RO127900A2 - Bolţuri de scarificare cu inserţii de materiale compozite şi procedeu de realizare - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la materiale compozite simple WC-Ni sau complexe WC-(W - Ti)C-Ni, pentru bolţurile de scarificare folosite la utilajele de afânare a masei colmatate de piatră spartă din prisma de balast a terasamentelor feroviare, şi la un procedeu de realizare a acestora. Materialele compozite, conform invenţiei, sunt constituite, în procente în greutate, din 90...93% WC sau carbură complexă de (W -Ti)C şi restul liant. Procedeul conform invenţiei constă în dozarea pulberilor metalice, pregătirea matriţei metalice, presarea pulberii cu o presă hidraulică, într-o matriţă, la o presiune cuprinsă între 1250...1500 daN/cm, extragerea precomprimatului din matriţă şi efectuarea tratamentului termic într-un cuptor cu inducţie în vid, de eliminare, în primă fază, a liantului tehnologic la o temperatură cuprinsă între 150...180°C, urmată de creşterea gradientului de temperatură până la atingerea pragului de 1450°C, menţinut timp de 60 min, răcirea lentă a cuptorului cu 110°C/h până la temperatura ambientală.

Description

Descriere invenție

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚH Șl MĂRCI

Cerere de brevet de invenție

Nr.

Data depozit ....ίζ.,'ΑΕΜίί..

Invenția se refera la niște materiale compozite simple (WC-Ni) si complexe (WC -(WTi)C-Ni) precum si la un procedeu de realizare a acestora, materialele compozite fiind destinate realizării hoiturilor de scarificare (afanare) necesare refacerii infrastructurii feroviare.

Aceste hoituri sunt alcătuite dintr-o componenta de înalta densitate avand o forma geometrica specifica de con - vârful de dizlocare, afanare a masei colmatate de piatra sparta din prisma de balast, executata conform invenției dintr-un material compozit zv sau fara gradient structura! de material pe baza de carburi metalice simple si complexe cu lianți metalici Co-Ni-Fe 'intr-o gama optima a compoziției chimice in raport cu duritatea masei colmatate a pietrei sparte din stratul de balast.

Pentru obținerea acestor piese rezistente la uzura se cunosc materiale sinterizate, constituite de preferința din WC cu adaosuri (Ta(Nb))C, WCTiC cu diverse proporții de lianți metalici.

Se cunoaște faptul ca produsele cu tenacitate si duritate superioara utilizate in mod curent sunt cele fabricate din carburi ale metalelor din grupa a IV-a, a V-a, a Vl-a si a VIl-s ale sistemului periodic, carbura cea mai folosita fiind cea de Wolfram.

Materialele matricei de legătură sunt selectate din metalele din grupa a VH?~a. Ccoafca realizează o excelenta matrice de legătură deoarece in faza lichida are proprietari ce umectare sporite. Utilizarea nichelului creste duritatea si rezistenta la abraziune si impact a matricei de legătură avand si o umectare corespunzătoare.

Sunt cunoscute de asemenea procedee de realizare a materialelor din pulberi din carbura metalica , in special din W , cu liant metalic Co care consta in dozarea, omogenizarea amestecului de pulberi cu diverși lianți organici de preformare de tipul alcool etilic / polietilen glycol/ parafina in procente de greutate de la 1,7% pana Ia 2,5 % tata de cantitatea totala de pulberi (ex. produsele firmelor BETEK, SANDVICK, BOARD LONGYEAR, KENNAMETAL, GESAC, D1AM0ND , P1GMA, VERMER s.a).

