valvula compuesta ceramica para motores de combustion interna y ...

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
ESPA ÑA
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11 N. ◦ de publicación: ES 2 042 164
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51 Int. Cl. 5 : F01L 3/02
F02F 7/00
C04B 35/80
//B23P 15/00
C04B 35/00
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12 TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA T3
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86 Número de solicitud europea: 90117337.7
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86 Fecha de presentación : 08.09.90
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87 Número de publicación de la solicitud: 0 417 676
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87 Fecha de publicación de la solicitud: 20.03.91
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54 Título: Válvula compuesta a base de cerámica para motores de combustión interna y similares.
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30 Prioridad: 14.09.89 US 406997
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45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
01.12.93
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45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
01.12.93
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73 Titular/es: W.R. Grace & Co.-Conn.
Grace Plaza, 1114 Avenue of the Americas
New York, New York 10036-7794, US
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72 Inventor/es: Berneburg, Philip Louis y
Rice, Roy Warren
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74 Agente: Isern Jara, Jaime
Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art ◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Ventadefascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCION
Ambito de la invención
Esta invención se refiere a estructuras
cerámicas que se obtienen de un compuesto de
fibras cerámicas y más particularmente, a estructuras
de válvulas a base de cerámica adecuadas
para emplear en motores de combustión interna
y similares.
Antecedentes de la invención
Las mejoras en las válvulas para motores de
combustión interna y similares han sido progresivamente
más buscadas a causa del papel clave que
juegan tanto en el rendimiento del motor como en
el tiempo medio transcurrido entre revisiones del
motor. Las necesidades clave son la reducción del
peso de la válvula para una mejor respuesta de la
misma y la reducción del desgaste a la vez que se
mantiene o aumenta la exactitud; todo ello con un
coste moderado. Así mientraslasválvulas son tipicamente
de metal, se están evaluando compuestos
cerámicos como p. ej. el Si3N4 para válvulas
de motores debido a su baja densidad (alrededor
del 40 % de la del acero), su alta dureza, su tolerancia
al calor, y su resistencia a la corrosión, al
desgaste y a la erosión. Sin embargo la exactitud
ha sido una seria preocupación con los productos
cerámicos debido al enorme nivel de fallos evidenciados.
La patente U.S. 4.359.022 describe válvulas
hechas de materiales cerámicos tales como el nitruro
de silicio, carburo de silicio, etc. Esta patente
se refiere a estructuras del “tipo fibra”, pero
solo describe el empleo de polvos cerámicos sinterizados.
Resumen de la invención
Se ha desarrollado ahora un métodoparaobtener
una válcula compuesta de cerámica reforzada
con fibra, que se considera especialmente
adecuada para emplear en motores de combustión
interna y similares. La válvula posee la ligereza,
dureza y resistencia al calor normalmente asociadas
con los productos cerámicos, además de
resistencia al impacto y resistencia a la rotura.
Las válvulas acabadas se obtienen habitualmente
fabricando una válvula preforma que comprende
una parte constituída por el vástago y otra parte
constituída por la campana en la forma que aquí
se describe, y a continuación procesando más la
válvula preforma hasta obtener una válvula acabada
adecuada. La válvula preforma es un compuesto
que comprende una parte constituída por
un vástago alargado de un manguito cerámico fibroso
que tiene la forma adecuada para ser insertado
en la guía de la válvula de un motor, y
está relleno con un haz unidireccional axialmente
alineado de fibras cerámicas de refuerzo. El manguito
cerámico está de preferencia trenzado. Un
extremo del manguito está amoldado a la parte
constituída por la campana de la válvula. La
parte de la campana es un material cerámico que
contiene fibras cerámicas discontínuas, y tiene la
forma adecuada para acoplarse con el asiento de
la válvula de un motor. Las fibras del vástago
(tanto las fibras del material fibroso del manguito
como el haz de fibras encerrado dentro del
mismo) proporcionan un refuerzo interno de la
parte constituída por la campana. La estructura
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en forma de válvula está adecuadamente impregnada
y rigidizada bien durante o bien después de
dar forma al vástago y a la campana con una
matriz de un material cerámico adecuado y luego
opcionalmente con una matriz de carbón y/o otro
material cerámico, para obtener una preforma de
válvula compuesta densificada cerámica reforzada
con fibras. La válvula preforma densificada puede
acabarse (p. ej. utilizando el tratamiento de deposición
química en fase vapor) para obtener una
válvula que es ligera y altamente resistente al desgaste,
impacto, esfuerzo, calor y humos del motor;
y que tiene una estabilidad dimensional favorable
dentro del intervalo de temperaturas a las que
normalmente trabaja el motor de combustión interna.
