Story Transcript
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˜ OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS
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k kInt. Cl. : C22C 29/08
11 N´ umero de publicaci´on:
2 110 971
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˜ ESPANA
B24C 5/04 B05B 1/00
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TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
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kN´umero de solicitud europea: 91115865.7 kFecha de presentaci´on : 18.09.91 kN´umero de publicaci´on de la solicitud: 0 476 632 kFecha de publicaci´on de la solicitud: 25.03.92
T3
86 86 87 87
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54 T´ıtulo: Boquilla de inyecci´ on a alta presi´ on.
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30 Prioridad: 20.09.90 JP 248616/90
11.06.91 JP 165251/91 11.06.91 JP 165252/91
1-1 Higashikawasaki-cho 3-chome Chuo-ku, Kobe-shi, Hyogo-ken, JP
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72 Inventor/es: Matsui, Shigetomo;
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74 Agente: Isern Jara, Jaime
45 Fecha de la publicaci´ on de la menci´on BOPI:
01.03.98
45 Fecha de la publicaci´ on del folleto de patente:
01.03.98
ES 2 110 971 T3
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73 Titular/es: Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha
Aviso:
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Matsumura, Hiroyuki; Ikemoto, Yoshikazu; Kumon, Yasuhiro; Nakayama, Shigeru; Tsujita, Keiji; Fukunaga, Keisuke; Kuribayashi, Nobuhiro y Wakana, Kenichi
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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicaci´on en el Bolet´ın europeo de patentes, de la menci´on de concesi´on de la patente europea, cualquier persona podr´a oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposici´on deber´a formularse por escrito y estar motivada; s´olo se considerar´a como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposici´ on (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesi´on de Patentes Europeas). Venta de fasc´ ıculos: Oficina Espa˜ nola de Patentes y Marcas. C/Panam´ a, 1 – 28036 Madrid
ES 2 110 971 T3 DESCRIPCION
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El presente invento hace referencia a un miembro boquilla de chorro de agua con abrasivo formado por sinterizaci´on en fase l´ıquida y consistente en un material duro a base de un carburo de tungsteno como componente principal y que adem´ as tiene por lo menos un carburo o nitruro adicional, o bien una soluci´on s´ olida de carburos o nitruros, y un ligamento, teniendo dicho material duro propiedades de alta resistencia a la abrasi´on. Recientemente, se han presentado diversas m´aquinas mec´anicas y el´ectricas, elementos y piezas que tiene estructuras complejas y precisas, a consecuencia de lo cual surgen complejos procesos de fabricaci´ on y montaje, una tendencia que tambi´en se ha visto acelerada.
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Adem´as, dado que tales m´ aquinas, instrumentos, elementos y piezas deben ser fabricadas, inspeccionadas y mantenidas para que no cambie su funci´ on con el paso del tiempo, cada vez se les exige mayor precisi´ on y rendimiento. Asimismo, dado que tales m´aquinas, instrumentos, elementos y piezas disponen de varias superficies de corte y superficies a cortar o mecanizar, y se precisa que presenten una excelente duraci´ on para el mantenimiento y similares, dichas superficies ha de ser cortadas o mecanizadas de forma que permitan conseguir prestaciones m´as precisas.
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Al objeto de satisfacer estos requisitos de la moderna tecnolog´ıa, tambi´en ha sido necesario estudiar y desarrollar nuevos materiales y, en consecuencia, se han estudiado y desarrollado nuevas tecnolog´ıas o t´ecnicas para el mecanizado de corte, el tronzado o similares.
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En una tecnolog´ıa convencional de corte o tronzado, existen varios sistemas, por ejemplo, medios mec´anicos como cuchillas y similares, medios de termofusi´on utilizando un quemador de gas o de arco voltaico, por ejemplo, u otros medios f´ısicos de corte utilizando plasma, por ejemplo. Sin embargo, en la reciente tecnolog´ıa, dichos requisitos se han hecho rigurosos para el corte de piezas complicadas y el tronzado de partes con uni´ on molecular, y por tanto, a fin de evitar la descomposici´ on de uno de los materiales b´asicos o para impedir la generaci´on de quemaduras o similares, es preciso un m´etodo de trabajo sin contacto. Sin embargo, en la pr´ actica, la tecnolog´ıa convencional no basta para satisfacer tales requisitos. Asimismo se ha proporcionado una tecnolog´ıa de corte, para satisfacer este requisito, utilizando un chorro de agua, en que el tronzado, los trabajos de recubrimiento, el taladrado, el ranurado, el tronzado del material y similares, son realizados mediante un chorro de agua a alta presi´on en forma de haz que tiene una longitud de varios centenares o varias decenas de miles de kil´ ometros. Este m´etodo ha sido utilizado para cortar tanto materiales met´alicos como madera o materiales de resina sint´etica y, por consiguiente, ha sido estudiado y desarrollado. Por ejemplo, se propone una boquilla inyectora de chorro de agua con abrasivo, para mejorar la eficacia de trabajo, al mezclar material abrasivo con estructura de grano fino o part´ıculas en el chorro de agua a alta presi´ on. Sin embargo, incluso en esta tecnolog´ıa, quedan muchos problemas para t´ecnicas de hardware o software dado el uso del chorro de agua a alta presi´on. Entretanto, el trabajo de corte producido por dicho chorro de agua no genera sustancialmente ninguna forma de calor en el corte actual, a consecuencia de lo cual no existe ninguna descomposici´ on ni deformaci´on del material a cortar, as´ı que se prefiere para el corte extremadamente liso del material, a la vez que satisface los deseos del dibujo. Desde este punto de vista, dicha t´ecnica de corte por chorro de agua constituye una prometedora tecnolog´ıa para conseguir un trabajo de los denominados de formas netas o de formas casi netas. Por tanto, estas t´ecnicas de corte han sido estudiadas con anterioridad y son utilizadas en la pr´actica. Sin embargo, el corte con chorro de agua con abrasivo no ha sido ampliamente utilizado hasta hace poco para trabajos de corte que requieran rendimientos extremadamente altos.