Se cunosc de asemenea si procedee fizice si chimice de depuneri mono si multistrat pe tpieseie de carburi metalice sinterizate in vederea stratificării materialelor extradure cum ar fi TiC, TiN, Ti(C,N) , (TiAl)N , sau de diamant sintetic , care pot crea straturi de pana Ia 20 microni (ex. firmele SANDVICK si GESAC). Aceste straturi depuse pe suprafața exterioara activa a pieselor conduc la o creștere a duratei de buna funcționare dar sunt sensibile la impact

Dezavantajele soluțiilor cunoscute sunt: in desfasurarea tratamentului termic de sinterizate a materialului compozit WC-Co se constata ca la temperatura eatecfica (: 275 °C) o solubilitate redusa a wolframului si a carbonului in masa de cobalt de maxim 3.5% fata de nichel, minim 5.4% ; aliajele din sistemul WC-Co supuse sinterizarii prezintă o tenacitate superioara in raport cu Co (maxim 30% greutate masica) iar granulatia a WC sub ! 0 microni, fiind rezistente la uzura preponderent abraziva dar deficitate ia Împaci. Problema tehnica pe care o rezolva invenția consta in realizarea unor materiale compozite pe baza de carburi metalice sinterizate capabile sa-si mențină proprietățile fizico-chiniice, si de forma in condiții severe de uzura abraziva si impact specifice condițiilor de decoimatare- dizlocare a prismei de balast in vederea ciuruirii destinate refacerii infrastructurii feroviare . Materialele înglobate si procedeul de obținere a lor, conform invenției, prezintă următoarele avantaje : permit imbunatatirea operației de decoimatare a

<V-2 Ο 1 1 - Ο Ο 0 33 - 1 7 -01- 2011 prismei de balast; asigura creșterea duratei de utilizare a pieselor de mare uzura supuse Ia abraziune si impact, echivalente pieselor similare ale firmelor BETEK, SANDVICK, KENNAMETAL, BOARD LONGYEAR, GESAC) ; permit o recuperare prin dezlipire a os'tHor din carbura metalica uzate, procedandu-se ia o sfararnare, sortare granulometrică in vederea reciclării multiple ; permit realizarea de piese sinterizate de calitate in sistemul WC-Ni/' (WC“(W-Ti)C)-Ni plecând de la materii prime cu preturi accesibile , in conduite bilanțului de carbon total controlat; permit utilizarea unui mediu de măcinare accesibil apa/alcool in vederea obținerii pulberii “gata de presare” ; permit obținerea unor piese cu gradient structural de material in combinațiile de retete WC-Ni si (WC-(WTi)C)-Ni cu caracteristici tehnice de mare rezistenta, specific dizlocarii materialelor din prisma de balast in vederea ciuruirii acestuia ; soluțiile de materiale alese permit operația de brazare ia 630-645 °C de calitate corespunzătoare, fara a produce o oxidare a cărbuni de wolfram ; realizarea unor suporți ai hoiturilor de afanare/ scarificare de o asemenea compoziție chimica incat pe perioada de lucru, datorita ecruisarii suprafeței de contact conduc la o creștere a duratei de utilizare in ansamblu.

Acest insert de decolmatare cu o forma geometrica specifica, optimizata din punct de vedere al consumului de materii prime, avand la baza un model de calcul al stărilor de tensiune din vârf, se brazeaza folosind curenți de înalta frecventa cu ajutorul unui materia! de lipit ( argint / alama) pe un suport metalic realizat prin deformare la cald toijarejc careva etape de deformare.

Pe subansamblul obtinut (insertul de decolmatare-suport metalic foijat-material brazare) se montează o bucșa de reținere fixata cu un stift elastic cu rolul de a se crea un grad de libertate in jurul axei Y pentru ca in timpul funcționarii in șantier sa realizeze o uzura uniforma cu efect de creștere a duratei de utilizare.

Granulația oulberilor compozite trebuie sa aiba diametrul FSSS 1.0-2.5 μ; 2 - 10 u cu u continui total de C de maxim 6,43 % (in greutate), un conținut de C liber de pana ia 0.4 % (’m greutate) , la care se adauga pulberea de Ni carbonyl cu un conținut de Or de oana ia 0,6 % si diametrul FSSS < 6 μ, Cat si (W-Ti)C cu un continui de W = 64,5 - 66 % , Ti=20 - 25,5% (in greutate) cu diametrul FSSS = 2,6 μ si un conținut de C total de 7,81 % (in greutate).

