valvula compuesta ceramica para motores de combustion interna y ...
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OFICINA ESPAÑOLA DE<br />
PATENTES Y MARCAS<br />
ESPA ÑA<br />
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11 N. ◦ <strong>de</strong> publicación: ES 2 042 164<br />
k<br />
51 Int. Cl. 5 : F01L 3/02<br />
F02F 7/00<br />
C04B 35/80<br />
//B23P 15/00<br />
C04B 35/00<br />
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12 TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA T3<br />
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86 Número <strong>de</strong> solicitud europea: 90117337.7<br />
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86 Fecha <strong>de</strong> presentación : 08.09.90<br />
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87 Número <strong>de</strong> publicación <strong>de</strong> la solicitud: 0 417 676<br />
k<br />
87 Fecha <strong>de</strong> publicación <strong>de</strong> la solicitud: 20.03.91<br />
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54 Título: Válvula <strong>compuesta</strong> a base <strong>de</strong> cerámica <strong>para</strong> <strong>motores</strong> <strong>de</strong> combustión <strong>interna</strong> y similares.<br />
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30 Prioridad: 14.09.89 US 406997<br />
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45 Fecha <strong>de</strong> la publicación <strong>de</strong> la mención BOPI:<br />
01.12.93<br />
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45 Fecha <strong>de</strong> la publicación <strong>de</strong>l folleto <strong>de</strong> patente:<br />
01.12.93<br />
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73 Titular/es: W.R. Grace & Co.-Conn.<br />
Grace Plaza, 1114 Avenue of the Americas<br />
New York, New York 10036-7794, US<br />
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72 Inventor/es: Berneburg, Philip Louis y<br />
Rice, Roy Warren<br />
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74 Agente: Isern Jara, Jaime<br />
Aviso: En el plazo <strong>de</strong> nueve meses a contar <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la fecha <strong>de</strong> publicación en el Boletín europeo <strong>de</strong> patentes,<br />
<strong>de</strong> la mención <strong>de</strong> concesión <strong>de</strong> la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina<br />
Europea <strong>de</strong> Patentes a la patente concedida. La oposición <strong>de</strong>berá formularse por escrito y estar<br />
motivada; sólo se consi<strong>de</strong>rará como formulada una vez que se haya realizado el pago <strong>de</strong> la tasa <strong>de</strong><br />
oposición (art ◦ 99.1 <strong>de</strong>l Convenio sobre concesión <strong>de</strong> Patentes Europeas).<br />
Venta<strong>de</strong>fascículos: Oficina Española <strong>de</strong> Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
1 2 042 164 2<br />
DESCRIPCION<br />
Ambito <strong>de</strong> la invención<br />
Esta invención se refiere a estructuras<br />
cerámicas que se obtienen <strong>de</strong> un compuesto <strong>de</strong><br />
fibras cerámicas y más particularmente, a estructuras<br />
<strong>de</strong> válvulas a base <strong>de</strong> cerámica a<strong>de</strong>cuadas<br />
<strong>para</strong> emplear en <strong>motores</strong> <strong>de</strong> combustión <strong>interna</strong><br />
y similares.<br />
Antece<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong> la invención<br />
Las mejoras en las válvulas <strong>para</strong> <strong>motores</strong> <strong>de</strong><br />
combustión <strong>interna</strong> y similares han sido progresivamente<br />
más buscadas a causa <strong>de</strong>l papel clave que<br />
juegan tanto en el rendimiento <strong>de</strong>l motor como en<br />
el tiempo medio transcurrido entre revisiones <strong>de</strong>l<br />
motor. Las necesida<strong>de</strong>s clave son la reducción <strong>de</strong>l<br />
peso <strong>de</strong> la válvula <strong>para</strong> una mejor respuesta <strong>de</strong> la<br />
misma y la reducción <strong>de</strong>l <strong>de</strong>sgaste a la vez que se<br />
mantiene o aumenta la exactitud; todo ello con un<br />
coste mo<strong>de</strong>rado. Así mientraslasválvulas son tipicamente<br />
<strong>de</strong> metal, se están evaluando compuestos<br />
cerámicos como p. ej. el Si3N4 <strong>para</strong> válvulas<br />
<strong>de</strong> <strong>motores</strong> <strong>de</strong>bido a su baja <strong>de</strong>nsidad (alre<strong>de</strong>dor<br />
<strong>de</strong>l 40 % <strong>de</strong> la <strong>de</strong>l acero), su alta dureza, su tolerancia<br />
al calor, y su resistencia a la corrosión, al<br />
<strong>de</strong>sgaste y a la erosión. Sin embargo la exactitud<br />
ha sido una seria preocupación con los productos<br />
cerámicos <strong>de</strong>bido al enorme nivel <strong>de</strong> fallos evi<strong>de</strong>nciados.<br />
La patente U.S. 4.359.022 <strong>de</strong>scribe válvulas<br />
hechas <strong>de</strong> materiales cerámicos tales como el nitruro<br />
<strong>de</strong> silicio, carburo <strong>de</strong> silicio, etc. Esta patente<br />
se refiere a estructuras <strong>de</strong>l “tipo fibra”, pero<br />
solo <strong>de</strong>scribe el empleo <strong>de</strong> polvos cerámicos sinterizados.<br />
Resumen <strong>de</strong> la invención<br />
Se ha <strong>de</strong>sarrollado ahora un método<strong>para</strong>obtener<br />
una válcula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> cerámica reforzada<br />
con fibra, que se consi<strong>de</strong>ra especialmente<br />
a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> emplear en <strong>motores</strong> <strong>de</strong> combustión<br />
<strong>interna</strong> y similares. La válvula posee la ligereza,<br />
dureza y resistencia al calor normalmente asociadas<br />
con los productos cerámicos, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong><br />
resistencia al impacto y resistencia a la rotura.<br />
Las válvulas acabadas se obtienen habitualmente<br />
fabricando una válvula preforma que compren<strong>de</strong><br />
una parte constituída por el vástago y otra parte<br />
constituída por la campana en la forma que aquí<br />
se <strong>de</strong>scribe, y a continuación procesando más la<br />
válvula preforma hasta obtener una válvula acabada<br />
a<strong>de</strong>cuada. La válvula preforma es un compuesto<br />
que compren<strong>de</strong> una parte constituída por<br />
un vástago alargado <strong>de</strong> un manguito cerámico fibroso<br />
que tiene la forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> ser insertado<br />
en la guía <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> un motor, y<br />
está relleno con un haz unidireccional axialmente<br />
alineado <strong>de</strong> fibras cerámicas <strong>de</strong> refuerzo. El manguito<br />
cerámico está <strong>de</strong> preferencia trenzado. Un<br />
extremo <strong>de</strong>l manguito está amoldado a la parte<br />
constituída por la campana <strong>de</strong> la válvula. La<br />
parte <strong>de</strong> la campana es un material cerámico que<br />
