PT1218565E

PT1218565E - Peça de desgaste em carboneto cementado e método de lapidação

Info

Publication number: PT1218565E
Application number: PT970396T
Authority: PT
Inventors: Stefan Ederyd; Hakan Engqvist; Niklas Axen
Original assignee: Sandvik Intellectual Property
Priority date: 1999-10-06
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2015-06-01
Also published as: WO2001025505A1; US6609953B2; SE9903600D0; EP1218565B1; US20030109199A1; DK1218565T3; JP2003511632A; CA2383656A1; EP1218565A1; US6541135B1; ES2535805T3

Description

RESUMO "Peça de desgaste em carboneto cementado e método de lapidação" A presente invenção refere-se a peças de desgaste em carboneto cementado particularmente úteis em aplicações exigentes para peças de desgaste utilizadas durante deslizamento a alta pressão e a altas velocidades de deslizamento, incluindo anéis de vedação com propriedades de fricção e desgaste melhoradas.

Os carbonetos cementados, particularmente os materiais WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TaC-Co, WC-TiC-TaC-Co, encontram muitas aplicações no campo das peças de desgaste. Isto está ligado às suas excepcionais propriedades mecânicas, e.g., uma combinação única de dureza e resistência que resulta em elevada resistência ao desgaste, baixa fricção e elevada condutividade térmica.

Os carbonetos cementados com um tamanho de grão muito fino, frequentemente referido como estrutura nanocristalina, i.e., com grãos de carboneto com tamanhos na ordem de nanómetros, revelam propriedades mecânicas melhores do que os materiais convencionais de grão grosseiro. Apesar de terem sido produzidos carbonetos cementados nanocristalinos, os problemas na sua produção tornam-nos dispendiosos.

Ver o documento US 5773735.

Existem no entanto vários exemplos de aplicações em que os materiais nanocristalinos são candidatos muito interessantes, tais como insertos para corte de metais, dentes para corte de madeira, etc.

Um exemplo industrialmente importante são os carbonetos cementados utilizados em anéis de vedação para bombas que trabalham sob condições de trabalho severas, tais como bombas de drenagem e bombas de água do mar. 0 pacote de anéis de selagem, Figura 1, é frequentemente deixado na prateleira durante um periodo de tempo prolongado antes da utilização, resultando num processo de ligação provocado pelo ar circundante, com danos severos da vedação/bomba durante o momento de arranque como consequência. Do mesmo modo, o período de condicionamento do pacote de anéis de vedação ou do pacote de rolamentos pode trazer problemas em aplicações com exigências elevadas em relação às propriedades de fricção e desgaste. Uma fractura precoce do carboneto cementado na superfície de vedação pode destruir completamente a superfície de vedação. Em certas aplicações é portanto necessário utilizar uma combinação de dois tipos de materiais nos anéis de vedação, e.g. SiC sinterizado duro contra carbonetos cementados. Essas combinações de materiais colocam grandes exigências sobre a dureza da superfície e as propriedades de fricção dos carbonetos cementados mais macios.

Uma alternativa interessante à produção de peças inteiramente nanocristalinas seria a criação de camadas superficiais nanocristalinas sobre as peças com um interior de carbonetos cementados de grão grosseiro convencionais.

Em ambientes ácidos, a resistência à corrosão do Co é baixa. Substituindo o Co por outro metal mais resistente à corrosão, e.g., Cr, Ni ou Mo ou combinações destes, a resistência à corrosão do material é aumentada. Uma alternativa à produção de peças com a totalidade do material à base de metal resistente à corrosão seria a criação de uma camada de superfície constituída por WC e um metal resistente à corrosão misturado com Co. A Figura 1 mostra um pacote de anéis de vedação A Figura 2 mostra uma micrografia SEM em 4000x de uma camada de superfície de acordo com a invenção. A figura 3 mostra um padrão de difracção de raios-X (DRX) de uma superfície de vedação de acordo com a invenção. A presente invenção refere-se a uma peça de desgaste de acordo com a reivindicação 1 e a um método de fabrico de uma peça de desgaste de acordo com a reivindicação 7. De acordo com esta divulgação, anéis de vedação com propriedades melhoradas foram obtidos por tratamento das superfícies de vedação com um processo de lapidação. Surpreendentemente, verificou-se que, durante o tratamento da superfície, a porção de superfície exterior da superfície do anel de vedação se transforma numa camada dura e resistente ao desgaste, com uma estrutura de grão muito fino com excelentes propriedades de fricção.