In continuare se prezintă · (fig. I) Scit ce scărificare/afanare :

1. insert extradur de decolmatare din materialul compozit WC-Ni si/sau (WC-(W- . Ti)C)-Nl cu gradient structural de material;

2. material de brazare ;

3. suport metalic din material ecruisabil;

4. stift elastic de fixare a bucșei de reținere.

5. bucșa de reținere.

(fig. 2} Microstructura carbura simpla WC-Ni (fig. 3) Microstructura carbura complexa (WC-(W-Ti)C)Ni (fig. 4) Stift de decolmatare cu gradient de material - Ni

<V2 011-000J3-17 -01- ZOII (fig. 5) Microstructura in zona „X” (fig. 6) Distribuția durității la interfața dublu strai după redistribuirea prin difuziune a liantului metalic Ni

Se prezintă in continuare , exemple de realizare a materialelor compozite :

Exemplul nr. I

Realizarea unei șarje de material compozit de 30 kg din sistemul WC-Ni cu un continui de 90 J 8 % procente de greutate pulbere WC (24,300 kg) cu un diametru FSSS = 2,5 μ si un continur total de C = 6,16 % , cat si un continui de C liber de 0,04 % procente de greutate, pulbere de Ni carbonyl (5,700 kg) cu diametrul FSSS - 4,72 μ si cu un continui de Or de sub 0,088 % , care se introduce într-un vas de omogenizare cu palete (omogenizatorul) împreuna cu 4,5 % apa distilata încălzită ia 80 - 85 °C si 2% pohetilen glico· cu masa moleculara medie 3800 , indice hidroxil 28 mg KOH/g cu pH-ul soluției apoase de 5% la 25 ⁰ C de minimum 5^punct de fierbere 269 ⁰ C.

Cantitatea de polietilen glicol (liantul tehnologic), cu aspect solzos este de 0,6 kg in raport cu cantitatea de pulbere de procesat. Cantitatea de procesat de 30 kg este omogenizata prin amestecare continua timp de 4 ore avand totodată sub control si remperatura pastei obtinuîa care trebuie sa aiba 55 - 60 °C.

După acest interval se golește omogenizatorul si pasta se introduce in moara cu bile stabilindu-se in prealabil raportul favorabil de bile-pasta. Tot in moara se introduce apa distilata cu pana ia 4 1 / șarja.

Scria de material după 30 - 36 ore se golește intr-un vas de decantare. Decantarea se eadzeaza in careva ore (10-12 ore). Pasta aflata pe fundui vasului se transfera in tăvi de <fi. inoxidabil cu inaltimea de 30 - 35 mm.

Tăvile se introduc intr-un uscator cu microunde care evapora apa din pasta in maxim 1 ora cu un randament de 5 1 de apa / 0.75 kw putere emisa, aducand pasta la o umiditate de sub 25%.

Pasta cu grad de umiditate < 25% este transferata din uscator in'buncarul de alimentare a unei pompe cu debit variabil ( 1 -20 3 / ora). Pompa va dirija pasta in zona superioara a turnului de uscare care are o forma cilindro-conica, unde, printr-o baterie de duze speciale . este proiectata pe discul atomizorului centrifugal care o va arunca in zona superioara a ciclonului de uscare.

Părticelele rine umede se vor lovi de peretele tronconic si se vor depune in timp intr-o mișcare eiicoidala spre baza turnului in zona de colectare, iar pulberea sferoidizata astfel esre varsata In buncărul de alimentare al unui ciur.

Astei oarticolele de dimensiuni cuprinse in domeniul 25 - 80 μ vor trece prin ultima sita a ciuruiui fiind împachetate in pungi de polietilena, iar restul va fi reciclata.

Pulberea gata de presare WC-Ni (90/10) este utilizata pentru obținerea inserțiilor prin proceceui de presare sem.iuscat.