Es un objeto de esta invención el obtener una
válvula de peso relativamente ligero que puede
ser fabricada para proporcionar la dureza, capacidad
a las altas temperaturas y la necesaria resistencia
al desgaste, para emplear en motores de
combustión interna y similares.
Otro objeto de esta invención consiste en obtener
una válvula compuesta cerámica con resistencia
suficiente para evitar el enorme nivel de fallos
normalmente típicos de los productos cerámicos
de una sola pieza.
Otro objeto de esta invención consiste en proporcionar
un compuesto cerámico que pueda obtenerse
con relativa facilidad y a un coste razonable.
Otros objetos, características y ventajas de la
invención se harán aparentes a partir de la siguiente
descripción detallada.
Para solucionar estos problemas se han sugerido
las válvulas compuestas de cerámica reforzadas
con fibras y el método de obtenerlas, de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 21.
Descripción detallada
Se obtienen válvulas compuestas cerámicas reforzadas
con fibras, incluyendo las formas terminadas
y las preformas, de acuerdo con esta invención.
Cada válvula terminada y la válvula
preforma tiene una parte consistente en el vástago
alargado de la válvula que tiene la forma adecuada
para su inserción en la guía de la válvula
de un motor y comprende un manguito cerámico
fibroso que está relleno con un haz unidireccional
de fibras cerámicas de refuerzo axialmente
alineado; una parte consistente en una campana
cerámica que tiene la forma adecuada para acoplarse
con el asiento de la válvula de un motor y
contiene fibras cerámicas discontínuas; y una matriz
de material cerámico en el cual las fibras del
vástago y la campana están empotradas, en donde
un extremo del manguito del vástago está amoldado
dentro de la campana. Tal como aquí seutiliza,
la descripción de las fibras de relleno dentro
del manguito del vástago en forma de un haz de fibras
unidireccional axialmente alineado, significa
que o bien las mismas fibras individuales o bien
los filamentos de las mismas son generalmente paralelos
a la dimensión longitudinal del vástago.
Típicamente se emplean filamentos (o estopas) de
fibras múltiples, y aunque las fibras individuales
pueden no ser ellas mismas necesariamente paralelas
al eje del vástago alargado, en función del
enrollado del filamento (o estopa), cada filamento

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(o estopa) es generalmente paralelo a dicho eje de
forma que el haz está axialmente alineado y es
unidireccional, proporcionando con ello la rigidez
suficiente para resistir la deformación. En cualquier
caso, la naturaleza unidireccional del haz
de fibras en toda la longitud del vástago permite
un relleno de las fibras relativamente apretado,
obteniendo así un fuerte haz de fibras relativamente
rígido. Las fibras cerámicas discontínuas
de la campana no necesitan estar alineadas y
típicamente están más bien orientadas al azar.
En algunas técnicas de fabricación las fibras discontínuas
de la campana pueden tender a ser paralelas
al contorno de la superficie de la campana.
Un extremo del manguito del vástago está amoldado
dentro de la campana para formar con ella
una estructura en forma de válvula. De preferencia
este extremo del vástago está acampanado
hacia fuera para facilitar el contacto del material
del vástago con el material de la campana y reforzar
ventajosamente la campana formada.
El diámetro del manguito del vástago puede
variar en un amplio intervalo. Un manguito preferido
está formado de filamentos trenzados de
fibras cerámicas. El manguito cerámico trenzado
puede adquirirse comercialmente a partir de varias
fuentes. Los manguitos pueden estar fabricados
de varios materiales fibrosos tales como el
borosilicato de aluminio, sílice, carburo de silicio
y fibras de carbón/grafito. Los materiales preferidos
son el borosilicato de aluminio y la sílice
debido a su resistencia a la oxidación en las condiciones
del motor. En una ejecución preferida,
el manguito trenzado está fabricado empleando
filamentos de fibras de 5 a 20 micras de diámetro.
El manguito está rellenoalolargodesulongitud
interior con un haz de fibras cerámicas
de refuerzo unidireccionales axialmente alineadas.
