ES2959034T3 - Pieza de desgaste compuesta - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a una pieza de desgaste compuesta que comprende una matriz de aleación ferrosa y al menos un refuerzo cerámico en forma de un inserto con una estructura calada, comprendiendo la estructura calada orificios ciegos, estando posicionado el lado ciego de los orificios en el lado más estresado de dicha pieza de desgaste. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Pieza de desgaste compuesta
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a una pieza de desgaste compuesta realizada en una fundición por colada de una aleación ferrosa. Se refiere más particularmente a una pieza de desgaste reforzada por una estructura tridimensional ahuecada de cerámica integrada en la pieza de desgaste, y a una estructura geométrica adaptada a la solicitación del desgaste. También describe un método para fabricar dicha pieza de desgaste.
Estado de la técnica
Las piezas de desgaste compuestas realizadas en una fundición son bien conocidas del estado de la técnica. Se trata principalmente de piezas de fundición reforzadas selectivamente en las caras más expuestas al desgaste por cerámicas de tipo alúmina-circonia o incluso carburos, nitruros u otros elementos intermetálicos dispuestos según geometrías tridimensionales particulares dentro de la matriz metálica.
La disposición particular de las estructuras de refuerzo permite crear compuestos jerárquicos con refuerzos diferenciados según la disposición o la forma geométrica de las partículas o de las estructuras de refuerzo. Es así como se pueden realizar obleas de cerámicas en forma de estructuras ahuecadas tipo nido de abeja o también agregados de gránulos milimétricos dispuestos en “tortas” dentro de un molde de arena en la parte más solicitada de la pieza con intersticios que permiten la infiltración por la fundición líquida durante la colada.
Se distinguen dos grandes familias de piezas compuestas realizadas en fundiciones en las que la cerámica se coloca según una geometría tridimensional particular en un molde antes de la colada de la fundición, aquellas en las que la cerámica está constituida antes de la colada y aquellas en las que la cerámica se forma durante la colada por reacción térmica autopropagada a partir de reactivos presentes en el molde.
Así es como se puede reforzar una pieza de desgaste compuesta, por un lado, con, por ejemplo, carburo de titanio ya formado, que se puede colocar previamente en el molde antes de la colada y cuyos intersticios son simplemente infiltrados por el metal de colada alrededor de 1500°C y, por otro lado, ser reforzada con carburo de titanio que se formaráin situa partir de los reactivos de titanio y carbono mezclados previamente en forma de polvo y formando TiC por reacción térmica autopropagada alrededor de 2500°C, siendo iniciada la reacción por el metal de colada que después será aspirado por capilaridad en la estructura de cerámica de refuerzo para rellenar los intersticios.
El documento WO98/15373 describe una pieza de desgaste compuesta con un refuerzo de cerámico de alúminacirconia en forma de nido de abeja. El documento EP0930948A1 describe una pieza de desgaste compuesta realizada por colada y constituida por una matriz metálica de la que la o las caras de trabajo comprenden insertos que tienen una buena resistencia al desgaste, caracterizada por que los insertos están constituidos a partir de una oblea de cerámica impregnada con un metal líquido durante la colada, siendo esta oblea de cerámica constituida por una disolución sólida homogénea de 20 a 80% de Al2O3y 80 a 20% de ZrO2, expresándose los porcentajes en peso de los constituyentes.
El documento WO03/047791 describe una pieza de desgaste compuesta con cerámicas de tipo carburo, nitruro, óxidos o elementos intermetálicos formadosin situsegún una reacción térmica autopropagada iniciada por la fundición líquida que después infiltra dicha estructura de cerámica una vez formada.
Los documentos WO2010/031660; WO2010/031661; WO2010/031663; WO 2010/031662 divulgan piezas de desgaste compuestas jerárquicas reforzadas con carburo de titanio formadoin situo los reactivos se introducen en forma de gránulos en el molde. Las piezas de desgaste se ilustran mediante dientes de dragado, conos y martillos trituradores.
El documento WO2018/069006 describe un rodillo abrasivo en el que las zonas de desgaste están reforzadas de manera diferenciada en función de la solicitación.
Objetivos de la invención
La presente invención tiene como objetivo proporcionar una pieza de desgaste compuesta con un inserto de refuerzo de cerámico de geometría mejorada, cuya estructura y posicionamiento se adapten al mismo tiempo a la solicitación del desgaste. Tiene como objetivo recrear una estructura resistente después del primer desgaste del refuerzo de cerámico en el lado más solicitado de la pieza de desgaste.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a una pieza de desgaste compuesta que comprende una matriz de aleación ferrosa y al menos un refuerzo de cerámico en forma de un inserto con una estructura calada, comprendiendo la estructura calada unos orificios ciegos, estando el lado ciego de los orificios posicionado del lado más solicitado de dicha pieza de desgaste.
