PT930948E

PT930948E - Peca de desgaste composita

Info

Publication number: PT930948E
Application number: PT97943824T
Authority: PT
Inventors: Hubert Francois
Original assignee: Magotteaux Int
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2001-01-31
Also published as: SK284900B6; HUP9904505A2; EP0930948B1; US6399176B1; EP0930948A1; SK40299A3; PL332578A1; CA2266475A1; HU224208B1; BR9712188A; KR20000048806A; RU2177389C2; DE69702988T2; MY128314A; KR100691295B1; CN1114513C; CN1232416A; AU723329B2; US20020136857A1; JP2001504036A

Description

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DESCRIÇÃO "PEÇA DE DESGASTE COMPÓSITA" A invenção refere-se a uma peça de desgaste compósita obtida por meio de vazamento e constituída por uma matriz metálica cuja superfície de desgaste compreende inserções com boas propriedades de resistência ao desgaste.

Antecedentes tecnológicos da invenção A invenção refere-se particularmente a peças de desgaste utilizadas em instalações de trituração, de moagem e de transporte de matérias abrasivas diversas que se encontram em indústrias como sejam as cimenteiras, minas, metalurgia, centrais eléctricas ou pedreiras diversas. Estas peças são frequentemente submetidas a solicitações mecânicas elevadas na sua massa e a um forte desgaste com abrasivos na sua superfície de serviço. É desde logo desejável que estas peças apresentem uma grande resistência à abrasão e uma certa ductilidade para poderem resistir às solicitações mecânicas por exemplo choques e para poderem eventualmente ser maquinadas.

Se bem que estas duas propriedades sejam dificilmente conciliáveis entre si no mesmo material, foram já propostas peças compósitas com um núcleo em liga relativamente dúctil no qual são mergulhadas inserções isoladas que têm uma boa resistência ao desgaste. 1 L-Cj 0 documento EP-A-0476496 propõe esta técnica para a obtenção de massas de trituração cuja superfície de serviço está guarnecida de inserções em ferro fundido com crómio.

Atendendo a que os materiais cerâmicos têm boas propriedades de resistência à abrasão, é igualmente conhecida a utilização destes materiais para melhorar a resistência à abrasão de peças de desgaste. 0 documento EP-A-0575685, no qual os preâmbulos das reivindicações 1 e 9 são baseados, propõe a utilização de materiais cerâmicos num molde por vazamento de precisão em cera perdida de pequenas peças de desgaste.

Este processo bem conhecido utiliza modelos em cera que devem ser fundidos para a obtenção da cavidade do molde que deve ser cheia de metal; este molde é constituído em si mesmo por um material cerâmico e por uma areia clássica.

De acordo com este documento, forma-se em primeiro lugar uma massa cerâmica de estrutura esponjosa que apresenta uma rede tridimensional de poros abertos que comunicam todos entre si. Esta massa cerâmica é formada vertendo num molde apropriado grãos de materiais cerâmicos e em seguida, uma cola líquida com boa fluidez, por exemplo uma resina líquida que, após endurecimento, fixa os grãos para formar a estrutura cerâmica. O material cerâmico pode ser constituído por óxido de alumínio ou por óxido de zircónio. Após ter sido previamente impregnada de cera, esta massa é colocada num molde destinado a criar o modelo de cera da peça. 0 modelo de cera é então vazado e obtém-se finalmente o molde cerâmico por imersão do modelo de cera numa barbotina de material cerâmico. 0 molde cerâmico contendo o modelo de cera é então aquecido de forma a fazer fundir o modelo de cera. A cera 2

I ν

escoa assim do molde de material cerâmico mas as massas inseridas previamente no molde de cera permanecem coladas às paredes do molde cerâmico.

Para o vazamento do metal no molde cerâmico, este é pré-aquecido a uma temperatura da ordem de 1150°C, geralmente em vazio.

Esta técnica conhecida limita-se todavia ao vazamento de precisão em cera perdida. Além disso, a compatibilidade entre a matriz metálica e a estrutura cerâmica, sobretudo em termos de comportamento térmico, não coloca problemas para as aplicações mencionadas no documento, sendo certo que, durante o vazamento do metal, o molde e a estrutura cerâmica são pré-aquecidos a uma temperatura elevada. A técnica é, além disso, limitada à produção de peças particulares muito precisas, que são vendidas a um preço muito elevado porque o processo de moldagem em cera perdida é em si mesmo muito dispendioso. 0 documento "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" (1985), W. Gerhartz, VCH Verslagsgesellschaft, 5a Edição XP002023826, página 5, menciona composições à base de Al203-Zr02 para instalações de moagem destinadas a tratar produtos de fundição (biletes e lingotes).