La elección de los materiales de fibras implica
de ordinario la consideración de la compatibilidad
química y mecánica con otros materiales
de la válvula, las utilizaciones deseadas de
la válvula, y la técnicaempleadaparalafabricación
de la válvula. Típicamente dichas fichas
están constituídas por borosilicato de aluminio,
alúmina, sílice, carbón/grafito, carburo de silicio,
nitruro de silicio y otras fibras de alta temperatura
similares. Nosotros preferimos las fibras
de carbón/grafito debido a que generalmente
son fuertes y rígidas, tienen bajas densidades y
unas características de baja expansión térmica, y
son buenos conductores térmicos. Los materiales
para las fibras cerámicas discontínuas de la campana
están generalmente seleccionados a partir
del mismo grupo de materiales adecuados para el
haz de fibras del vástago axialmente alineado (p.
ej. silicato o borosilicato de aluminio, alúmina,
sílice, carbón/grafito, carburo de silicio, nitruro
de silicio, o mezclas de dichas fibras).
Las válvulas acabadas obtenidas de acuerdo
con esta invención constan de la campana y el
vástago (incluidos el manguito y el paquete de fibras
de refuerzo del interior del manguito), como
se han descrito anteriormente y como se describe
más abajo están rigidizadas con una matriz de
material cerámico impregnada y densificada con
una matriz de carbón y/o otro material cerámico
adecuado, y están revestidas con un producto
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cerámico duro para la resistencia al desgaste. Los
materiales de la matriz que incluyen el carbón y/o
otros materiales cerámicos se escogen de forma
que sean compatibles química y mecánicamente
con las fibras. Se prefiere el carbón como material
para la matriz debido a su general compatibilidad
con muchos materiales de fibras y su baja densidad
y buena conductividad térmica. Sin embargo,
para ambientes del motor en donde puede tener
lugar una excesiva oxidación del carbón a través
del revestimiento exterior y del manguito, puede
ser preferible emplear otro material cerámico para
la matriz como p. ej. alúmina, sílice, nitruro de
silicio y/o carburo de silicio.
La válvula preforma rigidizada y densificada
puede revestirse con un revestimiento
cerámico duro que sea compatible química y
mecánicamente con los materiales de la preforma
que están debajo y es resistente a la oxidación y
desgaste. El carburo de silicio y el nitruro de silicio
son los materiales de revestimiento preferidos.
Por “válvula preforma” entendemos una
válvula sin acabar que comprende la campana y
el vástago (incluyendo el manguito y las fibras de
refuerzo del interior del manguito), con o sin rigidizar,
impregnada o no con una matriz de carbón
o cerámica (o un precursor de la misma) y revestida
o no con un revestimiento resistente al desgaste.
Así, mientras las válvulas preforma rigidizadas
se consideran útiles para la manipulación y
subsiguiente procesado, las válvulas preforma de
otras varias etapas de la fabricación se consideran
dentro del ámbito de esta invención.
En la ejecución de una válvula preforma compuesta,
de acuerdo con esta invención, la válvula
preforma comprende un vástago de válvula que
tiene la forma adecuada para ser insertado en la
guía de válvula de un motor. El vástago de la
válvula tiene un manguito o caparazón alargado
del vástago de válvula trenzado. El manguito
trenzado del vástago de válvula tiene un extremo
acampanado y está relleno con un haz unidireccional
de fibras de refuerzo axialmente alineadas. La
válvula preforma comprende también una parte
de la campana. La parte de la campana tiene
un disco y un cuello terminado en punta, y generalmente
cubre y está reforzada por el extremo
acampanado del manguito del vástago. La campana
está constituída por fibras cerámicas discontínuas.
Hay también una muesca en el vástago
para un anillo u otro dispositivo de retención de la
válvula, y una depresión en la campana que puede
ser deseable para algunos diseños de válvulas. La
parte del cuello de la campana adyacente al disco
de la campana es cónica (esto es tiene una sección
transversal más bien plana que curvada) para facilitar
el cierre hermético de la válvula acabada
fabricado a partir del mismo, con el asiento de
la válvula de un motor. La circunferencia del
disco podría también ser biselada lo cual es apropiado
para proporcionar una superficie adecuada
para acoplarse con un determinado asiento de la
válvula.
Las preformas de válvula cerámicas del tipo
descrito pueden fabricarse de acuerdo con esta invención
empleando un cierto número de técnicas
de fabricación y materiales. Se contemplan tanto
el método de fabricación por piezas sueltas como
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el de fabricación en serie, así como combinaciones
de los mismos.
