MEDIO NO ABRASIVO CON QUÍMICA ACELERADA
CAMPO DE LA INVENCION Esta invención refina las superficies de artículos de metal para propósitos cosméticos y/o para propósitos de funcionamiento mecánico, de modo que la superficie de los artículos sea isotrópica, superacabada, y de brillo reflejante. Esta invención abarca por tanto un método para refinar estas superficies, como nuevos artículos que resultan de la práctica del método. Las superficies mejoradas producidas por esta invención pueden dar como resultado un comportamiento mejorado de las partes procesadas .
ANTECEDENTES DE LA INVENCION Hay una variedad de artículos de metal para los cuales las lineas de maquinado/ rectificado con muela abrasiva son un problema. Ejemplos de partes mecánicas con superficies de trabajo criticas incluyen acanaladuras, cigüeñales, ejes de levas, cojinetes, engranes, uniones, y muñones. Para estas partes, el comportamiento del contacto con las superficies pobres causado por las formas puede aumentar la fricción, el momento de torsión, ruido, vibración, temperatura de operación, y lubricación deteriorada, y fallas que impactan negativamente en áreas de uso, desgaste abrasivo, deformación plástica, y fatiga por contacto y/o fatiga por curvatura. Para engranes u otras partes colocadas en un medio ambiente demandante tal como el tren de impulsión de un helicóptero o carro de carreras, la resistencia a estos tipos de fallas en efecto define la vida útil del artículo. Las superficies críticas (que incluyen áreas de alojamiento) han sido refinadas convencionalmente por medio de varios procesos de rectificado con muela abrasiva/ pulido a máquina. Pero dichos procesos tienen múltiples inconvenientes. Para formas complejas, los instrumentos de rectificado con muela abrasiva a máquina son muy caros, requieren operadores especializados, y adolecen de desgaste excesivo. Las partes de metal que tienen un HRC de aproximadamente 42 y superior no se adaptan bien a estas técnicas. El rectificado con muela abrasiva a máquina a menudo provoca líneas de rectificado direccionales, y pueden dañar el tratamiento térmico de una superficie metálica, creando sitios de falla potenciales. Finalmente, el rectificado con muela abrasiva a máquina se lleva a cabo con una base de parte por parte, y como tal está plagado con problemas de repetibilidad e uniformidad. REM Chemicals, Inc. ha desarrollado y describe en sus patentes técnicas el refinado de partes mecánicas, sobre una base de proceso de masa, hasta una superficie lisa y reluciente. Estas técnicas han sido usadas comercialmente' por muchos años, en las cuales el objetivo del proceso se dirige primeramente hacia la apariencia cosmética de la parte en vez de a su comportamiento mecánico. Para este fin, la Patente EÜA No. 4,491,500 de REM, describe una mejora para métodos de acabado de masa tradicionales, en los cuales se añaden ciertos productos químicos a un dispositivo de acabado de masa (tal como una cuba vibratoria o tambor de frotación o de limpieza) en combinación con cuerpos cerámicos (llamados "medios") y una o más piezas de trabajo metálicas. Los productos químicos son medianamente reactivos al metal, creando un recubrimiento blando (llamado "opacidad") sobre la superficie, el cual es removido por medio de agitación vibratoria con los medios. La superficie resultante es lisa y resplandeciente. Los medios empleados en la patente ?500 son abrasivos - es decir, son degradados más rápidamente (en comparación con medios medianamente o no abrasivos) durante el proceso de acabado . La Patente EUA No. 4,818333 de REM describe una mejora al proceso de la patente '500. Esta patente describe el uso con productos químicos de medios cerámicos que tienen una densidad de al menos 2.75 g/cc, y los cuales están comparativamente libres de arena abrasiva/ como se encuentra comúnmente en medios de acabado vibratorio. Los medios adecuados identificados en la patente incluyen cerámicas de sílice y alúmina, en combinación con otros óxidos metálicos . Las reivindicaciones de la patente se caracterizan porque el medio basado en el porcentaje de pérdida de peso cuando se emplea en una cuba de acabado vibratorio bajo ciertas condiciones especificadas. Ninguna de las dos patentes de REM identifica alguna mejora en el comportamiento