MXPA99001790A - Metodo para recubrir en forma dura una superficie de metal - Google Patents

Abstract

Se enseñan aquíun recubrimiento duro resistente al desgaste y un método para aplicar tal recubrimiento duro. Se recubre una aleación resistente al desgaste finamente en polvo y una solución de alcohol polivinílico (PVA) sobre la superficie de metal de una herramienta, implemento o artículo similar que va ha recubrirse en forma dura. Alternativamente, un recubrimiento aglutinante de la solución de alcohol polivinílico puede aplicarse a la superficie de metal seguido por la aplicación de una capa de una aleación en polvo. Después de que se ha secado el recubrimiento aglutinante de alcohol polivinílico o de solución, dejando una capa seca de aleación en la matriz de alcohol polivinílico, la superficie de metal se calienta a la temperatura de fusión de la aleación en el vacío, en una atmósfera de gas inerte, o en una atmósfera de hidrógeno. El artículo de metal con el recubrimiento fusionado es entonces tratado con calor para impartirle las propiedades mecánicas deseadas al material de sustrato de parte. El método de la presente invención da un recubrimiento denso y liso del recubrimiento duro resistente al desgaste sin inclusiones no metálicas.

Description

MÉTODO PARA RECUBRIR EN FORMA DURA UNA SUPERFICIE DE METAL ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método para recubrir una superficie de metal, tal como la superficie de metal de una herramienta o de un implemento agrícola con un recubrimiento resistente al desgaste y duro.

Es muy conocido en el arte de la metalurgia el recubrimiento de una superficie de metal con otro metal o con una aleación de metal para mejorar la apariencia, para la protección en contra de la corrosión o para mejorar la resistencia al desgaste. El recubrimiento de herramientas, particularmente de los bordes cortadores de las herramientas, con una aleación resistente al desgaste y dura es una práctica industrial común, especialmente en el arte de la fabricación de implementos agrícolas, y se menciona frecuentemente como "recubrimiento duro" o como "formar una superficie dura". Por ejemplo, véanse las patentes de los Estados Unidos de América número Re. 27.852 otorgada a Alessi, la patente número 5.027.878 otorgada a Revan ar y la patente número 5.443.916 otorgada a Brady y otros, número 4.682.987 y la patente número 5.456.323 otorgada a Hill.

El recubrimiento duro se hace frecuentemente mediante el fusionar una aleación de metal duro en polvo sobre una superficie de metal. Típicamente, este método involucra el recubrir la superficie de metal con una solución acuosa o una aleación homogénea y en polvo, un flujo en polvo o un agente aglutinante y un agente de suspensión; el secar la solución para formar una capa sólida; y el calentar la superficie de metal a una temperatura suficientemente alta para fundir la aleación sobre la superficie. El flujo es para proteger la aleación de la reacción con los gases en la atmósfera de horno fusionante mientras que la aleación se está calentando. El agente de suspensión promueve una solución uniforme. El aglutinante retiene a la aleación y a los polvos de flujo en el lugar hasta que la solución de aleación se ha secado sobre la superficie de metal .

Un problema con este método de recubrimiento duro es el de que el flujo, el aglutinante y los aditivos de agente de suspensión en la solución permanecen en el recubrimiento fusionado como inclusiones no metálicas y no deseables, y reduce el volumen de recubrimiento resistente al desgaste efectivo para un espesor de recubrimiento dado. Estas inclusiones son descontinuas en el recubrimiento y aumentan lo quebradizo de éste y por tanto promueven la remoción del material de recubrimiento por fractura, más bien que por el desgaste abrasivo, resultando en un desgaste prematuro y en una vida de uso más corta del recubrimiento.

Otro problema con los métodos del arte es la falta de uniformidad del espesor del recubrimiento. Hay dos razones de este problema. 1) La aplicación de solución permite a la solución el fluir, cuando está húmeda, sobre superficies verticales e inclinadas formando por tanto una distribución dispareja de la aleación en polvo. 2) La mezcla de flujo/aglutinante usada en la solución recubridora se derrite adelante del polvo recubridor, y el líquido resultante tiene a desplazar las partículas de polvo sobre la superficies vertical e inclinada y a distribuir estas en forma no uniforme antes de que el polvo de aleación comience a fundirse.

La patente JP-A-60089503 describe un método de recubrimiento del material resistente al desgaste. Un polvo de un material abrasivo, tal como una aleación a base de cobalto o a base de níquel la cual incluye menos de 5 por ciento de hierro y un aglutinante orgánico, tal como un alcohol polivinílico, se mezclan para formar una solución la cual es recubierta sobre la superficie de las partes de máquina. Las partes son calentadas en una atmósfera no oxidante o de vacío para formar una capa sinterizada de un material resistente al desgaste la cual se une a través de una capa de difusión a las partes.

La patente de los Estados Unidos de América número 3.310.870 otorgada a Parkikh y otros describe un proceso para producir un acero recubierto de níquel usando una composición de solución que incluye un polvo de níquel en un aglutinante, tal como una solución de alcohol de polivinílo, la cual puede contener una dispersión o agente defloculante para propósitos de ayudar en la dispersión del aglutinante en la solución. La solución es recubierta sobre un sustrato metálico mediante rociado o recubrimiento con rodillo, se seca, se sinteriza en una atmósfera no oxidante al acero, se compacta en caliente y se enfría.

