piezas para molienda de aridos compuestas de una matriz metalica

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
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kNúmero de solicitud: 200102078
kInt. Cl. : B22D 19/08
11 Número de publicación:
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ESPAÑA
B22D 19/02
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SOLICITUD DE PATENTE
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71 Solicitante/s: FUNDACION INASMET
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72 Inventor/es: Erauskin Lopetegui, José Ignacio
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74 Agente: Urizar Barandiarán, Miguel Angel
22 Fecha de presentación: 17.09.2001
Mikeletegi Pasealekua 2 - Parque Tecnológico
20009 San Sebastián, Guipúzcoa, ES
43 Fecha de publicación de la solicitud: 16.08.2003
43 Fecha de publicación del folleto de la solicitud:
16.08.2003
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54 Tı́tulo: Piezas para molienda de áridos compuestas de una matriz metálica con inserto interno de
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material cerámico.
57 Resumen:
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Piezas para molienda de áridos compuestas de una
matriz metálica con inserto interno de material
cerámico, caracterizada porque la matriz metálica es
de fundición blanca altamente aleada al cromo-nı́quel
o al cromo-molibdeno y cercana a la composición
eutéctica; cada inserto es de corindón blanco con un
porcentaje de pureza superior al 99 % de Al2 O3 y se
constituye en un cuerpo de menor espesor que el de
la pieza, con n columnas de perforaciones frontales
y de cuyas caras laterales sobresalen aletas a lo largo
de su altura.
De aplicación en fundición metálica con refuerzos
cerámicos.
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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ES 2 190 881 A1
DESCRIPCION
Piezas para molienda de áridos compuestas de
una matriz metálica con inserto interno de material cerámico.
El objeto del invento son piezas para molienda
de áridos compuestas de una matriz metálica con
inserto interno de material cerámico y su proceso
de fabricación.
Ya son conocidas las piezas de matriz metálica
con inserto/s interno/s de material cerámico.
En el documento EP-0 575 685 se propone
la utilización de materiales cerámicos en el moldeo de precisión de pequeñas piezas de desgaste
y textualmente dice “las piezas de fundición de
acuerdo a esta invención se ejecutan mediante
procedimiento de fundición de precisión, en los
que se utilizan modelos fundibles o combustibles
(cera) para la producción del molde”. Según este
documento, se forma primero una galleta esponjosa, presentando una red tridimensional de poros abiertos comunicados entre ellos, en una especie de esponja cerámica. Sobre esta estructura se
cuela el metal lı́quido que llena los poros y forma,
tras la solidificación la matriz metálica de la pieza
composite. La galleta cerámica puede obtenerse
por moldeo en un molde apropiado con los granos
de material cerámico y una cola de una buena fluidez, por ejemplo, una resina lı́quida, que después
de endurecer, retiene los granos cerámicos para
formar la estructura cerámica. La materia cerámica puede estar constituida por óxido de aluminio o de zirconio.
Esta técnica de fundición de precisión o moldeo a la cera perdida no es aplicable a la producción de piezas de molienda de áridos, puesto
que éstas (por sus dimensiones) poseen un peso
superior a los 40 kg., llegando algunas a los 3.000
kgs. y el moldeo a la cera perdida es viable para
piezas de entre 5 gr. y 20 kg.
La razón para esta limitación de peso reside
en que los modelos representativos de las piezas
se elaboran con cera inyectada en un molde metálico, que posteriormente es revestida de capas
cerámicas y evacuada por fusión. Entonces, este
procedimiento resulta inviable, técnica y económicamente, para piezas voluminosos y pesadas
como las del caso presente.
Además, las capas cerámica anteriores deben
ser precalentadas a unos 1.000◦C antes de la colada del metal lı́quido. Debido a esto, para otros
tipos de fundición, coladas de esta manera resultan completamente frágil, en razón a la microestructura (carburos muy groseros, alargados y frágiles) que se origina en un proceso de solidifación
muy lento, derivado de un reducidı́simo gradiente
térmico metal-molde.
