8) se carga al mecanismo (9) de dosificacion. La instalacion se presuriza, se pone a vacfo y se carga con el gas requerido a la presion atmosferica o la presion necesaria para la preparacion de polvo del material refractario requerido. Con la ayuda del mecanismo (1) rotatorio se dispone la velocidad requerida de rotacion del crisol (2). Entre el crisol que es un anodo y el catodo (5) plasmatron se inicia el arco de plasma. El punto del anodo del arco se concentra sobre el fondo del crisol (2). Se enciende el suministro de energfa. El material abrasivo del mecanismo (9) de dosificacion a traves del mecanismo (10) de alimentacion va a la bandeja (11) calentada con la ayuda del calentador (6) tubular hecho, por ejemplo, de material de carbono-carbono, hasta 3.000°C. Las partmulas de material abrasivo que pasan por la bandeja se calientan por encima de 0,4xTfusion y se vierten al crisol (2) rotatorio en el que se funden bajo la influencia del arco de plasma. La Tfusion denota la temperatura de fusion. La aleacion lfquida bajo la influencia de la fuerza centnfuga se fuerza hacia la cara lateral del crisol (2) cubierta con la insercion (16) de aislante termico. A medida que se suministran nuevas porciones de material abrasivo se incrementa la cantidad de aleacion lfquida y se eleva a lo largo de la cara lateral. Se eleva el punto del anodo del arco de plasma en pos de la aleacion lfquida con el accionador (4) del plasmatron y se concentra sobre el borde del crisol (2). Al llegar al borde del crisol (2) la aleacion lfquida se descarga sobre el borde del crisol por la fuerza centnfuga y cae a traves del gas de la camara en el que se solidifica durante la cafda y cae sobre el fondo de la camara en forma de pequenas esteras. El polvo preparado se vierte en la tolva (14) de almacenamiento situada en la parte inferior de la camara.
La colocacion de un material conductor en el fondo del crisol protege el crisol de la perforacion por quemaduras. La colocacion de inserciones aislantes termicas de material inactivo a la fusion sobre los lados de las caras del crisol no solo reduce considerablemente las cargas electrotermicas sobre el crisol, sino que tambien reduce considerablemente las perdidas totales de calor del procedimiento de fusion del material. Como resultado, se prolonga la vida util de crisol y se reducen los costes de energfa del procedimiento.
La colocacion del plasmatron y tolva de almacenamiento con mecanismo de dosificacion en diferentes direcciones del eje de la camara cilmdrica hace posible mover rapida y precisamente el punto del anodo a lo largo de la cara lateral del crisol despues de la subida de la aleacion lfquida y eliminar la formacion de aleacion lfquida endurecida sobre el borde (barba) del crisol que conduce a la estabilizacion y homogeneizacion de la aleacion lfquida y a la mejora de las propiedades del polvo preparado.
La posibilidad de alternancia de la composicion de la atmosfera gaseosa, temperatura del dispositivo de calentamiento preliminar, intensidad de corriente de la descarga de plasma, la velocidad de rotacion del crisol hace posible preparar polvo de un amplio intervalo dimensional de varios materiales refractarios: metales refractarios, tales como wolframio y molibdeno; carburos de metales refractarios; mezcla de carburos de metales refractarios, por ejemplo, carburos de wolframio colados (WC-W2C); boruros, nitruros y carbonitruros, carbonitroboruros y otros compuestos de metales refractarios.
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En una realizacion la carga de rotura de una partfcula esferica de aleacion de carburo de wolframio segun la invencion es mayor de 20 kgf. En una realizacion la carga de rotura de una partfcula esferica de aleacion de carburo de wolframio segun la invencion es de alrededor de 20 a alrededor de 27 kgf. En una realizacion alternativa la carga de rotura de una partfcula esferica de aleacion de carburo de wolframio segun la invencion es de 20,8 a 27,2 kgf. Las medidas de la carga de rotura se repiten 20-30 veces y se calcula un valor medio.
La dureza de aleacion de carburo de wolframio esferico es la mas alta de todas las conseguidas para carburos de metales y es superada solo por la dureza de un diamante y del carburo de boro.
