ES2843747B2 - Cilindros para laminacion con un recubrimiento de aleaciones de carburo de tungsteno y procedimiento de obtencion de los mismos - Google Patents

Cilindros para laminacion con un recubrimiento de aleaciones de carburo de tungsteno y procedimiento de obtencion de los mismos Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de obtención de cilindros para laminación con un recubrimiento de aleaciones de carburo de tungsteno y cilindro obtenido
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, por un lado, unos cilindros para laminación con un recubrimiento de aleación de carburo de tungsteno donde el recubrimiento es de una sola capa.
El recubrimiento se realiza mediante proyección térmica, siendo también objeto de la presente invención el procedimiento de obtención del cilindro recubierto.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los cilindros de trabajo de laminación recubiertos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la producción de aceros laminados, se utilizan cilindros de laminación. Su función es importante no sólo desde el punto de vista de la productividad sino también desde su gran influencia sobre la calidad superficial.
Los cilindros de trabajo son los que están en contacto con la banda a laminar, bien para reducir el espesor (trenes de reducción) o bien para dar el acabado y propiedades mecánicas al material laminado. Debido al contacto banda-cilindro, este se va desgastando en superficie y va perdiendo el acabado superficial y perfil geométrico. Cuando esto sucede los cilindros deben cambiarse por otros.
Históricamente los cilindros se usaban sin recubrir y eran de acero fundido y pasaron a ser de acero forjado para aumentar la resistencia al desgaste durante mayor número de toneladas laminadas.
En los años 80 se realizaron las primeras pruebas de recubrimiento de los cilindros de acero forjado con diferentes recubrimientos, siendo el electrolítico de cromo el que obtuvo los mejores resultados en cuanto a la combinación de resistencia al desgaste y precio. Actualmente el cromo es el recubrimiento mundialmente aceptado y establecido por la mayoría de las empresas de laminación.
En Europa debido a las restricciones medioambientales, se va a prohibir el proceso electrolítico de cromo obtenido a partir del cromo hexavalente altamente tóxico. Después de varias moratorias, la CEE ha decido suspender este proceso en 2023, por lo que las empresas productoras tendrán que buscar alternativas, medioambientalmente viables según el REACH. Esto implica que las empresas usuarias del cromo en sus procesos están buscando alternativas para la sustitución antes del 2023. Este es el caso de las compañías de laminación que, a través de sus departamentos de I+D están testando nuevos recubrimientos que sean técnica, económica y medioambientalmente verdaderas alternativas al cromo.
En el estado de la técnica se conocen documentos como los descritos a continuación:
- CN107699842B en esta patente se describe un proceso de laminación no metálico donde las fuerzas de compresión aplicadas son muy bajas en comparación con el proceso de laminación de Aceros. Los espesores del recubrimiento en esta aplicación de 0,15 ±0,1 mm ya se ha demostrado que no funcionan en los trenes de laminación de acero produciéndose un salto prematuro de la capa aportada. Aunque utilizan la tecnología HVAF, no son capaces de aplicar capas de espesores bajos que son los adecuados para nuestra aplicación y que están suficientemente probados.
- EP0694620 esta patente presente las mismas dificultades que la patente anterior.
Por lo tanto, como puede observarse los documentos del estado de la técnica, si bien cuentan con un recubrimiento de carburo de tungsteno, presentan algunas desventajas. En todos los casos los espesores de los recubrimientos son muy altos y que en caso de ser aplicados a trenes de laminación de acero producen un salto prematuro de la capa aportada y por lo tanto no aptos para el laminado en frío, en otras ocasiones, utilizan dos capas de recubrimiento o son rodillos donde se precisa una fuerza de comprensión mucho más bajas.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un recubrimiento superficial en los cilindros de trabajo del proceso de laminación, mejorando el rendimiento en los trenes de laminación y a un precio similar al del cromado.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación, la invención se describirá con más detalle con referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, en el que:
La FIG 1A muestra una sección transversal de un recubrimiento de cromo actualmente en uso.
La FIG 1B muestra es la sección transversal de un recubrimiento típico de carburo de tungsteno aplicado mediante tecnología proyección a alta velocidad oxigeno fuel.