El método preferido de fabricación de válvulas
sin tener en cuenta el método de fabricación o los
materiales específicos de fabricación, comprende
los pasos de obtención de un manguito alargado
flexible de fibras cerámicas dimensionado para
su inserción en la guía de la válvula de un motor
y relleno con un haz unidireccional de fibras
cerámicas de refuerzo axialmente alineado;
uniendo un extremo de dicho manguito dentro de
la parte de la campana de la válvula de material
cerámico de consistencia flexible y plástica que
contiene fibras cerámicas discontínuas, para obtener
una estructura en forma de válvula; e impregnando
y rigidizando dicha estructura en forma de
válvula con una matriz cerámica y opcionalmente
además con una matriz de carbóny/ootromaterial
cerámico adecuado.
De acuerdo con lo dicho, el vástago y la campana
se proveen durante o después de dar la
forma, de una matriz en la cual las fibras están
empotradas. Como se ha indicado antes, las fibras
discontínuas contenidas en la parte de la campana
cerámica pueden estar orientadas al azar. De preferencia
el extremo del manguito unido a la parte
de la campana está atrompetado antes de unirse.
En un método de fabricación por piezas sueltas
es deseable rigidizar el vástago unido y las
partes de la campana con el fin de facilitar la
operación subsiguiente. En este método por piezas
sueltas, la estructura en forma de válvula está
provista antes de la rigidización, de unos espacios
vacíos entre las fibras de la estructura (es decir,
las fibras no están rellenas al 100 % de densidad),
y los huecos se impregnan con una cerámica
que se une por calentamiento. Esto puede conseguirse
fácilmente por infiltración del vástago
unido y de la campana con un material que se
une por calentamiento para formar una preforma
de válvula adecuada para efectuar la rigidización.
Por ejemplo, el vástago y la campana pueden sumergirse
en un sol y otra suspensión coloidal de
partículas cerámicas, como suspensiones coloidales
de sílice y/o alúmina. La cerámica que se une
por calentamiento, empleada, debe ser química
y mecánicamente compatible con las fibras y se
une a una temperatura relativamente baja (p. ej.
menos de aprox. 1000 ◦ C). La campana menos
de aprox. 1000 ◦ C). La campana y el vástago
infiltrados con cerámica se tratan a continuación
térmicamente para unir las partículas cerámicas
susceptibles de unirse por calentamiento y rigidizar
la preforma de válvula. La estructura impregnada
con cerámica formada por este calentamiento
es una preforma de válvula rigidizada
conunvástago con la forma adecuada para su
inserción en la guía de la válvula de un motor y
una campana con la forma adecuada para su acoplamiento
con el asiento de la válvula de dicho
motor. Los huecos presentes antes de la impregnación
cerámica se llenan parcialmente durante la
rigidización con la cerámica que se ha unido por
calentamiento.
Con el fin de densificar la válvula preforma
mediante un llenado posterior de los huevos con
carbón u otro material cerámico, la preforma rigidizada
puede impregnarse con un material pre-
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cursor de la matriz. Las válvulas acabadas pueden
así fabricarse a partir de dichas válvulas
preforma por procesos posteriores que incluyen
la impregnación de dichas válvulas preformas rigidizadas
con una resina precursora de carbón,
otro precursor cerámico de la matriz o mezclas
de los mismos (opcionalmente junto con cargas
cerámicas en partículas), y pirolizando el precursor
in situ para obtener un compuesto reforzado
con fibra cerámica; y revistiendo dicha preforma
compuesta reforzada con fibra cerámica con un
revestimiento duro de cerámica resistente a la oxidación
y al desgaste (p. ej. revestimiento con carburo
de silicio, nitruro de silicio o una mezcla de
los mismos empleando el método de deposición
química en fase vapor (CVD). Puede emplearse
más de un ciclo impregnación-pirólisis para obtener
el tipo de matriz deseado. La aplicación de
un revestimiento puede seguir después o coincidir
en parte con el desarrollo de la matriz.
De acuerdo con lo dicho, la matriz puede obtenerse
al menos en parte mediante pirolización de
los precursores de la matriz. los precursores de la
matriz, sin tener en cuenta la técnica de la fabricación
son típicamente, una suspensión coloidal,
un sol, o un polímero precerámico que se convierte
en una matriz cerámica rígida calentando
a una temperatura suficiente. Los polímeros precerámicos
que pirolizan mediante calentamiento
para formar una matriz de carbón, nitruro de silicio,
carburo de silicio, sílice o una mezcla de los
mismos son de un particular interés.