contiene fibras cerámicas discontínuas, y tiene la<br />
forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> acoplarse con el asiento <strong>de</strong><br />
la válvula <strong>de</strong> un motor. Las fibras <strong>de</strong>l vástago<br />
(tanto las fibras <strong>de</strong>l material fibroso <strong>de</strong>l manguito<br />
como el haz <strong>de</strong> fibras encerrado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l<br />
mismo) proporcionan un refuerzo interno <strong>de</strong> la<br />
parte constituída por la campana. La estructura<br />
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en forma <strong>de</strong> válvula está a<strong>de</strong>cuadamente impregnada<br />
y rigidizada bien durante o bien <strong>de</strong>spués <strong>de</strong><br />
dar forma al vástago y a la campana con una<br />
matriz <strong>de</strong> un material cerámico a<strong>de</strong>cuado y luego<br />
opcionalmente con una matriz <strong>de</strong> carbón y/o otro<br />
material cerámico, <strong>para</strong> obtener una preforma <strong>de</strong><br />
válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong>nsificada cerámica reforzada<br />
con fibras. La válvula preforma <strong>de</strong>nsificada pue<strong>de</strong><br />
acabarse (p. ej. utilizando el tratamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>posición<br />
química en fase vapor) <strong>para</strong> obtener una<br />
válvula que es ligera y altamente resistente al <strong>de</strong>sgaste,<br />
impacto, esfuerzo, calor y humos <strong>de</strong>l motor;<br />
y que tiene una estabilidad dimensional favorable<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l intervalo <strong>de</strong> temperaturas a las que<br />
normalmente trabaja el motor <strong>de</strong> combustión <strong>interna</strong>.<br />
Es un objeto <strong>de</strong> esta invención el obtener una<br />
válvula <strong>de</strong> peso relativamente ligero que pue<strong>de</strong><br />
ser fabricada <strong>para</strong> proporcionar la dureza, capacidad<br />
a las altas temperaturas y la necesaria resistencia<br />
al <strong>de</strong>sgaste, <strong>para</strong> emplear en <strong>motores</strong> <strong>de</strong><br />
combustión <strong>interna</strong> y similares.<br />
Otro objeto <strong>de</strong> esta invención consiste en obtener<br />
una válvula <strong>compuesta</strong> cerámica con resistencia<br />
suficiente <strong>para</strong> evitar el enorme nivel <strong>de</strong> fallos<br />
normalmente típicos <strong>de</strong> los productos cerámicos<br />
<strong>de</strong> una sola pieza.<br />
Otro objeto <strong>de</strong> esta invención consiste en proporcionar<br />
un compuesto cerámico que pueda obtenerse<br />
con relativa facilidad y a un coste razonable.<br />
Otros objetos, características y ventajas <strong>de</strong> la<br />
invención se harán aparentes a partir <strong>de</strong> la siguiente<br />
<strong>de</strong>scripción <strong>de</strong>tallada.<br />
Para solucionar estos problemas se han sugerido<br />
las válvulas <strong>compuesta</strong>s <strong>de</strong> cerámica reforzadas<br />
con fibras y el método <strong>de</strong> obtenerlas, <strong>de</strong><br />
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 21.<br />
Descripción <strong>de</strong>tallada<br />
Se obtienen válvulas <strong>compuesta</strong>s cerámicas reforzadas<br />
con fibras, incluyendo las formas terminadas<br />
y las preformas, <strong>de</strong> acuerdo con esta invención.<br />
Cada válvula terminada y la válvula<br />
preforma tiene una parte consistente en el vástago<br />
alargado <strong>de</strong> la válvula que tiene la forma a<strong>de</strong>cuada<br />
<strong>para</strong> su inserción en la guía <strong>de</strong> la válvula<br />
<strong>de</strong> un motor y compren<strong>de</strong> un manguito cerámico<br />
fibroso que está relleno con un haz unidireccional<br />
<strong>de</strong> fibras cerámicas <strong>de</strong> refuerzo axialmente<br />
alineado; una parte consistente en una campana<br />
cerámica que tiene la forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> acoplarse<br />
con el asiento <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> un motor y<br />
contiene fibras cerámicas discontínuas; y una matriz<br />
<strong>de</strong> material cerámico en el cual las fibras <strong>de</strong>l<br />
vástago y la campana están empotradas, en don<strong>de</strong><br />
un extremo <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago está amoldado<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la campana. Tal como aquí seutiliza,<br />
la <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> las fibras <strong>de</strong> relleno <strong>de</strong>ntro<br />
<strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago en forma <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> fibras<br />
unidireccional axialmente alineado, significa<br />
que o bien las mismas fibras individuales o bien<br />
los filamentos <strong>de</strong> las mismas son generalmente <strong>para</strong>lelos<br />
a la dimensión longitudinal <strong>de</strong>l vástago.<br />
Típicamente se emplean filamentos (o estopas) <strong>de</strong><br />
fibras múltiples, y aunque las fibras individuales<br />
pue<strong>de</strong>n no ser ellas mismas necesariamente <strong>para</strong>lelas<br />
al eje <strong>de</strong>l vástago alargado, en función <strong>de</strong>l<br />
enrollado <strong>de</strong>l filamento (o estopa), cada filamento
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(o estopa) es generalmente <strong>para</strong>lelo a dicho eje <strong>de</strong><br />
forma que el haz está axialmente alineado y es<br />
unidireccional, proporcionando con ello la rigi<strong>de</strong>z<br />
suficiente <strong>para</strong> resistir la <strong>de</strong>formación. En cualquier<br />
caso, la naturaleza unidireccional <strong>de</strong>l haz<br />
<strong>de</strong> fibras en toda la longitud <strong>de</strong>l vástago permite<br />
un relleno <strong>de</strong> las fibras relativamente apretado,<br />
obteniendo así un fuerte haz <strong>de</strong> fibras relativamente<br />
rígido. Las fibras cerámicas discontínuas<br />
<strong>de</strong> la campana no necesitan estar alineadas y<br />
típicamente están más bien orientadas al azar.<br />
En algunas técnicas <strong>de</strong> fabricación las fibras discontínuas<br />
<strong>de</strong> la campana pue<strong>de</strong>n ten<strong>de</strong>r a ser <strong>para</strong>lelas<br />
al contorno <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> la campana.<br />
Un extremo <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago está amoldado<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la campana <strong>para</strong> formar con ella<br />
una estructura en forma <strong>de</strong> válvula. De preferencia<br />
este extremo <strong>de</strong>l vástago está acampanado<br />
hacia fuera <strong>para</strong> facilitar el contacto <strong>de</strong>l material<br />
<strong>de</strong>l vástago con el material <strong>de</strong> la campana y reforzar<br />
ventajosamente la campana formada.<br />