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Las caracter´ısticas de la aleaci´on de carburo cementado o material duro suelen venir determinadas en funci´ on de la cantidad de un ligamento, tal como el Co, y por la composici´ on y clase de carburo duro, el di´ ametro de cada uno de los granos que forman el carburo duro, la cantidad de carburo contenido en la aleaci´on, y similares. Actualmente, estos factores son determinados de acuerdo a las caracter´ısticas requeridas, tales como dureza, propiedades de resistencia abrasiva, tenacidad, propiedad anticorrosi´ on, resistencia a la temperatura, o similares, basadas en el uso pr´ actico. En otro aspecto, pueden requerirse varias caracter´ısticas para las herramientas a usar. No obstante, existe una considerable dificultad para satisfacer todas estos requisitos o factores, y, por tanto, dichos 2
ES 2 110 971 T3 factores han de considerarse de manera selectiva y utilizarse de acuerdo con el material a cortar y las condiciones de corte actuales.
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Generalmente, la dureza y tenacidad de la aleaci´ on de carburo cementado o material duro tienen una relaci´ on relativamente opuesta respecto a los granos de WC (carburo de tungsteno) y a la cantidad de Co. A saber, la dureza aumenta a medida que el di´ametro del grano es m´ as peque˜ no y disminuye la cantidad de Co en la fase de ligamento. Por contra, la tenacidad aumenta proporcionalmente al aumentar la cantidad de Co. Tal como se ha descrito antes, la aleaci´on de carburo cementado o material duro ha sido utilizada para herramientas de corte, herramientas que posean unas propiedades de resistencia a la abrasi´ on, o similares, y aquellas herramientas que han sido dise˜ nadas considerando fundamentalmente la dureza de la aleaci´ on, mientras que tambi´en han sido dise˜ nadas herramientas considerado relativamente la tenacidad desde el punto de vista de evitar que las herramientas se doblen o deformen y rompan.
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Usualmente, en la tecnolog´ıa convencional, el material para la boquilla del chorro de agua con abrasivo ha sido elegido en base a una aleaci´on de carburo cementado o material duro para herramientas, pero, teniendo en cuenta su dureza, se seleccionan aleaciones que presentan una dureza ligeramente inferior a la m´ axima dureza posible. Por tanto, el material de aleaci´ on de carburo cementado o material duro para la boquilla del chorro de agua se deforma mucho con el paso del tiempo y la duraci´ on de dicha aleaci´ on de carburo cementado o material duro como material para la boquilla del chorro de agua con abrasivo suele ser solo de varias horas, en la pr´actica, lo cual da como resultado una mala aplicaci´on para satisfacer los citados recientes requisitos antes descritos.
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Uno de los principales factores que causan la severa abrasi´ on de la boquilla de dicho chorro de agua estar´ a basado en la erosi´on del material de la boquilla respecto a la aleaci´on de carburo cementado o material duro, debido a la presencia de los granos o polvos de part´ıculas met´alicas finas en el chorro de agua.
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Entretanto, se conoce una aleaci´on sinterizada espec´ıfica, denominada aleaci´ on con menos ligamento, tal como la WC-TaC-TiC de material duro, que no incluye Co para mejorar la propiedad anticorrosiva; no obstante esta aleaci´on sinterizada espec´ıfica tiene una estructura con menos ligamento y, por tanto, la dureza aumenta naturalmente, habi´endose utilizado en la practica una aleaci´ on de 94,0 HRA o aproximada.
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La propiedad de resistencia a la abrasi´ on de la boquilla, como la descrita boquilla del chorro de agua, ha sido mejorada con respecto a la utilizada convencionalmente a base de aleaci´ on de carburo cementado o material duro para una herramienta de uso general, en lo que respecta al grado de aumento de dureza. Sin embargo, existe un considerable hueco entre el actual grado de duraci´on y el objeto o grado que se requiere, motivo por el cual no resulta satisfactoria. Tal como se ha dicho antes, desde varios puntos de vista, puede decirse que el material existente para la boquilla inyectora del chorro de agua no presenta la deseada combinaci´ on de dureza y tenacidad ´optimas, y por consiguiente, recientemente se ha demandado otra mejora o desarrollo.
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Por tanto, tal como se ha descrito antes, las boquillas inyectoras como las empleadas para chorro de agua con abrasivo est´ an sujetas, en la pr´ actica, a una dura abrasi´ on dada la erosi´ on causada por los granos finos o part´ıculas contenidas en el chorro de agua, de manera que la abrasi´ on del material es muy notable, particularmente una parte de la boca de entrada y una parte de la boca de salida del boquilla del chorro de agua est´ an sujetas a una abrasi´ on extremadamente violenta. La consecuencia de ello es el aumento del di´ ametro interior de la boquilla del chorro de agua con el paso del tiempo, lo cual conlleva la degradaci´ on de la eficacia de corte y el rendimiento respecto a la pieza a cortar. Para contrarrestar los defectos anteriores, es preciso sustituir la boquilla por otra nueva a per´ıodos de tiempo relativamente cortos en la pr´actica, lo que ocasiona una baja de eficiencia en el trabajo. La patente EP-A-0.360.567 describe un material duro adecuado, por ejemplo para boquillas de chorro de agua para corte, comprendiendo el material un producto de una reacci´ on incompleta AX, una fuente de B y, opcionalmente, una cantidad de X, comprendiendo dicho producto por lo menos un compuesto AX y por lo menos un compuesto ABX, siendo A y B materiales diferentes seleccionados entre titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, tantalo, cromo, molibdeno y tungsteno, mientras X se selecciona de boro, carbono, silicio y nitr´ ogeno. Las piezas hechas a base de una mezcla de polvo a base del 94% de 3
ES 2 110 971 T3 WC, con un tama˜ no medio de part´ıculas de 0,8 µm, y el 6% restante de Mo2 , son sinterizadas a alta temperatura y sometidas a un prensado isost´ atico caliente para compactar los cuerpos verdes prensados en fr´ıo, tal como se expone en el ejemplo. El tama˜ no final del grano WC es de 0,25 µm. El material no contienen ligamento, pero puede existir Co como impureza. 5