Las realizaciones preferidas de la invención comprenden al menos una, o cualquier combinación adecuada de las siguientes características:
- dicho inserto de cerámica comprende al menos dos zonas (A, B), comprendiendo la zona más solicitada (A) una mayoría de orificios ciegos y comprendiendo la zona menos solicitada (B) una mayoría de orificios pasantes;
- la sección de los orificios del inserto de cerámica en la zona (A) es menor que la sección en la zona (B) de dicha pieza de desgaste;
- la sección total de las aberturas en el inserto del lado (A) es menor que la sección total de las aberturas del lado (B);
- el lado ciego del inserto de cerámica está formado parcial o totalmente por una cerámica de composición diferente a la que forma la zona (B) con los orificios pasantes;
- el inserto comprende al menos dos estructuras de refuerzo de cerámicas superpuestas (D,E) en la zona (A);
- los orificios ciegos están dispuestos oblicuamente en el inserto;
- los orificios ciegos tienen forma troncocónica;
- el inserto de cerámica comprende alúmina-circonia;
- el inserto de cerámica comprende carburos formadosin situmediante reacción exotérmica autopropagada, preferiblemente carburo de titanio;
- el inserto de cerámica comprende granos de un compuesto de cerámica metálico (CERMET);
- la estructura de cerámica comprende alúmina-circona en proporciones de alúmina que oscilan de 10 a 90% en volumen y de circonia que oscilan de 90 a 10% en volumen, estando eventualmente estabilizada la circona con óxido de itrio.
La presente invención también describe un método para realizar una pieza de desgaste según la invención que comprende las siguientes etapas:
- proporcionar un molde para realizar una pieza de desgaste mediante colada de una aleación ferrosa; - colocar un inserto según la invención en forma de agregado de gránulos milimétricos de material cerámico o de precursores de material cerámico infiltrable en el molde con el lado ciego en el lado más solicitado de la pieza de desgaste;
- infiltrar el inserto por la aleación ferrosa líquida.
El método según la invención se lleva a cabo preferentemente con:
- una aleación ferrosa que comprende acero o hierro fundido;
- agregados de gránulos milimétricos cerámicos en los que los agregados de precursores cerámicos infiltrables se seleccionan entre las siguientes composiciones:
° Alúmina-circonia en proporciones 90/10 a 10/90, pudiendo estabilizarse la circona eventualmente con óxido de itrio;
° Carbono y titanio en polvo que comprende opcionalmente polvo de hierro como moderador de la reacción iniciada por la colada de la aleación ferrosa;
° Compuestos metal-cerámicos (CERMET).
Breve descripción de figuras
En las figuras que se comentan a continuación, los “insertos” se definen como siendo estructuras tridimensionales infiltrables formadas por agregados más o menos porosos o incluso aglomerados de partículas milimétricas con intersticios.
Por una simple cuestión de facilidad de representación, las figuras sólo representan el contorno tridimensional de estos insertos colocados en las partes reforzadas de la pieza de desgaste.
La Figura 1 representa el elemento de un inserto de cerámica con orificios ciegos según la invención. El inserto se presenta aquí esquemáticamente en su forma más sencilla. Tal inserto está colocado en el lado ciego de la cara más expuesta al desgaste. Tal inserto tiene numerosos intersticios o poros (no representados) que están destinados a ser infiltrados por la aleación ferrosa durante la colada.
La Figura 2 representa un inserto de cerámica basado en el mismo principio que el descrito en la Figura 1 pero con orificios ciegos más grandes para ilustrar las diferentes posibilidades de producir orificios ciegos en tal inserto de cerámica.
La Figura 3 representa un inserto de cerámica con orificios ciegos basado en el mismo principio que el descrito en la Figura 1, pero esta vez el inserto se presenta en dos capas de cerámica diferentes, D y E. La Figura 4 representa un inserto de cerámica con orificios ciegos basado en el mismo principio que el descrito en la Figura 3, pero esta vez con orificios ciegos más profundos que penetran hasta la segunda capa E.
La Figura 5 representa un inserto de cerámica con orificios ciegos basado en el mismo principio que el descrito en la Figura 3, pero esta vez realizado con orificios agrandados.
La Figura 6 representa un inserto de cerámica con orificios ciegos basado en el mismo principio que el descrito en la figura 1, pero esta vez con orificios ciegos asociados en una proporción aproximadamente de mitad y mitad con orificios pasantes de mayor sección.