Puede ser también ventajoso incluir partículas
de carga juntamente con algunos precursores de
la matriz, especialmente polímeros precerámicos.
Dichas cargas deben seleccionarse para que sean
compatibles ambas condiciones de procesado (p.
ej. infiltración y temperatura) y características
de rendimiento deseadas (p. ej. dureza, desgaste,
y resistencia a la oxidación). Hay una variedad
de resinas del precursor de carbón disponibles que
pueden ser usadas (p. ej. resinas de furano y resinas
de fenol). Las resinas del precursor de carbón
son generalmente materiales de bajo costo y de
baja densidad, adecuados para muchas aplicaciones.
Aparte de los precursores de carbón, pueden
emplearse otros precursores cerámicos, p. ej. polisilanos,
policarbosilanos o polisilazanos. Todos
éstos pueden emplearse para obtener una matriz
cerámica; y precursores cerámicos como los polisilanos
pueden preferirse en aplicaciones donde
son particularmente importantes una resistencia
alargoplazoalaoxidación y desgaste. Cuando
se emplea un material precursor, se piroliza in
situ para obtener una preforma de válvula compuesta
rigidizada y densificada. La pirólisis para
la formación de matrices para carbón, carburos
o nitruros debe efectuarse en condiciones no oxidantes
(p. ej. en atmósfera de nitrógeno). Esta
impregnación con un precursor y el proceso de
pirólisis pueden repetirse varias veces para obtener
un compuesto altamente densificado.
Se considera que varios de los pasos de fabricación
por piezas sueltas, efectuados para preparar
las preformas de la presente invención como
se ha descrito más arriba podían ser factiblemente
combinados de acuerdo con la tecnología
de procesos convencional. Por ejemplo se consi-

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dera que los manguitos que contienen las fibras
unidireccionales axialmente alineadas e impregnadas
con cerámica susceptible de unirse por calentamiento,
y opcionalmente un material precursor
de la matriz, pueden obtenerse empleando la
tecnología de pultrusión (N. del T.: extrusión
por estirado) convencional. En efecto, se considera
que los métodos de producción en serie
para la fabricación de las válvulas acabadas o las
válvulas preforma, implican generalmente el conformado
del vástago de la válvula, la campana
de la válvula o incluso una estructura en forma
de válvula que comprenda el vástago y la campana
de la válvula a partir de un material que ya
contiene la matriz de cerámica y opcionalmente
de carbón y/o otra cerámica adecuada o un precursor
de dicha matriz impregnado dentro. esto
puede ser efectuado por varias técnicas estándar,
incluyendo el moldeo por inyección, moldeo por
compresión, extrusión y pultrusión. El moldeo
por inyección, moldeo por compresión y la extrusión
están generalmente asociados con el procesado
de fibras discontínuas y así sonmás adecuados
para formar la sección de la campana de
la válvula, pero pueden ser usados para formar la
parte del vástago en donde las fibras discontínuas
razonablemente alineadas son adecuadas para las
necesidades del vástago. Cuando el alineamiento
de las fibras puede ser contínuo como p. ej. mediante
la extrusión de preformas del vástago, entonces
la parte de la campana puede formarse sobre
el vástago mediante el subsiguiente moldeo
(p. ej. mediante moldeo por compresión o por
inyección). También es factible el infiltrar y formar
la matriz en una preforma de fibras mediante
infiltración química en fase vapor. Los expertos
en la materia valorarán la relación mutua entre
economia y rendimiento (p. ej. rigidez, entre un
vástago compuesto de un haz alineado de fibras
contínuas y un vástago compuesto de un haz de
fibras discontínuas generalmente alineado.
Se deduce fácilmente que pueden emplearse
variadas combinaciones de los métodos de fabricación
por piezas sueltas y de producción en serie.
Por ejemplo, un vástago formado por el método
de fabricación por piezas sueltas descrito más
arriba podría combinarse con la inyección de la
campana o moldeo por compresión de la misma
sobre él.
Una forma sencilla de rellenar el manguito es
trenzar las hebras de fibras cerámicas adecuadas
para manguito, alrededor del haz de fibras
de refuerzo a medida que ambos sobresalen del
aparato de trenzado. La pultrusión se considera
una técnica adecuada para formar haces de fibras
contínuas, mediante la cual los haces de fibras
infiltrados con el precursor de la matriz pueden
ser enrollados por técnicas de bobinar filamentos
para formar un manguito. Alternativamente
se puede extrusionar o pultrusionar el núcleo de
un vástago dentro de un manguito trenzado que
ha sido expandido (p. ej. mediante compresión).
