PT2329052E

PT2329052E - Dente compósito para trabalhar o solo ou rochas

Info

Publication number: PT2329052E
Application number: PT09782199T
Authority: PT
Inventors: Guy Berton
Original assignee: Magotteaux Int
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2012-06-25
Also published as: EP2329052A1; WO2010031660A1; MY150582A; DK2329052T3; ATE549425T1; KR101633141B1; AU2009294779B2; CA2743343A1; BRPI0913715B1; KR20110063467A; US20110225856A1; PL2329052T3; CN102159740A; MX2011003026A; HK1157824A1; CL2011000574A1; BRPI0913715A2; ES2383142T3; BE1018127A3; EP2329052B1

Description

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DESCRIÇÃO DENTE COMPÓSITO PARA TRABALHAR O SOLO OU ROCHAS Objecto da invenção [0001] A presente inv enção tem por objecto um d ente compósito destinado a equipar uma máquina para trabalh ar o solo ou rochas. Em particular, tem por objecto um dente que comporta uma matriz metálica reforçad a por particulas de carboneto de titânio.

Definição [0002] A expressão «dente» deve interpr etar-se em sentido lato e engloba qualquer elemento , de qualquer dimensão, que apresente uma forma pontiaguda ou achatada, destinado , nomeadamente, a trabalhar no solo, no fundo de cursos de água ou de mares, em rochas, à superfície ou em minas.

Estado da técnica [0003] Conhecem-se poucos meios para modificar a dureza e a resistência ao impacto de uma liga de fundição, em profundidade «na massa». Os meios conhecidos geralmente dizem respeito a modificações à superfície, de pouca profundidade (poucos mm). Para os dentes produzidos por fundição, os elementos de reforço devem estar presentes em profundidade para que possam resistir a solicitações loca lizadas importantes e simultâneas, em termos d e tensões mecânicas, de desgaste e d e impacto, e também porque um dente é utilizado numa grande parte do seu comprimento.

[0004] É conhecido o processo de rec arga de dentes com carbonetos metálicos (Technosphère® - Technogenia) por soldadura oxiacetilénica. Essa recarga permite depositar , na superfície dum dente, uma cama da de carboneto com alguns 2 milímetros de espessura. Esse reforço, no entanto, não fica integrado na matriz metálica do dente e não garante o mesmo desempenho que um dente em que existe um reforço de carbo neto completamente integrado na massa da matriz metálica.

[0005] 0 documento EP 1 450 973 BI descreve um reforço de peças de desgaste, que consiste em colocar, no molde destinado a receber o metal de vazamento , uma inserção constituída por uma mistura de pós reactivos que reagem entre si graças ao calor aportado pelo metal durant e o vazamento a temperaturas muito elevadas (> 1400 °C). Após uma reacção SHS , os pós reactivos da inserção formam uma aglomeração porosa relativamente uniforme (conglomerado) de partículas duras; uma vez formada, esta aglomeração porosa será imediatamente infiltrada pelo metal de vaz amento a alta temperatura. A reacção dos pós é exotérmica e autopropagada, o que permite uma síntese d e carbonetos a alta temperat ura e aumenta consideravelmente a molhabilidade da aglomeração porosa pelo metal de infiltração.

[0006] 0 documento US 5.081.774 divulga diferentes maneiras de dispor, num dente com for ma plana, inserções de ferro fundido ligado com crómio, destinadas a aumentar o desempenho. Sabe-se, contudo, que as limitações desta técnica são, por um lado, a solidez do reforço que tem tendência para fragilizar a peça e, por o utro lado, a lig ação (soldadura) insuficiente entre as inserções e o metal de base da peça.

[0007] 0 documento U S 5.337.801 (Materkowski) divulga um outro processo para depositar partículas duras de carboneto de tungsténio na superfície de trabalho de dentes. Neste caso, trata-se de pre parar primeiro as inserções em aço contendo partículas duras; estas inserções são de seguida dispostas no molde e depois são incorporadas no metal de base vazado para formar a peça. Este procedime nto além de se r demorado e dispendioso, não exclui a possibilidade de uma reacção entre o carboneto de tungsténio e o metal das inserções e nem sempre 3 garante uma soldadura perfeita d as partículas du ras ao metal de base.

Finalidades da invenção [0008] A presente inv enção tem por objecto um d ente compósito para equipar uma ferramenta de trabalho no solo ou em rocha, em particular para ferramentas de escavação ou dragagem, com uma resistência melhorada contra o desgaste, conservando ao mesmo tempo uma boa resistência aos choques.

Esta propriedade é obtida através de uma estr utura compósita de reforço concebida especificamente para esta aplicação, num material que alterna, à escala milimétrica, zonas densas de finas partículas globulares micrométricas de carbonetos metálicos, com zonas praticamente isentas destas no seio da matriz metálica do dente.

[0009] A presente invenção tem também por objecto um processo para a obtenção da referida estrutura de reforço.