La FIG 1C es la sección transversal del recubrimiento de carburo de tungsteno aplicado mediante tecnología proyección a alta velocidad aire fuel objeto de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención es por un lado unos cilindros de laminación recubiertos con una aleación de carburo de tungsteno, con un recubrimiento de escaso espesor y por otro lado el procedimiento mediante el cual se consigue la aplicación del recubrimiento en los cilindros.
Por lo tanto es un aspecto de la invención unos cilindros de laminación con un recubrimiento de aleación de carburo de tungsteno, donde el recubrimiento es de una sola capa, con un espesor comprendido entre 0,003 mm y 0,020 mm, y con una cobertura del recubrimiento del 100%.
La determinación del espesor del recubrimiento se mide mediante la Norma ASTM-B499.
Lograr un recubrimiento de los cilindros de laminación con carburo de tungsteno o sus aleaciones en una sola capa y con un espesor comprendido entre 0,003 mm y 0,020 mm, no es una mera opción de diseño y/o fabricación ya que en condiciones habituales, aplicar capas de espesores inferiores a 0,020 mm producen una cobertura muy baja del recubrimiento sobre el cilindro de trabajo, quedando zonas parcialmente no cubiertas y con alta permeabilidad lo que provoca un desprendimiento de esta capa. Por este motivo se aplica una segunda o más capas para garantizar una cobertura del 100%, esto hace que el espesor que se alcance sea mayor de 0,020 mm que tampoco aguanta las condiciones de laminación debido al espesor y la inclusión de tensiones internas en las siguientes capas aplicadas. Debido a estas tensiones se produce un micro agrietamiento de la capa aportada bajo los esfuerzos de la laminación y consecuentemente se alcanzará el fallo en el recubrimiento saltando la capa. Esto no ocurre en el cilindro de la invención.
Las ventajas del cilindro de la invención es que aumenta la vida en servicio (límite por desgaste) de los cilindros en un factor mayor de 2 con respecto a los cilindros cromados y en un factor mayor de 3 con respecto a los cilindros sin recubrimiento, aumenta los tiempos de la campaña de laminación, disminuye el consumo total anual de cilindros, y representa la posibilidad de no tener que programar campañas continuas de laminación y poder realizar cambios de ancho en marcha.
El cilindro de la invención presenta durezas superiores a 1300 HV, para garantizar una excelente resistencia al desgaste debido a la fricción chapa-cilindro y permeabilidades inferiores al 0,1% para resistir las altas fuerzas de compresión del proceso de laminación de 0,8 a 3 Tm/mm.
La permeabilidad se mide mediante el test de permeabilidad a gases. La dureza se mide mediante la Norma ASTM-B578.
Por otro lado, otro aspecto de la presente invención se refiere al procedimiento de obtención del cilindro de laminación con un recubrimiento, definido anteriormente que comprende las siguientes etapas:
a) desengrasar la superficie del cilindro;
c) calentar la superficie del cilindro;
d) recubrir el cilindro con una aleación de carburo de tungsteno o aleaciones del mismo mediante proyección térmica donde se funde un granulado de una aleación de carburo de tungsteno que presenta una granulometría de polvo comprendida entre 30^m y 5^m en una cámara de combustión, el material fundido se transporta a una pistola de proyección mediante un gas portador y se proyecta al cilindro mediante la pistola con un flujo de aportación en unos valores comprendidos entre 1 y 8kg/h.
La etapa a) de desengrasar inicial elimina los restos de aceites y grasas de la superficie del cilindro.
La etapa c) de calentar sirve para realizar un precalentamiento previo para que la superficie del cilindro pueda admitir el recubrimiento posterior sin que se produzca choques térmicos que producirán un aumento de la permeabilidad y agrietamiento de la capa aportada.
La etapa d) de proyección térmica es la etapa donde se produce el recubrimiento del cilindro con el material, espesor y propiedades mecánicas adecuadas. El material para proyectar es fundido parcial o totalmente en la cámara de combustión. Este material fundido es acelerado en la boquilla de la pistola y lanzado a alta velocidad sobre la superficie del cilindro. Granulometrías de las aleaciones de carburo de tungsteno superiores a 30 ^m inducen a un aumento de la permeabilidad y disminución de la resistencia al impacto provocando fallos de desprendimiento de la capa aportada durante el proceso de laminación. Flujos mayores 8Kg/h producen aumento de espesor del recubrimiento, aumento de tensiones y aumento de la deposición del polvo en la pistola.
Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.
A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Como se ha dicho un primer aspecto de la invención es un cilindro de laminación con un recubrimiento de aleaciones de carburo de tungsteno donde el recubrimiento es de una sola capa, con un espesor comprendido entre 0,003 mm y 0,020 mm, y con una cobertura del 100%.
De manera preferente la permeabilidad del recubrimiento está en un rango entre el 0% y el 0,1%.
De manera preferente la aleación se selecciona entre: WC-CoCr, WC-NiCr, WC-Co, WC-Ni, WC-CrC-Ni, WC-CrC-Co, aleación de carburo de tungsteno y boruro de molibdeno (ej. WC-Mo B Ni Co Cr Fe).
De manera preferente la aleación de carburo de tungsteno comprende carburos de cromo.
De manera preferente la aleación de carburo de tungsteno comprende boruros de molibdeno. Estas aleaciones con MoB en la composición presentan una propiedad antiadherente superior a las aleaciones de WC.
La capa de recubrimiento posee unas propiedades finales como las que a continuación se describen:
- Espesor, mm 0,003 -0 ,012 mm
- Dureza, Hv 1300 -1600 Hv
- Permeabilidad, % < 0,1 %
- Módulo de Young, GPa ~ 450 GPa
- Adherencia, MPa > 80
- N° de pasadas: 1
Por otro lado, otro aspecto de la presente invención se refiere al procedimiento de obtención del cilindro de laminación con un recubrimiento que comprende las siguientes etapas:
a) desengrasar la superficie del cilindro;
c) calentar la superficie del cilindro;
d) recubrir el cilindro con una aleación de carburo de tungsteno o aleaciones del mismo mediante proyección térmica donde se funde un granulado de una aleación de carburo de tungsteno que presenta una granulometría de polvo comprendida entre 30^m y 5^m en una cámara de combustión, el material fundido se transporta a una pistola de proyección mediante un gas portador y se proyecta al cilindro mediante la pistola con un flujo de aportación en unos valores comprendidos entre 1 y 8kg/h.
De manera preferente la etapa a) se realiza mediante uso de disolventes en frío o fase de vapor
Preferentemente la temperatura de la etapa c) deber ser similar a la temperatura que alcanzará el cilindro durante el proceso de proyección térmica, y va a ser función de la masa del cilindro a recubrir. De manera particular para cilindros de diámetro mayor de 500 mm la temperatura debe estar comprendida entre 40-50 °C. De manera particular para cilindros de diámetro menor de 500 mm, la temperatura deber ser 80-100 °C. De manera particular el calentamiento se realiza con una llama de combustión.
De manera preferente el procedimiento comprende una etapa b) de activación de la superficie mediante granallado técnico. Esta etapa elimina los restos de aceites y grasas. Esta operación de granallado se realizará con rugosidad controlada. La etapa de granallado se lleva a cabo en caso de querer un acabado rugoso. La preparación superficial del cilindro puede ser para acabado liso o rugoso, para el acabado rugoso la preparación superficial del cilindro se realiza mediante granallado en caliente o frío con la misma pistola de proyección usando un óxido de aluminio.
La etapa de granallado asegura una adherencia de recubrimiento superior al 80%. La Norma ASTM-B571 sirve para la determinación cualitativa de la adherencia del recubrimiento.
De manera preferente en la etapa d) la proyección térmica se selecciona entre proyección térmica de alta velocidad aire fuel o proyección térmica de alta velocidad oxígeno fuel. De manera particular la proyección térmica es una proyección térmica de alta velocidad aire fuel. De manera preferente la presión del aire se encuentra en un rango comprendido entre 85 y 90 PSI. De manera particular el fuel es propano. De manera preferente la presión del propano se encuentra en un rango comprendido entre los 87 y los 92 PSI, además de manera particular la presión de propano es 2 PSI por encima de la presión del aire.
El uso de proyección térmica de alta velocidad fuel aire o HVAF supone una ventaja apreciable frente a otros procesos de proyección como el de proyección térmica de alta velocidad fuel oxigeno o HVOF, en el que se genera mucha porosidad y fragilidad en el recubrimiento (figura 1B) debido al alto contenido de Oxígeno necesario para la combustión, en comparación con el proceso HVAF.