De acordo com esta divulgação, é providenciado um anel de vedação com uma camada de superfície sobre a superfície de vedação com uma espessura de 0,5 pm a 25 pm, de preferência 1 a 10 pm. O anel de vedação consiste em WC e 4 a 15%, de preferência 5 a 12% em peso de Co, Ni e/ou Fe. Adições de uma pequena percentagem de Cr e/ou Mo estão presentes na fase de ligante, pelo menos na camada de superfície. O tamanho de grão do WC é de 2 a 6 pm. Até 5% de carbonetos cúbicos tais como TiC, TaC, NbC podem estar presentes no carboneto cementado. Em alternativa, o anel de vedação é feito de carbonetos cementados sem ligantes contendo <1% em peso de Co e/ou Ni e/ou Fe.

Numa concretização, a parte mais externa da camada consiste essencialmente em WC de grão muito fino de menos de 500 nm, de preferência menos de 200 nm e com muita preferência cerca de 100 nm de tamanho médio ela 25% em volume, de preferência 5 a 12% em volume de cerca de 10 nm de cristalitos oxidados tais como CaW04, WO3 ou C0WO4.

Numa segunda concretização, a camada contém também hidróxidos dos metais da fase de ligante.

Numa terceira concretização não há quaisquer óxidos ou hidróxidos.

Em todas as três concretizações, o teor de fase de ligante na camada é essencialmente o mesmo ou ligeiramente superior ao da porção interior do anel de vedação.

De acordo com o método da presente divulgação, os anéis de vedação de carbonetos cementados sofrem lapidação sobre as superfícies de vedação com discos abrasivos tais como alumina sinterizada pura, ou SiC, ou diamante, durante pelo menos 10 minutos a 1000 a 3000 rpm a uma pressão de 0,1 a 0,5 MPa, de preferência sem quaisquer corpos moedores. De preferência, é utilizado um líquido de lapidação de 10 a 25% de CaOH a um nível de pH de 8 a 9. Também podem estar presentes B, S e/ou metais tais como Cr e Mo como sais solúveis adequados.

Em alternativa, o método pode ser realizado com uma adição à superfície de metal(metais) resistente (s) à corrosão, e.g. utilizando meios de deposição conhecidos tais como DVP ou DVC, ou cobrindo a superfície com pequenas quantidades de pó de metal antes do tratamento por lapidação, para obter a camada de superfície de grão fino. 0 processo pode também ser realizado em gases que não resultem em qualquer oxidação do material, tais como Ar ou N2. Em azoto formam-se apenas pequenas quantidades de nitretos. 0 tratamento pode ser efectuado por outros métodos tais como escovagem com corpos moedores de diamante, alumina ou SiC.

Em alternativa, podem ser utilizados anéis de carbonetos cementados em vez dos discos cerâmicos mencionados acima. A invenção foi descrita com referência a anéis de vedação mas é óbvio que pode ser aplicada também a outras aplicações de peças de desgaste incluindo deslizamento a alta velocidade e alta pressão superficial com exigências elevadas sobre as propriedades de deslizamento, tais como rolamentos, e.g. rolamentos em reactores em LdPE (polietileno de baixa densidade)

Exemplo 1

Anéis de vedação de carboneto cementado com DE 55 mm e composição de 6% em peso de Co e WC com um tamanho de grão de cerca de 5 pm foram lapidados com disco cerâmico de alumina pura como contraparte deslizante durante 30 minutos em ar, sem adição de quaisquer corpos moedores. A pressão sobre a superfície durante o procedimento de lapidação foi de cerca de 0,2 MPa e a velocidade de rotação de 2000 rpm. Após o tratamento, os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 3 pm de espessura constituída por WC nanocristalino e uma mistura de Co e AI2O3. A quantidade de alumina no compósito da superfície era mínima. Pequenas quantidades de W03 e C0WO4 estavam também presentes de acordo com as análises de DRX na camada de superfície.

