ES2198785T3 - Material compuesto estratificado para elementos deslizantes y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Material compuesto estratificado para elementos deslizantes y procedimiento para su fabricacion.

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ES2198785T3 ES98964365T ES98964365T ES2198785T3 ES 2198785 T3 ES2198785 T3 ES 2198785T3 ES 98964365 T ES98964365 T ES 98964365T ES 98964365 T ES98964365 T ES 98964365T ES 2198785 T3 ES2198785 T3 ES 2198785T3
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Abstract

Material compuesto estratificado para elementos de fricción, tales como semicojinetes o casquillos para cojinete, con un material de soporte de acero y con una aleación para cojinetes sobrecolada, que está exenta de plomo y que está basada en cobre-cinc, caracterizado porque el material compuesto estratificado se obtiene por medio de un proceso continuo de colada en banda, porque la aleación para cojinetes presenta una configuración estructural heterogénea, estando presente entre la aleación para cojinetes (3, 3'') y el material de soporte (1, 1'') una zona de unión metalúrgica (2, 2''), que presenta desde un 80 hasta un 95 % de hierro, las impurezas usuales y estando constituido el resto por cobre y que está cristalizada en forma cúbica, presentando la estructura heterogénea fases a y a y estando presentes las fases a y a, en estado colado, tras el enfriamiento, en la relación comprendida entre 1, 5 y 3, 0, porque el material compuesto estratificado se somete a un tratamiento térmico, tras elenfriamiento de la aleación para cojinetes sobrecolada, porque la relación entre las fases a y a aumenta hasta 6 después del proceso de recocido y porque la aleación para cojinetes presenta la siguiente composición: cobre 55 - 63 % aluminio 1, 5 - 2, 5 % hierro 0, 5 - 0, 8 % manganeso 1, 8 - 2, 2 % níquel 0, 7 - 1 % estaño 0 - 0, 1 % zinc resto

Description

Material compuesto estratificado para elementos deslizantes y procedimiento para su fabricación.
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un material compuesto estratificado para elementos deslizantes, como cáscaras de cojinetes o casquillos de cojinetes, en el que sobre un material de soporte, especialmente de acero, se aplica una aleación de cojinete por medio de un proceso continuo de fundición de banda sobre el material de soporte. La invención se refiere también a un material compuesto estratificado según las características del preámbulo de la reivindicación 6 de la patente.
En general, los cojinetes de soporte sirven para la absorción y transmisión de fuerzas y en particular tanto de fuerzas axiales como también de fuerzas radiales entre componentes que se mueven relativamente entre sí. Esto significa que son necesarios cojinetes para casi todos los movimientos giratorios y movimientos de articulación rotatorios. Los cojinetes son, por lo tanto, un elemento mecánico imprescindible en todas las máquinas y equipos y, por lo tanto, especialmente en motores de combustión interna.
Si se consideran en los motores de combustión interna modernos los puntos de cojinete más importantes existentes en ellos (cojinete principal, cojinete de biela, casquillo de vástago de pistón, casquillo de árbol de levas, etc.), entonces se obtiene una buena visión de conjunto sobre la pluralidad de propiedades a menudo contrarias, que debe cumplir el material del cojinete.
Según el tipo de cojinete y el tipo de motor, no sólo hay que tener en cuenta las diferentes particularidades de diseño, sino que aparecen también cargas muy diferentes (fuerzas de gas, fuerzas de masa, velocidades de deslizamiento). Para el perfil variado de requerimientos que resulta de ello (como alta resistencia a la fatiga, alta resistencia al desgaste, insensibilidad al gripado, alta resistencia a la corrosión, alta resistencia a la cavitación, etc.) se han revelado como especialmente adecuados en el transcurso del tiempo los materiales compuestos constituidos de capas múltiples. Así, por ejemplo, pertenecen al estado de la técnica actualmente los materiales compuestos de dos o tres capas. En este caso, el cuerpo de apoyo de acero presta al cojinete de fricción la resistencia mecánica necesaria y un asiento fijo correcto en la carcasa. El metal del cojinete, aplicado por medio de plaqueado por laminación, fundición de banda o sinterización, cumple a este respecto las propiedades ya mencionadas, completando el sistema compuesto adicionalmente todavía una capa de deslizamiento aplicada la mayoría de las veces galvánicamente con capa intermedia que sirve como barrera contra la difusión.