Por otra parte, según la invención del documento EP-0 575 685, no es posible la consecución
de composites metal-cerámica con los insertos de
ésta en el interior del metal, sino solo en el exterior, con una superficie de contacto (solo de contacto) entre ambos y con la única ligazón del metal que pueda penetrar, solo en un sentido por los
orificios de la preforma cerámica. Para las piezas de molienda de áridos, esta solución resulta
del todo inadecuada, puesto que la magnitud de
los impactos de los áridos (trozos de piedra con
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levada energı́a dinámica) junto con las vibraciones y el movimiento rotacional a los que son sometidas, hace saltar en pedazos la cerámica en el
primer instante de funcionamiento de la máquina.
El documento WO009815373 concierne a piezas composites metalcerámica con buena resistencia al desgaste, en la que los insertos consisten en bloques de cerámica formada por una solución sólida homogénea de 80-20 %Al2 O3 y 2080 %ZrO2 .
El solicitante ha desarrollado unas piezas en
las que los insertos de cerámica son de corindón
blanco (99’6 %Al2 O3 ) porque la posibilidad de
utilizar una cerámica a base, exclusivamente, de
100 %Al2 O3 presenta las siguientes ventajas:
- Menor costo del material, derivado del de
las materias primas de partida (el óxido de
zirconio es escaso y caro), ası́ como de la
complejidad del proceso para la obtención
de la solución sólida.
- Mayor dureza de la cerámica, 40 %, con respecto a la de menor contenido en zirconia y
mayor para los demás contenidos y, en consecuencia, mayor resistencia al desgaste y
mayor duración de la pieza en servicio.
- Mayor resistencia a la rotura por cizalladura
y mayor tenacidad a la fractura por impacto
(ambos mecanismos, cizalladura e impacto,
son los que intervienen en el trabajo de las
piezas durante la molienda de áridos) de los
granos de cerámica.
- Menor densidad de la cerámica (la alúmina
tiene 3,9 g/cm3 frente a los 5,7 g/cm3 de la
zirconia). Esto hace que los insertos a base
de corindón (alúmina prácticamente pura)
sean más ligeros que los de alúmina-zirconia, por lo que la pieza resulta aligerada en
el primer caso frente al segundo.
- Menor riesgo de agrietamiento de la pieza
durante el proceso de fundición (en el enfriamiento dentro del molde como en el tratamiento térmico), puesto que al poseer la
alúmina un coeficiente de expansión térmica menor y una conductividad térmica mayor que las soluciones 80-20 % Al2 O3 -2080 %ZrO2 , la temperatura entre metal y cerámica se uniformiza más rápida y fácilmente, y además al ser menores los cambios de
volumen de la cerámica, el metal se acomoda con menos tensiones a la misma durante su ciclo térmico.
Para el diseño de la matriz metálica de las piezas del invento se efectuaron los siguientes ensayos y pruebas experimentales con distintos aceros
y aleaciones férreas:
a).- Aceros hipo-eutectoides medianamente aleados, colados entre 1.650-1.720◦C (temperaturas superiores son prácticamente inviables técnica y tecnológicamente). Resultado: piezas con poros, con defectos de llenado y sin penetración de metal en los insertos de cerámica.
b).- Aceros hiper-eutectoidews medianamente
aleados, colados entre 1.600-1.720◦C. Resul-
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tado: piezas con los mismos defectos anteriores, aunque en menor cuantı́a.
c).- Acero Hadfield (1,2 % C; 12 % Mn), colado entre 1.500-1.650◦C. Resultado: piezas
agrietadas y porosas.
d).- Fundiciones blancas hipo-eutécticas, coladas entre 1.500-1.650◦C. Resultado: falta
de penetración metal-cerámica.