El diámetro <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago pue<strong>de</strong><br />
variar en un amplio intervalo. Un manguito preferido<br />
está formado <strong>de</strong> filamentos trenzados <strong>de</strong><br />
fibras cerámicas. El manguito cerámico trenzado<br />
pue<strong>de</strong> adquirirse comercialmente a partir <strong>de</strong> varias<br />
fuentes. Los manguitos pue<strong>de</strong>n estar fabricados<br />
<strong>de</strong> varios materiales fibrosos tales como el<br />
borosilicato <strong>de</strong> aluminio, sílice, carburo <strong>de</strong> silicio<br />
y fibras <strong>de</strong> carbón/grafito. Los materiales preferidos<br />
son el borosilicato <strong>de</strong> aluminio y la sílice<br />
<strong>de</strong>bido a su resistencia a la oxidación en las condiciones<br />
<strong>de</strong>l motor. En una ejecución preferida,<br />
el manguito trenzado está fabricado empleando<br />
filamentos <strong>de</strong> fibras <strong>de</strong> 5 a 20 micras <strong>de</strong> diámetro.<br />
El manguito está rellenoalolargo<strong>de</strong>sulongitud<br />
interior con un haz <strong>de</strong> fibras cerámicas<br />
<strong>de</strong> refuerzo unidireccionales axialmente alineadas.<br />
La elección <strong>de</strong> los materiales <strong>de</strong> fibras implica<br />
<strong>de</strong> ordinario la consi<strong>de</strong>ración <strong>de</strong> la compatibilidad<br />
química y mecánica con otros materiales<br />
<strong>de</strong> la válvula, las utilizaciones <strong>de</strong>seadas <strong>de</strong><br />
la válvula, y la técnicaempleada<strong>para</strong>lafabricación<br />
<strong>de</strong> la válvula. Típicamente dichas fichas<br />
están constituídas por borosilicato <strong>de</strong> aluminio,<br />
alúmina, sílice, carbón/grafito, carburo <strong>de</strong> silicio,<br />
nitruro <strong>de</strong> silicio y otras fibras <strong>de</strong> alta temperatura<br />
similares. Nosotros preferimos las fibras<br />
<strong>de</strong> carbón/grafito <strong>de</strong>bido a que generalmente<br />
son fuertes y rígidas, tienen bajas <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong>s y<br />
unas características <strong>de</strong> baja expansión térmica, y<br />
son buenos conductores térmicos. Los materiales<br />
<strong>para</strong> las fibras cerámicas discontínuas <strong>de</strong> la campana<br />
están generalmente seleccionados a partir<br />
<strong>de</strong>l mismo grupo <strong>de</strong> materiales a<strong>de</strong>cuados <strong>para</strong> el<br />
haz <strong>de</strong> fibras <strong>de</strong>l vástago axialmente alineado (p.<br />
ej. silicato o borosilicato <strong>de</strong> aluminio, alúmina,<br />
sílice, carbón/grafito, carburo <strong>de</strong> silicio, nitruro<br />
<strong>de</strong> silicio, o mezclas <strong>de</strong> dichas fibras).<br />
Las válvulas acabadas obtenidas <strong>de</strong> acuerdo<br />
con esta invención constan <strong>de</strong> la campana y el<br />
vástago (incluidos el manguito y el paquete <strong>de</strong> fibras<br />
<strong>de</strong> refuerzo <strong>de</strong>l interior <strong>de</strong>l manguito), como<br />
se han <strong>de</strong>scrito anteriormente y como se <strong>de</strong>scribe<br />
más abajo están rigidizadas con una matriz <strong>de</strong><br />
material cerámico impregnada y <strong>de</strong>nsificada con<br />
una matriz <strong>de</strong> carbón y/o otro material cerámico<br />
a<strong>de</strong>cuado, y están revestidas con un producto<br />
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cerámico duro <strong>para</strong> la resistencia al <strong>de</strong>sgaste. Los<br />
materiales <strong>de</strong> la matriz que incluyen el carbón y/o<br />
otros materiales cerámicos se escogen <strong>de</strong> forma<br />
que sean compatibles química y mecánicamente<br />
con las fibras. Se prefiere el carbón como material<br />
<strong>para</strong> la matriz <strong>de</strong>bido a su general compatibilidad<br />
con muchos materiales <strong>de</strong> fibras y su baja <strong>de</strong>nsidad<br />
y buena conductividad térmica. Sin embargo,<br />
<strong>para</strong> ambientes <strong>de</strong>l motor en don<strong>de</strong> pue<strong>de</strong> tener<br />
lugar una excesiva oxidación <strong>de</strong>l carbón a través<br />
<strong>de</strong>l revestimiento exterior y <strong>de</strong>l manguito, pue<strong>de</strong><br />
ser preferible emplear otro material cerámico <strong>para</strong><br />
la matriz como p. ej. alúmina, sílice, nitruro <strong>de</strong><br />
silicio y/o carburo <strong>de</strong> silicio.<br />
La válvula preforma rigidizada y <strong>de</strong>nsificada<br />
pue<strong>de</strong> revestirse con un revestimiento<br />
cerámico duro que sea compatible química y<br />
mecánicamente con los materiales <strong>de</strong> la preforma<br />
que están <strong>de</strong>bajo y es resistente a la oxidación y<br />
<strong>de</strong>sgaste. El carburo <strong>de</strong> silicio y el nitruro <strong>de</strong> silicio<br />
son los materiales <strong>de</strong> revestimiento preferidos.<br />
Por “válvula preforma” enten<strong>de</strong>mos una<br />
válvula sin acabar que compren<strong>de</strong> la campana y<br />
el vástago (incluyendo el manguito y las fibras <strong>de</strong><br />
refuerzo <strong>de</strong>l interior <strong>de</strong>l manguito), con o sin rigidizar,<br />
impregnada o no con una matriz <strong>de</strong> carbón<br />
o cerámica (o un precursor <strong>de</strong> la misma) y revestida<br />
o no con un revestimiento resistente al <strong>de</strong>sgaste.<br />
Así, mientras las válvulas preforma rigidizadas<br />
se consi<strong>de</strong>ran útiles <strong>para</strong> la manipulación y<br />
subsiguiente procesado, las válvulas preforma <strong>de</strong><br />
otras varias etapas <strong>de</strong> la fabricación se consi<strong>de</strong>ran<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l ámbito <strong>de</strong> esta invención.<br />
En la ejecución <strong>de</strong> una válvula preforma <strong>compuesta</strong>,<br />
<strong>de</strong> acuerdo con esta invención, la válvula<br />
preforma compren<strong>de</strong> un vástago <strong>de</strong> válvula que<br />
tiene la forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> ser insertado en la<br />
guía <strong>de</strong> válvula <strong>de</strong> un motor. El vástago <strong>de</strong> la<br />
válvula tiene un manguito o ca<strong>para</strong>zón alargado<br />
<strong>de</strong>l vástago <strong>de</strong> válvula trenzado. El manguito<br />
trenzado <strong>de</strong>l vástago <strong>de</strong> válvula tiene un extremo<br />
acampanado y está relleno con un haz unidireccional<br />
<strong>de</strong> fibras <strong>de</strong> refuerzo axialmente alineadas. La<br />
válvula preforma compren<strong>de</strong> también una parte<br />
<strong>de</strong> la campana. La parte <strong>de</strong> la campana tiene<br />
un disco y un cuello terminado en punta, y generalmente<br />
cubre y está reforzada por el extremo<br />
acampanado <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago. La campana<br />