De manera preferente el gas portador es nitrógeno. De manera preferente el caudal de nitrógeno está comprendido entre 20 l/min y 30 l/min. De manera más preferente entre 23 l/min y 24 l/min.
De manera preferente la proyección mediante pistola se hace en presencia de hidrógeno. Preferentemente el caudal de hidrógeno está comprendido entre los 30 l/min y los 40 l/min. Más preferentemente entre 33 l/min y 36 l/min
De manera preferente la distancia entre la pistola y el cilindro que se recubre está comprendida entre 19 cm y 26 cm. De manera preferente el polvo tiene una granulometría comprendida entre 30 ^m y 15 ^m. De manera preferente el flujo de aportación está comprendido entre 4-8 Kg/h.
De manera preferente la velocidad transversal de la pistola de proyección está comprendida entre 2 a 3 mm/s. Cuando se aplican varias capas de recubrimiento no se pueden usar estas velocidades ya que se produce un sobrecalentamiento de pieza, induciendo a estrés térmico. De manera preferente el movimiento lineal del cilindro en mm/s a una velocidad de entre 2000 y 3000 mm/s. De manera particular usamos 2000 mm/s para diámetros inferiores a 500 mm y 2500 mm/s para diámetros comprendidos entre 200 mm y 500 mm y 3000 mm/s para diámetros inferiores a 200 mm.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1a.- Procedimiento de obtención de cilindros de laminación con un recubrimiento de aleaciones de carburo de tungsteno, caracterizado porque en el mismo se definen las siguientes fases o etapas operativas:
a) desengrasar la superficie del cilindro
c) calentar la superficie del cilindro
d) recubrir el cilindro con una única capa de aleación de carburo de tungsteno o aleaciones del mismo de un espesor de entre 0,003 mm y 0,020 mm mediante proyección térmica donde se funde un granulado de una aleación de carburo de tungsteno que presenta una granulometría de polvo comprendida entre 30^m y 15^m en una cámara de combustión, el material fundido se transporta a una pistola de proyección mediante un gas portador y se proyecta al cilindro mediante la pistola con un flujo de aportación en unos valores comprendidos entre 1 y 8 kg/h.
en donde:
• la proyección térmica es una proyección térmica de alta velocidad fuel aire en donde el fuel se materializa en propano, el aire se aplica a una presión comprendida entre 85 y 90 PSI, se aplica nitrógeno e hidrógeno, utilizándose un caudal de hidrógeno de entre 30 y 40 l/min,
• el gas portador es nitrógeno, con un caudal comprendido entre 20 l/min y 30 l/min.
• la presión de propano es al menos 2 PSI por encima de la presión del aire.
• la distancia entre la pistola y el cilindro que se recubre está comprendida entre 19 cm y 26 cm.
• la velocidad transversal de la pistola de proyección está comprendida entre 2 a 3 mm/s;
habiéndose previsto que el cilindro se desplace en su movimiento lineal a una velocidad de entre 2000mm/s para diámetros inferiores a 500 mm, 2500 mm/s para diámetros comprendidos entre 200 mm y 500 mm y 3000 mm/s para diámetros inferiores a 200 mm.
2a.- Procedimiento según reivindicación 1a que además comprende una etapa b) de activación de la superficie mediante un granallado.
3a.- Cilindros de laminación con un recubrimiento de aleación de carburo de tungsteno caracterizado porque el recubrimiento proyectado mediante proyección térmica de alta velocidad fuel aire es de una sola capa, con un espesor comprendido entre 0,003 mm y 0,020 mm, que afecta al 100% de la superficie de trabajo del cilindro, estando la permeabilidad del recubrimiento en un rango entre el 0% y 0,1%.
4a.- Cilindros de laminación con un recubrimiento de carburo de tungsteno o sus aleaciones, según la reivindicación 3a, caracterizado porque la aleación de carburo de tungsteno comprende boruros de molibdeno.
5a.- Cilindros de laminación con un recubrimiento de carburo de tungsteno o sus aleaciones, según reivindicación 3a, caracterizado porque la aleación de carburo de tungsteno comprende carburos de cromo.
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