Obținerea inserțiilor se reailzeazaprin operațiile :

dozare pulbere pregătirea matriței metalice de presare

Λ*2 Ο 1 1 - Ο Ο Ο 33 - 17 -01- 2011 alimentarea cuibului de presare presarea pulberii la presiune cuprinsa intre 1250 - 1340 daN/'cm2 funcție de dimensiunea piesei folosind o presa hidraulica extragerea din matrita a precomprimatuluî

- oregatirea șarjei la cuptorul de tratament termic tratamentul termic in faza primara de eliminare a liantului tehnologic la o temperatura de pana la 150 - 180 °C

- se continua tratamentul prin creșterea gradientului de temperatura in cuptor cu 100 °C / ora pana la atingerea temperaturii de 1470 °C staționarea la aceasta temperatura timp de 60 de minute oprirea alimentarii cu energie electrica racirea lenta a cuptorului cu 110 °C / ora pana ia temperatura ambientala golirea cuptorului de piese sinterizate

Cuptorul este cu inducție in vid utilizând curent! de medie frecventa, cu talere de grafit pentru amplasarea pieselor din carbura, avand racirea cu apa.

Caracterizarea materialului obtinut:

compoziție chimica : WC-Ni (90,18 % - 9,82 %) culoare : cenușie lucioasa porozitate reziduala : se incadreaza in A02B00C00

- duritatea : 90,7 HRA (1360 HV30) densitate : 14,51 g/cm³

- f’RS : 2382 MPa~ cu microstructura din fig. 2

Exemplul nr. 2

Realizarea unei șarje de material compozit de 30 kg din sistemul (W-Ti)C-Ni cu un continui de 90 % procente de greutate pulbere (W-Ti)C (27 kg) cu un diametru FSSS = 2.6 u. cu W = 64,5 66 %, Ti = 20 - 25,5 % si un conținut total de C de 7,81 % , cat si un ccntinut de C liber de la 0,1 % la 15 % procente greutate pulbere Ni carbonyl (2,28 kg) ci: diammrui FSSS=4.72 μ si un conținut de O2 de sub 0,088 %, care se introduc intr-un. vas ce omogenizare cu paiete (omogenizatorui) împreuna cu 4.5 % apa distilate încălzită ia 80-85 °C si 2% polietilenglicol cu masa moleculara medie 3800, indice hidroxil 28 mg KOH/g cu pH-ul soluției apoase de 5% Ia 25 °C minimum Ș^punct de fierbere 269 ^c C. Cantitatea de polietilenglicol (liantul tehnologic), cu aspect solzos de 0.6 kg, calculata la cantitatea de pulbere de procesat. Cantitatea de procesat de 30 kg este omogenizata, prin amestecare-continua timp de 4 ore , avand totodată sub control si temperatura pastei obtinuta care trebuie sa aiba 55 - 60 °C.

După acest interval se golește omogenizatorui si se introduce In moara cu bile stabitinduse in prealabil raportul favorabil de bile-pasta. Toi in moara se suplimentează apa distilata cana ia 4 l / șarja.

Sada de material după 30 - 36 ore se golește într-un vas de decantare. Decantarea se realizează in cateva ore (10—12 ore). Pasta aflata pe fundul vasului se transfera în tăvi de otel inoxidabil cu înălțimea de 30 - 35 mm. Tăvile se introduc intr-un uscator cu microunde oare evapora apa din pasta in maxim 1 ora cu un randament de 5 l de apa / 0.75 kw putere emisa.

Pasta cu grad de umiditate mai mic de 25 % este transferata din uscator in buncărul de alimentare a unei pompe cu debit variabil (1-201/ ora). Pompa va dirija pasta in zona ^2 0 1 1 - 0 «Ο 5 3 - 17-01- 2011

superioara a turnului de uscare care are o forma cilindro-conica, unde, printr-o baterie de duze speciale , este proiectata pe discul atomizoruluî centrifugal care o va arunca tn zona superioara a ciclonului de uscare.