Sumário da invenção [0010] A presente inv enção tem por objecto um dente compósito para trabalhar o solo ou rochas, em que o referido dente comporta uma liga ferros a reforçada, pe lo menos em parte, com carboneto de titânio , segundo uma geometria definida, na qual a referida parte reforçada comporta uma macromicroestrutura alternada de zonas milim étricas concentradas de partículas globulares microm étricas de carboneto de tit ânio, separadas por zonas milimétricas praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio, formando as referidas zonas concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio uma microestrutura na qual os interstícios micrométricos entre as referidas partículas globulares estão também ocupados pela referida liga ferrosa. 4 [0011] De acordo com modalidades particulares da prese nte invenção, o dente compósito comporta pelo menos uma das seguintes caracter isticas ou uma combinação adequada das mesmas: as referidas z onas milimétric as concentradas têm uma concentração de carbonetos de ti tânio superior a 36, 9 % em volume; a referida parte reforçada tem u m teor global de carboneto de titânio entre 16,6 e 50,5 %, em volume; as partículas m icrométricas glo bulares de carb oneto de titânio têm um tamanho inferior a 50 pm; a maior parte d as partículas m icrométricas globulares de carboneto de titânio tem um tamanho inferior a 20 pm; as referidas zonas concentr adas de partículas globulares de carboneto de titânio comportam 36,9 a 72,2 %, em volume, de carboneto de titânio; as referidas zonas milimétricas concentradas de carboneto de titânio têm uma dimensão que varia entre 1 e 12 mm; as referidas zonas milimétricas concentradas de carboneto de titânio têm uma dimensão que varia entre 1 e 6 mm; as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio têm uma dimensão que varia entre 1,4 e 4 mm.

[0012] A presente invenção tem também por o bjecto um processo de fabrico do dente compósito, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 9, que comporta as seguintes etapas: disponibilização de u m molde comportando a cavidade contramolde do dente com u ma geometria de reforço predefinida; introdução, na parte da cavida de contramolde do dente destinada a formar a parte reforçada (5), de uma mistura de pós compactados comportando carbono e titânio sob a forma de granulados milimétricos precursores de carboneto de titânio; 5 vazamento de uma liga ferrosa no molde, em que o calor do referido vazamento desencadeia uma reacção exo térmica de síntese autopropagada de carboneto de titânio a alta temperatura (SH S) no seio d os referidos granulados precursores; formação, no seio da parte reforçada do dente compósito, de uma macromicroes trutura alternad a de zonas mil imétricas concentradas de partículas gl obulares microm étricas de carboneto de titânio no local dos referidos granulado s precursores, estando as referida s zonas separada s entre si por zonas milimé tricas praticame nte isentas de partículas globulares micro métricas de carb oneto de titânio , estando ainda as referidas partículas globulares separadas, no seio das referidas zo nas milimétricas concentradas de carboneto de titânio, por interstícios micrométricos; infiltração dos interstícios m ilimétricos e m icrométricos pela referida liga ferrosa de vazamento a alta temperatura, no seguimento da formação de partículas mi croscópicas globulares de carboneto de titânio.

[0013] De acordo com m odalidades particulares da prese nte invenção, o pro cesso comporta pelo menos uma das seguintes características ou uma combinação adequada das mesmas: os pós compactados de titânio e de carbono compo rtam um pó de uma liga ferrosa; o referido carbono é grafite.

[0014] A presente inven ção tem também p or objecto um dente compósito obtido de acordo com o processo de uma qualquer das reivindicações 11 a 13.

Breve descrição das figuras [0015] As figuras la e lb mostram uma vista , a três dimensões, de dentes sem reforço , de acordo com o estado da técnica. 6 [00016] As figuras lc a lh mostram uma vista, a três dimensões, de dentes com um reforço de acordo com a presente invenção.

[0017] A figura 2 apresenta exemplos ilustrativos de ferramentas em que estão monta dos dentes de acordo com a presente invenção. Ferramentas para escavação e perfuração.

[0018] A figura 3a -3h representa o processo de fabrico do dente representado na figura lb, de acordo com a presente invenção; a etapa 3a mos tra o dispositi vo de mistura dos pós de titânio e de carbono; a etapa 3b mostr a a compactação dos pós entre do is rolos, seguida de uma trituração e de uma peneiração com reciclagem das partículas demasiado finas; a figura 3c mostra um molde de areia onde se colocou uma barreira para conter os granulados de pó compactado no local de reforço do dente do tipo ld; a figura 3d mostra uma ampliação da zona de reforço onde se encontram os granulados compactados comportando os reagentes precursores do TiC; a etapa 3e mostra o vazamento da liga ferrosa no molde; - a figura 3f mo stra um dente do tipo lb, re sultante do vazamento; - a figura 3g mo stra uma amplia ção das zonas com forte concentração de nódulos de TiC - este esquema representa as mesmas zonas que as apresentadas na figura 4; - a figura 3h mostra uma ampliação, no seio de uma mesma zona com uma forte concentração de esférulas de TiC - as esférulas micrométricas estão rodeadas individualmente pelo metal de vazamento.

[0019] A figura 4 repr esenta uma vista binocular de uma superfície polida, não atacada, de um corte da parte reforçada do dente de acordo com a presente inven ção, com zonas milimétricas (cinzento claro) concentradas de carboneto de 7 titânio globular microm étrico ( esférulas de Ti C). A parte sombria representa a matriz metálica (aço ou ferro fundido) que preenche não só o espaço entre estas zonas concentr adas de carboneto de titânio globular micrométri co, como também os espaços entre as próprias esférulas (ver figuras 5 e 6) .

[0020] As figuras 5 e 6 representam vistas , tiradas através d e microscópio electr ónico de varrimento ( SEM), de carboneto de tit ânio globular microm étrico nas superf icies polidas e n ão atacadas, com diferentes amplia ções. Vê-se que, neste caso particular, a maior parte da s esférulas de carboneto de titânio têm um tamanho inferior a 10 ym.