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El objeto del presente invento es eliminar sustancialmente los defectos o inconvenientes hallados en la t´ecnica anterior y proporcionar un miembro boquilla para chorro de agua con abrasivo fabricado con una aleaci´on de carburo cementado o material duro perfeccionado capaz de mejorar la propiedad de resistencia a la abrasi´on y la duraci´ on de la boquilla, y por tanto mejorar la capacidad de mecanizaci´on y el rendimiento de trabajo de la misma. Este objeto se consigue con el miembro boquilla de acuerdo a la reivindicaci´on 1. En las reivindicaciones 2 y 3 figuran las formas de realizaci´ on preferidas del invento. En detalle, pueden conseguirse este y otros objetos del presente invento mediante un miembro boquilla de chorro de agua con abrasivo formado por sinterizaci´ on en fase l´ıquida y consistente en un material duro a base de carburo de tungsteno como material principal, estando el carburo de tungsteno compuesto por granos cada uno de los cuales tiene un di´ ametro inferior a 1 µm, y consistente adem´ as en por lo menos una clase de carburo o nitruro, o una soluci´ on s´olida de carburos o nitruros, seleccionados de Ti, Ta, V, Cr, Nb, Mo, Hf o Zr, con un porcentaje total del 0,5 al 10,0% en peso y un material ligante con un porcentaje del 0,2 al 2,0% en peso, consistente en por lo menos una clase de material seleccionado de aleaci´on de Co, Ni, Fe, Au, Ag, Cu o aleaci´on de Al, y las inevitables impurezas, teniendo dicho material duro sinterizado una propiedad de alta resistencia a la abrasi´on y una dureza superior a 94,0 HRA. De acuerdo a las formas de realizaci´ on de las caracter´ısticas arriba descritas del presente invento, la propiedad de resistencia a la abrasi´ on puede mejorarse de manera considerable y tambi´ en puede mejorarse mucho la duraci´ on del miembro boquilla. Para comprender mejor el presente invento y mostrar como se lleva a cabo, primero haremos referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
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La figura 1 es la representaci´on de un modelo de prueba para realizar ensayos de abrasi´ on mediante la boquilla de chorro de agua;
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La figura 2 es un gr´ afico que representa una relaci´on existente entre la dureza de un material y la cantidad de abrasi´ on, seg´ un una forma de realizaci´ on del presente invento y un ejemplo convencional; La figura 3 es un gr´ afico que representa una relaci´on existente entre la dureza de un material y la fuerza de resistencia a la flexi´on, es decir, la tenacidad, seg´ un una forma de realizaci´ on del presente invento y el ejemplo convencional;
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La figura 4 es un gr´ afico que muestra la relaci´on existente entre el a´ngulo de colisi´on de part´ıculas y una cantidad de abrasi´ on;
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La figura 5 es una breve vista en secci´on mostrando el comportamiento de granos abrasivos en un miembro boquilla de chorro de agua con abrasivo; Las figuras 6 y 7 son ejemplos de miembros boquillas de chorro de agua con abrasivo fabricados de acuerdo a las formas de realizaci´ on del presente invento;
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Las figuras 8 y 9 son vistas en planta de los ejemplos de las figuras 6 y 7; Las figuras 10 y 11 son vistas laterales de ejemplos de boquillas de agua (orificios) fabricadas de acuerdo al presente invento; y
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Las figuras 12 y 13 son gr´ aficos similares a los de las figuras 2 y 3, respectivamente, de acuerdo a otra forma de realizaci´ on del presente invento.
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Tal como se ha descrito antes, una causa significativa de la severa abrasi´on que sufre una boquilla de chorro de agua con abrasivo para un trabajo de corte, es la erosi´ on de la aleaci´ on de carburo cementado como material empleado para el boquilla causada por las part´ıculas met´alicas contenidas en el chorro de agua. Al objeto de aclarar las caracter´ısticas erosivas de la aleaci´on de carburo cementado para el presente invento, as´ı como la tecnolog´ıa para este campo, se concibi´ o un m´etodo de ensayo de abrasi´ on para 4
ES 2 110 971 T3 determinar las condiciones abrasivas en el boquilla de chorro de agua con abrasivo (pruebas de chorro de abrasi´ on a super alta presi´ on), llev´ andose a cabo experimentos y ajustes para clarificar las caracter´ısticas de diversos tipos de aleaciones de carburo cementado, incluyendo las aleaciones de prueba. 5
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La figura 1 muestra la representaci´ on de un modelo para llevar a cabo dichos ensayos, en donde existe un cabezal boquilla 1 provisto de un boquilla de chorro de agua con abrasivo 3 que se extiende hacia abajo a partir del cabezal boquilla 1 y un trabajo a realizar 4, como una pieza experimental, contra la cual choca el chorro de agua con abrasivo procedente del boquilla 3. El trabajo a realizar 4 va colocado de manera que presenta una inclinaci´ on, a´ngulo de colisi´on, θ con respecto a la direcci´on del chorro de agua procedente del boquilla 3. El n´ umero de referencia 2 designa un miembro puerta de suministro del material abrasivo. En las figuras 2 y 3 se muestran los datos obtenidos en dichos ensayos experimentales.
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La figura 2 muestra la relaci´on, con un a´ngulo de colisi´on θ de unos 15 grados, entre durezas (HRA) de varias clases de materiales (•: c´ırculos negros sirven para indicar el presente invento, mientras que o: c´ırculos blancos representan la tecnolog´ıa convencional) y cantidades de abrasi´ on (presi´ on de inyecci´on: 343 MPa [3500 kgf/cm2 (1 kgf/cm2 = 98,0665 kPa)], material abrasivo: arena de granate #80, cantidad suministrada de arena de granate: 0,4 kg/min). La figura 3 muestra la relaci´on existente entre la dureza y la resistencia al doblado (•: c´ırculos negros indican el presente invento, mientras que o: c´ırculos blancos representan la tecnolog´ıa convencional). Tal como puede verse en las figuras 2 y 3, la resistencia al doblado, es decir la tenacidad, resulta notablemente reducida en funci´ on del aumento de dureza de la aleaci´on, pero la cantidad de abrasi´ on se reduce simplemente con el aumento de dureza de la aleaci´on, lo cual proporciona una notable mejora de la propiedad abrasiva o resistencia a la abrasi´ on. Especialmente se ha descubierto que la aleaci´on de carburo cementado que tenga una alta dureza presenta unas mejores prestaciones abrasivas con respecto a la boquilla y que la tenacidad no presenta un aspecto tan significativo. Este es un nuevo hecho que no ha sido otorgado f´ acilmente a tal fen´omeno dado que las part´ıculas finas del material abrasivo mezclado en el chorro de agua, y notablemente acelerado por el chorro supers´onico de agua, desgasta una superficie de pared de manera impulsiva.