está constituída por fibras cerámicas discontínuas.<br />
Hay también una muesca en el vástago<br />
<strong>para</strong> un anillo u otro dispositivo <strong>de</strong> retención <strong>de</strong> la<br />
válvula, y una <strong>de</strong>presión en la campana que pue<strong>de</strong><br />
ser <strong>de</strong>seable <strong>para</strong> algunos diseños <strong>de</strong> válvulas. La<br />
parte <strong>de</strong>l cuello <strong>de</strong> la campana adyacente al disco<br />
<strong>de</strong> la campana es cónica (esto es tiene una sección<br />
transversal más bien plana que curvada) <strong>para</strong> facilitar<br />
el cierre hermético <strong>de</strong> la válvula acabada<br />
fabricado a partir <strong>de</strong>l mismo, con el asiento <strong>de</strong><br />
la válvula <strong>de</strong> un motor. La circunferencia <strong>de</strong>l<br />
disco podría también ser biselada lo cual es apropiado<br />
<strong>para</strong> proporcionar una superficie a<strong>de</strong>cuada<br />
<strong>para</strong> acoplarse con un <strong>de</strong>terminado asiento <strong>de</strong> la<br />
válvula.<br />
Las preformas <strong>de</strong> válvula cerámicas <strong>de</strong>l tipo<br />
<strong>de</strong>scrito pue<strong>de</strong>n fabricarse <strong>de</strong> acuerdo con esta invención<br />
empleando un cierto número <strong>de</strong> técnicas<br />
<strong>de</strong> fabricación y materiales. Se contemplan tanto<br />
el método <strong>de</strong> fabricación por piezas sueltas como<br />
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el <strong>de</strong> fabricación en serie, así como combinaciones<br />
<strong>de</strong> los mismos.<br />
El método preferido <strong>de</strong> fabricación <strong>de</strong> válvulas<br />
sin tener en cuenta el método <strong>de</strong> fabricación o los<br />
materiales específicos <strong>de</strong> fabricación, compren<strong>de</strong><br />
los pasos <strong>de</strong> obtención <strong>de</strong> un manguito alargado<br />
flexible <strong>de</strong> fibras cerámicas dimensionado <strong>para</strong><br />
su inserción en la guía <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> un motor<br />
y relleno con un haz unidireccional <strong>de</strong> fibras<br />
cerámicas <strong>de</strong> refuerzo axialmente alineado;<br />
uniendo un extremo <strong>de</strong> dicho manguito <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong><br />
la parte <strong>de</strong> la campana <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> material<br />
cerámico <strong>de</strong> consistencia flexible y plástica que<br />
contiene fibras cerámicas discontínuas, <strong>para</strong> obtener<br />
una estructura en forma <strong>de</strong> válvula; e impregnando<br />
y rigidizando dicha estructura en forma <strong>de</strong><br />
válvula con una matriz cerámica y opcionalmente<br />
a<strong>de</strong>más con una matriz <strong>de</strong> carbóny/ootromaterial<br />
cerámico a<strong>de</strong>cuado.<br />
De acuerdo con lo dicho, el vástago y la campana<br />
se proveen durante o <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> dar la<br />
forma, <strong>de</strong> una matriz en la cual las fibras están<br />
empotradas. Como se ha indicado antes, las fibras<br />
discontínuas contenidas en la parte <strong>de</strong> la campana<br />
cerámica pue<strong>de</strong>n estar orientadas al azar. De preferencia<br />
el extremo <strong>de</strong>l manguito unido a la parte<br />
<strong>de</strong> la campana está atrompetado antes <strong>de</strong> unirse.<br />
En un método <strong>de</strong> fabricación por piezas sueltas<br />
es <strong>de</strong>seable rigidizar el vástago unido y las<br />
partes <strong>de</strong> la campana con el fin <strong>de</strong> facilitar la<br />
operación subsiguiente. En este método por piezas<br />
sueltas, la estructura en forma <strong>de</strong> válvula está<br />
provista antes <strong>de</strong> la rigidización, <strong>de</strong> unos espacios<br />
vacíos entre las fibras <strong>de</strong> la estructura (es <strong>de</strong>cir,<br />
las fibras no están rellenas al 100 % <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad),<br />
y los huecos se impregnan con una cerámica<br />
que se une por calentamiento. Esto pue<strong>de</strong> conseguirse<br />
fácilmente por infiltración <strong>de</strong>l vástago<br />
unido y <strong>de</strong> la campana con un material que se<br />
une por calentamiento <strong>para</strong> formar una preforma<br />
<strong>de</strong> válvula a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> efectuar la rigidización.<br />
Por ejemplo, el vástago y la campana pue<strong>de</strong>n sumergirse<br />
en un sol y otra suspensión coloidal <strong>de</strong><br />
partículas cerámicas, como suspensiones coloidales<br />
<strong>de</strong> sílice y/o alúmina. La cerámica que se une<br />
por calentamiento, empleada, <strong>de</strong>be ser química<br />
y mecánicamente compatible con las fibras y se<br />
une a una temperatura relativamente baja (p. ej.<br />
menos <strong>de</strong> aprox. 1000 ◦ C). La campana menos<br />
<strong>de</strong> aprox. 1000 ◦ C). La campana y el vástago<br />
infiltrados con cerámica se tratan a continuación<br />
térmicamente <strong>para</strong> unir las partículas cerámicas<br />
susceptibles <strong>de</strong> unirse por calentamiento y rigidizar<br />
la preforma <strong>de</strong> válvula. La estructura impregnada<br />
con cerámica formada por este calentamiento<br />
es una preforma <strong>de</strong> válvula rigidizada<br />
conunvástago con la forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> su<br />
inserción en la guía <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> un motor y<br />
una campana con la forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> su acoplamiento<br />
con el asiento <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> dicho<br />
motor. Los huecos presentes antes <strong>de</strong> la impregnación<br />
cerámica se llenan parcialmente durante la<br />
rigidización con la cerámica que se ha unido por<br />
calentamiento.<br />
Con el fin <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsificar la válvula preforma<br />
mediante un llenado posterior <strong>de</strong> los huevos con<br />
carbón u otro material cerámico, la preforma rigidizada<br />
pue<strong>de</strong> impregnarse con un material pre-<br />
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cursor <strong>de</strong> la matriz. Las válvulas acabadas pue<strong>de</strong>n<br />
así fabricarse a partir <strong>de</strong> dichas válvulas<br />
preforma por procesos posteriores que incluyen<br />
la impregnación <strong>de</strong> dichas válvulas preformas rigidizadas<br />
con una resina precursora <strong>de</strong> carbón,<br />
otro precursor cerámico <strong>de</strong> la matriz o mezclas<br />
<strong>de</strong> los mismos (opcionalmente junto con cargas<br />
cerámicas en partículas), y pirolizando el precursor<br />
in situ <strong>para</strong> obtener un compuesto reforzado<br />
con fibra cerámica; y revistiendo dicha preforma<br />
<strong>compuesta</strong> reforzada con fibra cerámica con un<br />