[0021] A figura 7 rep resenta uma vis ta de carboneto de titânio g lobular micrométrico numa superfície de ruptura , tirada através de microscópio electrónico de varrimento (SEM). Vê-se que as esférulas de carboneto de titânio estão perfeitamente incorporadas na matriz metálica. Isto prova que o metal de vaza mento infiltra-se (impregna) com pletamente os poros durante o vazamento, uma v ez iniciada a re acção química entre o titânio e o carbono.

Legenda [0022] 1. zonas milimétricas concen tradas de partículas globulares (nódulos) micrométricas de carb oneto de titâni o (zonas claras) 2. interstícios mil imétricos cheios com a liga fe rrosa de vazamento, praticamente isentos de part ículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (zonas escuras) 3. interstícios micrométricos entre os nódulos de TiC também infiltrados pela liga de vazamento 4. carboneto de t itânio globular microm étrico nas zonas concentradas de carboneto de titânio 5. reforço de carboneto de titânio 6. defeitos causados pelo gás 8 7. (livre)

8. misturadora de pós de Ti e de C 9. tremonha 10. rolo 11. trituradora 12. grelha de saída 13. peneiro 14. reciclagem das partículas demasiado finas, para a tremonha 15. molde de areia

16. barreira contendo os granulados compactados da mistura Ti/C 17. colher de fundição para vazamento 18. dente do tipo ld

Descrição detalhada da invenção [0023] Em ci ência dos materiais, chama -se reac ção SHS ou «self-propagating high temperature synthesis» a uma reacção de síntese a alta temperatura auto propagada em qu e se atingem temperaturas de reac ção geralmente superiores a 1500 °C, ou mesmo 2000°C. Por exemplo, a reacção entre o pó de titânio e o pó de carbono p ara se obter o carboneto de t itânio TiC, é fortemente exotérmica. Há apenas necessidade de um pouco de energia para in iciar localmente a reac ção. E m seguida, a reacção vai propagar -se espontaneamente à totalidade da mistura de reage ntes graças às altas temperaturas atingidas. Após o in ício da reacção, há assim uma frente da reacção que se propaga espontaneamente (autopropagada) e que permite a obtenção do carboneto de tit ânio a partir do tit ânio e do carbono. O carbo neto de tit ânio assim obtido, diz-se «obtido in situ» porque não provém da liga ferrosa de vazamento.

[0024] As misturas de p ós de reagente s comportam pó de carbono e pó de titânio e são comprimidas em placas , sendo em seguida triturad as para se obt er granulados c uja dimensão varia entre 1 e 12 mm, de pref erência entre 1 e 6 mm e de maneira particularmente preferida entre 1,4 e 4 mm. Estes 9 granulados não s e compactam a 100 %. Comprimem -se geralmente entre 55 e 95 % da densidade teórica. Estes granulados são de fácil utilização/manipulação (ver fig. 3a-3h).

[0025] Os granulados milimétricos de pós de carbono e de titânio misturad os, obtidos de acordo com o s esquemas da figura 3a -3h, constituem os precursores do carboneto de titânio a obter e permitem enche r facilmente par tes de moldes com formas diversas ou mesmo irregulares. Estes granulados podem ser mantidos posicionados no molde 15 com a ajuda, por exemplo, de uma barreira 16. A conformação ou a montagem destes granulados pode também fazer-se com a ajuda de uma cola.

[0026] O dente compósito para trabalhar o solo ou rochas, de acordo com a presente invenção, possui uma macromicroestrutura de reforço que também se pode chamar estrutura alternada de zonas concentrad as de partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio separad as por zonas que estão praticamente isentas dessas partículas . Obtém-se este tipo de estrutura por reacção, no molde 15, dos granulados comportando uma mistura de pós de carbono e de titânio. E sta reacção é iniciada pelo calor do vazamento do ferro fundido ou do aço utilizados para vazar toda a peç a e, assim, quer a parte não reforçada, quer a parte reforçada, (ver fig. 3e) . O vazamento desencadeia assim uma reacção exotérmica de síntese autopropagada a alta temperatura (self -propagating high - -temperature synthesis - SHS) da mistura de pós de carbono e de titânio compactados sob a forma de granulados e previamente colocados no molde 15. A reacção tem então a particularidade de continuar a propagar -se d esde o instant e em que é desencadeada.

[0027] Esta s íntese a alta temperatura (SHS) permite uma infiltração f ácil de todos os interst ícios m ilimétricos e micrométricos pelo ferro fundido ou pelo aço de vazamento (fig. 3g e 3h) . Ao aumentar a molhabilidade, a infiltra ção 10 pode-se fazer em qualquer espessura ou profundidade de reforço do dente. Ela permite criar, com vantagem, ap ós a reac ção SHS e a infiltra ção por um metal de vazamento exterior, uma ou mais zonas de reforço no dente comportan do uma forte concentração de partículas globulares micrométricas de carboneto de tit ânio (que se poderia m também designar por agrupamentos de nódulos), zonas essas com um tamanho da ordem do milímetro ou de alguns mil imetros e que alternam com zonas praticamente isentas de carboneto de titânio globular.

