BRPI0809003B1 - Método de fabricação de artigo abrasivo ligado - Google Patents

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Gilles Querel
Cecile Jousseaume
Paul S. Dando
Richard W. Hall
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Saint-Gobain Abrasives, Inc.
Saint-Gobain Abrasifs
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Abstract

"método de fabricação de um artigo abrasivo ligado". a presente invenção refere-se ao método de fabricação de um abrasivo ligado, caracterizado por proporcionar um pó de vidro compreendendo um composto de óxido de metal de transição; combinar o pó de vidro com grãos abrasivos compreendendo nitreto de boro cúbico; formar o pó de vidro e grãos abrasivos para formar um artigo inacabado; e sinterizar o artigo inacabado a uma temperatura de transformação para formar grãos abrasivos em uma matriz de ligação vítrea, a temperatura de transformação mudando o composto de óxido de metal de transição para um composto de nitreto de metal de transição na interface dos grãos abrasivos e a matriz de ligação vítrea.

Description

MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE ARTIGO ABRASIVO LIGADO.
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a artigos abrasivos ligados e, particularmente dirigida a artigos abrasivos ligados que têm uma matriz de liga5 ção cristalina.
ANTECEDENTES DA TÉCNICA
De um modo geral, os abrasivos são usados em várias operações de usinagem, variando de um fino polimento à remoção e corte de material bruto. Por exemplo, abrasivos livres compostos de partículas soltas são 10 usados em suspensões para aplicações de polimento, como por exemplo, o polimento químico mecânico (CMP) na indústria de semicondutores. Alternativamente, os abrasivos podem ser na forma de artigos abrasivos fixos, como por exemplo, abrasivos ligados e revestidos que podem incluir dispositivos como por exemplo rebolos, correias, rolos, discos e outros semelhantes.
De um modo geral, os abrasivos fixos diferem dos abrasivos livres por os abrasivos fixos usarem grãos abrasivos ou areia no interior de uma matriz de material que fixa a posição dos grãos abrasivos em relação uns aos outros. Areias abrasivas fixas comuns podem incluir alumina, carboneto de silício, vários minerais, como por exemplo, granada, bem como su20 perabrasivos, como diamante e nitreto de boro cúbico (cBN). Com particular referência a artigos abrasivos ligados, as areias abrasivas são fixas em relação umas às outras em um material ligado. Embora possam ser usados muitos materiais de ligação diferentes, os materiais de ligação vitrificados, como por exemplo, materiais de vidro de fase amorfa são comuns. No entanto, as 25 propriedades de desempenho de abrasivos ligados convencionais tais como, por exemplo, óxido de alumínio, carboneto de silício, diamante e nitreto de boro cúbico tendo ligações vitrificadas são limitados pela natureza da ligação e a composição dos grãos abrasivos. Particularmente, a ligação entre a matriz de ligação e os grãos abrasivos pode ser insuficiente de tal modo que 30 durante o esmerilhamento os grãos abrasivos são facilmente removidos da matriz de ligação, reduzindo a eficácia do processo de esmerilhamento ou
Petição 870180073729, de 22/08/2018, pág. 15/20 de polimento.
A indústria continua a necessitar de abrasivos ligados com propriedades melhoradas. As propriedades de interesse incluem estabilidade mecânica, resistência, tempo de vida útil e desempenho de esmerilhamento melhorado.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
De acordo com uma primeira modalidade, é proporcionado um artigo abrasivo ligado que inclui grãos abrasivos incluindo nitreto de boro cúbico no interior de uma matriz de ligação que é feita de um silicato. O abrasivo ligado também inclui um produto de reação na interface entre os grãos abrasivos e a matriz de ligação compreendendo um nitreto de metal de transição.