mecánico de los artículos acabados usando los procesos descritos. No obstante, REM ha demostrado que engranes, cojinetes, y otros artículos procesados de conformidad con las patentes ?500 y ^333 puede gozar de una mejora significativa en los resultados. Y REM ha usado los procesos de las patentes comercxalmente para este propósito. Por ejemplo, la Patente EUA No. 5,503,481 describe el uso del proceso de la patente 333 para dar una superficie isotrópica en cojinetes, impartiendo así una vida de fatiga superior para dichas partes. Sin embargo, el medio empleado en las patentes 500 y x333 no se adaptan idealmente para procesos de acabado dirigidos al comportamiento mecánico mejorado. El medio de la patente ?333 tiene un valor promedio de dureza determinada con pirámide de diamante (DPH) de al menos 890, y por consiguiente imparte una textura mecánica a las superficies de las partes que se exponen a ella. Aunque la presente invención es aún aplicable a acabados -cosméticos, esta invención está dirigida al problema de la dureza del medio al usar medios (tal como metales y/o plástico) que son blandos, todavía no abrasivos. Anteriormente se han usado comercialmente medios no abrasivos blandos para el refinado de superficies metálicas. El proceso ABRIL, por ejemplo, ha empleado medios de zinc, pero en combinación con un compuesto abrasivo . Más de un año antes de la presentación de la presente solicitud REM hizo uso comercial de ciertos medios abrasivos plásticos en combinación con productos químicos reactivos para acabados de partes de acero inoxidable y bronce. Pero estos procesos produjeron superficies con un Ra (6-10 micropulgadas) que fue insuficiente para brillo reflejante o superacabados . A través de los procesos descritos en la presente, REM ha sido capaz de superacabar artículos metálicos hasta una superficie isotrópica superior .
SUMARIO DE LA INVENCIÓN La invención incluye un método que da superacabado a superficies metálicas hasta brillo reflejante y un acabado isotrópico. El método generalmente incluye la etapa de colocar un artículo en una cuba de acabado vibratorio, en combinación con un medio no abrasivo y una solución química capaz de reaccionar con la superficie de dicho articulo metálico para convertirla a una forma blanda. Estos materiales se agitan luego por un tiempo suficiente para impartir la superficie deseada al articulo. En una modalidad de la invención, el medio no abrasivo es un medio plástico. En otra modalidad, el medio es metal. Preferiblemente, los medios no son significativamente reactivo con la solución química. El uso de medios metálicos o plásticos ofrece varias ventajas sobre los procesos descritos en las patentes ?500, 481' y 333. Como se hizo notar anteriormente, estos medios son blandos, y por consiguiente tienen menos tendencia a texturización mecánica de la superficie procesada. Además, los materiales plásticos y mecánicos se forman más fácilmente (en comparación con la cerámica) en formas y tamaños específicos - lo cual es importante en las partes acabadas de dimensiones y formas variadas . El proceso de esta invención se ilustra en los múltiples ejemplos que siguen. Estos ejemplos ilustran otras modalidades de la invención - específicamente, los artículos procesados que usan los métodos descritos en la presente. DEFINICIONES Se emplean las siguientes definiciones para describir y/o reclamar la invención: "Ra" (o Rugosidad Media Aritmética) se define y se mide de conformidad con el estándar ISO 4287, el cual es igual al estándar DIN 4768. "Rmax" (o Profundidad de Rugosidad Máxima) , se define y se mide de conformidad con el estándar DIN 4768. Una "superficie superacabada" es una que tiene una Ra de menos de o igual a 2.5 micropulgadas. Una "superficie isotrópica" es una que no tiene substancialmente ninguna orientación en sus irregularidades superficiales . "Medios" son cuerpos sólidos colocados en una cuba para acabado vibratorio, diferentes a los artículos a ser acabados . "Brillo reflejante" es la propiedad de una superficie en la cual puede verse un reflejo claro de un objeto. Medios "no abrasivos" son medios que, bajo el conjunto de condiciones de proceso pretendidas, perderá menos de 0.1 % de su peso por hora, y logra la condición de superficie con superacabado definido.