[0028] Logo que estes g ranulados tenham reagido, de aco rdo

com uma reacção SHS, as zonas de reforço onde se encontravam estes granulados mostram uma dispersão concentrada de partículas globulares micrométricas 4 de carboneto TiC (esférulas) cujos interstícios micrométricos 3 também foram infiltrados pelo metal de vazamento que, neste caso, é o ferro fundido ou o aço. É important e notar que os interstícios milimétricos e micrométricos são infiltrados pela mesma matriz metálica que a que consti tui a parte não reforçada do dente; isto permite um a liberdade tot al na escolha do metal de vazamento. No dente finalmente obtido, as zonas de reforço com forte concentraç ão de carboneto de titânio sã o compostas por partículas globulares micrométricas de TiC, numa percentagem importante (entre cerca de 35 e 70 % em volume) , e pela liga ferrosa de infiltração.

[0029] Por partículas globulares micrométricas deve entender-se partículas globalmente esferóides com um tamanho que vai d o ym a algumas dezenas de ym, no máximo, tendo a grande maioria destas partículas um tamanho inferior a 50 ym e mesmo a 20 ym ou até mesmo a 10 ym. Estas partículas também são denominadas de esférulas d e TiC. Esta for ma globular é característica de um processo de obtenção de carboneto de titânio por síntese autopropagada SHS (ver fig. 6). 11

Obtenção dos granulados (versão Ti + C) para o reforço do_ dente [0030] 0 processo de obtenção dos granulados está ilustrado na fig. 3a -3h. Os granulados d os reagentes carbono/ti tânio obtêm-se por com pactação entre o s rolos 10 para obter tiras que se trituram em seguida num a trituradora 11. A mistura dos pós é feita num misturador 8 constituído por uma cuba equipada com pás, para facilitar a homogeneização. A mistura passa em seguida para um aparelho de gr anulação, por um a tremonha 9. Esta máquina compreende dois rolos 10 através dos quais se faz passar o material. Aplica -se uma pressão nos rolos 10, o que permite comprimir o material. Obtém -se, à saída, uma tira de material comprimido que é em seguida triturad o para se obter os granulados. Estes granulados são em seguida peneirados para a granulometria desejada num peneiro 13. Um parâmetro importante é a pressão aplicada nos rolos. Quanto mais elevada for a pressão, mais a tira e logo os granulados serão comprimidos. Pode-se assim fazer variar a densidade das tiras e, por conse guinte a dos gran ulados, entre 5 5 e 95 % da densidade teórica que é de 3,75 g/cm 3 para a mistura estequiométrica de titânio e de carbono. A densidade aparente (tendo em conta a porosidade) situa-se então entre 2,06 e 3,56 g/cm3 .

[0031] 0 grau de compa ctação das tiras depende da pre ssão aplicada (em Pa) nos rolos (diâmetro de 200 mm, largura de 30 mm). Para um bai xo nível de comp actação, da ordem d e 106 Pa, obtêm-se uma densidade nas tiras da ordem de 55 % da densidade teórica. Após a passagem através dos rolos 10 para comprimir este material, a densidade aparente dos granulados é de 3,75 x 0,55, ou seja 2,06 g/cm3.

[0032] Para um nível elevado de compac tação, da ordem de 25xl06 Pa, obtém-se uma densidade nas tiras da ordem de 90 % da densidade teórica, ou seja, um a densidade apar ente de 3,38 g/cm3. Na prática, pode-se ir até 95 % da densidade teórica. 12 [0033] Em consequência, os granulados obtidos a partir da matéria-prima de Ti + C são porosos. Esta porosidade varia de 5 %, para os granulados que sofrem uma compressão muito forte, a 45 %, para os granulados com uma compressão ligeira.

[0034] Para além do niv ei de compactação, é também poss ivel regular a repartição granulométrica dos granulados, bem como a sua forma durante a operação de trituração das tiras e da peneiração dos granulados de Ti+C. As fracções granulométricas indesejadas podem ser recicladas à vontade (ver fig. 3b) . Os granulados obtidos têm, no geral, um tamanho entre 1 e 12 mm, de preferência entre 1 e 6 mm e, de maneira particularmente preferida, entre 1,4 e 4 mm.

Criação da zona de reforço no dente compósito de acordo com a presente invenção [0035] Os granulados s ão obtidos tal como e xposto anteriormente. Para se obter um a estrutura trid imensional ou uma superestrutura/macromicroestrutura com estes granulados, dispõem-se os mesmos nas zonas do molde em que se deseja reforçar a peça. Este procedimen to realiza-se aglomerando os granulados, seja por meio de uma cola, seja confinando-os num recipiente ou ainda por qualquer outro meio ( barreira 16) . A densidade a granel do empilhamento dos granulados de Ti + C mede-se de acordo com a norma ISO 697 e depende do n ivel de compactação das tiras, da reparti ção granulom étrica dos granulados e do modo de tritura ção das tiras, que influencia a forma dos granulados. A densidade a granel destes granulados de Ti + C é geralmente da ordem de 0, 9 g/cm3 a 2,5 g/cm 3 em fun ção do n ivel de compactação destes granulados e da densidade do empilhamento.