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La figura 4 muestra la relaci´ on entre la cantidad de abrasi´ on y el ´angulo de colisi´on, que var´ıa desde 0 a 90◦ , aproximadamente, respecto al ensayo de material (material abrasivo: arena de granate #80, cantidad de alimentaci´ on de la arena de granate: 0,4 kg/min, presi´ on de inyecci´on 343 MPa [3500 kg/cm2 ]), y, en la figura 4 •: circulo negro indica el material de aleaci´ on seg´ un el presente invento (abrasi´ on normal), 4: el tri´ angulo representa el material de aleaci´on seg´ un el presente invento (abrasi´ on anormal) y o: circulo blanco, representa el material de aleaci´on de la t´ecnica anterior. Seg´ un este gr´ afico de la figura 4, podemos ver que, en caso de que el material de aleaci´ on tenga un cierto grado de dureza (HRA 94,5, en la figura 4), y el a´ngulo de colisi´on aumenta por encima de 15 a 30 grados, el modo de abrasi´ on se transfiere desde un estado estacionario a un modo de abrasi´ on discontinuo y quebradizo, y la cantidad de abrasi´on se incrementa. Especialmente, result´o evidente que la propiedad preferida de resistencia a la abrasi´ on, conseguida de manera natural para la aleaci´ on formada a base de un material que tenga alta dureza, no puede alcanzarse a menos que el boquilla se dise˜ ne de manera que el ´angulo de colisi´on de las part´ıculas finas del material abrasivo est´e comprendido aproximadamente en ± 15◦ en el boquilla. Esto es sumamente importante para el dise˜ no de la parte de entrada del boquilla. En el an´ alisis descrito en base a los ensayos experimentales, se descubri´ o que una boquilla de trabajo que tenga una propiedad de alta resistencia a la abrasi´ on, tal como un boquilla para chorro de agua con abrasivo, debe dise˜ narse en combinaci´ on de la dureza y la tenacidad del material aleado de carburo cementado a fin de que tenga una alta dureza y una baja tenacidad con respecto a aquellas de la t´ecnica anterior (aun cuando, en la pr´ actica, es preferible que tenga alta tenacidad, la resistencia al doblado, es decir, la tenacidad, por contra, tiende a reducirse al aumentar la dureza). Asimismo, la boquilla deber´ a dise˜ narse para minimizar el a´ngulo de colisi´on de los granos o part´ıculas finas del material abrasivo.
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Seguidamente se describir´ a la base de la composici´on del miembro boquilla para una forma de realizaci´on del presente invento. 5
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Dureza de la aleaci´on: Tama˜ no del grano del WC (carburo de tungsteno): 5
En general, cuando las aleaciones de carburo cementado tienen fases de ligamento de la misma cantidad, el WC se forma a base de granos finos uniformes y puede obtenerse un cierto grado de dureza. En un resultado experimental se descubri´o que, a fin de conseguir una dureza estable superior a HRA 94,5, es necesario utilizar un material que tenga un di´ ametro de grano de WC inferior a 1,0 µm. 10
Adici´on de diferente tipo de carburo (o metal):
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Generalmente, se a˜ nade un tipo distinto de carburo a fin de no producir el WC en estado granular durante el proceso de sinterizaci´ on del mismo. Como puede verse en el presente invento, en que el WC tiene un tama˜ no de grano, no se incluye otro tipo distinto de carburo y tiene una baja cantidad de material ligante inferior al 2,05%, siendo la temperatura adecuada para el sinterizado de unos 1650◦C, y bajo estas condiciones, cuando se lleva a cabo el proceso de sinterizaci´ on, los granos finos del WC se convierten en grandes granos bastos, sin obtener una dureza predeterminada. Asimismo, en el caso de una composici´on de solo WC y la fase de ligante, se sabe a trav´es de los experimentos convencionales que la anchura del ´area de fase sana (C%) se hace m´as peque˜ na y existe la posibilidad de producir una fase pobre (fase η, carbono libre) que influye de manera negativa en la resistencia mec´anica, Por tanto, dados estos motivos, se descubri´ o que para suprimir la producci´on de grano WC y para ensanchar la amplitud del a´rea de fase sana (C%) resulta efectivo a˜ nadir uno, dos o m´as clases m´as de carburos, tales como Ti, Ta, V, Cr, Nb, Mo, Hf y Zr, o soluciones s´ olidas de carburos (o metales que formen la soluci´ on s´ olida).
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No obstante, tambi´en se descubri´ o que la adici´ on de una excesiva cantidad de dichos materiales influye negativamente dando como resultado la baja de la tenacidad, fuerza de resistencia al doblado, coeficiente de elasticidad y similares.
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Partiendo de datos experimentales, se descubri´ o que la adici´ on de un tipo de carburo diferente (y metal) , superior al 0,5%, es inevitablemente necesario, siendo la adici´ on de una cantidad pr´ oxima al 10% su limite superior desde el punto de vista de la tenacidad de la aleaci´ on de carburo cementado a fin de conseguir la propiedad anti-erosi´ on abrasiva. Fase de ligamento:
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En el caso de composiciones WC que tengan el mismo tama˜ no de grano, una aleaci´ on resulta m´ as dura y quebradiza a medida que disminuye la cantidad de la fase de ligamento.