BREVE DESCRIPCION DEL DIBUJO La figura 1 representa imágenes de SEM de la superficie de una muestra de material para pruebas de acero 4140 con una HRC de aproximadamente 43-45, acabado usando el proceso de la patente 333 de REM (1(a)), y el proceso de la presente invención como se practicó con medios plásticos (1(b)) y medios de acero inoxidable (1(c)) .
DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES ILUSTRATIVAS La invención proporciona un método para producir sobre artículos de metal superacabados, superficies isotrópicas con brillo reflejante. Los artículos metálicos son maquinados por medio de métodos convencionales que son bien conocidos en la materia. Como una etapa de fabricación final típica, el artículo es superacabado hasta un acabado isotrópico con brillo reflejante. Se describe a continuación un procedimiento para hacerlo. Procedimiento de Acabado Puede aplicarse una superficie isotrópica, superacabada a un artículo metálico por medio de una modificación nueva y significativa de los procesos descritos en las Patente EUA Nos. 4,818,333, 4,491,500, y 5,503,481. a. Cuba Vibratoria Pueden lograrse superficies isotrópicas usando una unidad de acabado vibratorio convencional, del tipo descrito en las patentes 5,503,481, 500 y ?333. La unidad puede ser operada a 800-1500 revoluciones por minuto, a una amplitud de 1 a 8 milímetros. La patente ?333 identifica como preferida una amplitud de 2-4 milímetros. Durante la operación, la solución química puede añadirse sobre una base de flujo continuo, de modo que una solución recientemente preparada es introducida continuamente y la solución usada es sacada continuamente y descartada. La solución puede ser introducida a una velocidad de 0.033 -0.053 litros por hora por litro de volumen del equipo para acabado vibratorio (0.25-0.4 galones por hora por pie cúbico de volumen del equipo para acabado vibratorio ) . La operación del equipo generará calor que típicamente aumenta la temperatura del sistema vibratorio (medios, solución y partes) hasta aproximadamente 35 grados Centígrados en exceso . b. Los Medios Esta invención logra resultados mejorados en el acabado de metales (sobre los métodos descritos en las patentes 333r x500 y 81 de REM) al emplear diferentes medios diferentes y tratamientos químicos que sean compatibles con los medios . En una modalidad, los medios están compuestos de un plástico que no sea abrasivo bajo las condiciones de operación de la cuba vibratoria. Los medios preferiblemente tienen una dureza de aproximadamente 57 en la escala de Barcol, y son "blandos" en comparación con los medios de cerámica descritos en la patente ?333 de REM. Bajo las condiciones del tratamiento químico descritas posteriormente, estos medios plásticos, blandos dan el mejor tratamiento superficial que el que se ha logrado al utilizar el medio de cerámica de la patente ?333 de REM. Un ejemplo de un medio plástico adecuado (y comercialmente disponible) es el producto TRO ALPLAST PP vendido por Walter Trowal, Ltd. Este medio está compuesto de 50 % (en peso) de alúmina enlazada con una resina de poliéster insaturado. Tiene una densidad de aproximadamente 1.8 g/cm3 y un tamaño de cristal de menos de 0.9 mm. En otra modalidad de esta invención, los medios están compuestos de un metal que es inerte a las condiciones de tratamiento químico. Un material tal que es compatible con los tratamientos químicos descrito