Si se consideran las tendencias de desarrollo en el campo de los motores Diesel futuros, entonces aparecen dos condiciones principales en primer plano: reducción al mínimo del consumo de combustible y reducción de las emisiones de substancias nocivas.
Frente a los motores Diesel convencionales, esto se consigue por medio de inyección directa, es decir, a través de la elevación de la presión de la combustión y a través de turbocarga. De esta manera, se cumplen en loas nuevas generaciones de motores los máximos requerimientos planteados a los materiales de cojinetes. La tendencia se dirige claramente hacia materiales cada vez con mayor capacidad de carga, lo que ha conducido ya en el caso de los cojinetes de biela hacia nuevos materiales compuestos estratificados. Así, por ejemplo, en este campo el cojinete por pulverización catódica (la capa de rodadura está constituida por una capa deslizante aplicada por medio de pulverización de cátodos) se ha convertido en un componente fijo en el mercado. Con este tipo de cojinete se pueden realizar sin problemas cargas máximas.
Pero también en otros campos, como por ejemplo el soporte de vástago de pistón, se han incrementado los requerimientos planteados a los materiales de los cojinetes de tal manera que son dominados por los materiales de casquillos tradicionales empleados allí a base de acero / bronce al plomo solamente por la elevación del diámetro del vástago de pistón y por una carga específica reducida de esta manera. Sin embargo, este desarrollo apunta en una dirección falsa, porque con ello se incrementan las masas oscilantes y, por lo tanto, la altura de construcción del motor, lo que contrarresta una reducción del peso pretendida en general. Otro problema con la utilización de las aleaciones de bronce al plomo es su deficiente resistencia a la corrosión.
A partir de esto se muestra claramente que, por ejemplo, en el campo de los materiales para casquillos, las necesidades futuras del mercado solamente se pueden satisfacer a través de un sistema de material compuesto de nuevo desarrollo. A este sistema se plantean los siguientes requerimientos técnicos y económicos: el material compuesto debe poder resistir cargas máximas, debe poseer una resistencia a la corrosión alta a temperaturas de hasta 200ºC en un entorno agresivo (material fuertemente solicitado debido a los aditivos de aceite, residuos de la combustión en el aceite y fuerte contaminación del aceite debido a los intervalos de mantenimiento prolongados) y debe poder fabricarse a coste favorable.
En el documento EP 0 681 114 se describe un material compuesto estratificado que está constituido por acero con un material de cojinete de fricción de una aleación de forja de cobre-zinc, como encuentra aplicación como material para casquillos de cojinete o bien material para discos de arranque. La fabricación de este material compuesto se realiza por medio de plaqueado por laminación. Un tratamiento térmico a continuación del plaqueado eleva la resistencia adhesiva entre el acero y el metal del cojinete como consecuencia de procesos de difusión.
Para la fabricación de sistema compuesto se utiliza un procedimiento, de plaqueado por laminación, en oposición al procedimiento reivindicado en esta solicitud. En este caso, como consecuencia de la presión de laminación, se produce una adhesión mecánica a través del dentado de las superficies de los dos materiales. Un recocido por difusión siguiente refuerza, en efecto, esta unión, pero no conduce a una conexión en unión positiva o incluso una unión metalúrgica, como es el caso en la fundición, es decir, el contacto de una fase líquida con una fase sólida.
Además, se ha comprobado que el proceso descrito en el documento EP 0 681 114 es también más caro, en lo que se refiere a los costes de fabricación, que la fundición comparable con el mismo, puesto que antes de que el material compuesto sea fabricado a través de plaqueado por laminación, debe producirse una banda de CuZn31Si por medio de un proceso de fundición propio. Solamente en una etapa de trabajo posterior se puede obtener a través de plaqueado el material compuesto. Pero durante la fundición de acero se puede fabricar el material compuesto en una etapa de trabajo.