[0036] Antes da reac ção, tem-se assim um empilhamento de granulados porosos compostos por uma mistura de pó de titânio e de pó de carbono 13 [0037] Durante a reac ção Ti + C TiC produz -se uma contracção volumétrica da ordem de 24 % quando se passa dos reagentes para o produto (contra cção resultante da diferen ça de densidade entre os reagentes e o produto). Assim, a densidade teórica da mistura de Ti + C é de 3,75 g/ cm3 e a densidade teórica do TiC é de 4,93 g/cm3 . No produto final, após a reac ção de obten ção do TiC, o metal de vazamento irá infiltrar-se: - nos poros microsc ópicos presentes nos espa ços com forte concentração de carboneto de tit ânio, dependentes do nivel de compactação inicial destes granulados; - nos espa ços m ilimétricos entre as zonas com forte concentração de carboneto de tit ânio, dependentes do empilhamento inicial dos granulados (densidade a granel); - nos poros resultantes da contracção volumétrica durante a reacção entre Ti + C para se obter o TiC.

Exemplos [0038] Nos exemplos que se seguem utilizaram-se as seguintes matérias-primas: - titânio, H.C. STARCK, Amperit 155.066, menos de 200 mesh; - carbono-grafite GK Kropfmuhl, UF4, > 99,5 %, menos de 15 ym; - Fe, sob a forma de aço HSS M2, menos de 25 ym; - proporções:

- Ti + C 100 g Ti - 24,5 g C - Ti + C + Fe 100 g Ti - 24,5 g C - 35,2 g Fe Mistura durante 15 minutos num misturador Lindor, em atmosfera de árgon. A granulação foi efectuada com um granulador Sahut-Conreur.

Para as misturas de Ti+C+Fe e de Ti+C, obteve-se a compactação dos granulados fazendo variar a pressão entre os rolos de 10 a 250xl05 Pa. 14 0 refor ço foi efectuado colocando granulados n um recipiente metálico, que em seguida é colocado criteriosamente no molde no sitio do dente passível de ser reforçado. Em seguida vaza --se o aço ou o ferro fundido neste molde.

Exemplo 1 [0039] Neste exemplo, pretende-se obter um dente cujas zonas reforçadas comportam uma percentagem, em volume global, de TiC de cerca de 42 %. Com esta finalidade, produz -se uma tira por compactação, a 85 % da densidade te órica, de uma mistura de C e de Ti. Após trituração, os granulados são peneirados de modo a que a sua dime nsão se situe entre 1,4 e 4 mm. Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 2,1 g/cm 3 (35 % de espaço entre os granulados + 15 % de porosidade nos granulados).

[0040] Dispõe-se os granulados no molde no sítio da parte a reforçar que co mporta assim 65 % , em volume , de granulado s porosos. Em seguida vaza-se ferro fundido ligado com crómio (3 % de C, 25 % de Cr) a cerca de 1500 °C num molde de areia n ão aquecido previamente. A reac ção entre o Ti e o C é iniciada por acção do calor do ferro fundido. Este vazamento faz-se sem atmosfera de pr otecção. Ap ós a reac ção, obt ém-se, na parte reforçada, 65 % , em volume , de zonas co m uma forte concentração de cerca de 65 % de carbone to de tit ânio globular, ou sej a, 42 % , em volume global , de TiC na parte reforçada do dente.

Exemplo 2 [0041] Neste exemplo, pretende-se obter um dente cujas zonas reforçadas comportam uma percentagem, em volume global, de TiC de cerca de 30 %. Com esta finalidade, produz -se uma tira por compactação, a 70 % da densidade te órica, de uma mistura de C e de Ti. Após trituração, os granulados são peneirados de modo a que a sua dime nsão se situe entre 1,4 e 4 mm. Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 1,4 g/cm 3 (45 % de espaço entre 15 os granulados + 30 % de porosida de nos granulados). Dispõe-se os granulados na parte a refor çar gue comporta assim 55 % , em volume, de granulados porosos. Ap ós a reac ção, obtém-se, na parte refor çada, 55 % , em volume , de zonas com uma forte concentração de cerca de 53 % de carboneto de tit ânio globular, ou seja, cerca de 30 % , em volume global, de TiC na parte reforçada do dente.

Exemplo 3 [0042] Neste exemplo, pretende-se obter um dente cujas zonas reforçadas comportam uma percentagem, em volume global, de TiC de cerca de 20 %. Com esta finalidade, produz -se uma tira por compactação, a 60 % da densidade te órica, de uma mistura de C e de Ti. Após trituração, os granulados são peneirados de modo a que a sua dimensão se situe entre 1 e 6 mm. Obt ém-se uma densidade a granel da ordem de 1,0 g/cm 3 (55 % de espaço entre os granulados + 40 % de porosida de nos granulados) . Dispõe-se os granulados na parte a refor çar que comporta assim 45 % , em volume, de gran ulados porosos. Ap ós a reac ção, obt ém-se na parte refor çada 45 % , em volu me, de zonas co ncentradas com cerca de 45 % de carboneto de tit ânio globular, ou seja, 20 %, em volume global, de TiC, na parte reforçada do dente.

Exemplo 4 [0043] Neste exemplo, p rocurou-se atenuar a intensidade da reacção entre o carbono e o t itânio juntando -lhes uma liga ferrosa em p ó. Como no exemplo 2, pretende -se obter um dente cujas zonas ref orçadas comportem uma percentag em, em volume global, de TiC de cerca de 30 %. Com esta finalidade, produz se uma tira por compactação, a 85 % da densidad e teórica, de uma mistura, em peso, de 15 % de C, 63 % de Ti e 22 % de Fe. Após trituração, os granulados são peneirados de modo a que a sua dimensão se situe entre 1,4 e 4 mm. Obtém-se uma densidade a granel da ordem de 2 g/cm 3 (45 % de espa ço entre os 16 granulados + 15 % de porosidade nos granulados) . Dispõe-se os granulados na parte a refor çar que comporta assim 55 % , em volume, de granulados porosos. Após a reac ção, obtém-se na parte refor çada 55 % , em volume , de zonas com uma forte concentração de cerca de 55 % de carbone to de tit ânio globular, ou seja, 30 % , em volume, de carboneto de tit ânio global na macromicroestrutura reforçada do dente.

