Elemento de desgaste para operaciones de trabajo en tierra/roca con resistencia al desgaste mejorada.

Elemento de desgaste para máquinas de penetración/movimiento en/de tierra/roca que comprende un acero colado por gravedad que rodea y está unido a al menos un elemento de inserción a granel de un cermet de carburo de tungsteno cementado,

comprendiendo sustancialmente dicho elemento de inserción granos de carburo de tungsteno con una matriz de cementación metálica, caracterizado porque dicho elemento tiene al menos las siguientes tres zonas de unión formadas:

- una zona (1) de unión de sustitución, en la que el acero sustituye el metal de matriz de cementación del elemento de inserción, comprendiendo de este modo una zona en la que granos (11) de carburo de tungsteno están rodeados por acero (12).

- una zona (2) de unión de precipitación, que comprende una fase (22) rica en tungsteno, principalmente tungsteno y hierro, y granos (21) de carburo de tungsteno con un grosor aumentado y/o precipitados.

- una zona (3) de unión libre de carburo de tungsteno, que comprende una fase metálica rica en hierro que es principalmente hierro y tungsteno.

Elemento de desgaste para operaciones de trabajo en tierra/roca con resistencia al desgaste mejorado.

Campo de la invención La presente invención se refiere a elementos de desgaste, tales como dientes de acero colado que van a usarse especialmente en maquinaria para aplicaciones de movimiento de tierra, penetración en suelo y/o corte de roca, así como a elementos de inserción que van a incluirse dentro de los elementos de desgaste para mejorar su resistencia al desgaste prolongando así su vida útil.

Antecedentes de la invención (Técnica anterior)

La colada de inserción de cuerpos duros en partes de acero colado para aplicaciones de movimiento de tierra para mejorar su resistencia al desgaste se ha descrito anteriormente en el estado de la técnica, como por ejemplo en el documento US-5.081.774 (Kuwano) . Este documento describe un diente de excavación de material compuesto sustituible que comprende elementos de inserción de hierro colado de Cr resistentes al desgaste que tienen una dureza superior a un cuerpo de diente y que se cuela por inserción en el cuerpo de diente. El rendimiento del diente de excavación se mejora ubicando el material resistente al desgaste como un elemento de inserción integral en una parte central del cuerpo de diente. El elemento de inserción se extiende desde el extremo de punta hacia una parte de unión del diente y termina en una posición de limitación para el uso potencial de los dientes. Entonces se necesita la sustitución del diente una vez que se alcanza la posición de limitación. Aunque el hierro colado de Cr es un material que es algo similar al acero colado y por tanto aparentemente compatible como elemento de inserción en acero colado, es deseable aumentar la dureza del elemento de inserción por encima de la del hierro colado de Cr con el fin de mejorar el comportamiento al desgaste global de la parte.

De los diferentes materiales usados en el estado de la técnica para constituir los cuerpos duros, o elementos de inserción, se ha prestado especial atención a la familia de materiales de cermet (materiales compuestos de material cerámico-metal cementados duros) debido a su excepcional combinación de dureza y tenacidad. Tales propiedades han conducido a su uso común en aplicaciones de desgaste en las que se requieren resistencia a la abrasión y a impactos. Sin embargo, se ha indicado que la inserción de cuerpos de refuerzo de cermet en elementos de desgaste a base de hierro por medio de procedimientos de colada, en los que se vierte una aleación a base de hierro en una cavidad de molde que contiene el cermet, es problemática. Específicamente se ha reconocido que la técnica anterior relacionada con la colada del elemento de inserción de un cermet a base de carburo de tungsteno (a base de WC) conduce a la disolución completa del cermet a base de WC (como partículas o elementos de inserción triturados) mediante la acción de la aleación a base de hierro que se cuela.

Se han dado a conocer diferentes estrategias en la técnica anterior para minimizar el problema de la disolución del elemento de inserción. Por un lado, se han introducido capas intermedias protectoras entre la aleación a base de hierro fundida vertida y las partículas o elementos de inserción de cermet a base de WC. Estas capas intermedias están constituidas por aleaciones metálicas que se pretende que permanezcan, al menos, parcialmente intactas en el producto acabado. Esto se ha dado a conocer, por ejemplo, en el documento US-4.764.255 (Fischer) para partes en acero y hierro colado; para partes de hierro colado en el documento US-4.584.020 (Waldenstrom) ; y para partes de acero colado (“Reinforcing Steel Castings With Wear-Resisting Cast Iron” Liteinoe Proizvodstvo, n.º 7, p. 27 (1986) , Furman et al.) . Además de seleccionar aleaciones de alta temperatura adecuadas para la constitución de las capas intermedias protectoras, la técnica enseña el uso de capas intermedias suficientemente gruesas (hojas) , preferiblemente entre 1 y 8 mm de grosor, cuyas temperaturas de fusión son >50ºC por encima de la del metal vertido y más preferiblemente 200ºC por encima de la del metal vertido en la técnica enseñada en los documentos US-4.764.255 y US-4.584.020. Además, Waldenstrom y Fischer dan a conocer que las capas intermedias deben ser suficientemente gruesas para no disolverse por completo durante el vertido del acero. En la técnica enseñada por Furman, las capas intermedias pueden comprender una aleación de baja temperatura de fusión, tal como cobre. En cualquier caso, se observará fácilmente por cualquier experto en la técnica que el proporcionar una capa de revestimiento protectora en un elemento de inserción de cermet a base de WC representa un coste y complejidad de procesamiento adicional que preferiblemente debería evitarse.