El documento DE-OS 25 48 941 describe un procedimiento para la generación de objetos metálicos en forma de banda, en el que se aplican varias capas del mismo material. De acuerdo con ello, están previstos vasos recipientes de fundición. La capa respectiva, que se forma en el lugar de la fundición sobre la banda, es retirada continuamente y es refrigerada en cada caso. A tal fin, están previstas instalaciones de refrigeración correspondientes debajo de la banda.
Se conoce por el documento DE-PS 10 63 343 un procedimiento para la fundición de bandas de bronce al plomo, en el que la banda de acero es calentada a una temperatura de aproximadamente 1100ºC, para impedir una retracción de la banda. Previamente se ha configurado la banda en un perfil en forma de U con bordes acodados. Después de la fundición y refrigeración de la banda, sobre la que no se hacen, sin embargo, declaraciones, la banda es fresada hasta el espesor deseado y finalmente es arrollada.
Se conoce por el documento DE 44 37 565 A1 un procedimiento para la producción de un material fundido compuesto de acero, No se trata de un procedimiento continuo de fundición de banda, sino de un procedimiento de fundición estacionario o bien centrifugado, en el que se recubren cáscaras de cojinete ya transformadas. Esta aleación de cojinetes a base de cobre contiene níquel y silicio en una relación determinada, de manera que se suprimen las fases frágiles de hierro siliciuro en la zona de unión. El elemento deslizante a recubrir es precalentado, siendo seleccionada la temperatura de precalentamiento en función del espesor de la cero. Este procedimiento solamente es adecuado para cojinetes grandes y, por lo tanto, para piezas caras. Este procedimiento conocido no se puede emplear para la fabricación en serie, como es necesaria en el caso de los cojinetes dimensionados pequeños con espesores de acero inferiores 10 mm.
El cometido de la invención consiste en preparar, partiendo del documento DE-OS 25 48 941, un procedimiento y un material compuesto estratificado, que es adecuado para puntos de cojinete, en el que se da fricción mixta, que es resistente a la corrosión y se puede transformar en frío así como resiste cargas máximas.
El cometido se soluciona a través de un procedimiento, en el que el material de soporte es precalentado a una temperatura de 1000ºC a 1100ºC, y se funde una aleación de cojinete sin plomo, que presenta una estructura de textura heterogénea, a base de cobre-cinc o cobre-aluminio con una temperatura de 1000ºC a 1250ºC, donde el material compuesto estratificado es refrigerado dentro de 2 a 4 minutos desde la temperatura de fundición de la aleación de cojinete a 100ºC.
Con preferencia, el material compuesto estratificado es refrigerado dentro de los primeros 30 segundos desde la temperatura de fundición de la aleación de cojinetes a la temperatura de solidificación de la aleación de cojinete.
Se ha mostrado que se pueden cumplir los requerimientos planteados al material compuesto estratificado a través de aleaciones de cobre de alta resistencia. A ellas pertenecen latón especial o aluminio bronce que, además de una capacidad de carga alta, ofrecen, con respecto a la compatibilidad con el medio ambiente, la ventaja de que no contienen plomo. En principio, en este grupo de materiales se parte de dos morfologías de texturas diferentes: Sistemas de aleación, que se solidifican de manera homogénea (por ejemplo, CuA18 y CuZn31Si, respectivamente) y sistemas de aleación, que forman una textura heterogénea (por ejemplo, CuA110Fe y CuZn40A1).
Los materiales "homogéneos" están constituidos por un cristal mixto \alpha y poseen, además de buenas propiedades de deslizamiento, también una buena capacidad de conformación en frío. En cambio, las aleaciones "heterogéneas" tiene, favorecidas por su estructura de textura de fases múltiples, elevada resistencia al desgaste, pero peor capacidad de conformación en frío.
Los materiales compuestos con aleaciones de cojinetes a base de cobre-zinc o cobre-aluminio solamente han podido ser fabricados hasta ahora a través de procedimientos de fundición centrífuga. Los procedimientos continuos de fundición de banda apenas han encontrado aplicación hasta ahora, puesto que durante la fundición del material de substrato en la región de la zona de unión se configuraban fases frágiles, que no permitían transformar el material compuesto. Pro esto es imprescindible para la fabricación a bajo coste, por ejemplo, de cojinetes de fricción o de casquillos. Se ha comprobado de manera sorprendente que estos materiales compuestos se pueden transformar, por ejemplo, sin que se desprenda el metal de cojinete fundido desde el material de substrato, cuando se cumplen los parámetros del procedimiento según la invención. A través de la conducción del proceso durante la flexión del acero se posibilita crear un material compuesto, que permite, en general, una transformación al menos del 25%.