Particolele fine umede se vor iovi de peretele tronconic si se vor depune in timp intr-o mișcare elicoidală spre baza turnului in zona de colectare, iar pulberea sferoidizata astfel este varsata in buncărul de alimentare a! unui ciur care va sorta pulberea.

Astei, părticelele de dimensiuni cuprinse in domeniul 25 - 80 μ vor trece prin ultima ska a ciurului fund împachetate in pungi de polietilena iar restul va fi reciclata.

Pulberea gata de presare din sistemul (W-Ti)C-Ni este utilizata pentru obținerea inserțiilor de dizlocare a prismei de balast prin procedeul de presare sem;usc-at. Obținerea inserțiilor se realizează prin operațiile :

dozare pui bere pregătirea matriței metalice de presare alimentarea cuibului de presare presarea pulberii ia presiune cuprinsa intre i 500 - 1550 daN/cm² funcție de dimensiunea piesei folosind o presa hidraulica extragerea din matrita a precomprimatului pregătirea șarjei la cuptorul de tratament termic tratamentul termic consta in faza primara de eliminare a liantului tehnologic ia o temperatura de pana la 150 - 180 °C se continua tratamentul prin creșterea gradientului de temperatura in cuptor cu

100 °C / ora pana Ia atingerea temperaturii de 1450 °C staționare Ia aceasta temperatura timp de 60 de minute oprirea alimentarii cu energie electrica

- răcire lenta a cuptorului cu 110 °C / ora pana la temperatura ambientala golirea cuptorului de piese sintetizate

Cuptorul este cu inducție in vid jș£( utilizând curenți de medie frecventa, cu talere de grafit pentru amplasarea pieselor din carbura, iar racirea cu apa.

Caracterizarea materialului obtinut:

- compoziție chimica : (W-TijC-Ni (62,5 % - 22,5% - 15%) cuioare : cenușie lucioasa

- porozitate reziduala : se incadreaza in A02B00C0G

- duritatea : 89.5 HRA (1285 HV30) densitate: 10.5 g/cm³

- TRS:2i20MPa

- microstructura conform fig. 3

Revendicări

î. Material compozit pe baza de carbura metafipafiiaterizata rezistenta ia uzura abraziva si impact conținând carbura de wolfram in principal, destinata realizării inserțiilor de decolmatare ^prismelor de balast pentru hoiturile de scariticare/ afanare, a prismei de maura sparta din componenta infrastructurii feroviare- caracterizat prin araea ca are următoarea compoziție chimica in procente de greutate : WC = 9(M8 - 93 % si liant metaiic Ni = 9.82 - 0.932 % .

Λ-2011-00033-17 -01- 2011

superioara a turnului de uscare care are o forma cilindro-conica, unde, printr-o baterie de duze speciale , este proiectata pe discul atomizorului centrifugal care o va arunca în zona superioara a ciclonului de uscare.

Particolele fine umede se vor iovi de peretele tronconic si se vor depune in timp intr-o mișcare elicoidala spre baza turnului in zona de colectare, iar pulberea sferoidizate astfel este varsata in buncărul de alimentare a! unui ciur care va sorta pulberea. _z

Asfel, particolele de dimensiuni cuprinse in domeniul 25 - 80 μ vor treefe prin ultima sita a ciurului fiind împachetate in pungi de polietilena iar restul va fi reciclata.

Pulberea gata de presare din sistemul (W-Ti)C-Ni este milizaia peptru obținerea inserțiilor de dizlocare a prismei de balast prin procedeul de prepare sem; uscat. Obținerea inserțiilor se realizează prin operațiile : /

-dozare pulbere/ pregătirea matriței metalice de presare/ alimentarea cuibului de presare/

- presarea pulberii ia presiune cuprinsa intre 15βυ - I550 daN/cm² funcție de dimensiunea piesei folosind o presa hidraulica

- extragerea din matrita a precomprimatului/

- pregătirea șarjei ia cuptorul de tratamenviermic

- 'tratamentul termic consta in faza prinutra de eliminare & liantului tehnologic la o temperatura de pana la 150 - 180 °c/ se continua tratamentul prin creșterea gradientului de temperatura in cuptor cu

100 °C / ora pana Ia atingerea temperaturii de 1450 °C staționare la aceasta temperatura timp de 60 de minute oprirea alimentarii cu energie/electrica răcire ienta a cuptorului cu J/ÎO °C / ora pana ia temperatura ambientala golirea cuptorului de piese sintetizate

Cuptorul este cu inducție in vid^utilizând curenți de medie frecventa, cu talere de grafit pentru amplasarea pieselor din carbura , iar racirea cu apa.