revestimiento duro <strong>de</strong> cerámica resistente a la oxidación<br />
y al <strong>de</strong>sgaste (p. ej. revestimiento con carburo<br />
<strong>de</strong> silicio, nitruro <strong>de</strong> silicio o una mezcla <strong>de</strong><br />
los mismos empleando el método <strong>de</strong> <strong>de</strong>posición<br />
química en fase vapor (CVD). Pue<strong>de</strong> emplearse<br />
más <strong>de</strong> un ciclo impregnación-pirólisis <strong>para</strong> obtener<br />
el tipo <strong>de</strong> matriz <strong>de</strong>seado. La aplicación <strong>de</strong><br />
un revestimiento pue<strong>de</strong> seguir <strong>de</strong>spués o coincidir<br />
en parte con el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la matriz.<br />
De acuerdo con lo dicho, la matriz pue<strong>de</strong> obtenerse<br />
al menos en parte mediante pirolización <strong>de</strong><br />
los precursores <strong>de</strong> la matriz. los precursores <strong>de</strong> la<br />
matriz, sin tener en cuenta la técnica <strong>de</strong> la fabricación<br />
son típicamente, una suspensión coloidal,<br />
un sol, o un polímero precerámico que se convierte<br />
en una matriz cerámica rígida calentando<br />
a una temperatura suficiente. Los polímeros precerámicos<br />
que pirolizan mediante calentamiento<br />
<strong>para</strong> formar una matriz <strong>de</strong> carbón, nitruro <strong>de</strong> silicio,<br />
carburo <strong>de</strong> silicio, sílice o una mezcla <strong>de</strong> los<br />
mismos son <strong>de</strong> un particular interés.<br />
Pue<strong>de</strong> ser también ventajoso incluir partículas<br />
<strong>de</strong> carga juntamente con algunos precursores <strong>de</strong><br />
la matriz, especialmente polímeros precerámicos.<br />
Dichas cargas <strong>de</strong>ben seleccionarse <strong>para</strong> que sean<br />
compatibles ambas condiciones <strong>de</strong> procesado (p.<br />
ej. infiltración y temperatura) y características<br />
<strong>de</strong> rendimiento <strong>de</strong>seadas (p. ej. dureza, <strong>de</strong>sgaste,<br />
y resistencia a la oxidación). Hay una variedad<br />
<strong>de</strong> resinas <strong>de</strong>l precursor <strong>de</strong> carbón disponibles que<br />
pue<strong>de</strong>n ser usadas (p. ej. resinas <strong>de</strong> furano y resinas<br />
<strong>de</strong> fenol). Las resinas <strong>de</strong>l precursor <strong>de</strong> carbón<br />
son generalmente materiales <strong>de</strong> bajo costo y <strong>de</strong><br />
baja <strong>de</strong>nsidad, a<strong>de</strong>cuados <strong>para</strong> muchas aplicaciones.<br />
Aparte <strong>de</strong> los precursores <strong>de</strong> carbón, pue<strong>de</strong>n<br />
emplearse otros precursores cerámicos, p. ej. polisilanos,<br />
policarbosilanos o polisilazanos. Todos<br />
éstos pue<strong>de</strong>n emplearse <strong>para</strong> obtener una matriz<br />
cerámica; y precursores cerámicos como los polisilanos<br />
pue<strong>de</strong>n preferirse en aplicaciones don<strong>de</strong><br />
son particularmente importantes una resistencia<br />
alargoplazoalaoxidación y <strong>de</strong>sgaste. Cuando<br />
se emplea un material precursor, se piroliza in<br />
situ <strong>para</strong> obtener una preforma <strong>de</strong> válvula <strong>compuesta</strong><br />
rigidizada y <strong>de</strong>nsificada. La pirólisis <strong>para</strong><br />
la formación <strong>de</strong> matrices <strong>para</strong> carbón, carburos<br />
o nitruros <strong>de</strong>be efectuarse en condiciones no oxidantes<br />
(p. ej. en atmósfera <strong>de</strong> nitrógeno). Esta<br />
impregnación con un precursor y el proceso <strong>de</strong><br />
pirólisis pue<strong>de</strong>n repetirse varias veces <strong>para</strong> obtener<br />
un compuesto altamente <strong>de</strong>nsificado.<br />
Se consi<strong>de</strong>ra que varios <strong>de</strong> los pasos <strong>de</strong> fabricación<br />
por piezas sueltas, efectuados <strong>para</strong> pre<strong>para</strong>r<br />
las preformas <strong>de</strong> la presente invención como<br />
se ha <strong>de</strong>scrito más arriba podían ser factiblemente<br />
combinados <strong>de</strong> acuerdo con la tecnología<br />
<strong>de</strong> procesos convencional. Por ejemplo se consi-
7 2 042 164 8<br />
<strong>de</strong>ra que los manguitos que contienen las fibras<br />
unidireccionales axialmente alineadas e impregnadas<br />
con cerámica susceptible <strong>de</strong> unirse por calentamiento,<br />
y opcionalmente un material precursor<br />
<strong>de</strong> la matriz, pue<strong>de</strong>n obtenerse empleando la<br />
tecnología <strong>de</strong> pultrusión (N. <strong>de</strong>l T.: extrusión<br />
por estirado) convencional. En efecto, se consi<strong>de</strong>ra<br />
que los métodos <strong>de</strong> producción en serie<br />
<strong>para</strong> la fabricación <strong>de</strong> las válvulas acabadas o las<br />
válvulas preforma, implican generalmente el conformado<br />
<strong>de</strong>l vástago <strong>de</strong> la válvula, la campana<br />
<strong>de</strong> la válvula o incluso una estructura en forma<br />
<strong>de</strong> válvula que comprenda el vástago y la campana<br />
<strong>de</strong> la válvula a partir <strong>de</strong> un material que ya<br />
contiene la matriz <strong>de</strong> cerámica y opcionalmente<br />
<strong>de</strong> carbón y/o otra cerámica a<strong>de</strong>cuada o un precursor<br />
<strong>de</strong> dicha matriz impregnado <strong>de</strong>ntro. esto<br />
pue<strong>de</strong> ser efectuado por varias técnicas estándar,<br />
incluyendo el mol<strong>de</strong>o por inyección, mol<strong>de</strong>o por<br />
compresión, extrusión y pultrusión. El mol<strong>de</strong>o<br />
por inyección, mol<strong>de</strong>o por compresión y la extrusión<br />
están generalmente asociados con el procesado<br />
<strong>de</strong> fibras discontínuas y así sonmás a<strong>de</strong>cuados<br />
<strong>para</strong> formar la sección <strong>de</strong> la campana <strong>de</strong><br />
la válvula, pero pue<strong>de</strong>n ser usados <strong>para</strong> formar la<br />
parte <strong>de</strong>l vástago en don<strong>de</strong> las fibras discontínuas<br />
razonablemente alineadas son a<strong>de</strong>cuadas <strong>para</strong> las<br />
necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l vástago. Cuando el alineamiento<br />
<strong>de</strong> las fibras pue<strong>de</strong> ser contínuo como p. ej. mediante<br />
la extrusión <strong>de</strong> preformas <strong>de</strong>l vástago, entonces<br />
la parte <strong>de</strong> la campana pue<strong>de</strong> formarse sobre<br />
el vástago mediante el subsiguiente mol<strong>de</strong>o<br />
(p. ej. mediante mol<strong>de</strong>o por compresión o por<br />
inyección). También es factible el infiltrar y formar<br />
la matriz en una preforma <strong>de</strong> fibras mediante<br />
infiltración química en fase vapor. Los expertos<br />
en la materia valorarán la relación mutua entre<br />
economia y rendimiento (p. ej. rigi<strong>de</strong>z, entre un<br />
