Elemento de desgaste para operaciones de penetración en la tierra con resistencia al desgaste mejorada.

Elemento de desgaste para máquinas de movimiento de tierras/rocas,

penetración en la tierra y/o carga de rocas, tales como dientes de cuchara para excavadoras y cargadoras, que comprende acero colado y al menos un inserto, caracterizado porque dicho inserto es una espuma cerámica tridimensional celular que tiene una estructura porosa de celdas abiertas por las que penetra el acero colado en el interior de la porosidad de las celdas abiertas del inserto de espuma cerámica, así como en el interior de la microporosidad de las paredes de espuma cerámica.

La presente invencion se refiere a elementos de desgaste, tales como dientes de acero colado para su uso especialmente en maquinaria para aplicaciones de movimiento de tierras, penetracion en la tierra y/o carga de rocas, asi como a insertos para su incorporacion en el interior de los elementos de desgaste para mejorar su resistencia al desgaste y asi prolongar/ampliar su vida util.

Antecedentes de la invención (tecnica anterior)

En el estado de la tecnica se ha descrito anteriormente el moldeado por insercion de cuerpos duros en elementos de desgaste de acero colado para aplicaciones de penetracion en la tierra para mejorar su resistencia al desgaste. Por ejemplo, en el documento US5081774 (Kuwano) , que constituye la base para el preambulo de la reivindicacion independiente, se da a conocer un diente de excavacion de material compuesto recambiable que comprende insertos de hierro colado con Cr resistentes al desgaste que tienen una dureza superior a la de un cuerpo de diente y que se moldean por insercion en el cuerpo de diente. El rendimiento del diete de excavacion se mejora colocando el material resistente al desgaste como un inserto integral en una parte central del cuerpo de diente. El inserto se extiende desde el extremo de la punta hacia una parte de union del diente y termina en una posicion limite para el uso potencial del diente. Aunque el hierro colado con Cr es un material en cierto modo similar al acero colado y por lo tanto aparentemente compatible como un inserto en el acero colado, es deseable aumentar la dureza del inserto por encima de la del hierro colado con Cr con el proposito de mejorar el comportamiento de desgaste global de la pieza, mientras que al mismo tiempo se preserva la tenacidad del acero colado en el inserto. Tambien se le ha prestado atencion en el estado de la tecnica al uso de otros materiales de alta dureza para reforzar piezas coladas a base de hierro. En esta tecnica, los insertos elegidos normalmente estan constituidos por materiales de cermet tales como particulas de WC cementadas con un aglutinante metalico. El beneficio proporcionado por estos insertos es la posible buena union desarrollada con el acero vertido debido a la naturaleza metalica similar entre el aglutinante y el acero. Sin embargo, en el campo de los elementos de desgaste para penetracion en la tierra, el moldeado por insercion de cuerpos de refuerzo a base de cermet esta limitado a aplicaciones exigentes con un alto coste de inactividad. Esto se debe principalmente al valor economico elevado del material de cermet. El desarrollo de elementos reforzados resistentes al desgaste duros con un coste menor es por lo tanto deseable. En un contexto mas general, es bien conocido que los materiales ceramicos de menor coste pueden infiltrarse por metales fundidos. Por ejemplo, se da a conocer una tecnica anterior de este tipo en el documento US6338906 (Ritland et al., 1999) y "Processing and microstruture of metal matrix composites prepared by pressureless Ti-activated infiltration using Fe-base and Ni-base alloys, Materials Science and Engineering A 393 (2005) 229-238", (Lemster et al.) . La primera referencia trata de juntas producidas por la infiltracion capilar de particulas ceramicas porosas (previamente consolidadas o sinterizadas) por metal fundido. La microestructura resultante del componente esta compuesta asi por finos canales que rodean las particulas ceramicas. Se ensefa que la ceramica infiltrada con metal resultante tiene un buen comportamiento tribologico y su uso se ejemplifica en juntas de caras sellantes mecanicas, uniones giratorias, juntas de compuertas deslizantes, casquillos, rodamientos y otros componentes deslizantes o de friccion que requieren buenas caracteristicas de durabilidad y desgaste, buena resistencia a la corrosion y una buena conductancia termica. Sin embargo, se conoce que la infiltracion capilar requiere finos canales y un equilibrio de energias interfaciales que conduce el metal liquido al interior de los canales, mientras que en el refuerzo de elementos de desgaste para penetracion en la tierra de la presente invencion, el acero colado fundido normalmente se repele por los materiales ceramicos de interes (es decir, el acero fundido no moja facilmente estas ceramicas) , inhibiendo o excluyendo la accion 45 capilar y requiriendo canales mas gruesos para permitir la penetracion del metal. La segunda de las referencias dadas a conocer anteriormente tambien tiene que ver con el procesamiento de materiales compuestos de matriz de acero con particulas ceramicas incrustadas. Un problema especifico a examen en esta segunda referencia es la mejora de las caracteristicas de infiltracion de la ceramica mediante el uso de granos de titanio (Ti) mezclados en el interior de las particulas ceramicas. Esta tecnica permite asi el procesamiento de materiales compuestos de matriz metalica con un gran contenido en ceramica. La microestructura resultante en las tecnicas anteriores, anteriormente mencionadas, implica una gran fraccion de granos ceramicos infiltrados por metal y por lo tanto no cubren la consolidacion de materiales compuestos de matriz metalica celular tridimensional con un alto contenido metalico como los propuestos en la presente invencion. Ademas, la presencia de una gran fraccion metalica en el material compuesto no es ventajosa en el ambito de aplicaciones de desgaste dadas a conocer en las tecnicas anteriores discutidas anteriormente, donde el