La zona de unión en la transición al acero posee una ductilidad suficiente, es decir, que se evita la formación de fases frágiles en la transición acero / metal de cojinete. Con ello se cumplían las condiciones previas para un procesamiento posterior del compuesto estratificado como banda a través de procesos de transformación como laminación o flexión con rodillos, por ejemplo para la fabricación de un casquillo.
Cuando la aleación del cojinete es una aleación de cobre-aluminio, se lleva a cabo, después de la aplicación de la aleación de cojinete y después del proceso de refrigeración, con preferencia un tratamiento de recocido a 600ºC - 750ºC en el transcurso de 4 a 10 horas. En el caso de una aleación de cobre-zinc, el material compuesto estratificado es recocido correspondientemente de una manera ventajosa a una temperatura de 400ºC a 550ºC en el transcurso de 4 a 10 horas.
Con preferencia, la aleación de cojinete se funde con un espesor D_{L}, que presenta, con respecto al espesor D_{T}, del material de soporte, una relación D_{L}/D_{T} = 1 a 2. La configuración de la zona de unión puede estar influenciada a través de la relación entre los espesores.
El material compuesto de capas para cáscaras de cojinetes o casquillos de cojinetes se caracteriza porque la aleación de cojinete está libre de plomo y se basa en cobre-cinc o cobre-aluminio así como posee una estructura de textura heterogénea, donde entre la aleación de cojinete y el material de soporte está presenta una zona de unión metalúrgica, que presenta de 80 a 95% de hierro, las impurezas habituales y como resto cobre, así como está cristalizada cúbicamente.
La determinación de los componentes de la aleación de la capa de unión se realiza de una manera más ventajosa a través de un análisis radiológico disperso de energía (EDX) por medio de microscopio de electrones reticular. Por una zona de unión metalúrgica se entiende una zona de unión, que se configura como capa intermedia claramente reconocible debido a procesos de difusión, por ejemplo, de elementos de la aleación fundida en el material de soporte sólido. La mayoría de las veces, esta zona de unión se representa como cristal mixto o fase intermetálica de ambos materiales.
El alto porcentaje de hierro procede del material de soporte de acero, mientras que el porcentaje de cobre es puesto a disposición por la aleación del cojinete. Además de estos dos componentes, que determinan la textura de la zona de unión metalúrgica, pueden estar contenidas también pequeñas cantidades de los restantes componentes de la aleación. Esta zona de unión metalúrgica garantiza una alta estabilidad y una alta capacidad de carga de todo el material compuesto estratificado.
El espesor de la zona de unión está con preferencia en el intervalo de 5 a 50 \mum.
La estructura heterogénea de la aleación del cojinete sería desfavorable en lo que se refiere a la capacidad de transformación en frío del material, Sin embargo, se ha comprobado de manera sorprendente que la estructura heterogénea no es desfavorable cuando existe una relación ponderada entre las fases \alpha y \beta.
Las fases \beta se ajustan a altas temperaturas y, para garantizar una buena capacidad de transformación, deben transformase, entre otras cosas, a la fase \alpha. Por otra parte, deben estar presentes también porcentajes suficientes de fases \beta, para obtener la heterogeneidad de la estructura de la textura, porque ésta influye de manera ventajosa sobre la resistencia al desgaste.
La transformación de las fases \beta se puede controlar a través de la refrigeración después de la fundición, pero sería deseable una refrigeración lo más rápida posible desde puntos de vista económicos. Se ha comprobado que una refrigeración a 100ºC dentro de 2 a 4 minutos es adecuada para ajustar una relación de las fases \alpha a \beta de 1,5 a 3,0. El material compuesto estratificado con una relación \alpha a \beta de este tipo combina buenas propiedades tribológicas con buena capacidad de transformación así como con buenas propiedades frente a la corrosión y alta capacidad de carga.