De acordo com uma segunda modalidade, é proporcionado um método para fabricar um abrasivo ligado que inclui proporcionar um pó de vidro feito de um composto de óxido de metal de transição. O método inclui ainda combinar o pó de vidro com grãos abrasivos tendo nitreto de boro cúbico e formar o pó de vidro e os grãos abrasivos para formar um artigo inacabado. O método inclui ainda sinterizar o artigo inacabado a uma temperatura de transformação para formar grãos abrasivos em uma matriz de ligação vítrea, de tal modo que à temperatura de transformação o composto de óxido de metal de transição muda para um composto de nitreto de metal de transição na interface dos grãos abrasivos e a matriz de ligação vítrea. BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHOS
A presente descrição pode ser melhor entendida, e suas inúmeras características e vantagens podem se tornar mais evidentes aos versados na técnica por meio de referência aos desenhos associados.
A figura 1 é um fluxograma que ilustra um processo para formar um artigo abrasivo ligado de acordo com uma modalidade.
A figura 2a é uma imagem que ilustra uma porção de um artigo abrasivo ligado formado de acordo com modalidades aqui descritas.
A figura 2b é uma imagem que ilustra uma porção de um artigo abrasivo ligado formado de acordo com técnicas convencionais.
A figura 3 é um gráfico que ilustra o módulo de elasticidade (MOE) de artigos abrasivos ligados formados de acordo com modalidades aqui descritas em comparação com uma Amostra Comparativa.
A figura 4 é um gráfico que ilustra o módulo de ruptura (MOR) de artigos abrasivos ligados formados de acordo com modalidades aqui descritas em comparação com uma Amostra Comparativa.
A figura 5 é um gráfico que ilustra a dureza de artigos abrasivos ligados formados de acordo com modalidades aqui descritas em comparação com uma Amostra Comparativa.
O uso dos mesmos símbolos de referência em desenhos diferentes indica itens similares ou idênticos.
DESCRIÇÃO DA(S) MQDALIDADE(S)
Com referência à figura 1, é proporcionado um fluxograma que ilustra um processo através do qual é formado um abrasivo ligado de acordo com uma modalidade. O processo é iniciado na etapa 101 proporcionando um pó de vidro que inclui um reagente de óxido de metal de transição. O pó é em geral vítreo (amorfo), de tal modo que não menos de cerca de 80% em volume do vidro é fase amorfa. De acordo com uma modalidade particular, o pó de vidro pode incluir um teor maior de fase amorfa, como por exemplo, não inferior a cerca de 90% em volume, ou mesmo não inferior a cerca de 95% em volume de fase amorfa. De um modo geral, a formação de um pó de vidro pode ser completada misturando uma proporção adequada de matérias-primas e fundindo a mistura de matérias-primas para formar um vidro a altas temperaturas. Depois de suficiente fusão e mistura do vidro, o vidro pode ser resfriado (temperado) e triturado até formar um pó.
De um modo geral, o pó de vidro pode ser adicionalmente processado, por exemplo por um processo de moagem, para proporcionar um pó de vidro tendo uma distribuição de tamanho de partícula adequado. Tipicamente, o pó de vidro tem um tamanho de partícula médio não superior a cerca de 100 microns. Em uma modalidade particular, o pó de vidro tem um tamanho de partícula médio não superior a 75 microns, por exemplo, não superior a cerca de 50 microns, ou mesmo não superior a cerca de 10 mi crons. No entanto, o tamanho de partícula médio do pó de vidro é tipicamente compreendido em uma faixa entre cerca de 5,0 microns e cerca de 75 microns.
A composição do pó de vidro pode ser descrita usando a equação aM2O-bMO-cM2O3-dMO2-eM2O5. Conforme ilustrado pela equação, a composição do pó de vidro pode incluir óxidos de metal e, particularmente, mais de um óxido de metal, de tal modo que os óxidos estejam presentes juntos como um composto de material óxido. Em uma modalidade particular, o pó de vidro inclui compostos de óxido de metal tendo cátions monovalentes (M1+), com por exemplo, os compostos de óxido de metal representados pela fórmula genérica M2O. As composições de óxido de metal adequadas representadas por M2O podem incluir compostos como por exemplo, Li2O, Na2O, K2O e Cs2O.
De acordo com outra modalidade e, conforme proporcionado na equação geral, o pó de vidro pode incluir outros compostos de óxido de metal. Em particular, o pó de vidro pode incluir compostos de óxido de metal tendo cátions bivalentes (M2+), como por exemplo aqueles compostos de óxido de metal representados pela fórmula genérica MO. As composições de óxido de metal adequadas representadas por MO podem incluir compostos, como por exemplo, MgO, CaO, SrO, BaO e ZnO.