enfasis se pone en aumentar la dureza del material sin contrarrestar la resistencia a la compresion y la tenacidad. Este equilibrio en las propiedades mecanicas es, sin embargo, muy deseable en el campo de los dientes para penetracion en la tierra para aplicaciones de movimiento de tierras, donde tanto la dureza como la tenacidad rigen la vida util y el nivel de desgaste. Otra tecnica anterior dada a conocer en el documento US4909300 (T. Horie, 1989) y en el documento EP1593757 (M. Freling et al., 2005) se refiere al procesamiento de materiales compuestos de matriz de metal mediante infiltracion de espumas ceramicas de bajo coste. La primera de las referencias dadas a conocer anteriormente trata de un metodo para producir una pieza permeable a los fluidos constituida por una estructura ceramica porosa con elementos ceramicos huecos, cuyos poros se infiltran con un metal colado, pero manteniendo la concatenacion de los elementos

huecos (no infiltrados) . De este modo, se permite el flujo de un liquido lubricante en el interior de los elementos ceramicos huecos durante el funcionamiento. Este flujo en funcionamiento carece de utilidad en elementos de penetracion en la tierra. La falta de penetracion de los elementos ceramicos huecos contiguos por el metal colado conduciria, de hecho, a una baja resistencia a la fractura de la parte reforzada del elemento de desgaste y por lo tanto impediria su uso en aplicaciones de penetracion en la tierra. La segunda referencia da a conocer espumas clasificadas segun su funcion infiltradas con metales fundidos, donde la porosidad de tal espuma se ha disefado para que la parte resultante muestre una variacion gradual en el contenido metalico relativo de un lado a otro. Estos componentes infiltrados de espuma clasificada se utilizan en motores de turbina de gas para aplicaciones a alta temperatura. Los componentes muestran conductividad termica a medida debido a la variacion gradual de contenidos ceramicos/metalicos, pero esta propiedad ni es necesaria ni util para elementos de penetracion en la tierra que requieren una combinacion de solidez, tenacidad y resistencia al desgaste. Ninguno de los documentos de la tecnica anterior mencionados anteriormente describe ni considera un elemento resistente al desgaste tal como un diente de acero colado para aplicaciones de movimiento de tierras, que tenga una union fija de baja porosidad entre un inserto de espuma ceramica celular reticulada y acero colado que infiltre la ceramica mediante vertido por gravedad.