[0044] Os quadros que se seguem mostram as numerosas combinações possíveis.

Quadro 1 (Ti + 0,98 C) ΪPercentagem global de TiC obtido na macromicroestrutura Ireforçada após a reacção de Ti + 0,98 C na parte reforçada do | dente.

Compactação dos granulados (% da densidade teórica |55 60 que é de 3,75 g/cm3) | | 65 (70 ln μ.....,·μ ° 85 90 195 Enchimento da parte reforçada da peça (% vol.) 70 129, 3 }31, 9 65]27,2|29,6 34,6 |37,2 32,1 134, 6 39, 9 |42, 6 37,1 |39, 5 45,2 42,0 47,9 |50,5 44,5 146,9 55 123, 0 |25, 1 45118,812 0, 6 27.2 |29,3 22.2 123,9 31,4 133,4 25,7 !27,4 35, 5 29,1 37,6 139,7 30,8 132,5

Este quadro mostra que, com um nivel de compactação indo de 55 a 95 % para as tiras e portan to para os gran ulados, podem praticar-se n íveis de enchimento de granulados, na parte reforçada, indo de 45 a 70 % em volume (rela ção entre o volume total dos granulados e o volume do seu confinamento). Assim, para se obter uma concentra ção global de TiC , na parte reforçada, de cerca de 29 % (le tras a negrito no quadro), em volume, pode-se proceder a dif erentes combina ções como , por exemplo, 60 % de compacta ção e 65 % de enchimento ou 70 % d e compactação e 55 % de enchimento ou ainda 85 % de compacta ção e 45 % de enchi mento. Para se obter n íveis de enchimento de granulados, na parte reforçada, indo até 70 %, em volume, é-se 17 obrigado a aplicar uma vibra ção para comprimir os granulados. Neste caso, j á não é aplicável a norma ISO 697 para a medi ção da taxa de enchimento e mede -se a quantidade de mat éria num dado volume.

Quadro 2 jRelação entre o nivel de compactação, a densidade teórica e a jpercentagem de TiC obtido após a reacção no granulado

Compactação dos granulados 55 60 65 70 j 75 80 85 90 |95 Densidade em g/cm3 2,0 6 12,2 5 2,44 2,63 12,81 13,00 3,19 3,38 |3,56 TiC obtido nos LO 00 I-1 49, 4 53,2 157,0 | 60,8 64, 6 68,4 \12,2 granulados após a reacção (e contracção) em % em volume.

Aqui, representou-se a densidade dos granulados em fun ção do seu n ivel de compacta ção e dai deduziu-se a percentagem volúmica do TiC obtido após a reacção e consequente contracção de cerca de 24 % em vol ume. Os granulados compactados a 95 % da sua densidade teórica permitem assim obter, após a reacção, uma concentração de 72,2 %, em volume, de TiC.

Quadro 3

Densidade a granel do empilhamento dos granulados

Compactação 1 !55 60 65 |70 175 80 185 190 j 95 | Enchimento da parte |70 |l, 4 0 6 1,7 11,8 j 2 2,1j2,2 12,4 12,5| reforçada da peç a em % 165 11,3 * 1,5 1, 6 11,7 11,8 2,0 12,1 |2,2 !2,3 j em volume |55jl, 1 1,2 1,3 11,4 11,5 1,7 11, 8 11,9 |2,0 | |45 10, 9 1,0 1,1 11,2 11,3 1,411,411,5 |l,6! (*) Densidade a granel (1,3) = densidade teórica (3,75 g/cm3) xj 0,65 (enchimento) x 0,55 (compactação)

Na prática, estes quadros servem de ábacos para o utilizador desta tecnologia, que fixa a percentagem global de TiC a obter 18 na parte refor çada do dente e, em fun ção desta, determina o nível de enchim ento e a compactação dos granu lados que v ai utilizar. Construíram-se os mesmos quadros para uma mistura de pós de Ti + C + Fe.

Ti + 0,98 C + Fe [0045] Neste caso, pretendeu-se uma mis tura que permit isse obter 15 % em volume de ferro ap ós a reacção. A proporção de mistura utilizada foi de: 100 g Ti - 24,5 g C - 35,2 g Fe Entende-se por pó de ferro: ferro puro ou liga de ferro. Densidade teórica da mistura: 4,25 g/cm3 Retracção volumétrica durante a reacção: 21 %

Quadro 4 |Percentagem global de TiC obtido na macromicroestrutura jreforçada após a reacção de Ti + 0,98 C + Fe, na parte jreforçada do dente | Compactação dos | \ \ | a | ca |55 60 J65 |70 75 180 85 J 90 95 70 ]25,9 28,2 130, 6 132,9 35,5 |37,6 40,0 142,3 44,7 | 165 124,0 26,2 j28,4 130,6 32,7 ]34,9 37,1 139, 3 41,5 | 155 [20,3 22,2 §24,0 |25,9 27,7 |29,5 31,4 ! 3 3,2 35, 1 ! 45 116,6 18,1 119, 6 121,2 22,7 (24,2 25,7 127,2 28,7 ! que é de 4,25 g/cm3)