posteriormente es acero inoxidable AISI grado 302. Dichos medios están disponibles de varios proveedores en una variedad de formas y tamaños. Abbott Ball es uno de los proveedores de dichos medios . Cuando se usan estos medios puede ser necesario emplear cubas vibratorias que tengan una mayor capacidad portadora de masa. c. La Solución Química Las soluciones químicas, útiles en esta invención se describen generalmente en las patentes ?500 y '333 de REM. La solución química reacciona con el metal de los artículos tratados, dejando un recubrimiento blando de producto de reacción sobre la superficie ("opacidad") . Los productos químicos reactivos empleados en estas soluciones pueden incluir ácido fosfórico o fosfatos, ácido sulfámico, ácido oxálico u oxalatos, ácido sulfúrico o sulfatos, ácido crómico o cromatos, bicarbonato, ácidos grasos o sales de ácidos grasos, o mezclas de estos materiales. La solución puede contener también un activador o acelerador, tal como fosfatos de zinc, de magnesio, de hierro y los similares, asi como también oxidantes orgánicos o inorgánicos, tales como compuestos de peróxidos, meta-nitrobenceno, cloratos, cloritos, persulfatos, nitratos y nitritos. Una variedad de soluciones químicas útiles en esta invención es vendida comercialmente por REM Chemicals, Inc. Estas soluciones incluyen componentes de sal/ácido en un intervalo de porcentaje en peso de aproximadamente 15 - 45 %, promotores en un intervalo de 1 % en peso, y oxidantes en un intervalo de 0 a 15 % en peso. Las formulaciones especificas que pueden usarse en esta invención incluyen los siguientes productos de REM: 1. FERROMIL® FML 575 IFP, una solución acuosa ácida que contiene una mezcla de fosfatos inorgánicos con un oxidante y surf ctante registrados . 2. FERROMIL® VII AERO-700, una solución acuosa de ácido orgánico con un surfactante y un inhibidor registrados . 3. REM® COPPERMIL 7, una solución acuosa ácida que contiene peróxido de hidrógeno y un inhibidor registrado. Estas formulaciones son vendidas como un concentrado, que puede ser diluido con agua para preparar la solución •química que es introducida a la cuba. Las diluciones típicas introducirán el concentrado como 5 - 80 % en volumen de la solución. Después de este tratamiento, es a menudo deseable introducir una segunda solución en la cuba vibratoria para pulir los artículos de metal. Una solución pulidora adecuada para acero es vendida por REM Chemicals, Inc. bajo la etiqueta de FERROMIL® FBC-218. Esta solución contiene un fosfato inorgánico complejo y un surfactante registrado. El pulidor REM® COPPERMIL CBS-235 es vendido por REM CHEMICALS Inc. y es adecuado para bronce. Es un producto basado en una solución acuosa de ácido fosfórico que también contiene surfactante e inhibidores registrados . Esta invención proporciona una superficie isotrópica al equilibrar las velocidades de la formación y remoción de opacidades. Si la opacidad es demasiado dura, entonces no habrá suficiente energía para removerla, y detenciones de refinado efectivas . Si la opacidad es demasiado blanda, entonces el proceso producirá una superficie que es texturizada. Las características de la opacidad son también importantes para lograr un acabado uniforme que dejará las partes en las tolerancias una vez que el proceso se completa. A continuación se proporcionan múltiples ejemplos de condiciones de proceso que logran este equilibrio.