Caractensticas comparativas de algunos materiales duros Material
Carburo de wolframio Carburo de titanio
Aleacion de carburo de wolframio triturado
Aleacion de carburo de wolframio esferico, presente producto
Microdureza, kgf/mm2 1.780-2.000
2.800- 3.000
1.800- 2.200 3.600-4.800
Otras caractensticas y usos de la invencion y sus ventajas asociadas seran evidentes para una persona experta en la tecnica al leer la descripcion y los ejemplos.
Se debe entender que esta invencion no esta limitada a las realizaciones particulares mostradas aqrn. Se proporcionan los siguientes ejemplos con propositos ilustrativos y no se desea que limiten el alcance de la invencion dado que el alcance de la presente invencion esta limitado solo por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
Ejemplos
Ejemplo 1
La atomizacion de wolframio con punto de fusion de 3.380°C se llevo a cabo en una instalacion para atomizacion centnfuga equipada con el mecanismo de la invencion sugerida y sin el. La atomizacion se llevo a cabo en una atmosfera de nitrogeno puro. El crisol se uso con las inserciones sugeridas en la invencion y sin ellas. El diametro de un borde abierto del crisol era de 60 mm. La velocidad de rotacion del crisol era de 5.000 rpm. La corriente del arco de plasma se alterno dentro de los lfmites de 800 a 1.500 A, el voltaje del arco era de 70-85 V. Se llevo a cabo el calentamiento preliminar del material abrasivo por medios de contacto de mover el material abrasivo original con la superficie de la cubeta de wolframio con un calentador tubular alrededor. El calentador esta hecho de material de composite de carbono-carbono y se calento hasta 2.500°C con la corriente circulante de una fuente de corriente electrica autonoma. La temperatura de salida del material abrasivo del calentador era de 1.850-1.950°C. Los resultados de la atomizacion se dan en la Tabla 1. La atomizacion de wolframio con el metodo sugerido sobre el dispositivo sugerido proporciona un incremento de la productividad del procedimiento, estabilizacion de las propiedades del polvo esferico obtenido y la reduccion considerable de la corriente y cargas termicas en el crisol que prolonga su vida util.
Tabla 1
Caractensticas
Dimensiones Segun la invencion Metodo conocido
Corriente del arco de plasma
A 800 1.100 1.500 800 1.100 1.500
productividad
Kg/hora 20 24 28 5 8 16
Diametro medio de las partfculas de polvo
mm 200 260 200
Caractensticas del polvo
Partfculas casi completamente esfericas. Partfculas homogeneas, no microgrietas Presencia de partfculas de material abrasivo original y trozos fundidos de forma irregular Esferas
Ejemplo 2
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Se atomizaron carburos de wolframio colados (mezcla eutectica de carburos de wolframio WC-W2C) en instalacion de atomizacion centnfuga a la velocidad de rotacion del crisol de 2.850 rpm. Para la atomizacion se uso un material abrasivo de carburo de wolframio colado molido con tamano de partfcula menor de 1 mm. El contenido de carbono en el material abrasivo original era 4,0% de su masa, la microdureza media del carburo de wolframio fundido molido H|j - 1.800 HV. La corriente del arco de plasma se alterno dentro de los lfmites de 800 a 1.500 A, el voltaje del arco era de 70-85 V. Se llevo a cabo el calentamiento preliminar del material abrasivo de carburo de wolframio colado por medios de contacto de mover el material abrasivo original con la superficie interior del calentador tubular. El calentador esta hecho de material de composite de carbono-carbono y se calento hasta 2.200°C haciendo pasar corriente de una fuente de alimentacion electrica. La temperatura de salida del material abrasivo del calentador era de 1.850-1.900°C. La atomizacion se llevo a cabo en atmosfera de nitrogeno puro con diametro del borde abierto de 62 mm. Tambien se llevo a cabo la atomizacion comparativa de material abrasivo de carburo de wolframio colado por el metodo conocido. Los resultados de atomizacion se dan en la Tabla 2.
Tabla 2.