La patente europea EP-A-O 459 637 describe un proceso para aplicar un recubrimiento que consiste de una aleación dura a un metal u objeto cerámico. La aleación dura contiene sólo un pequeño porcentaje de hierro. Este se mezcla con un aglutinante orgánico, tal como un polímero de vinílo, y se aplica al objeto mediante embebido, rociado, enrollado u otras técnicas. En un primer paso de calentamiento el aglutinante es descompuesto y en un segundo paso de calentamiento a una alta temperatura en conjunción con la aplicación de una presión superatmosférica el recubrimiento se consolida.

Ikeno y otros en la patente de los Estados Unidos de América 4.175.163 enseña un método para recubrir. un producto de acero inoxidable con una capa de superficie resistente a la corrosión. Un polvo de metal, compuesto principalmente de cromio y níquel está mezclado con un solvente orgánico, tal como una solución acuosa de alcohol polivinílico. Después de rociar la mezcla sobre la superficie del producto se aplica un calentamiento de alta frecuencia bajo una atmósfera no oxidante, tal como de nitrógeno o de argón, lo cual hace que el material forme una capa de intersuperficie entre la capa de superficie y el producto de acero.

Es un objeto de la presente invención el proporcionar un método para recubrir en forma dura uniformemente una superficie de metal con una aleación resistente al desgaste sin inclusiones esencialmente no metálicas. Un segundo objeto es el de proporcionar una solución de aleación resistente al desgaste para usarse en un recubrimiento duro.

SÍNTESIS DE LA INVENCIÓN Un primer aspecto de la presente invención es un método para recubrir en forma dura una superficie de metal con un recubrimiento resistente al desgaste. Una primera incorporación del método comprende los pasos de: a) formar una solución acuosa esencialmente uniforme de alcohol de polivinílo sin flujo y una aleación de metal duro y fundible de por lo menos de alrededor de 60 por ciento de hierro en la forma de un polvo finamente dividido; y uno o más aditivos seleccionados del grupo que consiste de dispersantes, de defloculantes, y de plastificantes; b) recubrir la superficie de metal con una solución acuosa; c) secar la solución acuosa para dejar una capa sólida de la aleación de metal dura y fundible en una matriz de alcohol, polivinílico sobre la superficie de metal; d) calentar la superficie de metal recubierta con la capa de la aleación de metal dura y fundible en la matriz de alcohol polivinílico a la temperatura de fundido de la aleación bajo una atmósfera protectora a una presión de entre alrededor de 10 * torr y 2 libras por pulgada cuadrada sobre la presión atmosférica hasta que la aleación se haya fundido sobre la superficie de metal; y e) enfriar la superficie de metal con el recubrimiento duro fundido a la temperatura ambiente.

Los pasos b) y c) pueden repetirse una o más veces para acumular un recubrimiento más espeso de la matriz de alcohol polivinílico/aleación.

Una segunda incorporación del método para recubrir en forma dura una superficie de metal comprende los pasos de: a) recubrir la superficie de metal con una solución de alcohol polivinílico acuosa; b) distribuir una capa esencialmente uniforme de una aleación de metal duro y fundible en la forma de un polvo finamente dividido sobre el recubrimiento de la solución de alcohol polivinílico aplicada en el paso a) antes de que se seque la solución de alcohol polivinílico; c) secar el recubrimiento de solución de alcohol polivinílico acuoso para formar una capa sólida de la aleación de metal duro fundible unida a la superficie de metal mediante el recubrir el alcohol polivinílico; d) calentar la superficie de metal recubierta con la capa de aleación de metal duro y fundible unida mediante el recubrimiento de alcohol polivinílico a la temperatura de fusión de la aleación en una atmósfera protectora a una presión de entre alrededor de 10~4 torr y 2 libras por pulgada cuadrada sobre la presión atmosférica hasta que la aleación se ha fundido; y e) enfriar la superficie de metal con el recubrimiento de superficie duro a la temperatura ambiente.

Los pasos a) , b) y c) pueden repetirse una o más veces para acumular capas de la aleación cada una unida a la capa abajo de esta mediante un recubrimiento de alcohol polivinílico con la capa más baja estando unida directamente a la superficie de metal .

Un segundo aspecto de la presente invención es una solución acuosa de alcohol polivinílico con flujo y una aleación de metal fundible en la forma de un polvo finamente dividido de por lo menos de alrededor de 60 por ciento de hierro usado en la primera incorporación del método. Preferiblemente el tamaño de partícula promedio de la aleación es de alrededor de 200 mallas o más fino.

Los recubrimientos resistentes al desgaste aplicados mediante los métodos de recubrimiento de solución presentes para el recubrimiento duro son uniformemente densos y esencialmente no contienen inclusiones a diferencia de los recubrimientos de solución aplicados por los métodos del arte. Por tanto los recubrimientos de la presente invención son menos quebradizos y son más durables que los recubrimientos aplicados por los métodos del arte.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Un método ampliamente practicado de recubrimiento duro de superficies de metal, particularmente en implementos agrícolas se enseña en la patente de los Estados Unidos de América de reexpedición 27.851 de Alessi (incorporada aquí por referencia). Este método comprende: a) preparar una solución acuosa de una aleación dura en polvo, un aglutinante y de un derretimiento; b) recubrir la solución sobre la superficie de un artículo de metal que va ser recubierto en forma dura; c) expulsar el agua de la solución con calor bajo para dejar un depósito de aleación seco, aglutinante y un derretimiento sobre la superficie de metal; y d) calentar el artículo de metal completo a una temperatura suficientemente alta para fundir la aleación y formar un recubrimiento duro unido apretadamente sobre el artículo de metal. El método de la presente invención es una mejora sobre Alessi y los métodos de recubrimiento duro actualmente en uso basados sobre Alessi, por ejemplo, el proceso mencionado como el de "cara dura" en la patente de los Estados Unidos de América número 5.456.323.