El solicitante considera que las razones técnicas para este diferente y no deseado comportamiento de los materiales ensayados (prácticamente todas las aleaciones férreas), se basan en
lo siguiente: Los machos de cerámica se encuentran a temperatura ambiente (20-25◦C) a la hora
de la colada del metal lı́quido y éste, en contacto
con ellos, sufre una importante pérdida de temperatura durante el llenado del molde. Esta pérdida
de temperatura conlleva una reducción de la fluidez del metal lı́quido, tanto mayor cuanto más
alta sea su temperatura de solidificación (caso de
los aceros), por lo que tanto el llenado de la pieza
como la penetración e imbibición metal-cerámica
resultan inadecuados. Además, cuanto más alta
sea la temperatura del acero lı́quido, mayor es la
absorción de gases y las piezas resultan porosas.
Estas constataciones llevaron al solicitante a
ensayar con fundiciones blancas eutécticas ya que
en el caso de la fundición blanca eutéctica (altamente aleada al cromo, al cromo-nı́quel o al
cromo-molibdeno), su temperatura de solidificación es la más baja de todas las aleaciones
férreas que responden al diagrama Fe-C-X metaestable (300◦ C más baja que la de los aceros), por
lo que puede incrementarse fácilmente su fluidez
de colada con objeto de asegurar tanto el llenado
de la pieza como la imbibición de las partı́culas
de cerámica del inserto por parte de la matriz
metálica.
Se ensayó con fundiciones blancas eutécticas
o muy cercanas a la composición eutéctica, altamente aleadas al cromo, cromo-molibdeno o
cromo-nı́quel, coladas entre 1.550-1.620◦C. resultado: satisfactorio.
Además, al contener estas aleaciones en torno
a un 30 % de carburos en su microestructura,
éstos contribuyen a que la dureza de la matriz
metálica sea más elevada que la de los aceros. De
otra manera, con una matriz más blanda, el desgaste de ésta y el de la cerámica resultan completamente descompensados y el rendimiento de la
pieza durante la molienda es sensiblemente inferior.
Por otra parte, las piezas fabricadas con estos
materiales pueden utilizarse con o sin tratamiento
térmico, dependiendo de las condiciones concretas
de su aplicación.
Por lo tanto, las piezas del invento se caracterizan también porque su matriz metálica está
constituida por una fundición blanca altamente
aleada al cromo, al cromo-molibdeno o al cromonı́quel (Nihard) y cuya composición quı́mica, en
cualquiera de los tres casos, es cercana a la eutéctica.
La pieza composite se obtiene fabricando previamente “machos” con granos de la citada cerámica aglomerados con una resina orgánica de fraguado en frı́o, colocándolos, en posición vertical,
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en moldes de arena endurecida en frı́o o en moldes
de cáscara, y colando el metal lı́quido en el mismo.
Este rodea, “moja” y atrapa mecánicamente, al
solidificar, cada grano del macho de cerámica,
dando como resultado una pieza metálica reforzada interiormente por los granos cerámicos, que
conservan su posición inicial (en el interior de las
caras de trabajo de la pieza) sin desperdigarse
por el resto de la pieza ni hacia el exterior de la
misma.
Estando la resistencia al desgaste de la pieza,
y por tanto su duración en servicio, directamente
influida por la dureza del material metálico y cerámico, la mojabilidad o cohesión metal-granos,
la resistencia a la rotura por cizalla de estos granos, su tenacidad a la fractura, etc., la utilización
de cerámicas cuyas caracterı́sticas sean las más
elevadas posibles, insertas en una matriz metálica
de fundición blanca altamente aleada al cromonı́quel o al cromo-molibdeno cuya dureza es superior a la del resto de las aleaciones férreas, incrementa sensiblemente dicha duración en servicio.
Es muy importante señalar que los moldes de
las piezas del invento se cuelan con los insertos
colocados en vertical, puesto que en horizontal
(como hasta ahora en otros procesos de fundición)
éstos se encuentran suspendidos por los dos extremos en voladizo y antes de que el metal lı́quido
los atrape la resina se quema y el macho (al perder consistencia) se rompe, desperdigándose los
granos de manera aleatoria.
Una vez solidifica la pieza, se desmoldea rápidamente con objeto de conseguir que la microestructura del metal de base esté formada por una
matriz austenı́tica o se enfrı́a de modo convencional y se le somete con posterioridad a un tratamiento térmico para conseguir una microestructura martensı́tica.