Problemas na base da invenção A técnica acima descrita não pode ser transposta tal e qual para o fabrico de peças de desgaste com dimensões mais elevadas para aplicações tais como as encontradas em instalações de moagem, de trituração ou de transporte de materiais abrasivos em que as peças apresentam em geral secções com pelo menos 25 mm, e frequentemente superiores a 40 mm. 3

I .

Além disso, usando a técnica da presente invenção não é possível, ou pelo menos é dificilmente efectuado, o vazamento de peças com pequenas secções, por exemplo inferiores a 25 mm, porque nem o molde nem a inserção em material cerâmico são pré-aquecidos a alta temperatura antes do vazamento do metal.

Além disso, a peça sofre habitualmente um tratamento térmico posterior. É necessário portanto que haja uma certa compatibilidade do ponto de vista do comportamento térmico entre o material cerâmico e o metal para evitar fissurações devidas aos choques térmicos durante o vazamento do metal líquido sobre as inserções cerâmicas e evitam as que se podem desenvolver durante o tratamento térmico posterior e ocasionadas pelos coeficientes de dilatação diferentes destes dois materiais. É necessário, por outro lado, que as propriedades mecânicas do material cerâmico sejam adaptadas às do metal a fim de se obter uma peça cujas propriedades obedeçam às exigências da aplicação particular à qual ela se destina. 0 objectivo da presente invenção é de proporcionar uma peça de desgaste compósita com inserções cerâmicas que responda, de forma satisfatória, às exigências acima enumeradas.

Um segundo problema que se coloca é o facto de para além de uma espessura de 25 mm do material cerâmico, se observar uma má infiltração do metal. Um outro objectivo da presente invenção visa resolver este segundo problema propondo geometrias particulares da peça de desgaste compósita.

Principais elementos característicos da invenção 4

ν I .

1___,

Para atingir ο primeiro objectivo, a invenção propõe uma peça de desgaste compósita obtida por meio de vazamento clássico ou centrífugo. Ela é constituída por uma matriz metálica cuja superfície de desgaste compreende inserções com boas propriedades de resistência à abrasão, sendo estas inserções feitas de um material cerâmico, ele mesmo compósito, constituído por uma solução sólida ou fase homogénea de 20 a 80% de Al203 e 80 a 20% de Zr02, sendo as percentagens expressas em peso de constituintes. O material cerâmico pode também conter outros óxidos cuja proporção em peso não exceda 3 a 4%.

De acordo com uma primeira forma de execução preferida da presente invenção, a composição do material cerâmico é a seguinte: 55-60% em peso de A1203 e 38-42% em peso de Zr02.

De acordo com uma outra forma de execução preferida, a composição do material cerâmico é a seguinte: 70-77% em peso de A1203 e 23-27% em peso de Zr02. O teor em materiais cerâmicos na inserção está compreendido entre 35 e 80% em peso, de preferência entre 40 e 60% e com vantagem é da ordem de 50%.

Este material cerâmico compósito é obtido a partir de um aglomerado de grãos cerâmicos que apresentam uma granulometria compreendida na gama F6 a F22 de acordo com a norma FEPA, quer dizer com um diâmetro compreendido entre cerca de 0,7 mm e 5,5 mm. Estes grãos cerâmicos são fabricados de forma clássica, por electrofusão, por 5

V 1 Vj t sinterização, por projecção térmica ou por qualquer outro processo que permita fundir os dois constituintes.

Os grãos cerâmicos são aglomerados com ajuda de uma cola, cuja proporção não excede 4% em peso em relação ao peso total da massa, e está de preferência compreendida entre 2 e 3% em peso. Esta cola pode ser mineral ou orgânica. A titulo de exemplo, pode citar-se uma cola à base de silicato ou uma cola que se apresenta sob a forma de resina epoxi. A invenção baseia-se na constatação de que o óxido de alumínio (corindo) e o óxido de zircónio têm propriedades relativamente diferentes, o que permite, por uma escolha criteriosa das diferentes porções acima citadas, ajustar a dureza, a tenacidade e o coeficiente de dilatação térmica do compósito cerâmico de forma a conjugar uma boa dureza com uma boa tenacidade e de o tornar compatível com a aplicação precisa à qual a peça se destina, por um lado, e para obter, por outro lado, um coeficiente de dilatação do compósito cerâmico que seja próximo do metal de vazamento escolhido, quer dizer do ferro fundido ou do aço tendo um coeficiente de dilatação compreendido entre 10.10"6 e 11.IO-6. 0 óxido de zircónio tem a vantagem de ter um coeficiente de dilatação que está próximo do metal. Além disso, contribui para uma boa tenacidade, quer dizer que reduz os riscos de fissuração. O óxido de alumínio, por seu lado, contribui para uma boa dureza. No seio da massa, as partículas de zircónia presentes na alumina permitem aumentar a resistência à fissuração desta última e obter assim uma tenacidade superior à de cada um dos componentes considerado isoladamente, a saber Zr02 ou A1203. 6

Dito de outra forma, nas peças de desgaste que são submetidas a uma forte abrasão, há um interesse em aumentar a proporção de óxido de alumínio não ultrapassando, todavia, um certo limite além do qual a resistência à abrasão e a tenacidade começam a diminuir. Neste caso, escolhe-se sobretudo a segunda gama para a composição cerâmica.