vástago compuesto <strong>de</strong> un haz alineado <strong>de</strong> fibras<br />
contínuas y un vástago compuesto <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong><br />
fibras discontínuas generalmente alineado.<br />
Se <strong>de</strong>duce fácilmente que pue<strong>de</strong>n emplearse<br />
variadas combinaciones <strong>de</strong> los métodos <strong>de</strong> fabricación<br />
por piezas sueltas y <strong>de</strong> producción en serie.<br />
Por ejemplo, un vástago formado por el método<br />
<strong>de</strong> fabricación por piezas sueltas <strong>de</strong>scrito más<br />
arriba podría combinarse con la inyección <strong>de</strong> la<br />
campana o mol<strong>de</strong>o por compresión <strong>de</strong> la misma<br />
sobre él.<br />
Una forma sencilla <strong>de</strong> rellenar el manguito es<br />
trenzar las hebras <strong>de</strong> fibras cerámicas a<strong>de</strong>cuadas<br />
<strong>para</strong> manguito, alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> fibras<br />
<strong>de</strong> refuerzo a medida que ambos sobresalen <strong>de</strong>l<br />
a<strong>para</strong>to <strong>de</strong> trenzado. La pultrusión se consi<strong>de</strong>ra<br />
una técnica a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> formar haces <strong>de</strong> fibras<br />
contínuas, mediante la cual los haces <strong>de</strong> fibras<br />
infiltrados con el precursor <strong>de</strong> la matriz pue<strong>de</strong>n<br />
ser enrollados por técnicas <strong>de</strong> bobinar filamentos<br />
<strong>para</strong> formar un manguito. Alternativamente<br />
se pue<strong>de</strong> extrusionar o pultrusionar el núcleo <strong>de</strong><br />
un vástago <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un manguito trenzado que<br />
ha sido expandido (p. ej. mediante compresión).<br />
En pequeña escala pue<strong>de</strong> simplemente rellenarse<br />
a mano <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l manguito. En cualquier caso<br />
se obtiene un manguito relleno <strong>de</strong> una longitud<br />
escogida, típicamente alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 152 mm (6 puladas).<br />
De preferencia <strong>de</strong>be estar relleno con un<br />
haz unidireccional <strong>de</strong> fibras contínuas <strong>de</strong> aproxi-<br />
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madamente la misma longitud.<br />
La campana pue<strong>de</strong> conformarse mediante medios<br />
convencionales tales como el mol<strong>de</strong>o a partir<br />
<strong>de</strong> material cerámico <strong>de</strong> consistencia flexible<br />
yplástica que pue<strong>de</strong> ser endurecido por calentamiento<br />
(p. ej. sílice o alúmina o silicato <strong>de</strong> metal<br />
alcalino, coloidales) y contiene fibras cerámicas<br />
discontínuas que están normalmente orientadas al<br />
azar o bien orientadas a lo largo <strong>de</strong>l contorno <strong>de</strong><br />
la campana.<br />
Un método preferido <strong>de</strong> revestimiento emplea<br />
la <strong>de</strong>posición química en fase vapor. La CVD<br />
es un procedimiento bien conocido <strong>para</strong> la <strong>de</strong>posición<br />
<strong>de</strong> revestimientos como el carburo <strong>de</strong> silicio<br />
y/o nitruro <strong>de</strong> silicio sobre sustratos a<strong>de</strong>cuados<br />
resistentes al calor. Cuando se emplea la CVD,<br />
la válvula preforma podría por ejemplo ser posicionada<br />
en una cámara caliente (p. ej. 1000<br />
◦ C). Una mezcla <strong>de</strong> tetracloruro <strong>de</strong> silicio y metano<br />
por ejemplo penetran en la cámara y se disocian<br />
parcialmente reaccionando al entrar en contacto<br />
con las superficies calientes y <strong>de</strong>positando<br />
<strong>de</strong> este modo una capa <strong>de</strong> carburo <strong>de</strong> silicio sobre<br />
la válvula. Si se substituye el metano por<br />
amoníaco, se <strong>de</strong>posita el nitruro <strong>de</strong> silicio. Una<br />
mezcla <strong>de</strong> metano y amoníaco con tetracloruro <strong>de</strong><br />
silicio <strong>de</strong>spositará una mezcla <strong>de</strong> carburo <strong>de</strong> silicio<br />
y nitruro <strong>de</strong> silicio. Estos <strong>de</strong>pósitos externos son<br />
<strong>de</strong>nsos, extremadamente duros, y proporcionan a<br />
la válvula una prolongada resistencia al <strong>de</strong>sgaste.<br />
El compuesto acabado es altamente resistente<br />
al <strong>de</strong>sgaste, impactos, esfuerzos, carlos y humos<br />
<strong>de</strong>l motor. Es ligero y dimensionalmente estable a<br />
las temperaturas <strong>de</strong> empleo. Para ejecuciones en<br />
don<strong>de</strong> pue<strong>de</strong>n emplearse fibras <strong>de</strong> carbón/grafito<br />
ymatriz,laválvula terminada resultante es especialmente<br />
ligera.<br />
Pue<strong>de</strong> emplearse el acabado o mecanizado <strong>de</strong><br />
la superficie <strong>para</strong> aumentar la uniformidad <strong>de</strong> las<br />
válvulas acabadas. En muchos casos nuestro proceso<br />
<strong>de</strong> formación <strong>de</strong> válvulas es suficientemente<br />
exacto <strong>para</strong> hacer válvulas <strong>de</strong> acuerdo con las<br />
tolerancias dimensionales especificadas, con un<br />
mínimo <strong>de</strong> mecanizado.<br />
Los expertos en la materia reconocerán que<br />
aunque las características <strong>de</strong> la válvula resultante<br />
a partir <strong>de</strong> varios métodos <strong>de</strong> fabricación serán<br />
similares, no son necesariamente idénticas. Consecuentemente<br />
la selección <strong>de</strong> los métodos <strong>de</strong> procesado<br />
así como la selección <strong>de</strong> los materiales empleados<br />
en la fabricación <strong>de</strong> las válvulas pue<strong>de</strong><br />
estar influenciado por las limitaciones <strong>de</strong> la realización<br />
y <strong>de</strong>l costo.<br />
Las consi<strong>de</strong>raciones típicas <strong>de</strong> la realización<br />
incluyen normalmente el peso <strong>de</strong> la válvula, su<br />
resistencia al <strong>de</strong>sgaste, su resistencia a la erosión<br />
y corrosión (incluyendo la oxidación), y su total<br />
exactitud mecánica. La selección <strong>de</strong>l material<br />
se verá influenciada por estas consi<strong>de</strong>raciones.<br />
Por ejemplo, dado que se <strong>de</strong>sea un peso pequeño,<br />
se verá favorecido el empleo <strong>de</strong> materiales<br />
<strong>de</strong> baja <strong>de</strong>nsidad (p. ej. el carbón). La exactitud<br />
mecánica pue<strong>de</strong> aumentarse empleando materiales<br />
que son fuertes y resistentes tanto a la fractura<br />
mecánica como al esfuerzo térmico (p. ej. materiales<br />
<strong>de</strong> baja expansión térmica con resistencia<br />
a la fractura, como el carbón, sílice o nitruro <strong>de</strong><br />
silicio).<br />
5
9 2 042 164 10<br />
La práctica <strong>de</strong> la invención será más evi<strong>de</strong>nte<br />
a partir <strong>de</strong> los siguientes ejemplos, que no preten<strong>de</strong>n<br />
limitarla.<br />