La Figura 7 representa un inserto de cerámica con orificios ciegos basado en el mismo principio que el descrito en la Figura 1, pero esta vez con orificios ciegos asociados en proporción minoritaria con orificios pasantes de mayor sección. Aquí los orificios ciegos, de menor diámetro que los orificios pasantes, son mayoritarios.
La Figura 8 representa un inserto de cerámica con dos zonas de solicitación diferentes A y B. La zona A más expuesta al desgaste comprende principalmente orificios ciegos y la zona B menos expuesta al desgaste comprende principalmente orificios pasantes. Los orificios pasantes de la zona B tienen una sección mayor que los orificios ciegos.
La Figura 9 representa la misma configuración que la Figura 8, pero esta vez con una cerámica diferente en el lado A y el lado B.
La Figura 10 representa la misma configuración que la Figura 8, pero esta vez no sólo con una cerámica diferente en el lado A y en el lado B, sino también con dos capas de cerámica diferentes D y E en la zona A, con una cerámica más resistente al desgaste en el lado ciego de la zona A.
La Figura 11 representa un inserto de cerámica según la invención con orificios ciegos posicionados de manera oblicua.
La Figura 12 representa un inserto de cerámica según la invención con orificios ciegos de forma troncocónica. La Figura 13 representa un ejemplo ilustrativo de una pieza de desgaste según la invención en forma de rodillo triturador para un triturador rotativo vertical en el que la zona A más expuesta al desgaste comprende el inserto de cerámica con orificios ciegos. La zona A es adyacente a una zona B menos expuesta al desgaste que tiene orificios pasantes.
La Figura 14 representa de manera esquemática el uso de un rodillo triturador sobre una mesa de un triturador rotativo vertical.
La Figura 15 representa de manera esquemática un cono de trituración con un inserto de cerámica con orificios ciegos.
Lista de símbolos de referencia
1: inserto de cerámica
2: orificios ciegos
3: lado más solicitado de la pieza de desgaste
4: orificios pasantes
5: rodillo de trituración
6: representación esquemática de un triturador rotativo vertical con rodillos y mesa de trituración
A: zona más solicitada de la pieza de desgaste
B: zona menos solicitada de la pieza de desgaste
D: capa superior del inserto de cerámica
E: capa inferior del inserto de cerámica orientada hacia el lado más expuesto al desgaste
Descripción detallada de la invención
Las piezas de desgaste realizadas en fundiciones están muy extendidas en las industrias mineras para la trituración de rocas y minerales, o también en el campo del dragado. Sin carácter limitativo, se pueden citar por ejemplo para la trituración de rocas las impactadoras compuestas para machacadores de percusión, los conos móviles de machacadores de compresión o también las mesas de rodillos de trituradoras verticales a compresión.
Las tensiones a la que se enfrentan las piezas de desgaste en estas máquinas son tanto la resistencia al impacto como la resistencia al desgaste. Esta es la razón por la que generalmente se combinan la dureza de un material de cerámica (carburos, nitruros, óxidos de diversos tipos, etc.), que resiste el desgaste pero no el impacto, con una aleación ferrosa de tipo hierro fundido o acero que aporta un cierto nivel de ductilidad que permite resistir al impacto pero menos resistente al desgaste.
Sin embargo, la combinación de estos dos tipos de materiales no es sencilla ya que tienen coeficientes de expansión muy diferentes que pueden generar microfisuras durante el enfriamiento de las piezas y que anulan por sus defectos potenciales este efecto de sinergia en una pieza de desgaste compuesta.
Una dificultad adicional reside en el problema de la infiltración completa del inserto de cerámica por el hierro fundido líquido que tiende a enfriarse al contacto de éste, lo que se opone a una infiltración satisfactoria (excepto para las reacciones de formación de cerámicasin situpor reacción exotérmica autopropagada).
Los fabricantes han probado numerosas configuraciones de insertos cerámicos. El inserto más popular tiene una forma de “nido de abeja” relativamente fácil de infiltrar, en la que alternan zonas de alta concentración de cerámica con zonas de baja concentración de cerámica.
Los refuerzos de cerámica generalmente se introducen en forma de un inserto de cerámica prefabricado o incluso en forma de un inserto en el que los intersticios ya se han rellenado con acero fundido líquido y enfriados antes de ser reintroducidos en un molde para colar la pieza de desgaste que se desea obtener.