Exemplo 2

Dois anéis de vedação homólogos de carboneto cementado com DE 55 mm com uma composição de 6% em peso de Co e WC com um tamanho de grão de cerca de 5 pm foram rodados um em relação ao outro, um numa posição estacionária, com pressões na superfície de cerca de 0,2 MPa. Os anéis foram rodados durante 15 minutos, com uma velocidade de rotação de 2000 rpm, sem qualquer adição de corpos moedores. Após o tratamento, os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 4 pm de espessura constituída por WC nanocristalino e Co, Figura 2. Pequenas quantidades de WO3 e C0WO4 estavam também presentes na camada de superfície.

Exemplo 3

Dois anéis planos homólogos de carboneto cementado com DE 55 mm e uma composição de 6% em peso de Co e WC com um tamanho de grão de cerca de 5 pm com uma lisura de superfície fraca, foram rodados um em relação ao outro, um numa posição estacionária, com pressões na superfície de cerca de 0,2 MPa. O ensaio foi efectuado com uma câmara cheia com azoto gasoso a circundar os anéis em rotação. Os anéis foram rodados durante 15 minutos com uma velocidade de rotação de 2000 rpm, sem qualquer adição de corpos moedores. Após o tratamento os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 3 pm de espessura, constituída por WC nanocristalino e Co. Não foram detectados óxidos na camada e apenas pequenas quantidades de nitretos.

Exemplo 4

Dois anéis planos homólogos de carboneto cementado, com DE 55 mm e uma composição de 11% em peso de Co e WC com um tamanho de grão de cerca de 5 pm foram rodados um em relação ao outro, um numa posição estacionária, com pressões na superfície de cerca de 0,2 MPa. Antes do ensaio, o anel estacionário foi revestido por PVD com uma camada de superfície de 100 nm de Cr. Os anéis foram rodados durante 15 minutos com uma velocidade de rotação de 2000 rpm, sem qualquer adição de corpos moedores. Após o tratamento os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 2 pm de espessura constituída por WC nanocristalino, Cr e Co. Pequenas quantidades de WO3, óxidos de Cr e óxidos mistos de W-Co-Cr estavam também presentes na camada de superfície.

Exemplo 5

Dois anéis planos homólogos de carboneto cementado, com DE 55 mm e uma composição de carboneto cementado de 6% em peso de Ni e WC com um tamanho de grão de cerca de 5 pm foram rodados um em relação ao outro, um numa posição estacionária, com pressões na superfície de cerca de 0,2 MPa. Antes do ensaio, o anel estacionário foi coberto com cerca de 1 mg de pó de Cr. Os anéis foram rodados durante 15 minutos com uma velocidade de rotação de 2000 rpm, sem qualquer adição de corpos moedores. Após o tratamento, os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 3 pm de espessura constituída por WC nanocristalino, Cr e Ni. Foram também encontradas na camada de superfície, por análises de DRX, pequenas quantidades de WO3, óxidos de Cr e misturas de óxidos de W-Ni-Cr.

Exemplo 6

Dois vedantes homólogos de carboneto cementado, com DE 55 mm, uma composição de carboneto cementado de 6% em peso de Ni e WC com um tamanho de grão de cerca de 5 pm foram rodados um em relação ao outro, um numa posição estacionária, com pressões superficiais de cerca de 0,2 MPa. Os anéis foram rodados durante 15 minutos com uma velocidade de rotação de 2000 rpm sem qualquer adição de corpos moedores. Após o tratamento, os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 1-2 pm de espessura, constituída por WC nanocristalino, Cr e Ni. Pequenas quantidades de WO3 estavam também presentes na camada de superfície.

Exemplo 7 O coeficiente de fricção inicial para dois anéis homólogos de carboneto cementado de acordo com a técnica anterior era de 0,4 a uma pressão de 300 kPa. Dois anéis de vedação de acordo com o exemplo 2 mostraram um coeficiente de fricção inicial de 0,17 no mesmo ensaio.

Exemplo 8

Dois anéis homólogos de carboneto cementado de acordo com a técnica anterior exibiram um padrão de fendas espaçadas regularmente após deslizamento em contacto lubrificado com água durante 700 horas a 3 kPa. Dois anéis homólogos de carbonetos cementados de acordo com o exemplo 6 não exibiram quaisquer fendas, após ensaio durante 700 horas nas mesmas condições.