Caractensticas
Dimensiones Presente invencion Metodo conocido
Corriente del arco de plasma
A 800 1.100 1.500 800 1.100 1.500
Productividad
Kg/hora 22 27 32 7 12 18
Diametro medio de las partfculas de polvo
jm 300 360 300
Caractensticas del polvo
Partreulas casi completamente esfericas. Partreulas homogeneas, no microgrietas Presencia de partreulas de material abrasivo original y trozos fundidos de forma irregular Esferas
Microdureza
Kgf/mm2 3.600-4.200 3.400-3.550
La atomizacion de carburo de wolframio colado con el metodo sugerido en el dispositivo sugerido proporciona un incremento de la productividad del procedimiento, estabilizacion de las propiedades del polvo esferico obtenido y considerable reduccion de la corriente y cargas termicas en el crisol que prolonga su vida util. La microdureza del polvo de carburo de wolframio colado preparado por el metodo declarado esta dentro del intervalo de 3.600-4.200 HV, que es 1,2-1,3 veces mas alto que los valores de microdureza del polvo de carburo de wolframio colado preparado por el metodo conocido.
Ejemplo 3 (comparativo)
El polvo resultante tema un tamano de partfcula que vana de 50 micrometres a 800 micrometres. La microdureza del polvo de carburo de wolframio colado producido por el metodo estaba en el intervalo de 3.400-3.550 kgf/mm2. Esto es 1,25-1,27 veces el valor de la microdureza del polvo de carburo de wolframio producido en una atmosfera de argon. El incremento de microdureza incrementa significativamente la resistencia a la abrasion del material.
La densidad aparente del polvo obtenido estaba en el intervalo de 8,5-10,0 g/cm3, que indirectamente indica su porosidad interna y desviaciones de las esferas perfectas.
El uso de corrientes electricas de alta intensidad incrementa ligeramente las caractensticas de dureza y resistencia del producto. Pero los electrodos se danan facilmente y requieren un frecuente reemplazo debido al impacto de la alta corriente. Ademas, cuando se usan altas corrientes aparece un rapido desgaste del borde del crisol. Esto conduce a la desestabilizacion del procedimiento de atomizacion, la formacion de “barba” y requiere el reemplazo frecuente del crisol. El tiempo de espera relacionado conduce a un pobre rendimiento de la unidad de produccion e incremento del coste.
Ejemplo 4
Se produjo polvo con forma esferica con atomizacion centnfuga en una atmosfera de helio. Se uso como mezcla de gas de plasma helio y nitrogeno en una relacion de 1:1. La materia prima de entrada tema un contenido de carbono (C) de 3,90-3,92% en peso. La materia prima se calento hasta 1.050-2.000°C antes de introducirla en el crisol rotatorio. La atomizacion se realizo a la misma velocidad de rotacion que en el Ejemplo 3. La atomizacion se realizo al maximo valor de corriente electrica del arco de plasma, es decir, no mas de 1.200 A.
Las partfculas de polvo resultante eran de forma esferica virtualmente sin porosidad interna. Se elevo el punto del arco del anodo despues de la fusion y se enfoco sobre el borde interno del crisol, lo que proporciono una ausencia
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comP|eta de formacion incontr3o|ada de carburo s6|ido -“barba”- sobre e| borde de| criso1. La densidad aparente de| polvo era de 9,80-11,5 g/cm , que confirma la disminuci6n substancial del nivel de porosidad y contenido de impurezas del material resultante comparado con material del ejemplo 3.
La microdureza del polvo de carburo de wolframio producida por el metodo reivindicado en una atm6sfera de helio usando plasma de gas helio-nitr6geno dio como resultado el intervalo de 3.600-4.800 kgf/mm2 Esto es 1,20-1,27 veces la microdureza del polvo de carburo de wolframio producido en una atm6sfera de nitr6geno. El incremento de la microdureza incrementa significativamente la resistencia a la abrasi6n del material y es un parametro determinante en la elecci6n del polvo como carga para revestimientos resistentes al desgaste.
La reducci6n de la descarga de la corriente de plasma ha simplificado significativamente el diseno de la construcci6n de electrodos de corriente, incrementado significativamente la vida util de los electrodos y de este modo reduce significativamente los costes de funcionamiento..