Existe mucho conocimiento en la realización de un inserto de cerámica ya que éste debe tener una estructura porosa para ser infiltrada por el hierro fundido líquido, siendo determinante el nivel de porosidad, lo que ha llevado a toda una serie de tecnologías para la fabricación de aglomerados (agregados) de polvo en forma de granos aglomerados de algunos milímetros de diámetro que después se ensamblan en una estructura de “torta” (padding en inglés) que comprende intersticios más o menos importantes, en particular en función del grosor del inserto a infiltrar y de su posicionamiento en el molde.
Existen muchas posibilidades de composición para realizar un inserto según la invención. En una lista no exhaustiva se pueden citar:
- alúmina-circonia 10/90 a 90/10 con o sin estabilización en forma de gránulos milimétricos ensamblados en agregados en una estructura infiltrable;
- partículas procedentes de CERMET trituradas a base de carburos, nitruros, boruros o de elementos intermetálicos, por ejemplo, aglomeradas después en una estructura porosa infiltrable;
- cerámicas formadas por síntesis exotérmica autopropagada (SHS) como por ejemplo carburo de titanio a partir de polvos de carbono y de titanio, eventualmente mezcladas con un polvo para moderar la reacción como por ejemplo polvo de hierro que puede presentarse en forma de granos milimétricos aglomerados con intersticios. La reacción entre el carbono y el titanio se inicia mediante la colada de la aleación ferrosa;
- etc.
La sujeción del inserto en el molde durante la colada también requiere un cierto conocimiento adquirido por los fabricantes a lo largo de los años.
La configuración y el posicionamiento de insertos de cerámica dentro de una pieza de desgaste compuesta ha sido objeto de muchas investigaciones que han llevado a la constatación de que los resultados de velocidad de desgaste obtenidos durante los ensayos son relativamente impredecibles ya que dependen de la aplicación específica, es decir el tipo de máquina utilizada y del tipo de rocas a triturar o incluso de la intermitencia de usos.
La situación se complica aún más por el hecho de que durante el fenómeno de desgaste, la geometría de la pieza de desgaste cambia y las zonas poco solicitadas al principio se vuelven mucho más solicitadas a medida que avanza el desgaste. Se necesita por lo tanto llevar a cabo un compromiso de estructura de inserto que permite conciliar el desgaste a corto y largo plazo, pudiendo estas dos nociones variar considerablemente de un caso a otro.
Los inventores de la presente invención han realizado ahora una estructura de inserto de cerámica que responde perfectamente a este compromiso. Ésta tiene una estructura calada con orificios ciegos, situándose el lado ciego en el lado más solicitado de la pieza de desgaste de manera a ofrecer una alta resistencia al desgaste al inicio de su uso y una vez desgastado el lado ciego (fondo de orificios), resistencia al impacto y al desgaste al tener orificios pasantes.
Los orificios realizados en la estructura del inserto tienen un diámetro generalmente comprendido entre 1 y 10 cm, preferiblemente entre 1 y 8 cm y de manera particularmente preferida entre 1 y 4 cm.
La profundidad de los orificios ciegos depende del grosor total del inserto y del uso específico, representa generalmente entre 20 y 85% del grosor total, preferiblemente entre 30 y 80%, y de manera particularmente preferida entre 40 y 70%.
El inserto se puede llevar a cabo en varias capas superpuestas (D y E) o con piezas adyacentes (A y B). El lado ciego puede por lo tanto estar constituido por una composición de cerámica diferente de la que comprende los orificios que están superpuestos o que están adyacentes (véase las figuras).
Aunque se prefiere una sección circular para los orificios, es evidente que la invención no se limita a esta forma. Por lo tanto, los orificios pueden tener cualquier forma de sección, por ejemplo cuadrados hexagonales o cualquier forma.
También se puede considerar un inserto parcialmente ahuecado con orificios ciegos en el que los orificios ciegos se encuentran junto a orificios pasantes, sin embargo, la proporción de orificios ciegos debe ser significativa, es decir mayor que 20%, preferiblemente mayor que 40% y de manera particularmente preferida mayor que 60%.
Cuando el inserto está formado por dos zonas adyacentes, una que comprende principalmente orificios ciegos y la otra principalmente orificios pasantes, los orificios ciegos en la zona más solicitada de la pieza de desgaste tienen una sección y/o una superficie de apertura menor que la de los orificios en la zona menos solicitada.
El concepto general de la invención se basa en el hecho de que el primer desgaste se produce en un lado reforzado por un inserto mayoritariamente desprovisto de orificios, en este caso el lado ciego del inserto, que una vez desgastado siempre ofrece una fuerte resistencia al desgaste con orificios pasantes de sección reducida con respecto a las secciones de orificios pasantes que se encuentran en el lado menos solicitado de la pieza de desgaste.