Descripción de la invención La presente invencion se refiere a elementos resistentes al desgaste mejorados para maquinaria de movimiento de tierras, de penetracion en la tierra y/o de carga de rocas, tales como dientes de cuchara para excavadoras y cargadoras. El proposito de la invencion es mejorar asi la vida util del elemento de desgaste, mediante la inclusion de insertos de espuma ceramica celular duros in situ infiltrados con un acero colado resistente al impacto con mayor tenacidad. El objeto de la presente invencion por lo tanto es un elemento de desgaste con un inserto de refuerzo de espuma ceramica tal como se indica en la reivindicacion 1. El elemento de desgaste reforzado de esta manera muestra una combinacion excepcional de dureza, solidez, tenacidad y resistencia al desgaste. Tras el tratamiento termico por metodos convencionales de normalizacion, extincion y templado, el elemento de desgaste reforzado es muy... [Seguir leyendo]

1. Elemento de desgaste para maquinas de movimiento de tierras/rocas, penetracion en la tierra y/o carga de rocas, tales como dientes de cuchara para excavadoras y cargadoras, que comprende acero colado y al menos un inserto, caracterizado porque dicho inserto es una espuma ceramica tridimensional celular que tiene una estructura porosa de celdas abiertas por las que penetra el acero colado en el interior de la porosidad de las celdas abiertas del inserto de espuma ceramica, asi como en el interior de la microporosidad de las paredes de espuma ceramica.

2. Elemento de desgaste segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho inserto esta hecho de circona (ZrO2) o un material a base de circona tal como ZrO2-CaO, ZrO2-MgO, ZrO2-Y2O3 o un material compuesto tal como ZrO2-Al2O3.

3. Elemento de desgaste segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho inserto esta hecho de material de alto contenido en alumina, tal como alumina blanca o tabular, o de material de aluminato, tal como espinela de alumina o alumina que se vuelve mas tenaz con circona, o de material de alumina-silicato (Al2O3-SiO2) tal como mullita.

4. Elemento de desgaste segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho inserto esta hecho de material de alto contenido en alumina (Al2O3) recubierto, o material de aluminato recubierto tal como espinela de alumina o materiales de alumina que se vuelve mas tenaz con circona, o material de carburo recubierto tal como carburo de silicio, en el que el recubrimiento esta formado por material de alumina-silicato o material a base de circona.

5. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la porosidad celular promedio de dicho inserto es de entre 10 y 60 poros por pulgada (ppi) .

6. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la porosidad celular promedio es de entre 20 y 30 ppi.

7. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el porcentaje en volumen de ceramica de dicho inserto de espuma celular es superior al 10% e inferior al 35%, estando la mayor parte del volumen restante del inserto infiltrada por el acero colado.

8. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicho acero colado tiene una composicion que comprende por porcentaje de peso, carbono entre el 0, 15% y el 0, 35%, silicio entre el 0, 5% y el 2%, manganeso entre el 0, 5% y el 1, 5%; cromo entre el 0, 5% y el 2, 5%, niquel entre el 0% y el 2% y molibdeno entre el 0, 15% y el 0, 35%.

9. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dicho acero colado tiene un contenido en silicio por porcentaje en peso superior al 1%.

10. Elemento de desgate segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicho elemento se trata termicamente por normalizacion, extincion y templado.

11. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la region

(2) de material compuesto de acero/espuma ceramica formada en el interior de dicho elemento tiene un limite de tension elastica por compresion uniaxial mayor de 700 MPa.

12. Elemento de desgaste segun la reivindicacion 1, caracterizado por la incorporacion de al menos un segundo inserto en el interior de, o al menos parcialmente rodeado por, dicho primer inserto.

13. Elemento de desgaste segun la reivindicacion 12, en el que dicho segundo inserto es un cermet de carburo de tungsteno.

14. Elemento de desgaste segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que dicho elemento de desgaste es un diente para maquinas cargadoras o excavadoras.

15. Elemento de desgate segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque las presiones aplicadas sobre la superficie de desgaste del elemento de desgaste en servicio no sobrepasan 1000 MPa.

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Fig. 3

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