Material compuesto jerarquizado que contiene una aleación ferrosa reforzada con carburos de titanio según una geometría definida en la que,

la parte reforzada contiene una macro-microestructura alternada de zonas milimétricas

(1) concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) separadas por zonas milimétricas (2) esencialmente exentas de partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) . Dichas zonas concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) forman una microestructura en la que los intersticios micrométricos (3) entre dichas partículas globulares (4) también están ocupadas por dicha aleación ferrosa.

Material compuesto jerarquizado.

Objeto de la invención La presente invención se refiere a un material compuesto jerarquizado que presenta una resistencia mejorada en la exigencia combinada desgaste/impacto. El compuesto contiene una matriz metálica de hierro fundido o acero, reforzada mediante una estructura particular de carburo de titanio.

Descripción Los compuestos jerarquizados son una familia muy conocida en la ciencia de los materiales. En las piezas de desgaste compuestas fabricadas en fundición, los elementos de refuerzo deben tener un espesor suficiente para resistir a exigencias importantes y simultáneas en términos de desgaste e impacto.

Las piezas de desgaste compuestas, reforzadas con carburo de titanio son muy conocidas por el experto en la materia y, su realización, mediante diferentes vías de acceso, se describe en el artículo recapitulativo « A review on the various synthesis routes of TiC reinforced ferrous based composites » publicado en Journal of Material Science 37 (2002) , páginas 3881-3892.

Las piezas de desgaste compuestas reforzadas con carburo de titanio creado in situ son una de las posibilidades que menciona este artículo, en el punto 2.4. Sin embargo, en este caso, las piezas de desgaste se realizan utilizando polvos, exclusivamente, en el marco de una reacción de síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS) , en la que el titanio reacciona de manera exotérmica con el carbono, para formar carburo de titanio, en una matriz a base de una ferroaleación, que también se introduce en forma de polvo. Este tipo de síntesis permite obtener carburo de titanio globular micrométrico, disperso de manera homogénea en una matriz de una ferroaleación (Fig. 12A (c) ) . El artículo describe muy bien la dificultad para manejar ese tipo de reacción de síntesis.

El documento EP 1 450 973 (Poncin) describe un refuerzo de pieza de desgaste que se realiza colocando, en el molde destinado a recibir el metal de colada, un inserto constituido por una mezcla de polvos que reaccionan entre sí, gracias al calor que aporta el metal durante la colada a alta temperatura (> 1400°C) . La reacción entre los polvos se desencadena por el calor del metal de colada. Los polvos del inserto reactivo, tras desencadenarse la reacción de tipo SHS, crearán un aglutinante poroso (conglomerado) de partículas duras de cerámicas formadas in situ; este aglutinante poroso, una vez formado y a temperatura muy elevada, se infiltrará inmediatamente por el metal de colada. La reacción entre los polvos es exotérmica y autopropagada, lo que permite una síntesis del carburo en el molde a alta temperatura y aumenta considerablemente la mojabilidad del aglutinante poroso respecto del metal de infiltración. Esta tecnología, aunque mucho más económica que la pulvimetalurgia, sigue siendo bastante onerosa.

El documento WO 02/053316 (Lintunen) describe especialmente una pieza compuesta obtenida mediante reacción SHS entre el titanio y el carbono en presencia de aglutinantes, lo que permite llenar los poros del esqueleto constituido por el carburo de titanio. Las piezas se realizan a partir de polvos comprimidos en un molde. La masa caliente que se obtiene después de la reacción SHS permanece plástica y se comprime en su forma definitiva. Sin embargo, la reacción no se activa por el calor de cualquier metal de colada externo y, además, tampoco hay fenómeno de infiltración de un metal de colada externo. El documento EP 0 852 978 A1 y el documento US 5, 256, 368 describen una técnica análoga ligada a la utilización de una presión o una reacción bajo presión para lograr una pieza reforzada.