Aunque la invención no se limita a una composición precisa de cerámicas, las cerámicas a base de alúmina-circonia o también de carburo de titanio, colocadas tal cual en el molde (granos de cermet) o formadasin situpor reacción térmica autopropagada son, no obstante, preferidas. Proporciones de alúmina-circonia que comprenden de 10 a 90% de alúmina y de 90 a 10% en volumen de circonio son preferidas, siendo la circonia eventualmente estabilizada con óxido de itrio.
Ejemplos
La presente invención se ejemplificó con un rodillo de una trituradora giratoria vertical y piezas móviles de una machacadora de cono que se produjeron, por un lado, con un inserto que comprende orificios pasantes según el estado de la técnica y, por otro lado, con insertos que comprenden esencialmente orificios ciegos según la invención.
La velocidad de desgaste se comparó en las siguientes circunstancias:
Tipo de máquina:Machacadora de cono secundario
Tipo de pieza de desgaste:Pieza móvil
Tipo de material triturado:Riolita 50-150 mm
Número de horas de funcionamiento con y sin insertos pasantes en la parte más solicitada:
Tipo de máquina:Trituradora vertical
Tipo de pieza de desgaste:Rodillo
Tipo de material triturado:Silico-Caliza
Número de horas de funcionamiento con y sin insertos pasantes en la parte más solicitada:
Claims (15)
1. Pieza de desgaste compuesta que comprende una matriz de aleación ferrosa y al menos un refuerzo de cerámico en forma de un inserto (1) con una estructura calada, comprendiendo la estructura calada unos orificios ciegos (2), estando el lado ciego de los orificios posicionado del lado más solicitado (3) de dicha pieza de desgaste.
2. Pieza de desgaste compuesta según la reivindicación 1, en la que dicho inserto de cerámica comprende al menos dos zonas (A, B), comprendiendo la zona más solicitada (A) una mayoría de orificios ciegos (2) y comprendiendo la zona menos solicitada (B) una mayoría de orificios pasantes (4).
3. Pieza de desgaste compuesta según las reivindicaciones 1 o 2, en la que la sección de los orificios del inserto de cerámica (1) en la zona (A) es menor que la sección en la zona (B) de dicha pieza de desgaste.
4. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la sección total de las aberturas en el inserto (1) en el lado (A) es menor que la sección total de las aberturas en el lado (B).
5. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el lado ciego del inserto de cerámica (1) está formado parcial o totalmente por una cerámica que tiene una composición diferente de la que forma la zona (B) con los orificios pasantes (4).
6. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que existen al menos dos estructuras de refuerzo de cerámica (D, E) superpuestas en la zona (A).
7. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los orificios ciegos están dispuestos de manera oblicua en el inserto.
8. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los orificios ciegos tienen forma troncocónica.
9. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el inserto de cerámica (1) comprende alúmina-circonia.
10. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el inserto de cerámica (1) comprende carburos formadosin situmediante una reacción exotérmica autopropagante, preferiblemente carburo de titanio.
11. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el inserto de cerámica (1) comprende granos de un compuesto cerámico metálico (CERMET).
12. Pieza de desgaste compuesta según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura de cerámica comprende alúmina-circonia en proporciones de alúmina que oscilan entre 10 y 90% en volumen y de circonia que oscilan entre 90 y 10% en volumen, estando la circona eventualmente estabilizada con óxido de itrio.
13. Método para realizar una pieza de desgaste según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las siguientes etapas:
- proporcionar un molde para realizar una pieza de desgaste mediante colada de una aleación ferrosa;
- colocar un inserto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en forma de agregado de gránulos milimétricos de material cerámico o de precursores de material cerámico infiltrable en el molde con el lado ciego en el lado más solicitado de la pieza de desgaste;
- infiltrar el inserto por la aleación ferrosa líquida.
14. Método según la reivindicación 13, en el que la aleación ferrosa comprende acero o hierro fundido.
15. Método según las reivindicaciones 13 o 14, en el que los agregados granulados milimétricos cerámico o los agregados precursores cerámicos infiltrables se seleccionan de las siguientes composiciones:
- Alúmina-circonia en proporciones 90/10 a 10/90, pudiendo estabilizarse la circona eventualmente con óxido de itrio; - Carbono y titanio en polvo que comprende opcionalmente polvo de hierro como moderador de la reacción iniciada por la colada de la aleación ferrosa;
- Compuestos metal-cerámicos (CERMET).
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