Caracterizarea materialului aminul :.·

- compoziție chimicei (W-Ti)C-Ni (62,5 % - 22,5% - 15%) culoare : cenușie lucioasa

- porozîtate reziduala: se incadreaza in A02B00C00

- duritatea : gșVuRA (1285 HV30) densitate : \y. 5 g/cm³

- TRS:212(fMPa microstructura conform fig. 3

Claims (3)

1. Revendicări

   1. Material compozit pe baza de carbura metalica sinterizata rezistenta la uzura abraziva si impact conținând carbura de wolfram in principal, destinate realizării inserțiilor de decolmatare a prismelor de balast pentru hoiturile de scariiicare/ afanare, a prismei de piatra sparta din componenta infrastructurii feroviare- caracterizat prin aceea ca are următoarea compoziție chimica in procente de greutate : WC = 90.18 - 93 % si liant metalic Ni = 9.82 - 0.982 % .

   ¢1.-2 0 1 1 - 0 0 033-1 7 -01- 2011
2. 2. Material compozit pe baza de carbura de wolfram si carbura complexa ce wolfram si titan sinterizata rezistenta Ia uzura abraziva si de impact, destinat realizării hoiturilor de scarifîcare - caracterizat prin aceea ca are urmatcsrea compoziție chimica in procente de greutate : WC=57 - 79.5 % , TIC = 30 10%, Ni = 15-0%.
3. 3, Procedeu de obținere a materialelor compozite , caracterizat prin insertul se realizează din pulberi din materiale din rețele din revendicările 1 si 2 in următoarele etape :

   dozarea in proporții egale a pulberii din revendicarea 1 ( ex. WC-Ni (90% - 10%)) cu cea din revendicarea 2 (ex. WC-TiC-Ni (62,5 % - 22,5 % - 15 %))

   - pregătirea matriței metalice de presare alimentarea cuibului de presare presarea pulberii ia presiune cuprinsa intre 1250 - 1500 daN/cm® funcție de dimensiunea piesei folosind o presa hidraulica extragerea din matrita a precomprimatului pregătirea sadei la cuptorul de tratament termic

   - tratamentul termic consta in faza primara de eliminare a liantului tehnologic k o •temperatura de pana la 150 - 180 °C se continua tratamentul prin creșterea gradientului de temperatura in cuptor cu

   100 °C / ora pana ia atingerea temperaturii de 1450 °C staționare la aceasta temperatura timp de 60 de minute oprirea alimentarii cu energie electrica răcire lenta a cuptorului cu 110 °C / ora pana ia temperatura ambientala golirea cuptorului de piese sintetizate

   Cuptorul este cu inducție in vid , utilizând curenți de medie frecventa, cu taiere de grafit, pentru amplasarea pieselor din carbura, iar racirea cu apa .

   Caracterizarea piesei obținute (fig. 4) :

   compoziție chimica:

   o in zona a) WC - Ni (90 % - 10%) o in zona b) (W-Ti)C-Ni (62,5% - 22.5 % - 15 %)

   - culoare o in zona a) gri lucioasa o in zona b) cenușiu mat

   - porozitatea reziduala ; se incadreaza in A02BOOCOO duritatea:

   o in zona a) 90,7 HRA o irs zona b) 89,1 HRA densitate : 10,5 g/cm^s

   - TRfi :

   o in zona a) 2285 MPa o In zona b) l972 MPa microstructura in zona de interferența dublu strat (zona „X”), (fig. 5)