Enchimento da parte reforçada da peça (% vol)

De novo, para se obter uma concentração global de TiC na parte reforçada de cerca de 26 % (em letras a negr ito no quadro), em volume, pode -se proceder a dif erentes combina ções como , por exemplo, 55 % de compacta ção e 70 % de enchimento ou 60 % d e compactação e 65 % de enchimento ou 70 % de compactação e 55 % de enchimento ou ainda 85 % de compacta ção e 45 % de enchimento. 19

Quadro 5

Relação entre o nível de compactação, a d ensidade teórica e a j percentagem de T ic, obtida após a reacção no gra nulado, tendo j em conta a presença de ferro \

Compactação dos |55 granulados j 60 65 70 j 75 80 185 90 95 Densidade em g/cm3 (2,34 TiC obtido nos 13 6, 9 2,55 |2,76 40,3 143,6 2, 98 !3,19 47, 0 150,4 3,40 j3,61 53,7 157,1 3,83 14,04 60,4 | 63,8 granulados após reacção (e contracção) em % em vol.

Quadro 6

Densidade a granel do empilhamento dos granulados (Ti + C + Fe)

Compactação (55 Enchimento da parte 170 11,6 60 165 1,8 jl, 9 70 j 75 80 2,1 ;2,2 (2,4 85 (90 2,5 s2,7 95 2,8 reforçada da peça em % Γ11"Π......1"," ; s65 sl,5* em vol. i i 155 11,3 1,7 11,8 1,4 jl, 5 1, 9 (2,1 2,2 1, 6 ! 1,8 jl, 9 2,3 12,5 2,0 j2,1 2, 6 2,2 |45 |l,1 1,1 j 1,2 1,3 ! 1,4 jl, 5 1,6(1,7 1,8 (*) Densidade a granel (1,5) = densidade teórica (4,25) x 0,65! (enchimento) x 0,55 (compactação) !

Vantagens [0046] A presente invenção apresenta as seguintes vantagens em relação ao estado da técnica em geral:

Melhor resistência aos choques [0047] Com o presente proce sso, conseguem -se granulados milimétricos porosos que estão engastados na liga metálica de 20 infiltração. Estes granulados milimétricos são eles próprios compostos por p articulas microscópicas de T ic com tendência globular, também engastadas na liga metálica de infiltração. Este sistema permite obter um dente com uma zona de reforço comportando uma macroestrutura no seio da qual existe uma microestrutura idêntica mas a u ma escala cerca de mil vezes inferior.

[0048] O facto d e a zona de reforço do dente comportar pequenas partículas globulares de carbon eto de titânio, duras e finamente dis persas numa mat riz metálica qu e as envolve, permite evitar a formação e a propagação de fissuras (ver fig. 4 e 6). Obtém -se assim um duplo sistema dissipador de fissuras.

[0049] As fissuras têm origem, em ger al, nos sítios mais frágeis, que , neste caso , são a s partículas de TiC ou a interface entre esta s partículas e a liga metálica de infiltração. Se uma fissura se origina na interface ou na partícula microm étrica de TiC, a sua propag ação é depois entravada pela liga de infiltração que envolve tal partícula. A tenacidade da liga de infiltração é superior à da partícula cerâmica TiC. A fissura tem necessidade de mais energia para passar de uma partícula para a outra, para vencer os espaços micrométricos que existem entre as partículas.

Flexibilidade máxima para os parâmetros de execução [0050] Para além do ní vel de compactação dos gr anulados, pode-se fazer variar dois outros parâmetros, que são a fracção granulométrica e a forma dos granulados e po rtanto a sua densidade a granel. Pelo contrário, numa técnica de reforço por inserção, só se pode fazer variar o nível de compactação dos granulados numa gama limitada . Ao nível da forma que se pretende dar ao reforço, atendendo ao desenho do dente e ao 21 sítio que se deseja reforçar, a utilização de gr anulados permite mais possibilidades e uma melhor adaptação.

Vantagens ao nível do fabrico [0051] A utilização de um enchimento de granulados poro sos como reforço apresenta algumas vantagens ao nível do fabrico: - menor libertação de gases, - menor susceptibilidade à criação de gretas, - melhor localização do reforço no dente. A reacção entre o Ti e o C é fortemente exotérmica. A elevação da temperatura provoca uma desgaseificação dos reagentes, isto é, a libertaçã o das matérias voláteis comp reendidas nos reagentes (H20 no carbono, H2, N 2 no titânio) . Quanto mais elevada for a t emperatura da r eacção, mais si gnificativa é esta libertação . A técnica que utiliza os granu lados permite limitar a temperatura, limitar o volume gasoso e permite uma saída mais fácil dos gases, o que reduz os defeitos provocados pelo gás (ver fig. 7 com uma bolha de gás indesejável).