Ejemplo 5
Se realiz6 la atomizaci6n de trozos (granos) triturados de materia prima que contienen 3,8-3,9% en peso de carbono fijo, 0,09-0,10% en peso de carbono libre y 1,1-1,2% en peso de otras impurezas (cromo, vanadio, niobio, cobalto, etc.) y 0,5, 0,3; 0,15 y 0,1% en peso de contenido de hierro y otras impurezas. Los regfmenes de atomizaci6n se mantuvieron como en el Ejemplo 4. El material abrasivo se pretrat6 a 1.050-2.000°C. Como resultado del procedimiento que incluye atomizaci6n, los niveles globales de impurezas en el polvo producido (incluyendo hierro) disminuyeron a 0,4-1,1% en peso (dependiendo de la pureza del material de partida) comparado con el nivel inicial de impurezas en la materia prima triturada. La reducci6n del contenido de hierro en el polvo esferico producido comparado con los contenidos del material abrasivo previamente atomizado era 0,05-0,40% en peso (dependiendo del contenido de la materia prima). En este caso, el contenido de carbono libre disminuy6 a 0,05-0,08% en peso, y otras impurezas en el intervalo de 0,2-0,7% en peso.
En condiciones en las que todas las demas circunstancias son iguales la pureza de la materia prima (material abrasivo) define las propiedades del polvo fabricado y puede dar microdureza adicionalmente incrementada al material. Dependiendo del contenido de impurezas la microdureza del polvo esferico producido variaba de 3.600 kgf/mm2, (para contenido de hierro menor de 0,10% en peso, carbono libre menor de 0,05% en peso, otras impurezas que no exceden de 1,0% en peso) a 4.800 kgf/mm2 (para contenido de hierro menor de 0,06% en peso, carbono libre menor de 0,02% en peso) y el contenido de otras impurezas menor de 0,50% en peso. En este caso, la densidad aparente variaba de 9,80 a 11,5 g/cm3. En una realizaci6n un valor cntico, que determina las caractensticas del material, es que el contenido de hierro es menor de 0,1% en peso. En esta realizaci6n, la densidad aparente del polvo, con contenido de hierro alrededor de 0,1% en peso, es de 0,3 a 0,1 unidades (g/cm3) menor que la densidad aparente del polvo con un contenido menor de 0,1% en peso.
El conjunto reivindicado de caractensticas esenciales proporciona carburo de wolframio fundido, una partfcula esferica con una alta microdureza, alta resistencia a las fuerzas de trituraci6n y alta densidad aparente del polvo. Las propiedades anteriores del polvo producido contribuyen a una alta resistencia a la abrasi6n y desgaste por impacto.
Ejemplo 6
Atomizaci6n usando trozos (grano) de carboboruro de wolframio. Este es una mezcla de carburo y boruro de wolframio. Es decir, comprende W2C, WC, y W2B5. 50% de W2C+WC, y 50% de W2B5. La velocidad rotacional del crisol era de alrededor de 5.000 rpm. El material abrasivo se precalent6 a 1.800°C. La corriente de arco era de 1.000 A. La atomizaci6n se realiz6 en un dispositivo segun la descripci6n. Se us6 helio para llenar el dispositivo, y se us6 una mezcla de 50% de arg6n + 50% de helio como gas para generar plasma. El plasma se dirigi6 hacia dentro del crisol y hacia el borde del crisol para minimizar la formaci6n de barba.
Cuando se realiza la atomizaci6n con la tecnologfa estandar, ocurri6 la formaci6n de mas de 30% de partfculas de forma irregular y la formaci6n de “barba” sobre el borde del crisol. La implementaci6n del metodo propuesto nos permiti6 obtener carboboruro de wolframio esferico con un rendimiento de ~85% y un nivel mas alto del 20-30% de microdureza del carboboruro esferico que el obtenido por la tecnologfa de atomizaci6n previa.
Varios ensayos se resumen en las tablas a continuaci6n. El tamano de las partfculas era de 20-1.200 pm.