En los métodos del arte para el recubrimiento dura basado sobre Alessi, el derretimiento y la combinación aglutinante (derretimiento/aglutinante) usados para preparar la solución de recubrimiento se derrite en un líquido a una temperatura mucho más baja que el punto de derretido del contenido de polvo de aleación de la solución. El derretimiento o flujo/aglutinante continua para existir como un líquido, aún a una temperatura superior de fusión del polvo de aleación. Sin embargo, el aglutinante/flujo líquido no puede elevarse a la superficie de la aleación derretida completamente dentro del breve tiempo de fusión y antes de que el metal se solidifique. Por tanto, el flujo/aglutinante es atrapado como partículas no metálicas pequeñas conocidas como "inclusiones" dentro del recubrimiento de aleación. Las inclusiones son relativamente suaves y quebradizas, por tanto, debilitan el recubrimiento de aleación y reducen su resistencia al desgaste. Aún si se permite un tiempo suficiente para que el aglutinante/flujo líquido se eleve a través de la capa de aleación derretida, el flujo/aglutinante no será removido del recubrimiento sino que formará parte de la capa superior recubridora.

Además, debido a que el punto de derretido del flujo/aglutinante está muy abajo de aquel de la aleación recubridora, el flujo/aglutinante se hace un fluido de baja viscosidad antes de que la temperatura de fusión de la aleación se alcance. Aquí el término "fusión" se toma para significar que la aleación finamente dividida se hace suave y que las partículas individuales se derritan y aglomeran para formar una capa continua. El flujo/aglutinante fluido tiende a fluir fácilmente sobre las superficies no horizontales llevando con este algo del polvo de aleación antes de que comience a ocurrir la fusión del polvo de aleación. Por tanto, el derretido del flujo/aglutinante resulta en un espesor no uniforme del recubrimiento solidificado causado por un funcionamiento de desgaste pobre del recubrimiento de aleación.

En la primera incorporación del presente método, es usada una solución acuosa de alcohol polivinílico (PVA) como el aglutinante en una solución acuosa de una aleación sin un flujo. El alcohol polivinílico cuando se calienta no se derrite a un termoplástico, sino que se descompone por la pérdida de agua de los dos grupos de hidroxilo adyacentes a una temperatura arriba de 150 grados centígrados. Cuando el recubrimiento de alcohol polivinílico/aleación es calentado a la temperatura de fusión de la aleación, el alcohol polivinílico se evapora casi completamente del recubrimiento dejando atrás un aglomerado de partículas en polvo recubridoras de aleación limpias con una resistencia cohesiva suficiente que se funde en un recubrimiento metálico limpio y denso sin inclusiones.

Sin embargo, debido a que el alcohol polivinílico se descompone y escapa muy por debajo de la temperatura de fusión de un polvo de aleación de recubrimiento duro, este no protege la aleación al alcanzar esta la temperatura de fusión de reaccionar químicamente con los gases de la atmósfera, por ejemplo, el oxígeno, el nitrógeno, y el bióxido de carbono. Tal protección es un propósito de un material de flujo el cual se omite intencionalmente en la presente invención. Por tanto, una atmósfera protectora se proporciona preferiblemente durante el calentamiento, fusión y enfriamiento en donde la aleación es sensible al aire a la temperatura elevada.

En un laboratorio y a una escala pequeña, la fusión de la aleación convenientemente puede llevarse a cabo en un horno con alto vacío (de alrededor de 10~4 torr o 0.1 µm) , eliminando efectivamente los gases atmosféricos. También es posible la operación del horno de gas inerte de baja presión (100-200 µm) , por ejemplo de argón o de helio. A presiones bajas, el nitrógeno también puede ser usado aún cuando no tan satisfactoriamente como el argón u otros gases inertes. Sin embargo, las operaciones con gas inerte de baja presión y de alto vacío en un horno con vacío en un ambiente de producción son relativamente costosas y lentas. Los gases inertes, por ejemplo el argón y el helio, justo arriba de la presión atmosférica, y los gases reductores tal como el hidrógeno, justo arriba de la presión atmosférica pueden usarse como una atmósfera protectora durante la fusión con aleación a una tasa de producción aceptable. El hidrógeno, debido a que es menos costoso que el argón o el helio, se prefiere como una atmósfera protectora en una producción a gran escala. Los hornos que usan hidrógeno como una atmósfera protectora se conocen en el arte de la metalurgia y están comercialmente disponibles.

Una solución usada en la presente invención se preparó mediante el mezclar completamente una aleación de recubrimiento duro en polvo con una solución aglutinante de alcohol polivinílico para dar a la aleación deseada la proporción por peso de solución aglutinante. Las composiciones de solución descritas aquí están designadas como un código de 8 dígitos. Por ejemplo, para una solución de "0550/0750", los primeros cuatro dígitos "0550", indican una proporción por peso de 5.5 a 1 de aleación en polvo a solución de alcohol polivinílico y los últimos cuatro dígitos, "0750", indican una solución acuosa de 7.5 por ciento (por peso) de alcohol polivinílico como un aglutinante. En esta designación, el punto decimal se presume que ocurre en la mitad de cada grupo de cuatro dígitos. En forma similar "1075/1025" significa una proporción de aleación a alcohol polivinílico de 10.75 a 1, y la solución acuosa de alcohol polivinílico es de 10.25 por ciento de alcohol polivinílico, por peso, en agua.