En pequeña escala puede simplemente rellenarse
a mano dentro del manguito. En cualquier caso
se obtiene un manguito relleno de una longitud
escogida, típicamente alrededor de 152 mm (6 puladas).
De preferencia debe estar relleno con un
haz unidireccional de fibras contínuas de aproxi-
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madamente la misma longitud.
La campana puede conformarse mediante medios
convencionales tales como el moldeo a partir
de material cerámico de consistencia flexible
yplástica que puede ser endurecido por calentamiento
(p. ej. sílice o alúmina o silicato de metal
alcalino, coloidales) y contiene fibras cerámicas
discontínuas que están normalmente orientadas al
azar o bien orientadas a lo largo del contorno de
la campana.
Un método preferido de revestimiento emplea
la deposición química en fase vapor. La CVD
es un procedimiento bien conocido para la deposición
de revestimientos como el carburo de silicio
y/o nitruro de silicio sobre sustratos adecuados
resistentes al calor. Cuando se emplea la CVD,
la válvula preforma podría por ejemplo ser posicionada
en una cámara caliente (p. ej. 1000
◦ C). Una mezcla de tetracloruro de silicio y metano
por ejemplo penetran en la cámara y se disocian
parcialmente reaccionando al entrar en contacto
con las superficies calientes y depositando
de este modo una capa de carburo de silicio sobre
la válvula. Si se substituye el metano por
amoníaco, se deposita el nitruro de silicio. Una
mezcla de metano y amoníaco con tetracloruro de
silicio despositará una mezcla de carburo de silicio
y nitruro de silicio. Estos depósitos externos son
densos, extremadamente duros, y proporcionan a
la válvula una prolongada resistencia al desgaste.
El compuesto acabado es altamente resistente
al desgaste, impactos, esfuerzos, carlos y humos
del motor. Es ligero y dimensionalmente estable a
las temperaturas de empleo. Para ejecuciones en
donde pueden emplearse fibras de carbón/grafito
ymatriz,laválvula terminada resultante es especialmente
ligera.
Puede emplearse el acabado o mecanizado de
la superficie para aumentar la uniformidad de las
válvulas acabadas. En muchos casos nuestro proceso
de formación de válvulas es suficientemente
exacto para hacer válvulas de acuerdo con las
tolerancias dimensionales especificadas, con un
mínimo de mecanizado.
Los expertos en la materia reconocerán que
aunque las características de la válvula resultante
a partir de varios métodos de fabricación serán
similares, no son necesariamente idénticas. Consecuentemente
la selección de los métodos de procesado
así como la selección de los materiales empleados
en la fabricación de las válvulas puede
estar influenciado por las limitaciones de la realización
y del costo.
Las consideraciones típicas de la realización
incluyen normalmente el peso de la válvula, su
resistencia al desgaste, su resistencia a la erosión
y corrosión (incluyendo la oxidación), y su total
exactitud mecánica. La selección del material
se verá influenciada por estas consideraciones.
Por ejemplo, dado que se desea un peso pequeño,
se verá favorecido el empleo de materiales
de baja densidad (p. ej. el carbón). La exactitud
mecánica puede aumentarse empleando materiales
que son fuertes y resistentes tanto a la fractura
mecánica como al esfuerzo térmico (p. ej. materiales
de baja expansión térmica con resistencia
a la fractura, como el carbón, sílice o nitruro de
silicio).
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La práctica de la invención será más evidente
a partir de los siguientes ejemplos, que no pretenden
limitarla.
Ejemplo I
Se fabricó una preforma parcial de prototipo
de válvula (pero sin las fibras de refuerzo
cerámicas unidireccionales axialmente alineadas,
dentro del manguito), a partir de un manguito
cerámico trenzado flexible de aproximadamente
32 mm (1/8 de pulgada) de diámetro interior.
El manguito empleado en este ejemplo fue una
porción de manguito de fibra de borosilicato de
aluminio trenzada (“Nextel” de 3M Corporation)
aproximadamente de 152 mm (6 pulgadas) de longitud.
Las trenzas empleadas fueron hebras de
una pluralidad de fibras muy finas, típicamente
alrededor de 10-12 micras de diámetros.