También interviene en el invento la geometrı́a
de la pieza e inserto/s.
Con las piezas del invento se consiguen piezas para molienda de áridos, con una vida útil de
servicio superior a un 50 % a las conocidas hasta
ahora y a un precio más económico.
Para comprender mejor el objeto de la presente invención, se representa en los planos una
forma preferente de realización práctica, susceptible de cambios accesorios que no desvirtúen su
fundamento. En este caso particular, la pieza es
de forma paralelepipédica con un inserto a cada
lado y una muesca longitudinal en su cara frontal
y trasera. Cada inserto se constituye en un cuerpo
paralelepipédico con n columnas de perforaciones
frontales y de cuyas caras laterales sobresalen aletas a lo largo de su altura.
La figura 1 es una vista frontal y lateral de la
pieza en su proceso de fabricación.
La figura 2 es una vista en perspectiva de la pieza
según sale del proceso de la figura 1.
La figura 3 es una vista de sección transversal
de la pieza de la figura 2.
La figura 4 es una vista en perspectiva de un
macho para la pieza de la figura 2.
Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativa, del presente invento.
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Para obtener el macho (1) de la figura 4 se
parte de granos de corindón blanco prácticamente
puros (99’6 de Al2 O3 ) (se comprende que porcentajes del 98 ó 99 % no alteran el objeto del invento) y se mezclan con una resina orgánica en
un malaxador discontinuo, se llena la caja de machos con la mezcla, se compacta por vibración y
se fragua en frı́o.
La forma del macho (1) y de cada inserto (4)
de la pieza (2) es prácticamente idéntica, ya que
el uno da origen al otro. Se dispone un molde (no
representado) rellenos de grava compactada por
vibración (18) en los que se colocan las cáscarasmolde (15) en posición vertical y en su interior van
los machos (1) también en posición vertical según
el eje longitudinal de la pieza (2) a conseguir.
En la cáscara-molde (15) se practican unos
orificios (6) superior/inferior para retener por
machi-hembrado a las portadas (9) de los machos
1), que a su vez constan de alas (10) laterales de
apoyo interior en la cáscara molde (15) y que facilitan la salida de gases.
Los orificios (6) y los intersticios en el propio
macho (1) hacen de chimenea para los gases que
se desprenden por la resina orgánica durante la
colada.
Por la mazarota (16) superior se cuela fundición blanca (17) altamente aleada al cromo (Cr)
mediante cuchara con dispositivo de regulación
de caudal (no representado) de modo que la resina del refuerzo cerámico no se queme hasta que
éste esté completamente rodeado por el metal
lı́quido, momento en que es sustituido por éste,
manteniéndose ası́ la disposición deseada del material de refuerzo dentro de la pieza.
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Cuando la fundición se solidifica, se puede desmoldear rápidamente con objeto de conseguir que
la microestructura metálica de base esté formada
por una matriz austenı́tica.
Si se enfrı́a, por ejemplo, al aire, se añade la
operación posterior de un tratamiento térmico obteniéndose estructura martensı́tica.
La pieza obtenida (2) (figura 2) es un paralelepı́pedo que en este caso es de base rectangular,
siendo su altura mucho mayor que su longitud
frontal y éste mucho mayor que su anchura.
Se aprecian en cada cara frontal y trasera una
muesca-ranura (5) con forma aproximada en “V”,
y desfasadas entre sı́.
En una sección (figura 3) se aprecia los constituyentes de la pieza (2).
Un inserto (4) de corindón blanco, con alúmina casi pura y con la misma forma del macho (1)
se ha dispuesto en cada lado del paralelepı́pedo,
cercanos a sus extremos. El resto de la pieza (2)
lo forma la matriz (3) de fundición blanca altamente aleada al Cr. La pieza (2) podrı́a tener
otra forma.
El macho-inserto (1), (4) (figura 4) tiene forma preferente de paralelepı́pedo de bases rectangulares con portadas (9) que se apoyan superiorinferiormente en los orificios (6) de la cáscaramolde (15). Dispone frontalmente (8) o a lo largo
de su altura, de n hileras (11) de perforaciones,
que en este caso son dos, y que se verán rellenadas
de la fundición blanca mencionada.