Los siguientes son ejemplos trabajados de la presente invención, en comparación con el proceso descrito en la patente ?333 de REM. Ejemplo 1 (Comparación) A una muestra de material para pruebas de acero SAE
4140, con HRC de 43-45, y un torsor ajustable, con HRC de 42-45 se les dio acabado, de conformidad con el proceso descrito en la patente 333 de REM. Se usó una cuba vibratoria Sweco de diez pies cúbicos a un ángulo de avance de 60 grados con una amplitud de vibración de 4.0 mm. Los medios fueron FERROMIL® Medio No. 9 (disponible a través de REM) , cuya composición se describe como "Medio C" en la patente ?333 de REM. Los medios son usados como conos de H de pulgada. La solución química es FERROMIL® ' FML-575 IFP descrita anteriormente, la cual es mantenida a 12.5 % en volumen por 6.75 horas a un gasto de 3.75 galones/hora. Las partes son posteriormente pulidas por medio de la introducción de solución de FERROMIL® FBC-218 (descrita anteriormente) mantenida a 1 % en volumen, y fluidizada a 24 galones/hora por un período de 4 horas. La cuba se cargó con 20 pies cuadrados de barra de acero 4140 con HRC de 43-45. La muestra de material para pruebas de acero tuvo una Ra inicial de 23.4 (micropulgadas como todos los valores de Ra y Rmax establecidos en la presente) y un Rmax inicial de 200, que se midieron usando un rugosimetro . Después de procesar, la muestra de material para pruebas tuvo un Ra de 1.46 y Rmax de 13.7, y una apariencia de brillo reflejante media. La figura 1(a) muestra que el Medio No. 9 de FERROMIL® dio como resultado un acabado de superficie final altamente texturizada sobre una muestra de material para pruebas de acero 4140 con un HRC de 43-45. El torsor ajustable no pareció acabado completamente teniendo una opacidad residual en y alrededor del rótulo, a lo largo del área de apoyo de la mano, y que corre a lo largo de la extensión del mango. Las medidas de rugosidad se hicieron usando un Pertómetro Modelo MP4j fabricado por Mahr, a lo largo de una extensión de traza de 0.06 pulgadas con un filtro Gaussiano. Ejemplo 2 - Acabado Con Medio Plástico A una muestra de material para pruebas de acero SAE 4140, con HRC de 43-45 y un torsor ajustable, con HRC de 42-45, se les dio acabado de conformidad con una modalidad de esta invención. Se usó una cuba vibratoria Sweco de diez pies cúbicos a un ángulo de avance de 60 grados con una amplitud de vibración de 4.0 mm. El medio fue el medio TROWALPLAST PP de Walter Trowal que se describió anteriormente. Los medios son usados como conos de 19 mm. La solución química es FERROMIL® FML-575 IFP, descrita anteriormente la cual es mantenida a 12.5 % en volumen por 6.75 horas a un gasto de 3.75 galones/hora. Las partes son posteriormente pulidas por medio de la introducción de solución de FERROMIL® FBC-218 (descrita anteriormente) mantenida al 1 % en volumen, y fluidiz-ada a 24 galones/hora por un período de 4 horas. La cuba se cargó con 20 pies cuadrados de barra de acero 4140, con HRC de 43-45. La muestra de material para pruebas de acero tuvo una Ra inicial de 20.3 y una Rmax inicial de 230, que se midieron usando un rugosímetro. Después de procesar, la muestra de material para pruebas tuvo un Ra de 0.49 y Rmax de 7.32. En apariencia final la muestra de material para pruebas fue de brillo reflejante superior, es decir la superficie fue reflejante como un espejo. La figura 1(b) muestra que el medio TROWALPLAST PP dio como resultado un acabado de superficie significativamente superior sobre una muestra de material para pruebas de acero 4140 con un HRC de 43-45 en comparación con la figura 1 (a) producida al usar el Medio No. 9 de FERROMIL®. El torsor ajustable tuvo un mejor acabado que el que se obtuvo en el ejemplo 1. No hubo opacidad residual sobre el apoyo del mango o el rótulo realzado. El acabado fue superior al obtenido usando el procedimiento de la patente l333 (ejemplo 1) . Ejemplo 3 - Acabado con Medio de Acero Inoxidable A una muestra de material para pruebas endurecido