Dicha porción de manguito se saturó con
Al2O3 coloidal y una parte del manguito próxima
a un extremo se melló para ilustrar la adaptación
del vástago para recibir un anillo retenedor de
la válvula de un motor y este extremo del manguito
se calentó a sequedad utilizando un secador
manual de aire caliente. El otro extremo del
manguito se atrompetó utilizando el extremo redondeado
de un mango de mortero como mandril
de desbastar. Esto supuso el ensachamiento de
la trenza en el extremo redondeado del mango de
mortero para tomar la forma atrompetada. El
extremo atrompetado y la parte previamente no
tratada del manguito se saturaron con Al2O3 yse
calentaron a sequedad como se había hecho antes
con la otra sección. A continuación se recortó el
extremo atrompetado del manguito y la parte de
la trompeta se moldeó en las superficies interior
y exterior del extremo atrompetado y se le dió
forma para obtener la forma final apropiada empleando
un material cerámico fibroso tipo fieltro
de una consistencia plástica flexible (un material
cerámicodefieltroenhúmedo de la firma Refractory
Products Co., Elgin Illinois, a base de fibras
de silicato de aluminio discontínuas orientadas al
azar con un aglomerante presumiblemente un silicato).
El conjunto total se secó enestufaa65 ◦ Cya
continuación se le dió forma para su configuración
final mediante operaciones de arenado y con limaduras
para suavizar las superficies y conseguir una
forma más regular. El total fue aproximadamente
de 114 mm (4,5 pulgadas) de longitud, el disco de
la campana fue aproximadamente de 16,79 mm
(1-5/16 pulgadas) de diámetro y la longitud visible
del manguito prolongándose a partir del ma-
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terial de la campana moldeada fue de 95,32 mm
(3-1/8 pulgadas) de longitud y aproximadamente
48 mm (3/16 pulgadas) de diámetro exterior. A
continuación se reimpregnó el conjunto completo
con Al2O3 coloidad al vacío para asegurar una
completa penetración y se secó en estufa a 75-125
◦ C. A continuación se calentó el conjunto con aire
a 500 ◦ C durante una (1) hora para la unión en
calientedelaalúmina coloidal para dar rigidez a
la preforma y para que el agua no moleste en los
procesos siguientes.
Seguidamente se impregnó la preforma rigidizada
con una resina de furano como una resina
precursora de carbón. El propósitodelaimpregnación
con resina fue el de llenar todos los huecos
internos restantes en la preforma de válvula
compuesta con resina, la cual es finalmente pirolizada
para que se carbonice, con lo que se obtiene
un compuesto cerámico reforzado con fibras de
carbón (pero sin las fibras unidireccionales). La
resina se trató con calor para que penetrara la
resina dentro de la preforma rigidizada. En este
ejemplo la resina no se pirolizó comosería el caso
al completar una válvula acabada.
En este ejemplo, no habían fibras unidireccionales
contenidas dentro de la camisa trenzada.
Esto evitó cualquier dificultad en mantener su alineamiento
ya que el montaje del compuesto se
efectuó a mano y las fibras no eran evidentes en
el prototipo parcial completado. En la práctica
actual, pueden colocarse fibras unidireccionales
dentro del trenzado insertándolas en el manguito
o sobretrenzando el manguito sobre las fibras.
La preforma de válvula prototipo parcial del
ejemplo, tuvo una forma generalizada y no la
forma adecuada para emplear con un motor en
particular. En la práctica real, la válvula acabada
sería dimensionada cuidadosamente para ser
empleada en un motor particular.
Tampoco se aplicó en el ejemplo en cuestión el
revestimiento del tipo CVD empleado en la fabricación
de las válvulas acabadas de esta invención
y no se efectuó por lo tanto ningún acabado de
superficie de un revestimiento de esta naturaleza.
Estos pasos se consideran convencionales y no fueron
considerados necesarios para demostrar los
nuevos aspectos de esta invención.
Además, el procedimiento de la invención tal
como se ha descrito produce una válvula de
sección transversal circular en todas partes; sin
embargo pueden obtenerse válvulas de otra clase
de sección transversal.

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REIVINDICACIONES
1. Una válvula compuesta a base de cerámica
reforzada con fibras, para un motor de combustión
interna o similar, constando dicha válvula
de:
a) un vástago de válvula alargado que tiene
una forma adecuada para su inserción en
la guía de válvula de un motor, constando
el vástago de la válvula de un manguito fibroso
de cerámica que está relleno con un
haz unidireccional axialmente alineado de
fibras cerámicas de refuerzo;
b) una campana de cerámica con la forma adecuada
para acoplarse con el asiento de la
válvula de un motor, constando la campana
de fibras cerámicas discontínuas; y
c) una matriz de material cerámico en la cual
las fibras del vástago y la campana están
empotradas,
en donde un extremo del manguito del vástago
está moldeado dentro de la campana.