Em oposição, nas peças que são submetidas a choques importantes ou a pressões elevadas, há interesse em privilegiar o coeficiente de dilatação em detrimento da dureza e aumentar a proporção de óxido de zircónio a fim de diminuir as tensões na peça e, por este facto, os riscos de fissuração.

Para as peças onde há risco de fissuração durante o vazamento ou durante o tratamento térmico posterior, é igualmente vantajoso aumentar a proporção de óxido de zircónio para aproximar o coeficiente de dilatação da inserção do da matriz metálica. A escolha das proporções dos constituintes da inserção cerâmica compósita pode, bem entendido, igualmente ter em conta a composição do metal de vazamento tendo em vista as propriedades que a aplicação à qual a peça é destinada exige. De igual modo, a escolha da composição do metal de vazamento pode ser adaptada à natureza da inserção compósita. A fim de resolver o problema da má infiltração do metal líquido no seio da fase cerâmica, são propostas diversas geometrias no quadro da presente invenção.

No caso particular em que a espessura da massa realizada em material cerâmico se torna importante, propor-se-ão, de acordo com uma primeira forma de execução, duas ou várias 7 \i

V massas de material cerâmico sobrepostas mantendo estas massas separadas por um espaço mínimo da ordem de 10 mm a fim de permitir a chegada do metal líquido. Isto permite obter assim uma infiltração correcta das diversas massas. Deste modo, obtém-se um aumento apreciável da proporção da fase cerâmica no seio da inserção sem se ser confrontado com o problema da má infiltração do metal.

De acordo com outra forma de execução, propõe-se sobretudo obter a massa sob a forma de uma estrutura em "ninhos de abelhas" que compreende diversas células elementares que se apresentam sob a forma poligonal ou circular no seio da fase cerâmica. De preferência, a espessura das paredes das diferentes células constituindo a fase cerâmica varia entre 5 e 25 mm.

De novo, esta forma de execução permite aumentar a quantidade da fase cerâmica sem todavia se correr o risco do problema de uma má infiltração do metal líquido no caso de uma peça cujo desgaste se efectua mais particularmente em profundidade.

De novo, a vantagem reside no facto de as paredes não excederem a espessura limite de infiltração do metal líquido, que é de cerca de 25 mm, com todavia uma altura que é praticamente igual à altura da peça compósita. Por outro lado, ao propor esta segunda forma de realização da massa sob a forma de "ninhos de abelhas", observa-se uma melhoria do processo de trituração. Com efeito, são criados, após um certo período de tempo, alvéolos ocos na parte celular metálica, que se enchem em seguida de material a triturar e que asseguram assim um papel de auto-protecção contra o desgaste. Este permite evitar com vantagem que o material triturado possa criar caminhos de desgaste preferenciais o 8

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que se traduziria por uma baixa de débito para os trituradores. Observa-se por outro lado que esta estrutura sob a forma de "ninhos de abelhas" de acordo com a segunda forma de realização preferida permite reduzir o risco da propagação das fissuras que poderiam desenvolver-se na massa infiltrada durante a obtenção da peça. Com efeito, as fissuras que se formassem fechavam-se então sobre si próprias e não se propagariam a toda a peça.

Breve descrição das figuras A figura 1 descreve uma peça de desgaste compósita de acordo com uma primeira forma de realização preferida da presente invenção. A figura 2 descreve uma peça de desgaste compósita de acordo com uma segunda forma de realização preferida da presente invenção. A figura 3 descreve uma aplicação particular para uma peça de desgaste compósita de acordo com a presente invenção.

Exemplos

Exemplo 1: fabricação de um ejector de triturador de eixo vertical

Prepara-se uma mistura de 75% de A1203 e de 23% de Zr02 na qual se fundem por meio de electrofusâo os dois constituintes para se obterem grãos compósitos com uma granulometria compreendida nas categorias F6 a F20 da norma FEPA. Deitam-se em seguida estes grãos num molde com uma forma adequada contendo uma cola liquida a qual, após endurecimento, fixa os grãos em conjunto para formarem uma massa cerâmica. 9

V t

Neste exemplo particular, é recomendado utilizar a configuração representada na figura 1, que toma duas massas cerâmicas sobrepostas e que deixa entre si um espaço de 10 mm. Estas massas são colocadas num molde adequado, feito de preferência de areia, no qual se vaza em seguida ferro fundido liquido compreendendo 3% de carbono, 26% de crómio e outros elementos de liga tradicionais em baixa proporção que se encontram sempre em ligas deste tipo. É assim obtida uma peça de desgaste com inserções cerâmicas com uma dureza de cerca de 1600 Hv e com um coeficiente de dilatação de cerca de 8.10-6, que é fixada numa matriz de ferro fundido com uma dureza de cerca de 750 Hv.