Lateralmente dispone de alas (10) de caras inclinadas, lo que permite a cada macho su apoyo
por ambos lados en la cáscara-molde (15).
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lienda, caracterizado porque
REIVINDICACIONES
1. Piezas para molienda de áridos compuestas de una matriz metálica con inserto interno de
material cerámico, caracterizada porque:
a) la matriz metálica es de fundición blanca altamente aleada al cromo-nı́quel o al cromomolibdeno y cercana a la composición eutéctica
b) cada inserto es de corindón blanco con un
porcentaje de pureza superior al 99 % de
Al2 O3 .
2. Piezas para molienda de áridos compuestas de una matriz metálica con inserto interno de
material cerámico, según reivindicación anterior,
caracterizada porque la microestructura de la
matriz metálica es austenı́tica.
3. Piezas para molienda de áridos compuestas de una matriz metálica con inserto interno de
material cerámico, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la microestructura de
la matriz metálica es martensı́tica.
4. Piezas para molienda de áridos compuestas de una matriz metálica con inserto interno de
material cerámico, según reivindicación primera,
caracterizada porque cada inserto se constituye
en un cuerpo de menor espesor que el de la pieza,
con n columnas de perforaciones frontales y de
cuyas caras laterales sobresalen aletas a lo largo
de su altura.
5. Proceso de fabricación de piezas para mo-
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a) cada macho se obtiene mezclando granos de
corindón blanco de pureza superior al 99 %
de Al2 O3 con una resina orgánica de fraguado en frı́o teniendo el macho unas portadas superior/inferior y aletas laterales;
b) se coloca cada macho en posición vertical,
en sentido de su longitud, en la cáscara o
molde correspondiente y disponiéndose en
éstos unos orificios para el machi-hembrado
de las portadas superior-inferior del macho;
c) por un bebedero-mazarota superior se cuela
en las cáscara-molde una fundición blanca
altamente aleada al cromo-nı́quel o al
cromo-molibdeno, debidamente sobrecalentada, mediante cuchara con dispositivo de
regulación de caudal de modo que la resina
orgánica no se queme hasta que los granos
de corindón estén rodeados por el lı́quido de
fundición;
d) se solidifica la fundición y se desmoldea.
6. Proceso de fabricación de piezas para molienda, según reivindicación quinta, caracterizado porque la pieza es sometida a un tratamiento térmico de temple y se obtiene una matriz metálica martensı́tica.
7. Proceso de fabricación de piezas para molienda, según reivindicación quinta, caracterizado porque la pieza es sometida a un desmoldeo
rápido para obtener una matriz austenı́tica que
se endurece progresivamente durante el trabajo.
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kN. solicitud: 200102078
kFecha de presentación de la solicitud: 17.09.2001
kFecha de prioridad:
OFICINA ESPAÑOLA
DE PATENTES Y MARCAS
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INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
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51 Int. Cl.7 :
B22D 19/08, 19/02
DOCUMENTOS RELEVANTES
Categorı́a
Documentos citados
Reivindicaciones
afectadas
X
WO 9815373 A (FRANCOIS, H.) 16.04.1998, reivindicaciones.
1-4
A
EP 575685 A (GEBRÜDER SULZER AG) 29.12.1993
1-7
A
EP 368786 A (LANXIDE TECHNOLOGY) 16.05.1990, ejemplos.
1-7
Categorı́a de los documentos citados
X: de particular relevancia
O: referido a divulgación no escrita
Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la
P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación
misma categorı́a
A: refleja el estado de la técnica
de la solicitud
E: documento anterior, pero publicado después de la fecha
de presentación de la solicitud
El presente informe ha sido realizado
× para todas las reivindicaciones
Fecha de realización del informe
12.02.2003
para las reivindicaciones n◦ :
Examinador
J. Garcı́a-Cernuda Gallardo
Página
1/1