Por otro lado, en la técnica anterior se ha reconocido que limitar la temperatura de vertido de la aleación que se cuela conduce a la introducción satisfactoria de elementos de inserción de cermet a base de WC en coladas de acero. La solicitud internacional número WO-2009/061274-A1 (Eder y d y Quarfordt) da a conocer un cuerpo que consiste en un cermet de carburo de tungsteno cementado mediante un aglutinante a base de cobalto que tiene un contenido en carbono próximo a la formación de grafito que se cuela en un acero con un nivel equivalente de carbono preferido superior a 0, 5 y con una temperatura de colada suficientemente baja para formar una zona de transición entre el carburo cementado y el acero. Eder y d y Quarfordt enseñan que existen algunos huecos y/o grietas en la región de unión entre el cermet y el acero, aunque estos defectos se consideran como no problemáticos para el rendimiento del componente. Sin embargo, para un experto en la técnica, tales defectos pueden conducir a un rendimiento no fiable de las partes reforzadas en aplicaciones de alto impacto. De hecho, la práctica de limitar la temperatura de vertido del acero a algún valor bajo para restringir el sobrecalentamiento, tal como se describe en el documento WO-2009/061274-A1, es insuficiente para evitar la formación de grandes defectos en la zona de unión si la tasa de enfriamiento de la colada durante el vertido y la posterior solidificación es demasiado baja, tal como se resuelve mediante la presente invención. Además la técnica anterior de Eder y d y Quarfordt enseña la existencia de una zona de fase eta en la zona de unión y que la presencia de una zona de fase eta delgada no afecta a la fragilidad del cuerpo. Sin embargo, en la técnica del diseño se conoce bien la fabricación y el uso de cermets de carburo de tungsteno cementado-cobalto, aplicados por ejemplo en herramientas de corte, en los que la fase eta de un carburo de tungsteno-cobalto, que se define generalmente por la fórmula química COxWxC donde x = 3 o x = 6, es excesivamente frágil, una causa de fallos prematuros en uso, y por tanto altamente no deseable en ningún producto de colada de acero reforzado con cermet sometido a impactos, tal como los dientes de acero colado de penetración en suelo. También se conoce bien que el alto contenido en carbono del cobalto de cementación, que se aproxima a la formación de grafito, inhibe la formación de la fase eta.

El documento US 4.907.665 se refiere al problema de la fragilidad de los elementos de desgaste para operaciones de penetración en tierra/roca. Da a conocer un elemento de desgaste para una máquina de penetración/movimiento en/de tierra/roca que comprende un acero colado por gravedad que rodea y está unido a al menos un elemento de inserción a granel de un cermet de carburo de tungsteno cementado, comprendiendo sustancialmente dicho elemento de inserción granos de carburo de tungsteno. Los elementos de inserción de carburo de tungsteno se revisten con un revestimiento metálico que impide la difusión de carbono. Esta medida impide la formación de una fase eta en el elemento de inserción.

El documento US 4.024.902 se refiere a materiales compuestos consistentes en partículas de carburo de tungsteno sinterizadas en una matriz local de una aleación de acero que tiene un contenido en carbono, cobalto y tungsteno que se preparan situando partículas de carburo de tungsteno con aglutinante de cobalto, siendo al menos algunas de ellas más grandes en tamaño que lo que se desea en el material compuesto final, en un molde. La aleación sometida a matrización que tiene poco o ningún contenido en tungsteno se calienta por encima de su temperatura de fusión y a continuación se vierte en el molde relativamente frío. El carbono, tungsteno y cobalto se disuelven en las superficies externas de las partículas y se difunden a la aleación que se deja enfriar y solidificar de manera natural.