Aquellos expertos en el arte de la metalurgia apreciarán que para obtener un recubrimiento resistente al desgaste y uniforme, una superficie de metal que va a ser recubierta en forma dura debe ser un metal desnudo y limpio que está libre de óxido. Preferiblemente, antes de emplear los métodos de recubrimiento duro enseñados aquí, la superficie de metal que se va a recubrir en forma dura se ha preparado mediante el limpiar el metal para dejarlo desnudo. Convenientemente, una superficie de metal puede prepararse para recubrir en forma dura mediante escobillado con un material detergente y después golpear con arenilla. Preferiblemente, la arenilla es de una malla de alrededor de 80 a alrededor de 120. Si sólo se van recubrir unos cuantos artículos, la superficie puede ser liberada de óxido mediante el frotarla con un trapo o papel abrasivo fino, por ejemplo, un trapo o papel abrasivo de arenilla de 120. El material de arenilla puede ser esencialmente cualesquier polvo de partícula angular dura, por ejemplo de alúmina "arenilla de acero" y muchos otros abrasivos comercialmente disponibles.

En la primera incorporación del método de la presente invención, el procedimiento preferido para aplicar una solución a una superficie de metal que se va a recubrir depende de la forma y el tamaño del artículo de metal que tiene la superficie de metal así como la proporción de aleación y la concentración de la solución aglutinante de alcohol polivinílico. Típicamente, la solución recubridora se vierte, se cepilla o se rocía sobre la superficie de metal que va ser protegida, o el artículo teniendo la superficie de metal que se va a proteger puede embeberse en la solución. Este procedimiento es útil para recubrimientos relativamente delgados, por ejemplo, de hasta alrededor de 0.75 milímetros, pero la uniformidad de los espesores de recubrimiento es algunas veces difícil de obtener y de mantener. Para este procedimiento, preferiblemente la proporción de la aleación a la solución de alcohol polivinílico está en el rango de alrededor de 4:1 a alrededor de 8:1 y la concentración de solución de alcohol polivinílico es de alrededor de 1 por ciento a alrededor de 15 por ciento de alcohol polivinílico por peso. Por ejemplo, 0500/0500, 0600/0150, 0700/0150, 0500/0750, 0600/0750 o soluciones similares son adecuadas para este procedimiento.

El recubrimiento con rociado requiere una solución la cual tiene una tasa de sedimentación lenta del polvo " de aleación. Por tanto de acuerdo a la ley de Stokes la velocidad terminal (por ejemplo la velocidad sin aceleración) , "Vt, " de una partícula de polvo a través de una columna de fluido es directamente proporcional al cuadrado del radio, "r", de la partícula que se presume que es esférica e inversamente proporcional a la viscosidad del medio de fluido, " ? " , por ejemplo Vt a r2/? . Por tanto, entre más pequeño es el tamaño de malla de un polvo de aleación y mayor la viscosidad del aglutinante, más lenta será la tasa de sedimentación del polvo de aleación. El término de radio debido a que es cuadrado, tiene un efecto más fuerte que la viscosidad sobre la tasa de sedimentación. Por ejemplo, el radio de las partículas de 200 y 325 mallas son de 75 µ y 45 µ respectivamente y las viscosidades de 5 por ciento y 7.5 por ciento de las soluciones de alcohol polivinílico son de 15 mPa.s y 70 mPa.s. El valor Vt para la partícula de 325 mallas en el aglutinante de alcohol polivinílico de 7.5 por ciento será 13 veces más bajo que aquel de una partícula de 200 mallas en una solución de alcohol polivinílico de 5.0 por ciento. La tasa de sedimentación puede por tanto controlarse mediante el escoger juiciosamente combinaciones de concentración de aglutinante de tamaño de partícula en polvo. Por ejemplo, el asentamiento del polvo de aleación en una solución de 0500/0750 no agitada de polvo de menos 200 mallas es insignificante después de 20 minutos.

Una concentración superior de aglutinante, por ejemplo, de 10 por ciento (viscosidad de aglutinante de 250 mPa.s) reducirá adicionalmente la tasa de asentamiento, pero el aumento correspondientemente grande en la viscosidad de solución hará a la solución inadecuada para el rociado. Sin embargo, una solución de alta viscosidad puede usarse para procedimientos de aplicación alternos, por ejemplo, pastas y cintas, enseñadas de aquí en adelante.

Las composiciones de solución espesas, por ejemplo, de una proporción alta de aleación a solución de alcohol polivinílico, pueden aplicarse como una pasta exprimible, pueden enrollarse en cintas para unirse a lá superficie de metal. Ambos de estos procedimientos, sin embargo, usualmente requieren aditivos especiales para funcionar como dispersantes, defloculantes y plastificantes. Para estos procedimientos, preferiblemente la proporción de aleación a solución de alcohol polivinílico está en el rango de alrededor de 8:1 a alrededor de 15:1 por peso y la concentración de solución de alcohol polivinílico es de alrededor de 6 por ciento a alrededor de 15 por ciento de alcohol polivinílico por peso. Los ejemplos típicos de las soluciones espesas son de 1000/1000, 1200/1500, y de 1500/1200. Los métodos de pasta y cinta pueden usarse para recubrimientos gruesos. Sin embargo, estos procedimientos son difíciles de adaptar a un ambiente de una producción de alta velocidad.