Ejemplo I<br />
Se fabricó una preforma parcial <strong>de</strong> prototipo<br />
<strong>de</strong> válvula (pero sin las fibras <strong>de</strong> refuerzo<br />
cerámicas unidireccionales axialmente alineadas,<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l manguito), a partir <strong>de</strong> un manguito<br />
cerámico trenzado flexible <strong>de</strong> aproximadamente<br />
32 mm (1/8 <strong>de</strong> pulgada) <strong>de</strong> diámetro interior.<br />
El manguito empleado en este ejemplo fue una<br />
porción <strong>de</strong> manguito <strong>de</strong> fibra <strong>de</strong> borosilicato <strong>de</strong><br />
aluminio trenzada (“Nextel” <strong>de</strong> 3M Corporation)<br />
aproximadamente <strong>de</strong> 152 mm (6 pulgadas) <strong>de</strong> longitud.<br />
Las trenzas empleadas fueron hebras <strong>de</strong><br />
una pluralidad <strong>de</strong> fibras muy finas, típicamente<br />
alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 10-12 micras <strong>de</strong> diámetros.<br />
Dicha porción <strong>de</strong> manguito se saturó con<br />
Al2O3 coloidal y una parte <strong>de</strong>l manguito próxima<br />
a un extremo se melló <strong>para</strong> ilustrar la adaptación<br />
<strong>de</strong>l vástago <strong>para</strong> recibir un anillo retenedor <strong>de</strong><br />
la válvula <strong>de</strong> un motor y este extremo <strong>de</strong>l manguito<br />
se calentó a sequedad utilizando un secador<br />
manual <strong>de</strong> aire caliente. El otro extremo <strong>de</strong>l<br />
manguito se atrompetó utilizando el extremo redon<strong>de</strong>ado<br />
<strong>de</strong> un mango <strong>de</strong> mortero como mandril<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>sbastar. Esto supuso el ensachamiento <strong>de</strong><br />
la trenza en el extremo redon<strong>de</strong>ado <strong>de</strong>l mango <strong>de</strong><br />
mortero <strong>para</strong> tomar la forma atrompetada. El<br />
extremo atrompetado y la parte previamente no<br />
tratada <strong>de</strong>l manguito se saturaron con Al2O3 yse<br />
calentaron a sequedad como se había hecho antes<br />
con la otra sección. A continuación se recortó el<br />
extremo atrompetado <strong>de</strong>l manguito y la parte <strong>de</strong><br />
la trompeta se mol<strong>de</strong>ó en las superficies interior<br />
y exterior <strong>de</strong>l extremo atrompetado y se le dió<br />
forma <strong>para</strong> obtener la forma final apropiada empleando<br />
un material cerámico fibroso tipo fieltro<br />
<strong>de</strong> una consistencia plástica flexible (un material<br />
cerámico<strong>de</strong>fieltroenhúmedo <strong>de</strong> la firma Refractory<br />
Products Co., Elgin Illinois, a base <strong>de</strong> fibras<br />
<strong>de</strong> silicato <strong>de</strong> aluminio discontínuas orientadas al<br />
azar con un aglomerante presumiblemente un silicato).<br />
El conjunto total se secó enestufaa65 ◦ Cya<br />
continuación se le dió forma <strong>para</strong> su configuración<br />
final mediante operaciones <strong>de</strong> arenado y con limaduras<br />
<strong>para</strong> suavizar las superficies y conseguir una<br />
forma más regular. El total fue aproximadamente<br />
<strong>de</strong> 114 mm (4,5 pulgadas) <strong>de</strong> longitud, el disco <strong>de</strong><br />
la campana fue aproximadamente <strong>de</strong> 16,79 mm<br />
(1-5/16 pulgadas) <strong>de</strong> diámetro y la longitud visible<br />
<strong>de</strong>l manguito prolongándose a partir <strong>de</strong>l ma-<br />
6<br />
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terial <strong>de</strong> la campana mol<strong>de</strong>ada fue <strong>de</strong> 95,32 mm<br />
(3-1/8 pulgadas) <strong>de</strong> longitud y aproximadamente<br />
48 mm (3/16 pulgadas) <strong>de</strong> diámetro exterior. A<br />
continuación se reimpregnó el conjunto completo<br />
con Al2O3 coloidad al vacío <strong>para</strong> asegurar una<br />
completa penetración y se secó en estufa a 75-125<br />
◦ C. A continuación se calentó el conjunto con aire<br />
a 500 ◦ C durante una (1) hora <strong>para</strong> la unión en<br />
caliente<strong>de</strong>laalúmina coloidal <strong>para</strong> dar rigi<strong>de</strong>z a<br />
la preforma y <strong>para</strong> que el agua no moleste en los<br />
procesos siguientes.<br />
Seguidamente se impregnó la preforma rigidizada<br />
con una resina <strong>de</strong> furano como una resina<br />
precursora <strong>de</strong> carbón. El propósito<strong>de</strong>laimpregnación<br />
con resina fue el <strong>de</strong> llenar todos los huecos<br />
internos restantes en la preforma <strong>de</strong> válvula<br />
<strong>compuesta</strong> con resina, la cual es finalmente pirolizada<br />
<strong>para</strong> que se carbonice, con lo que se obtiene<br />
un compuesto cerámico reforzado con fibras <strong>de</strong><br />
carbón (pero sin las fibras unidireccionales). La<br />
resina se trató con calor <strong>para</strong> que penetrara la<br />
resina <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la preforma rigidizada. En este<br />
ejemplo la resina no se pirolizó comosería el caso<br />
al completar una válvula acabada.<br />
En este ejemplo, no habían fibras unidireccionales<br />
contenidas <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la camisa trenzada.<br />
Esto evitó cualquier dificultad en mantener su alineamiento<br />
ya que el montaje <strong>de</strong>l compuesto se<br />
efectuó a mano y las fibras no eran evi<strong>de</strong>ntes en<br />
el prototipo parcial completado. En la práctica<br />
actual, pue<strong>de</strong>n colocarse fibras unidireccionales<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l trenzado insertándolas en el manguito<br />
o sobretrenzando el manguito sobre las fibras.<br />
La preforma <strong>de</strong> válvula prototipo parcial <strong>de</strong>l<br />
ejemplo, tuvo una forma generalizada y no la<br />
forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> emplear con un motor en<br />
particular. En la práctica real, la válvula acabada<br />
sería dimensionada cuidadosamente <strong>para</strong> ser<br />
empleada en un motor particular.<br />
Tampoco se aplicó en el ejemplo en cuestión el<br />
revestimiento <strong>de</strong>l tipo CVD empleado en la fabricación<br />
<strong>de</strong> las válvulas acabadas <strong>de</strong> esta invención<br />
y no se efectuó por lo tanto ningún acabado <strong>de</strong><br />
superficie <strong>de</strong> un revestimiento <strong>de</strong> esta naturaleza.<br />
Estos pasos se consi<strong>de</strong>ran convencionales y no fueron<br />
consi<strong>de</strong>rados necesarios <strong>para</strong> <strong>de</strong>mostrar los<br />
nuevos aspectos <strong>de</strong> esta invención.<br />
A<strong>de</strong>más, el procedimiento <strong>de</strong> la invención tal<br />
como se ha <strong>de</strong>scrito produce una válvula <strong>de</strong><br />
sección transversal circular en todas partes; sin<br />
embargo pue<strong>de</strong>n obtenerse válvulas <strong>de</strong> otra clase<br />
<strong>de</strong> sección transversal.