A través del proceso de recocido siguiente se puede elevar adicionalmente la relación de las fases \alpha a \beta hasta 6, lo que repercute de una manera favorable sobre las propiedades de transformación.
Con preferencia, el material compuesto estratificado para elementos deslizantes, como cojinetes de fricción o casquillos, se utiliza con un espesor del material de soporte inferior a 10 mm.
La aleación de cobre-zinc puede presentar, por ejemplo, la siguiente composición:
Cobre 55 - 63%
Aluminio 1,5 - 2,5%
Hierro 0,5 - 0,8%
Manganeso 1,8 - 2,2%
Níquel 0,7 - 1%
Estaño 0 - 0,1%
Zinc Resto
Las siguientes son composiciones ejemplares de una aleación de cobre-aluminio:
Aluminio 7,5 - 11%
Hierro 0,5 - 3%
Manganeso 0,5 - 2%
Níquel 1,0 - 3,5%
Zinc 0 - 0,5%
Cobre Resto
El material compuesto estratificado puede presentar adicionalmente todavía una capa ternaria, por ejemplo de PbSnCu o de un flash de estaño como capa de entrada.
A continuación se explican en detalle formas de realización ejemplares con la ayuda de los dibujos. En este caso:
La figura 1 muestra una micrografía de una aleación de cojinete de CuAl9Ni3Fe en el estado fundido sobre un material de soporte de acero.
Las figuras 2a y 2b muestran dos micrografías de un material compuesto estratificado con una aleación de cojinete de CuZn40Al en el estado fundido y
La figura 3 muestra un diagrama de barras sobre la resistencia de la unión de los materiales compuestos CuAl9Ni3 Fe2 y CuZn40Al2, respectivamente, sobre acero y después de un tratamiento térmico, respectivamente, en comparación directa con materiales compuestos estratificados convencionales.
Ejemplo 1 CuAl9Ni3Fe
- banda de acero de 1,6 mm
- plaqueado fundido de la banda de acero Temperatura de pre-calentamiento
del material 1100ºC
Temperatura de fundición de la
aleación de cojinete 1200ºC
- refrigeración en 30 seg. a temperatura de
solidificación, otros 2,5 min a 100ºC
- fresado de la superficie metálica 5 - 15% del espesor del metal
\hskip2mm del cojinete del cojinete
- tratamiento térmico 650ºC, 6 h de tiempo de retención
- proceso de transformación 25%
En la figura 1 se puede ver una micrografía de este material compuesto estratificado en el estado fundido. Sobre el material de soporte de acero 1 se encuentra una zona de unión fina 2, que presenta 88% de hierro y 6% de cobre, donde los componentes restantes están constituidos por los demás componentes de la aleación.
Sobre la zona de unión 2 se encuentra la aleación de cojinete 3, que presenta una estructura dendrítica heterogénea, donde las superficies claras representan la fase \alpha. Las fases \alpha y \betaestán en la relación 2,6 en la aleación de cojinete 3.
Ejemplo 2 CuZn40Al2
- banda de acero de 1,6 mm
- plaqueado fundido de la banda de acero Temperatura de pre-calentamiento
del material 1100ºC
Temperatura de fundición de la
aleación de cojinete 1200ºC
- refrigeración en 30 seg. a temperatura de
solidificación, otros 2,5 min a 100ºC
- fresado de la superficie metálica del cojinete 5 - 15% del espesor del metal
del cojinete
- tratamiento térmico 500ºC, 4 h de tiempo de retención
- proceso de transformación 25%
En las figuras 2a y 2b se representan micrografías del material compuesto estratificado con la aleación de cojinete de CuZn40Al2 en el estado fundido. Entre la capa de soporte de acero 1' y el material de cojinete 3' se encuentra igualmente una zona de unión 20, que presenta 81% de hierro y 8% de cobre, estando constituidos los restantes componentes por los demás componentes de la aleación.
También en este material se muestra una estructura heterogénea.