Velocidad de rotacion (rpm)
Corriente (A) Microdureza (kgf/mm2) Fuerza de trituracion (Kgf) Comentario
Argon Nitrogeno Argon Nitrogeno
400
700 2.700 3.400 14,0 19,2 Las partfculas eran porosas y hasta el 25% no eran esfericas
500
700 2.700 3.400 14,1 19,4
1.000
700 2.700 3.450 14,1 20,2
5.000
700 2.750 3.500 14,2 21,6
15.000
700 2.750 3.500 14,2 21,0
20.000
700 2.750 3.550 14,3 21,4
400
1.200 2.700 3.400 14,6 30,3 Las partfculas eran porosas y hasta el 18% no eran esfericas
500
1.200 2.700 3.400 14,7 20,4
1.000
1.200 2.740 3.450 14,7 20,7
5.000
1.200 2.750 3.500 14,8 20,8
15.000
1.200 2.760 3.500 14,8 21,0
20.000
1.200 2.770 3.550 14,8 21,5
400
2.400 2.730 3.450 15,0 21,3 Las partfculas eran porosas y hasta el 15% no eran esfericas
500
2.400 2.740 3.470 15,1 21,4
1.000
2.400 2.750 3.480 15,1 22,0
5.000
2.400 2.760 3.530 15,2 22,8
15.000
2.400 2.770 3.540 15,2 23,0
20.000
2.400 2.790 3.550 15,3 23,5
La porosidad se determino por pesada hidrostatica.
5

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para la fabricacion de un polvo esferico que comprende carburo de wolframio, comprendiendo dicho metodo las etapas:
    a) proporcionar una camara que comprende un crisol rotatorio,
    b) anadir material a dicho crisol rotatorio,
    c) fundir el material, en el que se efectua el calentamiento por lo menos parcialmente usando una descarga de arco de plasma,
    d) rotar el crisol para formar gotas lfquidas, con el subsecuente enfriamiento de las gotas para obtener un polvo,
    caracterizado por el hecho de que el material anadido a dicho crisol rotatorio se calienta hasta una temperatura de 40% a 80% de la temperatura de fusion del material antes de que entre en el crisol, y de que el material anadido al crisol comprende carbono (C) y wolframio (W).
  2. 2. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que el material anadido al crisol comprende 3,9-4,5% en peso de carbono.
  3. 3. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que se usa en dicha camara un gas que comprende por lo menos un gas seleccionado del grupo que consiste en argon, helio y nitrogeno.
  4. 4. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el arco de plasma alterno se dirige hacia el centro del crisol y hacia el borde del crisol.
  5. 5. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la temperatura del material fundido se mantiene por encima de la temperatura de fusion del material.
  6. 6. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que la temperatura del material fundido esta mas de 20°C por encima de la temperatura de fusion del material.
  7. 7. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que dicho polvo comprende una mezcla eutectica de fases WC y W2C.
  8. 8. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que el crisol vibra.
  9. 9. Un dispositivo apropiado para fabricar un polvo esferico que comprende carburo de wolframio, comprendiendo dicho dispositivo una camara, un cierre, una antorcha de plasma movil, un crisol cilmdrico enfriado, un dispositivo de recogida del polvo fabricado, caracterizado por el hecho de que el dispositivo comprende un dispositivo de calentamiento para el material a anadir al crisol y en el que el dispositivo de calentamiento se adapta para calentar el material hasta una temperatura de 40% a 80% de la temperatura de fusion del material antes de que entre en el crisol.
  10. 10. El dispositivo segun la reivindicacion 9, en el que dicho dispositivo de calentamiento es una bandeja que comprende un calentador.
  11. 11. El dispositivo segun la reivindicacion 9, en el que dicho dispositivo de calentamiento es un calentador tubular.
  12. 12. El dispositivo segun la reivindicacion 9, en el que dicho dispositivo de calentamiento esta hecho de un material de carbono.
  13. 13. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 9-12, en el que dicho dispositivo comprende adicionalmente un mecanismo de alimentacion adaptado para alimentar el material a dicho crisol por vibraciones.
  14. 14. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 9-13, en el que dicho dispositivo comprende adicionalmente un mecanismo de alimentacion adaptado para alimentar el material a dicho crisol por rotacion.
  15. 15. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 9-14, en el que dicho crisol esta adaptado para vibrar.
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