Cuando se desea un recubrimiento espeso, una alternativa confiable y económica de la pasta y de la cinta es un procedimiento de recubrimiento múltiple el cual produce recubrimientos de solución uniformemente espesos aún sobre superficies grandes. Los espesores requeridos pueden construirse mediante rociado repetido con ciclos de secado intervinientes. El secado puede hacerse a alrededor de 80 - a alrededor de 120 grados centígrados en un horno de aire de circulación forzada. Una solución de 0500/0750 es particularmente adecuada para este método aún cuando pueden usarse otras formulas.

El método de la presente invención es particularmente útil para recubrir en forma dura superficies de artículos de acero sometidos a un alto impacto, corrosión y desgaste abrasivo incluyendo, pero no limitándose a herramientas (especialmente bordes cortadores de herramientas), cojinetes, pistones, ejes de manivela, engranes, partes de máquina, armas de fuego, implementos agrícolas, e instrumentos quirúrgicos. El método puede ser usado para el hierro dúctil de recubrimiento duro y el hierro gris, frecuentemente usado en artículos de fraguado tal como de los bloques de motor y las cajas de ensamble. Una aleación puede ser fundida sobre la superficie de un artículo de hierro fraguado a una temperatura justo abajo del punto de derretido del artículo de hierro. Además, los métodos de la presente invención pueden ser usados para recubrir metales no ferrosos y aleaciones siempre que la aleación de recubrimiento duro sea compatible con la superficie de metal que está siendo recubierta y la temperatura de fusión de la aleación de recubrimiento duro esté significativamente abajo del punto de derretido del metal que está siendo recubierto en forma dura.

Alternativamente, usando la segunda incorporación de la presente invención la superficie de metal que va ser protegida puede ser recubierta con una solución de alcohol polivinílico acuosa (alrededor de 1 por ciento a alrededor de 15 por ciento de alcohol polivinílico por peso) para formar un recubrimiento aglutinante seguido por la distribución de aleación de polvo seco sobre el recubrimiento de solución de aglutinante de alcohol polivinílico mientras que este aún está húmedo, preferiblemente con un rociador de polvo y más preferiblemente con un rociado de aire. Preferiblemente, ambas la solución de alcohol polivinílico acuosa y el polvo de aleación son rociados sobre la superficie de metal. La solución de aglutinante de alcohol polivinílico es entonces secada para dar una capa sólida de polvo de aleación unida a la superficie mediante un recubrimiento de alcohol polivinílico. Las capas múltiples del polvo de aleación pueden obtenerse mediante el aplicar recubrimientos sucesivos de solución de alcohol polivinílico y capas del polvo de aleación y secar cada recubrimiento de solución de alcohol polivinílico sucesivo aglutinando una capa de aleación antes de agregar otro recubrimiento de alcohol polivinílico. Este método elimina los problemas de la sedimentación de polvo en una solución y el flujo de solución en los recubrimientos gruesos. Además, esta incorporación es muy adecuada para la producción a alta velocidad.

El tratamiento por calor del metal para modificar o mejorar sus propiedades se conoce bien y se practica ampliamente en el arte de la metalurgia como por ejemplo, véase el manual de tratamiento de calor, ASM International, Metals Park, Ohio (1991) . El proceso de tratar con calor esencialmente involucra el calentar uniformemente el metal a su temperatura de austenitización (enfriamiento) y entonces se enfría rápidamente, por ejemplo, mediante enfriamiento, en un medio enfriador, tal como agua, aceite enfriador, o un polímero enfriador, o aún aire. Un artículo de metal teniendo un recubrimiento duro de superficie por el método de la presente invención puede tratarse con calor mediante el remover el artículo del horno después de la fusión de la aleación, enfriar lentamente a la temperatura de enfriamiento del metal, y después sumergirlo en un medio de enfriamiento adecuado. Alternativamente, un artículo de metal teniendo una superficie previamente recubierta y dura puede tratarse con calor mediante el calentarla a su temperatura de enfriamiento y después enfriarla .

Un aglutinante de alcohol polivinílico, a diferencia de los aglutinantes/flujo mostrados en el arte no se derrite para formar un líquido antes o durante el proceso de fusión de recubrimiento y por tanto no proporciona una oportunidad para el polvo recubridor para "viajar" antes de que el polvo comience a fundirse. Esta propiedad del alcohol polivinílico asegura que el espesor del recubrimiento fundido final corresponde al espesor del recubrimiento de solución de inicio en cada lugar del recubrimiento. Las soluciones de hasta 0.040 pulgadas de espesor fundidas sobre una superficie de acero vertical no mostraron un desplazamiento del metal en polvo, antes o durante la fusión. Un recubrimiento de hasta 1.5 milímetros de espesor sobre una superficie inclinada 60 grados tampoco mostró un flujo de metal. Por tanto, el alcohol polivinílico es un aglutinante que minimiza el problema de la no uniformidad del recubrimiento encontrado en los procesos de recubrimiento duro del arte.

Revankar y otros en la patente de los Estados Unidos de América número 5.027.878 emplea el alcohol polivinílico, en el fraguado con patrón evaporativo o proceso EPC, como unos medios para sostener partículas cerámicas, tal como las partículas de carburo de metal, en un lugar sobre un patrón de polímero el cual es entonces colocado en un molde de arena dentro del cual se está fraguando el hierro derretido. Sin embargo la patente 5.027.878 muestra que las partículas cerámicas son impregnadas en el hierro y no se funden sobre una superficie de metal como las partículas de aleación en el método de la presente invención. Además, dicha patente 5.027.878 enseña un tamaño de partícula de cerámica preferiblemente de alrededor de 30 mallas, más preferiblemente de alrededor de 100 mallas, mientras que las partículas de aleación de la presente invención son preferiblemente de alrededor de 200 mallas o más finas.