Exemplo 2: fabricação de um rótor de triturador

Prepara-se o material cerâmico da maneira descrita no exemplo 1 mas escolhendo, desta vez, uma composição que privilegia o coeficiente de dilatação em detrimento da dureza, isto é incorporando 4 0% de Zr02 e 60% de AI2O3.

Sendo sabido que a espessura é particularmente importante para este tipo de peças, é utilizada uma configuração sob a forma de "ninhos de abelhas" tal como a representada na figura 2. Neste caso, a estrutura tem a forma de "ninhos de abelhas" cujas células têm paredes cuja espessura é de cerca de 20 mm e cuja altura é praticamente igual à altura da peça compósita. Esta estrutura é obtida com a ajuda de um aço de manganês com uma composição de 1% de carbono, 14% de manganês e 1,5% de molibdénio. É desta forma obtida uma peça compósita com uma dureza de cerca de 1350 Hv e com um coeficiente de dilatação de cerca de 9.10-6. O objectivo é assim o de diminuir o risco de 10 fissuração na peça devida ao nível de impacto elevado a que este tipo de peça é submetido.

Exemplo 3; batedor A figura 3 representa um exemplo de uma massa cerâmica utilizada numa aplicação em batedores, que permite reforçar as três fases de desgaste do batedor. A massa cerâmica é uma peça única, situada no seio da fase metálica.

Lisboa, 17 de Outubro de 2000

O AGENTE 01TCIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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Claims

- L· K- t REIVINDICAÇÕES 1. Peça de desgaste compósita obtida por meio de vazamento clássico ou centrífugo utilizando moldes de areia e constituída por uma matriz metálica cuja ou cujas superfícies de serviço compreendem inserções com uma boa resistência ao desgaste, caracterizada por as peças terem um secção superior a 25 mm e por as inserções serem obtidas a partir de uma massa cerâmica impregnada com um metal líquido durante o vazamento, sendo esta massa cerâmica constituída por uma solução sólida homogénea de 20 a 80% de A1203 e de 80 a 20% de Zr02, sendo as percentagens expressas em peso dos constituintes.
2. Peça de desgaste compósita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material cerâmico compreender de 55 a 60% de A1203 e de 38 a 42% de Zr02.
3. Peça de desgaste compósita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material cerâmico compreender de 70 a 77% de A1203 e de 23 a 27% de Zr02.
4. Peça de desgaste compósita de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por o teor em material cerâmico na inserção estar compreendido entre 35 e 80% em peso, de preferência entre 40 e 60% e com vantagem de cerca de 50%.
5. Peça de desgaste compósita de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por as inserções serem constituídas por um aglomerado de grãos 1 V V t ít~ •! Vi cerâmicos compósitos tendo uma granulometria compreendida na gama F6 a F22 da norma FEPA.
6. Peça de desgaste compósita de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por os grãos cerâmicos serem obtidos por meio de electrofusão, por sinterização, por projecção térmica ou por qualquer outro processo.
7. Peça de desgaste compósita de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por os grãos cerâmicos serem solidarizados com a ajuda de uma cola liquida mineral ou orgânica para se obter a massa cerâmica.
8. Peça de desgaste compósita de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por a massa não conter mais de 4% de cola.
9. Peça de desgaste compósita obtida pór vazamento utilizando moldes de areia e constituída por uma matriz metálica contendo pelo menos uma massa cerâmica, caracterizada por as peças terem uma secção superior a 25 mm e por pelo menos duas massa cerâmicas serem justapostas, deixando entre si um espaço de cerca de 10 mm a fim de permitir a chegada do metal líquido.
10. Peça de desgaste compósita obtida por meio de vazamento clássico ou centrífugo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, constituída por uma matriz metálica compreendendo uma massa cerâmica resistente ao desgaste, caracterizada por a massa cerâmica se apresentar sob a forma de uma estrutura de ninhos de abelhas cujas diversas células têm a forma poligonal ou circular no seio da fase cerâmica. 2
11. Peça de desgaste compósita de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por a espessura das paredes das diferentes células que constituem a fase cerâmica variar de 5 a 25 mm. Lisboa, 17 de Outubro de 2000 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAI. 3