Tal como se describe en la presente invención,... [Seguir leyendo]

1. Elemento de desgaste para máquinas de penetración/movimiento en/de tierra/roca que comprende un acero colado por gravedad que rodea y está unido a al menos un elemento de inserción a granel de un cermet de carburo de tungsteno cementado, comprendiendo sustancialmente dicho elemento de inserción granos de carburo de tungsteno con una matriz de cementación metálica, caracterizado porque dicho elemento tiene al menos las siguientes tres zonas de unión formadas:

- una zona (1) de unión de sustitución, en la que el acero sustituye el metal de matriz de cementación del elemento de inserción, comprendiendo de este modo una zona en la que granos (11) de carburo de tungsteno están rodeados por acero (12) .

- una zona (2) de unión de precipitación, que comprende una fase (22) rica en tungsteno, principalmente tungsteno y hierro, y granos (21) de carburo de tungsteno con un grosor aumentado y/o precipitados.

- una zona (3) de unión libre de carburo de tungsteno, que comprende una fase metálica rica en hierro que es principalmente hierro y tungsteno.

2. Elemento de desgaste según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además una cuarta zona (4) de unión, adyacente a la zona (3) de unión libre de carburo de tungsteno y/o la zona (2) de unión de precipitación, formada que tiene una microestructura de aspecto de escritura china, que comprende una fase (42) rica en hierro y una fase (41) rica en tungsteno.

3. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que dicha matriz de cementación metálica de dicho elemento de inserción comprende principalmente cobalto o una aleación basada en cobalto, tal como cobalto-níquel.

4. Elemento de desgaste según la reivindicación 3, en el que se forma una región de matriz aumentada dentro del elemento de inserción que tiene un contenido en Co aumentado en al menos el 80% en comparación con el contenido en Co del elemento de inserción original antes de la colada o en comparación con una parte no afectada del núcleo del elemento de inserción (C) .

5. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha zona (2) de unión de sustitución tiene un grosor superior a 1, 5 mm.

6. Elemento de desgaste según la reivindicación 2, en el que dicha zona (4) de unión de escritura china tiene un grosor inferior a 3 mm, para restringir o impedir la formación de macroporosidades.

7. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el grosor total de dicha zona

(3) de unión libre de carburo de tungsteno es superior a 0, 02 mm.

8. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que en dicha zona (2) de unión de precipitación el contenido en tungsteno de dicha fase (22) rica en tungsteno es superior al 60% en peso.

9. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que en dicha zona (2) de unión de precipitación el contenido en tungsteno de dicha fase (22) rica en tungsteno es del 68% al 75% en peso.

10. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que en dicha zona (3) de unión libre de carburo de tungsteno el contenido en tungsteno de dicha fase metálica rica en hierro es superior al 5% e inferior al 20% en peso.

11. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, en el que en dicha zona (4) de unión de escritura china el contenido en tungsteno de dicha fase (41) rica en tungsteno está entre el 68% y el 75% en peso.

12. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, en el que en dicha zona (4) de unión de escritura china el contenido en tungsteno de dicha fase (42) metálica rica en hierro está entre el 5% y el 20% en peso.

13. Elemento de desgaste según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12, caracterizado porque la extensión y/o el grosor de dicha cuarta zona (4) de unión se minimiza aumentando la intensidad de enfriamiento durante la colada y solidificación del acero vertido.

14. Procedimiento para producir un elemento de desgaste para máquinas de penetración/movimiento en/de tierra/roca que comprende un acero colado por gravedad que rodea y está unido a al menos un elemento de inserción a granel de un cermet de carburo de tungsteno cementado, comprendiendo sustancialmente dicho elemento de inserción granos de carburo de tungsteno con una matriz de cementación metálica, caracterizado porque comprende las etapas de

- verter el acero líquido alrededor del elemento de inserción a una temperatura que es suficientemente alta para fundir, desplazar y de este modo penetrar el metal de matriz de cementación del cermet, así como disolver el carburo de tungsteno del cermet en la capa externa de la parte penetrada, obteniendo una zona (2) de unión de sustitución con una penetración del acero en el cermet de una profundidad superior a 1, 5 mm, y

- enfriar el elemento a una intensidad que es suficientemente alta para restringir la difusión de tungsteno y carbono, obteniendo una zona (3) de unión libre de carburo de tungsteno con una fase metálica rica en hierro con un grosor superior a 20 !m.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la intensidad de enfriamiento se aumenta rediseñando la geometría de elemento de desgaste permitiendo la introducción de núcleos de arena en el moldeo para reducir la cantidad de acero alrededor del elemento de inserción de cermet y dentro de las partes macizas del elemento de desgaste.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 o reivindicación 15, caracterizado porque la intensidad de enfriamiento se aumenta usando arenas a base de cromita y/o zirconio para el moldeo.

17. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la intensidad de enfriamiento se aumenta en la

región de unión mediante la introducción de un elemento de inserción de acero y/o refrigeración en la proximidad del elemento de inserción a granel de cermet.