Exemplo 9

Dois anéis planos homólogos de WC-MeC de grau "Binderless" com DE 55 mm e uma composição de, em adição a WC, 3% em peso de TiC, 1,5% em peso de TaC, 0,5% em peso de NbC e 0,5% em peso de Co e um tamanho de grão de WC de cerca de 3 pm, foram rodados um em relação ao outro, um numa posição estacionária, com pressões na superfície de cerca de 0,2 MPa. Durante o ensaio, a câmara dos anéis foi cheia com uma solução de CaOH com pH=8. Os anéis foram rodados durante 15 minutos com uma velocidade de rotação de 2000 rpm sem qualquer adição de corpos moedores. Após o tratamento, os anéis estavam completamente cobertos com uma camada de 2 pm de espessura constituída por WC nanocristalino, TiC, CaW04 e WO3, de acordo com análise por DRX, figura 3.

Exemplo 10

Realizou-se uma comparação com anéis de vedação de acordo com a técnica anterior, num procedimento de qualificação. As condições de ensaio foram as seguintes:

A superfície de vedação sobre os anéis de acordo com a técnica anterior tinha uma superfície lisa brilhante. Os anéis de acordo com a invenção (exemplo 6) tinham uma superfície de vedação plana e opaca.

Os anéis de acordo com a invenção tiveram um desempenho muito bom com uma operação suave durante todo o período de ensaio. Não foram observadas fracturas precoces.

Os anéis de acordo com a técnica anterior foram parados ao fim de 12 horas devido a elevada fricção e a condições perigosas de realização do ensaio. Ocorreram fracturas precoces com fendas e lascas do carboneto cementado da superfície.

Lisboa, 2015-04-30

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Peça de desgaste de carboneto cementado com uma porção interior e uma superfície de desgaste, à base de WC e de uma fase de ligante de Co, Ni e/ou Fe, caracterizada por o tamanho de grão do WC ser de 2 a 6 pm na dita porção interior e a dita superfície de desgaste compreender uma camada de superfície com uma espessura de 0,5 a 25 pm, de preferência 1 a 10 pm, em que o tamanho de grão de WC médio é inferior a 500 nm.
2. Peça de desgaste de carboneto cementado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a dita camada de superfície conter ainda 1 to 25% em volume, de preferência 5 a 12% em volume, de cristalitos oxidados com um tamanho médio de 10 nm tais como CaW04, WO3 ou C0WO4.
3. Peça de desgaste de carboneto cementado de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por a dita camada de superfície conter ainda hidróxidos dos metais da fase de ligante.
4. Peça de desgaste de carboneto cementado de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por consistir em WC, 4 a 15 % em peso, de preferência 5 a 12% em peso de Co, e/ou Ni e/ou Fe.
5. Peça de desgaste de carboneto cementado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizada por consistir em WC e <1% em peso de fase de ligante.
6. Peça de desgaste de carboneto cementado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-5, caracterizada por ser um anel de vedação.
7. Método de fabrico de uma peça de desgaste de carboneto cementado com uma superfície de desgaste, à base de WC e de uma fase de ligante de Co, Ni e/ou Fe, a superfície de desgaste compreende uma camada de superfície com uma espessura de 0,5 a 25 pm, de preferência 1 a 10 pm, em que o tamanho de grão de WC médio é inferior a 500 nm, caracterizado pela lapidação da superfície de desgaste com um disco abrasivo durante pelo menos 10 minutos a 1000 a 3000 rpm a uma pressão de 0,1 a 0,5 MPa, de preferência sem quaisquer corpos moedores.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por se utilizar liquido de lapidação de 10 a 25% de CaOH a um nivel de pH de 8 a 9.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado por se utilizar um liquido de lapidação que contém também B, S e/ou metais tais como Cr e Mo presentes como sal solúvel adequado.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-9, caracterizado por se aplicar metal(metais) resistente (s) à corrosão na superfície, e.g. utilizando meios de deposição conhecidos tais como DVP ou DVC, ou por cobertura da superfície com pequenas quantidades de pó de metal antes do tratamento de lapidação.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-10, caracterizado por se utilizar como disco abrasivo um anel de carboneto cementado.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-11, caracterizado por a peça de desgaste de carboneto cementadoo consistir em WC, 4 a 15 % em peso, de preferência 5 a 12% em peso de Co e/ou Ni e/ou Fe.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-11, caracterizado por a peça de desgaste de carboneto cementado consistir em WC e <1% em peso de fase de ligante.
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-13, caracterizado por a peça de desgaste de carboneto cementado ser um anel de vedação. Lisboa, 2015-04-30