El alcohol polivinílico, el aglutinante usado en la presente invención, es un polímero ambientalmente seguro y barato. En ausencia de ácidos o bases, una solución acuosa del alcohol polivinílico es estable aún después de varios meses de almacenamiento a la temperatura ambiente. La estabilidad de las soluciones de alcohol polivinílico es una ventaja para las aplicaciones de producción. Cuando se calienta una solución de polvo de aleación con alcohol polivinílico como aglutinante a la temperatura de fusión del polvo de aleación en una atmósfera protectora tal como de algodón o de helio o en una atmósfera reductora tal como de hidrógeno, el alcohol polivinílico parece que se evapora completamente, resultando en un recubrimiento denso de la aleación sin inclusiones.

Una aleación útil en la presente invención es esencialmente más dura y más resistente al desgaste que el acero típicamente usado para las herramientas, engranes, partes de motor e implementos agrícolas, por ejemplo el acero de clase 1045. Preferiblemente, la aleación tiene un valor de dureza Knoop en el rango de alrededor de 800 a alrededor de 1300. La aleación tiene una temperatura de fusión de alrededor de 1100 grados centígrados o menos, por ejemplo, la cual es más baja que el punto de derretido del metal que se va a recubrir. Preferiblemente el polvo de aleación tiene un tamaño de partícula que es suficientemente pequeño para formar una solución uniforme y un recubrimiento duro uniforme. Preferiblemente, la aleación es de una fase única y, preferiblemente tiene una temperatura de fusión de entre alrededor de 900 grados centígrados y alrededor de 1200 grados centígrados. Esta está en la forma de un polvo finamente dividido teniendo partículas típicamente variando en tamaño de desde alrededor de 90 mallas a alrededor de 400 mallas. Preferiblemente, el tamaño de partícula promedio es más fino de alrededor de 200 mallas y más preferiblemente, más fino que de alrededor de 325 mallas.

Las aleaciones útiles en la presente invención son preferiblemente de por lo menos de 60 por ciento de un metal de transición del grupo 8 de la Tabla periódica, tal como hierro, cobalto, o níquel, por ejemplo, estas están basadas sobre hierro, cobalto o níquel, pero pueden basarse sobre otros metales siempre que las aleaciones tengan las propiedades físicas declaradas arriba. Los componentes menores (alrededor de 0.1 a alrededor de 20 por ciento) típicamente son boro, carbón, cromio, hierro (en aleaciones a base de cobalto y níquel) , manganeso, níquel (en aleaciones a base de cobalto y hierro) , silicio, tungsteno, o combinaciones de los mismos, véase Alessi. Los elementos en cantidades de indicio (menos de alrededor de 0.1 por ciento) tal como el sulfuro, pueden estar presentes como contaminantes mínimos. Aún cuando puede ser posible el preparar una aleación conteniendo elementos radioactivos, altamente tóxicos o preciosos que llenan las propiedades físicas y químicas requeridas citadas arriba, tal aleación puede ser de un valor limitado o de ningún valor debido a las consideraciones de salud, seguridad y/o económicas.

Los métodos para preparar las aleaciones de polvo finamente divididas son muy conocidas en el arte de la metalurgia. La información y antecedentes sobre las aleaciones en polvo útiles para la presente invención .pueden encontrarse en los libros de texto estándar enseñando el arte tal como el de Hausner, H. H. y Mal, M. K. , Texto de Metalurgia en Polvo, segunda edición (especialmente iniciando en la página 22) de Chemical Publishing Company, Inc. (1982) . Las aleaciones en polvo útiles en la presente invención están disponibles de los proveedores comerciales, tal como de Wall Colmonoy Corporation, de Madison Heights, Michigan y SCM Metal Productos, Inc., de Research Triangle Park, Carolina del Norte.

Los siguientes ejemplos son presentados para ilustrar adicionalmente la presente invención y no deben considerarse como limitaciones de esta.

EJEMPLOS Ejemplo 1. Aleación Las aleaciones útiles en los métodos de la presente invención incluyen pero no se limitan a aquellos descritos en la Tabla 1.

T a b l a Composición Elemental (por ciento por peßo) de Aleaciones Seleccionadas Útiles para Superficies de Metal de Recubrimiento Ejemplo 2 . Aplicación de un Recubrimiento Resistente al Desgaste a un Barrido Bajo Argón El alcohol polivinílico (PVA) (75-15 Elvanol (marca) suministrado por DuPont) es mezclado con suficiente agua para hacer una solución de 7.5 por ciento por peso de alcohol polivinílico. El polvo de la aleación # 3 (véase la Tabla 1, Ejemplo 1) promediando alrededor de 200 mallas, suministrado por SCM Metal Products, Inc., se agregó a la solución de alcohol polivinílico en la proporción por peso de 5.0 partes de aleación # 3 a una parte de solución de alcohol polivinílico para hacer una solución del tipo 0500/0750.