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En los datos experimentales se descubri´o que la tenacidad de la aleaci´on se debilita en condiciones de una cantidad de fase de ligamento inferior al 0,2%, y la mecanibilidad resulta extremadamente reducida, mientras que por otro lado, una aleaci´on que tenga una alta dureza superior al valor pretendido de m´ as de 94,5 HRA no puede obtenerse en condiciones de fase de ligamento con cantidades superiores al 1,0%. Forma del boquilla:
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La figura 5 es una vista que sirve para explicar el comportamiento del material abrasivo en un cabezal boquilla de un boquilla de chorro de agua con abrasivo, en que se incluyen los mismos n´ umeros de referencia para indicar las piezas o miembros que corresponden a los representados en la figura 1, y cuya descripci´on ahora se omite. Un miembro boquilla 5 para el chorro de agua con abrasivo va equipado con una parte de la boca de entrada 9 que tiene forma de embudo para hacer una gu´ıa m´ as suave, dentro del boquilla abrasivo, los granos abrasivos 8 son aspirados dentro de una c´ amara de mezcla 10 gracias a la inyecci´on del chorro de agua 7. La parte de boca de entrada 9 se halla sometida a la abrasi´on por efecto de la colisi´ on y desgaste ocasionado por los granos abrasivos 8 que pasan por la boquilla de abrasivo, conjuntamente con aire y los granos abrasivos 8 repelidos por el chorro supers´onico de agua 7 cerca del eje del boquilla.
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Particularmente, los granos 8 repelidos y acelerados por el chorro de agua colisionan a alta velocidad contra la pared de la parte de boca 9 produciendo una abrasi´ on notable a dicha pared. 6
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Puede verse en la figura 4 que la abrasi´on de la parte de boca 9 resulta facilitada a medida que la inclinaci´on de la superficie de pared en forma de embudo de la parte de boca 9 es mayor y aumenta la dureza del material del boquilla. 5
Por consiguiente, desde el punto de vista de la abrasi´ on de la boquilla, ser´a deseable que la parte de boca 9 tenga una superficie de menor inclinaci´ on con respecto al eje de la boquilla, y por ejemplo, en vista a los resultados de la figura 4, ser´ a necesario dise˜ nar la parte de boca de manera que tenga una inclinaci´on comprendida entre ± 15◦ (lo cual var´ıa sin embargo de acuerdo a diversas condiciones). 10
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Entretanto, dentro de la boquilla, son acelerados los granos abrasivos mezclados con el chorro de agua, tal como puede verse en la figura 5, mientras se repite la repulsi´ on entre el chorro de agua y la superficie de pared 3’ de la boquilla abrasiva 3, y el flujo de granos abrasivos 8 es rectificado para ir paralelo a la superficie de pared 3’ mientras va pasando hacia abajo a trav´es de la boquilla abrasiva 3. No obstante, dado que la superficie de la pared interior 3’ de la boquilla abrasiva 3 est´ a hecha sustancialmente paralela al eje del chorro de agua, los granos abrasivos 8 colisionan esencialmente contra la superficie de pared 3’ formando un peque˜ no a´ngulo, por lo que raramente ocasionan una abrasi´ on anormal. Este hecho fue constatado en el experimento.
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Tal como se ha descrito antes, puede conseguirse una notable mejora en la duraci´ on gracias a la eficaz combinaci´on de un material que tenga una alta dureza y su propiedad de resistencia a la abrasi´on, alcanzando la excelente resistencia abrasiva o resistencia contra la colisi´on a peque˜ no a´ngulo y la caracter´ıstica de la abrasi´on de la boquilla ocasionada esencialmente por la colisi´on a peque˜ no a´ngulo.
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A continuaci´ on se describir´ an las formas de realizaci´on preferidas de acuerdo con el presente invento.
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La siguiente Tabla 1 (ver adjunta) muestra las caracter´ısticas de las aleaciones de carburo cementado como material de la boquilla de chorro de agua con abrasivo seg´ un el presente invento, comparada con las convencionales, respecto a la dureza (HRA), la fuerza de resistencia al doblado (kgf(mm2) [1 kgf/mm2 = 9,8 MPa] y la cantidad de abrasi´ on (mg) basada en los ensayos de abrasi´ on (presi´ on: 343 MPa (3500 on: 15 segundos). kgf/cm2); material abrasivo: arena de granate; tiempo de abrasi´ En la Tabla 1:
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Cantidad de abrasi´ on: Valor de reducci´ on de peso (mg) del material bajo condiciones predeterminadas de inyecci´on abrasiva. Condiciones de inyecci´on abrasiva:
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Presi´on de inyecci´on: 343 MPa (3500 kgf/cm2 ) Tiempo de inyecci´on: 15 segundos Material abrasivo: Arena de granate #80
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Suministro de material abrasivo: 0,4 kg/min.
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En la citada Tabla 1 podemos ver que el material de aleaci´ on seg´ un el presente invento presenta unas mejoras propiedades de resistencia a la abrasi´on y una duraci´ on aproximadamente cuatro veces superior respecto al material de la aleaci´ on convencional. La aleaci´on de la forma de realizaci´ on anterior fue fabricada del siguiente modo.
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En primer lugar, se mezclaron Co (1%) con un di´ ametro de grano de 1,5 µm, TiC (4,5%) con un di´ ametro de grano de 1,5 µm y una diferente clase de carburo (1,5%) con un di´ ametro de grano de 1,5 µm, junto con el WC (carburo de tungsteno) con un di´ ametro de grano de 1,0 µm. Los componentes fueron mezclados en una operaci´on de mezcla en h´ umedo dentro de un molino de bolas durante 72 horas, en presencia de alcohol, y luego fueron secados. Una vez seco, el polvo fue prensado mediante una prensa, on fue sinterizado de manera preliminar en con una presi´ on de 98 MPa (1000 kgf/cm2 ), y a continuaci´ estado de vac´ıo a una temperatura de 800◦C. El proceso de sinterizaci´ on fue llevado a cabo con un grado de vac´ıo 13,33 a 1333 Pa (0,1 a 10 Torr) 7
ES 2 110 971 T3 y en condiciones de 1600◦C - 60 min, y luego, se realiz´o el tratamiento HIP (Presi´on isotr´ opica a alta temperatura) con empleo de gas Ar en condiciones de 1450◦C - 60 min.