El documento GB 2 257 985 (Davies) describe un método para realizar una aleación reforzada de carburo de titanio mediante pulvimetalurgia. Este se presenta en forma de partículas microscópicas globulares de menos de 10 µm dispersas en la matriz metálica porosa. Las condiciones de reacción se eligen para propagar un frente de reacción SHS en la pieza a fabricar. La reacción se activa con un quemador y no hay infiltración de metal de colada externo.

El documento US 6, 099, 664 (Davies) describe una pieza compuesta que contiene boruro de titanio y, eventualmente, carburo de titanio. La mezcla de polvos, que contiene ferrotitanio eutéctico, se calienta en quemador para formar reacciones exotérmicas de boro y titanio. Aquí, se propaga un frente de reacción a través de la pieza.

El documento US 6, 451, 249 B1 describe una pieza compuesta reforzada que contiene un esqueleto de cerámica con, eventualmente, carburos ligados entre sí mediante una matriz metálica que funciona como aglutinante y que contiene una termita capaz de reaccionar según una reacción SHS para producir el calor de fusión necesario para aglomerar los granos de cerámica.

Los documentos WO 93/03192 y US 4, 909, 842 también describen un método para realizar una aleación que contiene partículas de carburo de titanio finamente dispersas en una matriz metálica. Nuevamente se trata de una técnica de pulvimetalurgia y no de una técnica de infiltración por una colada en fundición.

El documento US 2005/045252 describe un compuesto jerarquizado con una estructura jerarquizada periódica y tridimensional de fases metálicas duras y dúctiles dispuestas en bandas.

También hay otras técnicas conocidas por el experto en la materia como, por ejemplo, el añadido de partículas duras al metal líquido, en el horno de fusión, o incluso técnicas de recarga o refuerzos mediante insertos. Sin embargo, todas estas técnicas presentan diversos inconvenientes que no permiten realizar, de manera económica, un compuesto jerarquizado reforzado con carburo de titanio prácticamente sin límite de espesor y con una buena resistencia al impacto y al descascarillado.

Objetivos de la invención

La presente invención se propone solucionar los inconvenientes del estado de la técnica y describe un material compuesto jerarquizado con una resistencia mejorada al desgaste, manteniendo una buena resistencia al impacto. Esta propiedad se obtiene mediante una estructura de refuerzo particular que toma la forma de una macromicroestructura con zonas milimétricas discretas concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio.

La presente invención también propone un material compuesto jerarquizado que contiene una estructura particular de carburo de titanio que se obtiene mediante un procedimiento particular.

La presente invención propone, además, un procedimiento para obtener un material compuesto jerarquizado que contiene una estructura particular de carburo de titanio.

Resumen de la invención

La presente invención describe un material compuesto jerarquizado que contiene una aleación ferrosa reforzada con carburos de titanio, según una geometría definida en la que, la parte reforzada contiene una macro-microestructura alternada de zonas milimétricas concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio separadas por zonas milimétricas esencialmente exentas de partículas globulares micrométricas de carburo de titanio. Dichas zonas concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio forman una microestructura en la que los intersticios micrométricos entre dichas partículas globulares también están ocupados por dicha aleación ferrosa.

Según modos particulares de la invención, el material compuesto jerarquizado contiene, al menos, una o una combinación adecuada de las siguientes características:

- las zonas milimétricas concentradas tienen una concentración de carburos de titanio superior al 36.9% en volumen;

- la parte reforzada tiene un tenor global de carburo de titanio comprendido entre el 16.6 y el 50.5% en volumen;

- las partículas micrométricas globulares de carburo de titanio tienen un tamaño inferior a 50 µm;

- la mayor parte de las partículas micrométricas globulares de carburo de titanio tiene un tamaño inferior a 20 µm;

- las zonas concentradas en partículas globulares de carburo de titanio contienen del 36.9 al 72.2% en volumen de carburo de titanio;

- las zonas milimétricas concentradas de carburo de titanio tienen una dimensión que varía de 1 a 12 mm;

- las zonas milimétricas concentradas de carburo de titanio tienen una dimensión que varía de 1 a 6 mm;

- las zonas concentradas de carburo de titanio tienen una dimensión que varía de 1.4 a 4 mm;

- el compuesto es una pieza de desgaste.