Un rastreador es fregado con una solución detergente caliente, y el área que se va a recubrir es golpeada con arenilla a un terminado no brillante con una arenilla de 100 mallas. Una capa de 2 milímetros de espesor de la solución de aleación/alcohol polivinílico se roció sobre el área del rastreador que se va a recubrir, y el rastreador se calentó en un horno de circulación forzada a alrededor de 120 grados centígrados por 30/60 minutos hasta que la solución se había secado para formar un depósito de alcohol polivinílico/aleación.

El rastreador es entonces transferido a un horno de vacío operando con una presión parcial de argón de 100-500 mieras. El rastreador es calentado a aproximadamente 1100 grados centígrados y se mantiene a esa temperatura hasta que la fusión del recubrimiento a la superficie del rastreador está completa (alrededor de 2 a 10 minutos) . El rastreador es entonces lenta y uniformemente enfriado mientras que se mantiene la atmósfera de argón hasta que la temperatura alcanza alrededor de 300 grados centígrados o es más baja en cuyo momento el rastreador se remueve del horno y se deja enfriar a la temperatura ambiente. (Como se usa aquí "temperatura ambiente" es sinónimo con "temperatura ambiente", por ejemplo alrededor de 15 grados centígrados a alrededor de 35 grados centígrados) .

Ejemplo 3. Aplicar un Recubrimiento Resistente al Desgaste a un Rastreador Bajo Hidrógeno Se aplicó un recubrimiento resistente al desgaste a un rastreador como en el Ejemplo 2 excepto porque este se calentó en un horno de vacío bajo nitrógeno a una presión ligeramente positiva (alrededor de 1 a alrededor de 2 libras por pulgada cuadrada sobre la presión atmosférica) .

Ejemplo 4. Tratamiento con Calor ** '"•** Sustrato de Metal Se aplicó un recubrimiento resistente al desgaste a un rastreador como en el Ejemplo 2. El rastreador es entonces recalentado a la temperatura de austenificación (enfriado) del acero de sustrato (por ejemplo 845 grados centígrados para el acero 1045) y entonces se enfrió en un aceite enfriador comercialmente disponible. El rastreador es entonces recalentado a alrededor de 275 grados centígrados a 300 grados centígrados para temperar la martensita formada por enfriamiento, y se dejó enfriar a la temperatura ambiente en el aire.

Ejemplo 5. Aplicar un Recubrimiento Resistente al Desgaste a una Barra de Raspador de una Combinada de Grano Se aplicó un recubrimiento resistente al desgaste a una superficie de barra raspadora mediante el rociado sobre la superficie limpiada una solución de la aleación # 2 (Tabla 1, Ejemplo 1) , por ejemplo la proporción por peso de la solución de PVA al peso de aleación es de 6.0:1, y la solución de alcohol polivinílico acuoso es de 5.0 por ciento de alcohol polivinílico para formar un tipo de solución de 0600/0500. Después de secar la solución sobre la barra de raspado en una manera similar al procedimiento del Ejemplo 2, la aleación se fusionó sobre la barra de raspado en un horno de tipo de banda bajo una atmósfera de hidrógeno de presión positiva a alrededor de 1100 grados centígrados. La barra de raspado recubierta es entonces enfriada a la temperatura de enfriamiento la cual se selecciona de acuerdo a la clase de acero de sustrato como se mencionó en el Ejemplo 4 arriba y entonces se enfrió en un enfriador de polímero o de aceite disponible comercialmente dependiendo de la clase de acero. La barra de raspado enfriada entonces puede ser además tratada con calor como en el Ejemplo 4.

Ejemplo 6. Aplicación de un Recubrimiento Resistente al Desgaste al Borde de una Cuchilla de Segadora de Prado Una cuchilla de segadora de prado es recubierta con un recubrimiento resistente al desgaste de acuerdo al procedimiento del Ejemplo 2 excepto porque se usó la aleación # 1 (Tabla 1, Ejemplo 1) en lugar de la aleación # 3. Esta es entonces tratada con calor como en el Ejemplo 4.

Ejemplo 7. Aplicación de un Recubrimiento Resistente al Desgaste a un Fraguado de Retén de Caja de Suministro de Combinada Agrícola Hecha de Hierro Dúctil La superficie de la caja de retén se preparó para recibir un recubrimiento resistente al desgaste como en el Ejemplo 2. La parte que va a ser recubierta en forma dura es entonces rociada con 10 por ciento de solución de alcohol polivinílico acuosa. Inmediatamente, el área cubierta con la solución de alcohol polivinílico se roció con una aleación # 4 (Tabla 1, Ejemplo 1) y la caja se calentó en un horno de aire de circulación forzada a alrededor de 120 grados hasta que el recubrimiento aglutinante de alcohol polivinílico se secó para formar un depósito de alcohol polivinílico/aleación. El área de la parte que no va a ser recubierta dura se limó libre del aglutinante de alcohol polivinílico y de la aleación. Nótese que esta segunda incorporación del método de la presente invención no hay necesidad de formar una solución antes de la aplicación del polvo de aleación.

La caja es entonces calentada a una temperatura de alrededor de 1100 grados centígrados para fundir el recubrimiento. El calentamiento se hace en un horno de transportador de tipo de banda a una presión positiva (aproximadamente de 1 a 2 libras por pulgada cuadrada sobre la presión atmosférica) de hidrógeno, y la caja de retén se mantiene a alrededor de 1065 grados centígrados a alrededor de 1075 grados centígrados por aproximadamente 2-5 minutos. La caja es entonces transferida a un baño de sal de austemplado calentado a alrededor de 275 grados centígrados a alrededor de 325 grados centígrados y se mantuvo en el baño por 4 a 6 horas a esta temperatura hasta que se completó la transformación de la estructura de material. Esta entonces se removió del baño y se enfrió en el aire a la temperatura ambiente .