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La figura 6 muestra un ejemplo de miembro boquilla para el chorro de agua con abrasivo fabricado con la aleaci´on seg´ un el presente invento, y la figura 7 muestra un ejemplo modificado del mismo en que se aplica un tubo envolvente met´ alico en la superficie perif´erica externa del miembro boquilla de la figura 6, a fin de reforzar y poder acabar m´ as f´acilmente la superficie perif´erica externa del miembro boquilla. Las figuras 8 y 9 muestran vistas en planta del ejemplo de las figuras 6 y 7. Las figuras 10 y 11 muestran vistas laterales de miembros boquilla (con orificio de 0,05-0,5 mm de di´ ametro (d)) para el chorro de agua con abrasivo fabricados con la aleaci´ on de acuerdo al presente invento. Tal como se ha descrito antes, la caracter´ıstica b´asica del presente invento reside en el dise˜ no que utiliza la combinaci´on de dureza y tenacidad de la composici´ on de la aleaci´ on con un alto grado de dureza y una baja a´rea de tenacidad en comparaci´ on con aquellas de la t´ecnica anterior. El presente invento puede aplicarse a un miembro boquilla que tenga un extremo frontal c´ onico o un orificio de boquilla cuadrado.
20
A continuaci´ on se describir´ a otra forma de realizaci´ on de acuerdo al presente invento con respecto a un miembro boquilla para un chorro de agua con abrasivo fabricado a partir de un material sinterizado duro de alta resistencia a la abrasi´ on ante la presencia de una fase de ligamento. 25
30
35
Tal como se ha descrito anteriormente, como causas significativas de una severa abrasi´on de una boquilla, como la boquilla para chorro de agua con abrasivo en el caso de una operaci´on de corte, existe la erosi´on de un material para la boquilla debido a las part´ıculas abrasivas tales como arena de granate contenidas en el chorro de agua. Al objeto de mejorar las caracter´ısticas de erosi´on del material duro como consecuencia del grano abrasivo, se concibi´o un m´etodo de prueba de la abrasi´ on para llevar a cabo las condiciones abrasivas en la boquilla de chorro de agua con abrasivo (prueba de abrasi´ on a super alta presi´ on) y se realizaron experimentos y ajustes para aclarar las caracter´ısticas de diversos tipos de materiales duros incluidos en las aleaciones de prueba. Dichas pruebas fueron llevadas a cabo utilizando el modo de inyecci´on de chorro de agua representado en la figura 1. Los datos obtenidos de dichos ensayos experimentales vienen indicados en las figuras 12 y 13.
40
45
50
55
La figura 12 muestra la relaci´on, utilizando un a´ngulo de colisi´on θ de unos 15 grados del chorro de agua que incluye arena de granate con respecto a un trabajo a realizar, entre la dureza de varios tipos de materiales (•: c´ırculos negros sirven para indicar el presente forma de realizaci´ on, mientras que o: c´ırculos blancos representan la tecnolog´ıa convencional) y cantidades de abrasiones (presi´on de inyecci´on: 343 MPa (3500 kgf/cm2 ), material abrasivo: arena de granate #80, cantidad suministrada de arena de granate: 0,4 kg/min). La figura 13 muestra la relaci´on existente entre la dureza y la resistencia al doblado (•: c´ırculos negros indican la presente forma de realizaci´ on, mientras que o: c´ırculos blancos representan la tecnolog´ıa convencional). Tal como tambi´en puede verse en las figuras 12 y 13, la resistencia al doblado, es decir la tenacidad, resulta notablemente reducida en funci´ on del aumento de dureza de la aleaci´ on, pero la cantidad de abrasi´ on se reduce simplemente con el aumento de dureza de la aleaci´on, lo cual proporciona una notable mejora de la propiedad abrasiva o resistencia a la abrasi´ on. Especialmente, se ha descubierto que puede conseguirse una propiedad de resistencia abrasiva m´ as excelente con un material que incluya principalmente carburo que tenga una dureza tan alta como sea posible, mientras que la tenacidad no presenta un aspecto tan significativo. Este es un nuevo hecho que no ha sido otorgado f´ acilmente a tal fen´omeno dado que las part´ıculas finas del material abrasivo mezclado en el chorro de agua y notablemente acelerado por el chorro supers´ onico de agua desgasta una superficie de pared de manera impulsiva.
60
En el an´ alisis basado en los ensayos experimentales, se descubri´o que la boquilla de trabajo teniendo una propiedad de alta resistencia a la abrasi´ on, tal como una boquilla para chorro de agua con abrasivo, 8
ES 2 110 971 T3
5
debe dise˜ narse en combinaci´ on de la dureza y la tenacidad del material duro para que tenga una alta dureza y una baja tenacidad con respecto a aquellas de la t´ecnica anterior (aun cuando es preferible que tenga alta tenacidad, en la pr´ actica, la resistencia al doblado, es decir, la tenacidad, por contra, tiende a reducirse al aumentar la dureza). Asimismo, el boquilla deber´a dise˜ narse para minimizar el a´ngulo de colisi´on de los granos o part´ıculas finas del material abrasivo. Seguidamente se describir´a la base de la composici´on del miembro boquilla para la presente forma de realizaci´on.
10
15
Grado del grano de WC (carburo de tungsteno): En general, mientras se incluya la misma cantidad de materiales duros, puede conseguirse un cierto grado de alta dureza con la uniformidad de los granos finos de los WC, y a trav´es de los datos experimentales se descubri´o que es necesario utilizar WC que tenga un di´ ametro de grano inferior a 1,0 µm a fin de obtener una dureza dura de m´ as de 94,0 HRA, que es el valor deseado en el campo industrial. Fase de ligamento:
20
Una aleaci´on se hace dura con menor cantidad de fase de ligamento, con WC que tengan el mismo di´ ametro de grano, y se encontr´o a trav´es de los datos experimentales que no puede conseguirse una dureza superior a 94,0 HRA con una cantidad de fase de ligamento superior al 2,0%. Adici´ on de diferente tipo de carburo (o soluci´ on s´olida de carburo, o bien de nitruro o soluci´ on solida de nitruro):
25
30
En general, se a˜ nade un tipo distinto de carburo a fin de no producir granos de carburo durante el proceso de sinterizaci´on. Con tal prop´ osito, cuando el WC est´a compuesto de granos finos y no incluye diferente tipo de carburo, siendo la cantidad de la fase de ligamento inferior al 2,0%, la temperatura adecuada para el sinterizado es de unos 1650◦C. Sin embargo, cuando el proceso de sinterizaci´on se realiza en este estado, los granos del WC se convierten en grandes granos bastos, y por tanto, no puede conseguirse la dureza deseada.