2. La válvula compuesta de la reivindicación
1, en la cual la matriz consta además, de carbón o
una combinación de carbón con otros materiales
cerámicos.
3. La válvula compuesta de la reivindicación
2, que consta además de un revestimiento externo
de cerámica resistente al desgaste.
4. La válvula compuesta de la reivindicación
1, en la cual el extremo del manguito del vástago
moldeado dentro de la campana está atrompetado.
5. La válvula compuesta de la reivindicación
4, en la que el manguito del vástago consta de fibras
cerámicas trenzadas, y el extremo atrompetado
del manguito del vástago está unido dentro
de la campana de forma que una parte del exterior
de la campana cubre el extremo atrompetado
y las fibras del extremo atrompetado refuerzan la
parte de la campana que lo cubre.
6. La válvula compuesta de la reivindicación
5, en la cual
i) las fibras del manguito y la campana son
fibras de borosilicato de aluminio
ii) el haz de fibras unidireccional es de fibras
de carbón, y
iii) la matriz consta de carbón y alúmina.
7. La válvula compuesta de la reivindicación
6, que consta de un revestimiento externo a base
de carburo de silicio, nitruro de silicio o una mezcla
de los mismos.
8. La válvula compuesta de la reivindicación
1, en la cual
i) las fibras del manguito son fibras de borosilicato
de aluminio
ii) el haz de fibras unidireccional son fibras de
carbón,
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iii) las fibras de la campana son fibras de silicato
de aluminio orientadas al azar.
9. La válvula compuesta de la reivindicación
2, en la cual la matriz consta de carbón y alúmina.
10. La válvula compuesta de la reivindicación
9, la cual consta además de un recubrimiento
cerámico duro resistente a la oxidación y al desgaste.
11. La válvula compuesta de la reivindicación
10, en la cual el revestimiento es un revestimiento
por deposición química en fase vapor, que consta
de nitruro de silicio, carburo de silicio o una mezcla
de los mismos.
12. Un método para obtener una válvula compuesta
cerámica reforzada con fibra, para un motor
de combustión interna o similar, constando
dicho método de:
a) conformado de un manguito alargado flexible
de fibras cerámicas trenzadas,
b) relleno del manguito con un haz unidireccional
axialmente alineado de fibras cerámicas
de refuerzo,
c) conformado de una campana flexible de fibras
cerámicas discontínuas orientadas al
azar,
d) unión de un extremo del manguito dentro de
una parte de la campana para formar una
estructura de fibra con forma de válvula,
e) conformado de una matriz de material
cerámico en la cual las fibras de la estructura
de fibra con forma de válvula están empotradas.
13. El método de la reivindicación 12, en el
cual el paso e) consta de la impregnación de la
estructura de fibra con forma de válvula, con una
cerámica susceptible de unirse mediante calor, y
calentamiento de la estructura impregnada para
formar una matriz cerámica.
14. El método de la reivindicación 13 en el
cual el paso e) comprende además, después de
dicho paso de calentamiento, de la impregnación
de la válvula compuesta con un precursor de la
matriz cerámica y pirolizando el precursor para
formar la matriz cerámica adicional.
15. El método de la reivindicación 13, en
donde el paso e) comprende además, después de
dicho paso de calentamiento, de la impregnación
de la válvula compuesta con un precursor de
carbón y pirolizando el precursor para formar una
matriz de carbón adicional.
16. El método de la reivindicación 13, en el
cual la cerámica susceptible de unirse por calentamiento
es alúmina coloidal.
17. El método de la reivindicación 15, en
donde dicho precursor de carbón es una resina
de furano o fenólica.
18. El método de la reivindicación 14 comprendiendo
además:
f) el revestimiento de la válvula compuesta de
cerámica resultante de la pirólisis, con un revestimiento
cerámico.
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19. El método de la reivindicación 18, en el
cual el paso f) comprende la deposición química
en fase vapor del revestimiento cerámico.
20. El método de la reivindicación 19, en el
cual el revestimiento cerámico comprende nitruro
de silicio, carburo de silicio o mezclas de los mis-
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mos.
21. El método de la reivindicación 12 en el
cual las fibras empleadas en los pasos a), b) y
c) han sido previamente impregnadas con un material
cerámico de la matriz o un precursor del
material de la matriz.