Claims (13)

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. Un método para recubrir en forma dura una superficie de metal con un recubrimiento resistente al desgaste que comprende los pasos de: a) formar una solución acuosa esencialmente uniforme de alcohol polivinílico sin flujo y una aleación de metal duro fundible de por lo menos de alrededor de 60 por ciento de hierro en la forma de un polvo finamente dividido; y uno o más aditivos seleccionados del grupo que consiste de dispersantes, defloculantes y plastificadores ; b) recubrir la superficie de metal con la solución acuosa; c) secar la solución acuosa para formar una capa sólida de la aleación de metal duro y fundible en una matriz de alcohol polivinílico sobre la superficie de metal; d) calentar la superficie de metal recubierta con la capa de aleación de metal duro y fundible en la matriz de alcohol polivinílico a la temperatura de fusión de la aleación en una atmósfera protectora a una presión de entre alrededor de 10"4 torr y 2 libras por pulgada cuadrada sobre la presión atmosférica hasta que la aleación se haya fusionado sobre la superficie de metal ; y e) enfriar la superficie de metal con el recubrimiento duro fundido a la temperatura ambiente.

2. El método tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizado porque los pasos b) y c) son repetidos por lo menos una vez.

3. Un método para recubrir en forma dura una superficie de metal con un recubrimiento resistente al desgaste que comprende los pasos de : a) recubrir la superficie de metal con una solución de alcohol polivinílico acuosa; b) distribuir una capa esencialmente uniforme de una aleación de metal duro y fundible en la forma de un polvo finamente dividido sobre el recubrimiento de la solución de alcohol polivinílico aplicada en el paso a) antes de que se seque la solución de alcohol polivinílico; c) secar el recubrimiento de solución de alcohol polivinílico acuoso para formar una capa sólida de la aleación de metal duro y fundible unida a la superficie de metal mediante el recubrimiento del alcohol polivinílico; d) calentar la superficie de metal recubierta con la capa de aleación de metal duro y fundible unida mediante el recubrimiento del alcohol polivinílico a la temperatura de fusión de la aleación en una atmósfera protectora a una presión de entre alrededor de 10~4 torr y 2 libras por pulgada cuadrada sobre la presión atmosférica hasta que la aleación se ha fusionado; y e) enfriar la superficie de metal con el recubrimiento duro fundido a la temperatura ambiente.

4. El método tal y como se reivindica en la cláusula 3 caracterizado porque los pasos a) , b) y c) son repetidos por lo menos una vez.

5. El método tal y como se reivindica en las cláusulas 3 o 4 caracterizado porque la aleación es de por lo menos de alrededor de 60 por ciento de hierro.

6. El método tal y como se reivindica en una de las cláusulas 3 a 5 caracterizado porque la aleación de metal duro en la forma de un polvo finamente dividido se distribuye por un rociador de polvo.

7. El método tal y como se reivindica en una de las cláusulas 1 a 6 caracterizado porque la aleación consiste esencialmente de uno o más elementos seleccionados de hierro, níquel, y cobalto, y dos o más elementos seleccionados de boro, carbón, cromio, milibdeno, manganeso, tungsteno y silicio.

8. El método tal y como se reivindica en una de las cláusulas 1 a 7 caracterizado porque la superficie de metal está sobre un implemento agrícola.

9. El método tal y como se reivindica en una de las cláusulas 1 a 8 caracterizado porque la aleación es calentada a la temperatura de fusión bajo una atmósfera de argón.

10. El método tal y como se reivindica en una de las cláusulas 1 a 9 caracterizado porque la aleación es calentada a la temperatura de fusión bajo una atmósfera de hidrógeno.

11. Una solución para recubrir en forma dura una superficie de metal que comprende: una aleación de metal duro fundible en la forma de un polvo finamente dividido de por lo menos de alrededor de 60 por ciento de hierro en una solución de alcohol polivinílico acuosa sin flujo.

12. La solución tal y como se reivindica en la cláusula 11 caracterizada porque la aleación está compuesta de boro, carbón, cromio, hierro, manganeso, níquel y silicio.

13. La solución tal y como se reivindica en las cláusulas 11 o 12 caracterizada porque el tamaño de partícula promedio de la aleación es de alrededor de 200 mallas o más fino. R E S U M E N Se enseñan aquí un recubrimiento duro resistente al desgaste y un método para aplicar tal recubrimiento duro. Se recubre una aleación resistente al desgaste finamente en polvo y una solución de alcohol polivinílico (PVA) sobre la superficie de metal de una herramienta, implemento o artículo similar que va ha recubrirse en forma dura. Alternativamente, un recubrimiento aglutinante de la solución de alcohol polivinílico puede aplicarse a la superficie de metal seguido por la aplicación de una capa de una aleación en polvo. Después de que se ha secado el recubrimiento aglutinante de alcohol polivinílico o de solución, dejando una capa seca de aleación en la matriz de alcohol polivinílico, la superficie de metal se calienta a la temperatura de fusión de la aleación en el vacío, en una atmósfera de gas inerte, o en una atmósfera de hidrógeno. El artículo de metal con el recubrimiento fusionado es entonces tratado con calor para impartirle las propiedades mecánicas deseadas al material de sustrato de parte. El método de la presente invención da un recubrimiento denso y liso del recubrimiento duro resistente al desgaste sin inclusiones no metálicas .