35
Asimismo, en el caso de una composici´on de WC y la fase de ligamento, la anchura de un a´rea de fase sana es peque˜ na y se genera una fase pobre (fase η, carbono libre) que influye de manera negativa en la resistencia mec´anica.
40
A fin de evitar este fen´ omeno adverso, se suprime la producci´on de grano de los granos WC y se ensancha la amplitud del a´rea de fase sana a˜ nadi´endole uno, dos o m´ as tipos de carburos (o nitruros), tales como Ti, Ta, V, Cr, Nb, Mo, Hf y Zr (o N), o soluciones s´ olidas de carburos (o soluciones s´olidas de nitruros) seg´ un exija la ocasi´on.
45
No obstante, a trav´es de los datos experimentales tambi´en se descubri´ o que la adici´ on de una excesiva cantidad de estos materiales influye negativamente en las propiedades de resistencia a la abrasi´on, y de acuerdo con el presente invento, la adici´ on de diferente carburo o nitruro (o soluciones s´ olidas de ellos) del orden del 10% constituye el l´ımite de dicha adici´on. El comportamiento de los materiales abrasivos, es decir los granos abrasivos, viene indicado en la figura 5, tal como ha sido descrito con referencia a la forma de realizaci´on anterior.
50
55
A continuaci´ on se describir´ a la forma de realizaci´ on actualmente preferida. La siguiente Tabla 2 (adjunta) muestra las caracter´ısticas del material de la boquilla de chorro de agua con abrasivo seg´ un la presente forma de realizaci´on, comparada con las convencionales, respecto a la dureza (HRA), la fuerza de resistencia al doblado (kgf(mm2) [1 kgf/mm2 = 9,8 MPa] y la cantidad (mg) de abrasi´ on basada en los ensayos de abrasi´ on (presi´ on: 343 MPa (3500 kgf/cm2 ); material abrasivo: arena de granate; tiempo de abrasi´ on: 15 segundos). En la Tabla 2:
60
Cantidad de abrasi´ on: Valor de reducci´ on de peso (mg) del material bajo condiciones predeterminadas de inyecci´on abrasiva.
9
ES 2 110 971 T3 Condiciones de inyecci´on abrasiva: Presi´on de inyecci´on: 343 MPa (3500 kgf/cm2 ) 5
Tiempo de inyecci´on: 15 segundos Material abrasivo: Arena de granate #80 Suministro de material abrasivo: 0,4 kg/min.
10
En la Tabla 2 se hallar´ a que el material de la aleaci´on seg´ un la presente forma de realizaci´on muestra propiedades mejoradas de resistencia a la abrasi´on y de la duraci´ on cerca de cuatro veces superior respecto a los convencionales. 15
20
25
Los materiales duros sinterizados de las formas de realizaci´on anteriores (4 a 9 y 11 a 15 en la Tabla 2) fueron fabricados del siguiente modo. En primer lugar, se mezcl´ o un diferente tipo de carburo met´ alico con un di´ ametro de grano inferior a 1,5 µm, con menos del 10% en peso, con el WC, como principal componente, teniendo un di´ ametro de grano menor de 1,0 µm, junto con un metal de ligamento (Co, Ni) que tiene un di´ ametro de grano de menos de 1,5 µm, con menos del 2% en peso. Los componentes fueron mezclados en una operaci´on de mezcla en h´ umedo dentro de un molino de bolas durante 72 horas, en presencia de alcohol, y luego fueron secados. Una vez seco, el polvo fue prensado mediante una prensa, a una presi´ on de 98 MPa (1000 on fue sinterizado de manera preliminar en estado de vac´ıo a una temperatura kgf/cm2), y a continuaci´ de 800◦C. El proceso de sinterizaci´on fue llevado a cabo con un grado de vac´ıo de 13,33 a 1333 Pa (0,1 a 10 Torr) y bajo condiciones de 1500◦C - 60 min, y 147 Pa (1500 kgf/cm2 ), para luego llevar a cabo el tratamiento HIP en la atm´osfera de gas Ar.
30
El material duro sinterizado de la forma de realizaci´ on anterior (11 en la Tabla 2) fue fabricado del siguiente modo.
35
En primer lugar, se mezcl´o una soluci´ on s´olida de Ti (C, N) con un di´ ametro de grano interior al 1,5 µm, con un 1% en peso de Co, junto con el WC, como componente principal, teniendo un di´ ametro de grano menor de 1,0 µm. Los componentes fueron mezclados en una operaci´on de mezcla en h´ umedo dentro de un molino de bolas durante 72 horas, en presencia de alcohol, y luego fue secada. Una vez seco, on el polvo fue prensado mediante una prensa, a una presi´ on de 98 MPa (1000 kgf/cm2 ), y a continuaci´ fue sinterizado de manera preliminar en estado de vac´ıo a una temperatura de 800◦ C.
40
El proceso de sinterizaci´ on fue llevado a cabo mientras se liberaba el estado de vac´ıo y se a˜ nad´ıa gas nitr´ ogeno para establecer la presi´on de 2666 MPa a 19995 MPa (20 a 150 Torr) bajo condiciones de o al tratamiento HIP en la atm´ osfera de 1600◦C - 60 min y 147 MPa (1500 kgf/cm2 ), y luego se procedi´ gas Ar. 45
Hay que observar que los ejemplos del miembro boquilla para el chorro de agua con abrasivo fabricado de acuerdo con la presente realizaci´ on tiene la forma y configuraci´ on representada en las figuras 6 y 7.