superficialmente 8620 y un engrane se les dio acabado de conformidad con otra modalidad de esta invención. Se usó una cuba vibratoria "Vibra Finish" de Canadá de cuatro pies cúbicos a un ángulo de avance de 60 grados con una amplitud vibracional de 4.5 mm. El medio fue acero inoxidable 302, introducido como una mezcla de 20 % en peso de pernos de 3/32" X 3/8"; 40 % en peso de diagonales de 1/8"; 40 % en peso de balines cónicos de 3/16". La solución química es FERROMIL® VII AERO-700 descrita anteriormente la cual es mantenida a 75 % en volumen por 8 horas a un gasto de 2.5 % galones /hora. Las partes son posteriormente pulidas por medio de la introducción de solución de FERROMIL® FBC-218 (descrita anteriormente) mantenida al 1 % en volumen, y fluidizada a 20 galones/hora por un período de 4 horas. Para este ejemplo, la cuba se cargó con 20 pies cuadrados de barra de acero 8620, con HRC de 58-60. El engrane (acero carbonizado 8620 de Webster, engranes de 20 dientes, separación diametral de 8 y ángulo de presión de 25 °) tuvo un radio de acuerdo (dientes del engrane) de aproximadamente 0.0469 pulgadas. La muestra de material para pruebas de acero tuvo una Ra inicial de 29.8 y un Rraax inicial de 262, que se midieron usando un rugosimetro . Después de procesar, la muestra de material para pruebas tuvo un Ra de 1.95 y Rmax de 24.4. En apariencia final, la muestra de material para pruebas tuvo la apariencia de brillo reflejante medio. La superficie lateral de los dientes del engrane tubo una Ra inicial de 41.0 y una Rmax inicial de 202. Después de procesar, esa superficie tuvo una Ra de 1.83 y una Rmax de 18.4. La superficie de trabajo de los dientes del engrane tuvo un Ra de 10.6 y Rmax de 94.4. Después de procesarla, la superficie tuvo una Ra de 3.9 y una Rmax de 31.4. Porque éste fue un engrane automotriz OEM rechazado, no fue de suficiente calidad para producir un superacabado sobre sus superficies de trabajo. No obstante, las partes entrantes de la cuerda de la raiz del engrane mostraron acabado superficial significativo. No hubo opacidades en las áreas entrantes. Aunque las partes estuvieron ligeramente decoloradas después del pulido, no tuvieron una apariencia reflej ante. Una muestra de material para pruebas de acero SAE 4140 y con un HRC de 43-45 tuvo un Ra inicial de 23.7 y Rmax inicial de 242, que se midió usando un rugosimetro. Después de procesar, la muestra de material para pruebas tuvo un Ra de 1.46 y Rmajc de 12.0. La figura 1(c) mostró que el medio de acero inoxidable 302 dio como resultado un acabado superficial significativamente mejorado sobre la muestra de material de prueba de acero 4140 (FERROMIL® VII AERO-700 bajo condiciones similares a las anteriores) en comparación con la figura 1 (a) producido usando el Medio No. 9 de FERROMIL®. No fue tan buena como la producida por el medio TROWALPLAST PP. Ejemplo 4 - Dar acabado a una Parte Delicada de Bronce con un Medio Plástico Se dio acabado a una zona de un encendedor para cigarrillos de bronce con delicadas paredes delgadas, de conformidad con una modalidad de esta invención. Se usó una cuba vibratoria Raytech de 0.75 pies cúbicos,- a 25 % de la energía por medio de un reóstato de energía variable. El medio fue el medio TROWALPLAST PP de alter Trowal, que se describió anteriormente. Dichos medios se usaron como conos de 19 mm. La solución química fue REM® COPPERMIL 7, descrito anteriormente, el cual se mantuvo al 10 % en volumen por 5 horas a un gasto de 0.3 galones/hora. Las partes fueron pulidas subsecuentemente por medio de la introducción de la solución de REM COPPERMILL CBC-235 (descrita anteriormente) mantenida al 1 % en volumen, y se fluidizó a 3 galones/hora por un período de 1 hora. La cuba se cargó con 1.3 pies cuadrados de barras de bronce C36000. El encendedor tuvo una Ra inicial de 10.7 y una Rmax de 77.6, que se midieron usando un rugosímetro. Después de procesar, el encendedor tuvo una Ra de 1.22 y Rmax de 13.4. En una apariencia final, el encendedor fue de brillo