La presente invención también describe un procedimiento... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto jerarquizado que contiene una aleación ferrosa reforzada con carburos de titanio según una geometría definida en la que, la parte reforzada contiene una macro-microestructura alternada de zonas milimétricas

(1) concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) separadas por zonas milimétricas

(2) esencialmente exentas de partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) . Dichas zonas concentradas en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) forman una microestructura en la que los intersticios micrométricos (3) entre dichas partículas globulares (4) también están ocupadas por dicha aleación ferrosa.

2. Material compuesto según la reivindicación 1, en el que dichas zonas milimétricas concentradas tienen una concentración de carburo de titanio (4) superior al 36.9% en volumen.

3. Material compuesto según la reivindicación 1, en el que la parte reforzada tiene un tenor global de carburo de titanio entre el 16.6 y el 50.5% en volumen.

4. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que las partículas micrométricas globulares de carburo de titanio (4) tienen un tamaño inferior a 50 µm.

5. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mayor parte de las partículas micrométricas globulares de carburo de titanio (4) tienen un tamaño inferior a 20 µm.

6. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las zonas concentradas en partículas globulares de carburo de titanio (1) contienen del 36.9 al 72.2% en volumen de carburo de titanio.

7. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las zonas milimétricas concentradas en carburo de titanio (1) tienen una dimensión que varía de 1 a 12 mm.

8. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las zonas milimétricas concentradas en carburo de titanio (1) tienen una dimensión que varía de 1 a 6 mm.

9. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las zonas concentradas en carburo de titanio (1) tienen una dimensión que varía de 1.4 a 4 mm.

10. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el compuesto es una pieza de desgaste.

11. Procedimiento de fabricación mediante colada del material compuesto jerarquizado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que incluye las siguientes etapas:

puesta a disposición de un molde que contiene la huella del material compuesto jerarquizado con una geometría de refuerzo predefinida;

introducción, en la parte de la huella destinada a formar la parte reforzada, de una mezcla de polvos compactos que contienen carbono y titanio en forma de granos milimétricos precursores del carburo de titanio;

colada de una ferroaleación en el molde, el calor de dicha colada desencadena una reacción exotérmica de síntesis autopropagada de carburo de titanio a alta temperatura (SHS) en los mencionados granos precursores;

formación, en la parte reforzada del material compuesto jerarquizado, de una macro-microestructura alternada de zonas milimétricas concentradas (1) en partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) en el emplazamiento de dichos granos precursores. Dichas zonas están separadas entre sí por zonas milimétricas (2) esencialmente exentas de partículas globulares micrométricas de carburo de titanio (4) . Dichas partículas globulares (4) también están separadas por intersticios micrométricos (3) en las zonas milimétricas concentradas (1) de carburo de titanio;

infiltración de los intersticios milimétricos (2) y micrométricos (3) por dicha ferroaleación de colada a alta temperatura, consecutiva a la formación de partículas microscópicas globulares de carburo de titanio (4) .

12. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 11, en el que la mezcla de polvos compactos de titanio y carbono contiene un polvo de una ferroaleación.

13. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 11, en el que dicho carbono es grafito.

14. Material compuesto jerarquizado obtenido según el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13.

15. Herramienta o máquina que contiene un material compuesto jerarquizado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 o según la reivindicación 14.

Fig. 1

Fig. 2

Ti C

3. 3d 5

1500°C 2000°C

(e)

18 (f)

(g)

(h)

Fig.

3. 3h

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9 (Ti)

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 13

Pieza de desgaste Parte reforzada Fig. 14