En la figura 3 se representa la resistencia de la unión en N/mm^{2} para materiales compuestos fabricados según los ejemplos de realización 1 y 2, respectivamente, en comparación con materiales compuestos estratificados convencionales. La zona gris identifica el control del valor de medición. En este caso se ha investigado tanto el estado fundido para CuAl9Ni3Fe2 y CuZn40Al2, respectivamente, como también el estado después del recocido. Se puede reconocer claramente, que los dos materiales compuestos nuevos son claramente superiores, con respecto a la resistencia adhesiva, a los materiales compuestos de acero conocidos, como CuA18 y CuPb10Sn10, respectivamente. Un tratamiento térmico realizado para ajustar la estructura de la textura pretendida para una transformación posterior, no repercute de forma negativa sobre la resistencia adhesiva (en CuZn40Al2 sobre acero se mejora incluso todavía la resistencia adhesiva).

Claims (13)

1. Procedimiento para la fabricación de un material compuesto estratificado para elementos deslizantes, como cáscaras de cojinetes o casquillos de cojinetes, en el que sobre un material de soporte, especialmente de acero, se aplica una aleación de cojinete por medio de un proceso continuo de fundición de banda sobre el material de soporte, caracterizado porque el material de soporte es precalentado a una temperatura de 1000 º C a 1100ºC, porque se funde una aleación de cojinete sin plomo, que presenta una estructura de textura heterogénea, a base de cobre-cinc o cobre-aluminio con una temperatura de 1000 ºC a 1250ºC, y porque el material compuesto estratificado es refrigerado dentro de 2 a 4 minutos desde la temperatura de fundición de la aleación de cojinete a 100ºC.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material compuesto estratificado es refrigerado dentro de los primeros 30 segundos desde la temperatura de fundición de la aleación de cojinetes a la temperatura de solidificación de la aleación de cojinete.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque después de la aplicación de una aleación de cobre-aluminio y después del proceso de refrigeración, se recuece el material compuesto estratificado a 600ºC - 750ºC en el transcurso de 4 a 10 horas.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque después de la aplicación de una aleación de cobre-cinc y después del proceso de refrigeración, se recuece el material compuesto estratificado a una temperatura de 400ºC a 550ºC en el transcurso de 4 a 10 horas.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la aleación de cojinete se funde en un espesor D_{L}, que presenta, con respecto al espesor D_{T}, del material de soporte, una relación D_{L}/D_{T} = 1 a 2.
6. Material compuesto estratificado para elementos de deslizamiento, como cáscaras de cojinete o casquillos de cojinete, con un material de soporte de acero y con una aleación de cojinete fundida, caracterizado porque la aleación de cojinete está libre de plomo y se basa en cobre-cinc o cobre- aluminio así como presenta una estructura de textura heterogénea, donde entre la aleación de cojinete (3, 3') y el material de soporte (1, 1') está presenta una zona de unión metalúrgica (2, 2'), que presenta de 80 a 95% de hierro, las impurezas habituales y como resto cobre, así como está cristalizada cúbicamente.
7. Material compuesto estratificado según la reivindicación 6, caracterizado porque la textura heterogénea presenta fases \alpha y \beta.
8. Material compuesto estratificado según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque en el estado fundido después de la refrigeración y antes del tratamiento térmico, las fases \alpha y \beta están en la relación de 1,5 a 3,0.
9. Material compuesto estratificado según la reivindicación 8, caracterizado porque después del proceso de recocido, la relación de las fases \alpha y \beta se incrementa hasta 6.
10. Material compuesto estratificado según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque la capa de unión presenta un espesor de 5 - 50 \mum.
11. Material compuesto estratificado según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque la aleación de cojinete presenta la siguiente composición:
Cobre 55 - 63% Aluminio 1,5 - 2,5% Hierro 0,5 - 0,8% Manganeso 1,8 - 2,2% Níquel 0,7 - 1% Estaño 0 - 0,1% Zinc Resto
12. Material compuesto estratificado según una de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado porque la aleación presenta la siguiente composición:
Cobre Resto Aluminio 7,5 - 11% Hierro 0,5 - 3%
Manganeso 0,5 - 2% Níquel 1,0 - 3,5% Zinc 0 - 0,5%
13. Material compuesto estratificado según una de las reivindicaciones 6 a 12, caracterizado porque sobre la aleación de cojinete fundida está aplicada una capa ternaria o un flash de estaño como capa de entrada.
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