11 2 042 164 12<br />
REIVINDICACIONES<br />
1. Una válvula <strong>compuesta</strong> a base <strong>de</strong> cerámica<br />
reforzada con fibras, <strong>para</strong> un motor <strong>de</strong> combustión<br />
<strong>interna</strong> o similar, constando dicha válvula<br />
<strong>de</strong>:<br />
a) un vástago <strong>de</strong> válvula alargado que tiene<br />
una forma a<strong>de</strong>cuada <strong>para</strong> su inserción en<br />
la guía <strong>de</strong> válvula <strong>de</strong> un motor, constando<br />
el vástago <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> un manguito fibroso<br />
<strong>de</strong> cerámica que está relleno con un<br />
haz unidireccional axialmente alineado <strong>de</strong><br />
fibras cerámicas <strong>de</strong> refuerzo;<br />
b) una campana <strong>de</strong> cerámica con la forma a<strong>de</strong>cuada<br />
<strong>para</strong> acoplarse con el asiento <strong>de</strong> la<br />
válvula <strong>de</strong> un motor, constando la campana<br />
<strong>de</strong> fibras cerámicas discontínuas; y<br />
c) una matriz <strong>de</strong> material cerámico en la cual<br />
las fibras <strong>de</strong>l vástago y la campana están<br />
empotradas,<br />
en don<strong>de</strong> un extremo <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago<br />
está mol<strong>de</strong>ado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la campana.<br />
2. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
1, en la cual la matriz consta a<strong>de</strong>más, <strong>de</strong> carbón o<br />
una combinación <strong>de</strong> carbón con otros materiales<br />
cerámicos.<br />
3. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
2, que consta a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> un revestimiento externo<br />
<strong>de</strong> cerámica resistente al <strong>de</strong>sgaste.<br />
4. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
1, en la cual el extremo <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago<br />
mol<strong>de</strong>ado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la campana está atrompetado.<br />
5. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
4, en la que el manguito <strong>de</strong>l vástago consta <strong>de</strong> fibras<br />
cerámicas trenzadas, y el extremo atrompetado<br />
<strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>l vástago está unido <strong>de</strong>ntro<br />
<strong>de</strong> la campana <strong>de</strong> forma que una parte <strong>de</strong>l exterior<br />
<strong>de</strong> la campana cubre el extremo atrompetado<br />
y las fibras <strong>de</strong>l extremo atrompetado refuerzan la<br />
parte <strong>de</strong> la campana que lo cubre.<br />
6. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
5, en la cual<br />
i) las fibras <strong>de</strong>l manguito y la campana son<br />
fibras <strong>de</strong> borosilicato <strong>de</strong> aluminio<br />
ii) el haz <strong>de</strong> fibras unidireccional es <strong>de</strong> fibras<br />
<strong>de</strong> carbón, y<br />
iii) la matriz consta <strong>de</strong> carbón y alúmina.<br />
7. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
6, que consta <strong>de</strong> un revestimiento externo a base<br />
<strong>de</strong> carburo <strong>de</strong> silicio, nitruro <strong>de</strong> silicio o una mezcla<br />
<strong>de</strong> los mismos.<br />
8. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
1, en la cual<br />
i) las fibras <strong>de</strong>l manguito son fibras <strong>de</strong> borosilicato<br />
<strong>de</strong> aluminio<br />
ii) el haz <strong>de</strong> fibras unidireccional son fibras <strong>de</strong><br />
carbón,<br />
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iii) las fibras <strong>de</strong> la campana son fibras <strong>de</strong> silicato<br />
<strong>de</strong> aluminio orientadas al azar.<br />
9. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
2, en la cual la matriz consta <strong>de</strong> carbón y alúmina.<br />
10. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
9, la cual consta a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> un recubrimiento<br />
cerámico duro resistente a la oxidación y al <strong>de</strong>sgaste.<br />
11. La válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong> la reivindicación<br />
10, en la cual el revestimiento es un revestimiento<br />
por <strong>de</strong>posición química en fase vapor, que consta<br />
<strong>de</strong> nitruro <strong>de</strong> silicio, carburo <strong>de</strong> silicio o una mezcla<br />
<strong>de</strong> los mismos.<br />
12. Un método <strong>para</strong> obtener una válvula <strong>compuesta</strong><br />
cerámica reforzada con fibra, <strong>para</strong> un motor<br />
<strong>de</strong> combustión <strong>interna</strong> o similar, constando<br />
dicho método <strong>de</strong>:<br />
a) conformado <strong>de</strong> un manguito alargado flexible<br />
<strong>de</strong> fibras cerámicas trenzadas,<br />
b) relleno <strong>de</strong>l manguito con un haz unidireccional<br />
axialmente alineado <strong>de</strong> fibras cerámicas<br />
<strong>de</strong> refuerzo,<br />
c) conformado <strong>de</strong> una campana flexible <strong>de</strong> fibras<br />
cerámicas discontínuas orientadas al<br />
azar,<br />
d) unión <strong>de</strong> un extremo <strong>de</strong>l manguito <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong><br />
una parte <strong>de</strong> la campana <strong>para</strong> formar una<br />
estructura <strong>de</strong> fibra con forma <strong>de</strong> válvula,<br />
e) conformado <strong>de</strong> una matriz <strong>de</strong> material<br />
cerámico en la cual las fibras <strong>de</strong> la estructura<br />
<strong>de</strong> fibra con forma <strong>de</strong> válvula están empotradas.<br />
13. El método <strong>de</strong> la reivindicación 12, en el<br />
cual el paso e) consta <strong>de</strong> la impregnación <strong>de</strong> la<br />
estructura <strong>de</strong> fibra con forma <strong>de</strong> válvula, con una<br />
cerámica susceptible <strong>de</strong> unirse mediante calor, y<br />
calentamiento <strong>de</strong> la estructura impregnada <strong>para</strong><br />
formar una matriz cerámica.<br />
14. El método <strong>de</strong> la reivindicación 13 en el<br />
cual el paso e) compren<strong>de</strong> a<strong>de</strong>más, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong><br />
dicho paso <strong>de</strong> calentamiento, <strong>de</strong> la impregnación<br />
<strong>de</strong> la válvula <strong>compuesta</strong> con un precursor <strong>de</strong> la<br />
matriz cerámica y pirolizando el precursor <strong>para</strong><br />
formar la matriz cerámica adicional.<br />
15. El método <strong>de</strong> la reivindicación 13, en<br />
don<strong>de</strong> el paso e) compren<strong>de</strong> a<strong>de</strong>más, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong><br />
dicho paso <strong>de</strong> calentamiento, <strong>de</strong> la impregnación<br />
<strong>de</strong> la válvula <strong>compuesta</strong> con un precursor <strong>de</strong><br />
carbón y pirolizando el precursor <strong>para</strong> formar una<br />
matriz <strong>de</strong> carbón adicional.<br />
16. El método <strong>de</strong> la reivindicación 13, en el<br />
cual la cerámica susceptible <strong>de</strong> unirse por calentamiento<br />
es alúmina coloidal.<br />
17. El método <strong>de</strong> la reivindicación 15, en<br />
don<strong>de</strong> dicho precursor <strong>de</strong> carbón es una resina<br />
<strong>de</strong> furano o fenólica.<br />
18. El método <strong>de</strong> la reivindicación 14 comprendiendo<br />
a<strong>de</strong>más:<br />
f) el revestimiento <strong>de</strong> la válvula <strong>compuesta</strong> <strong>de</strong><br />
cerámica resultante <strong>de</strong> la pirólisis, con un revestimiento<br />
cerámico.<br />
7
13 2 042 164 14<br />
19. El método <strong>de</strong> la reivindicación 18, en el<br />
cual el paso f) compren<strong>de</strong> la <strong>de</strong>posición química<br />
en fase vapor <strong>de</strong>l revestimiento cerámico.<br />
20. El método <strong>de</strong> la reivindicación 19, en el<br />
cual el revestimiento cerámico compren<strong>de</strong> nitruro<br />
<strong>de</strong> silicio, carburo <strong>de</strong> silicio o mezclas <strong>de</strong> los mis-<br />
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45<br />
50<br />
55<br />
60<br />
65<br />
mos.<br />
21. El método <strong>de</strong> la reivindicación 12 en el<br />
cual las fibras empleadas en los pasos a), b) y<br />
c) han sido previamente impregnadas con un material<br />
cerámico <strong>de</strong> la matriz o un precursor <strong>de</strong>l<br />
material <strong>de</strong> la matriz.