Fraca susceptibilidade à criação de gretas durante o fabrico do dente de acordo com a presente invenção [0052] O coeficiente de dilatação do reforço de TiC é inferior ao da matriz da liga ferrosa (coeficiente de dilatação do TiC: 7,5 xlO“6/K e da liga ferrosa: cerca de 12,0xl0“6/K) . Esta diferença entre os coeficientes de dilatação tem como consequência gerar tensões no material durante a fase de solidificação e também durante o tratamento térmico. Se estas tensões forem demasiado importantes, podem surgir gretas na peça e levar à sua rejeição. Na presente invenção, utiliza--se uma baixa proporção de reforço de TiC (menos de 50 % em volume), o que leva a menos te nsões na peça. Além disso, a presença de um a matriz mais dúctil entre as partículas globulares micrométricas de TiC em zonas alternadas de fraca e forte concentração permite gerir melhor as tensões locais. 22

Excelente conservação do reforço no dente [0053] Na presente invenção, a fronteira entre a parte reforçada e a parte não reforçada do dente não é abrupta, pois existe uma cont inuidade da mat riz metálica en tre a parte reforçada e a parte não reforçada, o que permite proteger o dente contra o arranque completo do reforço.

Resultados de ensaios [0054] As vantagens do dente de acor do com a prese nte invenção, em relação aos dentes sem material compósito, são uma melhoria da resistência ao desgaste , da ordem dos 300 % . De forma mais pormenorizada e conforme as circunstâncias do ensaio (dragagem), verificaram -se os seguintes desempenhos (expressos em tempo de vida út il do dente em função de um determinado volume de trabalho) nos produtos obtidos de acordo com a presente invenção (ref orço do tipo da fig. lf , comportando, em geral, uma percentagem, em volume , de TiC de 30 % vol. - exemplo 2), em comparação com dentes idênticos de aço temperado. - calcário duro: 2,5 vezes; - mistura de argila dura, areia e gravilha compactadas: 2,9 vezes; - mistura de areia e argila dura: 3,2 vezes; - mistura de xisto e de areia: 3,4 vezes.

De uma maneira geral, o tempo de vida útil do dente tipo lf (ver fig. lf) com 30 %, em volume, de TiC na parte reforçada é 2,5 a 3 ,4 veze s superior ao de um dente id êntico em aço temperado.

Porto, 14 de Junho de 2012

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Dente compósito para trabalhar o solo ou rochas, caracterizado pelo facto d e comportar uma liga ferrosa reforçada, pelo menos em parte ( 5), com carboneto de titânio , segundo uma geo metria definida, na qual a re ferida parte reforçada (5) comporta uma macromicroestrutura alternada de zonas milimétricas (1) concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4), separadas por zonas milimétricas (2) praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4), formando as referidas zonas concentradas de partículas globulares micrométricas de carboneto de t itânio (4) uma microestrutura na qual os int ersticios micromé tricôs (3) entre as referidas partículas globulares (4) est ão também ocupados pela referida liga ferrosa.

2. Dente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto d e as referidas zona s milimétricas concentradas terem uma conc entração de partículas globulares micrométricas de carboneto de tit ânio (4) superior a 36,9 %, em volume.

3. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracteri zado pelo facto de a referida parte reforçada ter um teor g lobal de carbon eto de titânio entre 16,6 e 50,5 %, em volume.

4. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto d e as partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio (4) terem um tamanho inferior a 50pm.

5. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto da maior parte das partículas micrométricas globulares de carboneto de titânio (4) terem um tamanho inferior a 20 pm. 2

6. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de as referidas zonas concentradas de partículas globulares de carboneto de titânio (1) comportarem 36,9 a 72,2 %, em volume, de carboneto de titânio.

7. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio (1) terem uma dimensão que varia entre 1 e 12 mm.

8. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio (1) terem uma dimensão que varia entre 1 e 6 mm.

9. Dente, de acordo com uma qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo facto de as referidas zonas concentradas de carboneto de titânio (1) terem uma dimensão que varia entre 1,4 e 4 mm.

10. Processo de fabrico por fundição de um dent e compósito, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo facto de comportar as seguintes etapas: - disponibilização de um molde comportando a cavidade contramolde do dente com u ma geometria de reforço predefinida; introdução, na parte da cavida de contramolde do dente destinada a formar a parte reforçada (5), de uma mistura de pós compactados comportando carbono e titânio sob a forma de granulados milimétricos precursores de carboneto de titânio; - vazamento de uma liga ferrosa no molde, em que o calor do referido vazamento desencadeia uma reacção exo térmica de síntese autopropagada de carboneto de titânio a alta temperatura (SH S) no seio d os referidos granulados precursores; - formação, no sei o da parte refor çada (5) do dent e, de uma macromicroestrutura alternada de zona s milimétricas 3 concentradas (1) de partículas g lobulares micrométricas de carboneto de tit ânio (4) no loca 1 dos referidos granulados precursores, estando as referidas zonas separada s entre si por zonas mil imétricas (2) praticamente isentas de partículas globulares micrométricas de carboneto de titânio (4), estando ainda as referidas partículas globulares (4) separadas, no seio das refer idas zonas mil imétricas concentradas (1) de carboneto de titânio, por interstícios micrométricos (3); - infiltração dos interstícios milimétricos (2) e micrométricos (3) pela referida liga ferrosa de vazamento a alta temperatura, no seguimento da formação de partículas microscópicas globulares de carboneto de titânio (4).

11. Processo de fabrico, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de a mistura de pós compactados de titânio e carbono comportar um pó de uma liga ferrosa.

12. Processo de fabrico, de acordo com uma qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo facto d e o referido carbono ser grafite.

13. Dente caracterizado pelo facto de se obter de acordo com uma qualquer das reivindicações 10 a 12. Porto, 14 de Junho de 2012