50
55
De acuerdo a las formas de realizaci´on del presente invento, arriba descritas, se proporciona un miembro boquilla para chorro de agua con abrasivo que tiene propiedades mejoradas de resistencia a la abrasi´ on y duraci´ on. Debe comprenderse que el presente invento no se limita a las formas de realizaci´on descritas sino que pueden llevarse a cabo muchos otros cambios y modificaciones sin apartarse del ´ambito de las reivindicaciones adjuntas.
60
10
ES 2 110 971 T3 TABLA 1 Ensayo Material N◦
Di´ametro Grano WC (µm)
5
10
Composici´ on (% en peso) Co
Ni
TiC
VC
Cr3 C2
Mo2 C
Material
1
2.0
13
-
-
-
-
-
Convencional
2
1.0
10
-
-
-
-
-
3
1.0
4
-
1
-
-
-
4
1.0
1
-
4.5
1
-
-
5
1.0
1
-
3
2
-
2
Aleaci´on
6
1.0
1
-
2
1
1
-
del
7
1.0
1
1
4.5
1
-
-
presente
8
1.0
1
-
-
2
-
1
invento
9
1.0
0.5
-
-
1
1
-
10
1.0
0.5
0.5
-
2
1
-
11
1.0
2
-
4.5
1
-
-
15
20
25
30 ∗
1 kgf/mm2 = 9,8 MPa Ensayo Material
35
40
55
60
TaC
HfC
Dureza (HRA)
Resistencia al doblado (kgf/mm2)
Cantidad Abrasi´ on (mg)
Material
1
-
-
87.5
310
72
Convencional
2
-
-
91.0
270
13
3
-
-
93.5
180
8
4
-
-
95.3
90
2
Aleaci´on
5
-
-
95.4
80
2
del
6
1
1
95.2
70
2
presente
7
-
-
94.6
100
3
invento
8
-
1
95.1
80
2
9
-
-
95.3
70
2
10
-
-
95.0
90
2
11
-
-
95.0
110
2
45
50
Composici´ on (% en peso)
11
ES 2 110 971 T3 TABLA 2 Ensayo Material
5
Composici´ on (% en peso)
Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo Co Ni C
10
Di´ ametro Dure- Resistencia CTDAD. Grano WC za doblado Abrasi´ on N
W
µm
kgf/mm2
mg
Material
1
13.0
5.33
BAL.
2.0
87.5
310
72.0
Conven-
2
10.0
5.52
BAL.
1.0
91.0
270
13.0
cional
3
4.0
6.05
BAL.
1.0
93.5
180
8.0
2.0
6.95
BAL.
1.0
94.5
110
2.2
4
4.5
1.0
5
4.5
1.0
2.0 6.95
BAL.
1.0
94.1
100
4.3
6
4.5
1.0
1.0 1.0 6.95
BAL.
1.0
94.2
100
3.8
Material
7
4.5
1.0
1.0
7.01
BAL.
1.0
94.7
95
1.9
del
8
4.5
1.0
0.2
7.06
BAL.
1.0
94.9
75
1.5
presente
9
4.5
1.0
1.0
7.01
BAL.
0.5
95.0
100
1.3
invento
10
4.5
1.0
1.0
6.44
BAL.
1.0
94.8
90
1.4
11
3.0
2.0
2.0 1.0
6.91 0.75 BAL.
1.0
94.9
80
1.7
12
2.0
1.0 1.0
1.0
6.66
BAL.
1.0
94.7
65
1.7
1.0 1.0
6.39
BAL.
1.0
94.7
75
2.3
15
20
25
30
1.0 1.0
13
1.0 2.0
14
2.0
1.0
0.5
6.47
BAL.
1.0
94.8
85
2.1
15
1.0
1.0
0.5
6.34
BAL.
1.0
94.9
85
2.0
35
40
1 kgf/mm2 = 9,8 MPa
45
50
55
60
12
ES 2 110 971 T3 REIVINDICACIONES
5
10
1. Un miembro boquilla de chorro de agua con abrasivo formado por sinterizaci´ on en fase l´ıquida y consistente en un material duro a base de carburo de tungsteno como material principal, estando el carburo de tungsteno compuesto por granos, cada uno de los cuales tiene un di´ ametro inferior a 1 µm, y consistente adem´as en por lo menos una clase de carburo o nitruro, o una soluci´ on s´ olida de carburos o nitruros, seleccionados de Ti, Ta, V, Cr, Nb, Mo, Hf o Zr, con un peso total del 0,5 al 10,0% en peso y un material de ligamento del 0,2 al 2,0% en peso, consistente en por lo menos una clase de material seleccionado de aleaci´on de Co, Ni, Fe, Au, Ag, Cu o aleaci´ on de Al, y las inevitables impurezas, de modo que dicho material duro sinterizado tiene una propiedad de alta resistencia a la abrasi´on y una dureza superior a 94,0 HRA.
15
2. El miembro boquilla para chorro de agua con abrasivo de acuerdo a la reivindicaci´on 1, consistente en una aleaci´on super dura que est´ a formada por carburo de tungsteno como material principal y que adem´as consiste en por lo menos una clase de carburo o soluci´on s´olida de carburo seleccionado de Ti, Nb, Ta, V, Cr, Mo, Hf o Zr, y un material de ligamento consistente en por lo menos uno de los elementos del grupo f´errico, teniendo dicha aleaci´ on super dura una dureza superior a 94,5 HRA.
20
3. El miembro boquilla para chorro de agua con abrasivo de acuerdo a la reivindicaci´on 1, consistente en una aleaci´on super dura que est´ a formada por carburo de tungsteno como material principal y que adem´as consiste en por lo menos una clase de carburo o soluci´on s´olida de carburo seleccionado de Ti, Nb, Ta, V, Cr, Mo, Hf o Zr, y el citado material de ligamento.
25
30
35
40
45
50
55
60
NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposici´ on Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicaci´ on del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a Espa˜ na y solicitadas antes del 7-10-1992, no producir´ an ning´ un efecto en Espa˜ na en la medida en que confieran protecci´ on a productos qu´ımicos y farmac´euticos como tales. Esta informaci´ on no prejuzga que la patente est´e o no inclu´ıda en la mencionada reserva.
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ES 2 110 971 T3
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ES 2 110 971 T3
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ES 2 110 971 T3
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