Além disso, o pó de vidro pode incluir compostos de óxido de metal tendo cátions trivalentes (M3+), particularmente aqueles compostos de óxido metal representados pela fórmula genérica M2O3. As composições de óxido de metal adequadas representadas por M2O3 podem incluir compostos, como por exemplo, AI2O3, B2O3, Y2O3, Fe2O3, Bi2O3 e La2O3.
Particularmente, conforme indicado na equação geral acima, o pó de vidro pode incluir compostos de óxido de metal tendo cátions de um estado de valência M4+, conforme representado por MO2. As composições MO2 particularmente adequadas incluem SiO2, ZrO2 e TiO2.
Além disso, o pó de vidro pode incluir compostos de óxido de metal tendo cátions de um estado de valência M5+, particularmente aqueles compostos de óxido de metal representados pelo fórmula genérica M2C>5. As
5/28 composições de óxido de metal adequadas representadas por M2O5 podem incluir compostos, como por exemplo, V2O5 e Nb2O5.
Com referência ainda à composição do pó de vidro representado pela equação genérica aM2O-bMO-cM2O3-dMO2-eM2O5, são proporcionados 5 os coeficientes (a, b, c, d e e) para indicar a quantidade (em % em mol) de cada um dos tipos diferentes de compostos de óxido de metal (M2O, MO, M2O3, MO2 e M2O5) que podem estar presentes no pó de vidro. Deste modo, o coeficiente a em geral representa a quantidade total dos compostos de óxido de metal M2O no pó de vidro. A quantidade total (fração molar) dos 10 compostos de óxido de metal M2O no pó de vidro é em geral compreendida em uma faixa entre cerca de 0<a<0,30. De acordo com uma modalidade particular, a quantidade dos compostos de óxido de metal M2O no pó de vidro é compreendida em uma faixa entre cerca de 0<a<0,15 e, mais particularmente, em uma faixa de cerca de 0<a<0,10.
Com referência à presença dos compostos de óxido de metal
MO contendo um cátion bivalente M2+, a quantidade total (fração molar) destes compostos pode ser definida pelo coeficiente b. De um modo geral, a quantidade total de compostos de óxido de metal MO no pó de vidro é compreendida em uma faixa entre cerca de 0<b<0,60. De acordo com uma mo20 dalidade particular, a quantidade de compostos de óxido de metal MO é compreendida em uma faixa entre cerca de 0<b<0,45 e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 0,15<b<0,35.
Além disso, a quantidade de compostos de óxido de metal M2O3 contendo um cátion trivalente M3+ no pó de vidro é representada pelo coefi25 ciente c. Deste modo, a quantidade total (fração molar) dos compostos de óxido M2O3 é em geral compreendida em uma faixa entre cerca de 0<c<0,60. De acordo com uma modalidade particular, a quantidade de compostos de óxido de metal M2O3 no pó de vidro é em geral compreendida em uma faixa entre cerca de 0<c<0,40 e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca 30 de 0,10<c<0,30.
A quantidade de compostos de óxido de metal MO2 contendo um cátion M4+ conforme descrito na equação geral aM2O-bMO-cM2O3-dMO2-eM2O5
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6/28 é representada pelo coeficiente d. De um modo geral, a quantidade total (fração molar) dos compostos de óxido MO2 no pó de vidro é compreendida em uma faixa entre cerca de 0,20<d<0,80. Em uma modalidade particular, a quantidade de compostos de óxido de metal MO2 no pó de vidro é compre5 endida em uma faixa entre cerca de 0,30<d<0,75 e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 0,40<d<0,60.
A presença dos compostos de óxido de metal M2O5 contendo um cátion M5+ conforme descrito na equação geral aM2O-bMO-cM2O3-dMO2-eM2O5 é representada pelo coeficiente e. De um modo geral, a quantidade total 10 (fração molar) dos compostos de óxido M2O5 no pó de vidro é compreendida em uma faixa entre cerca de 0<d<0,20. Em uma modalidade particular, a quantidade de compostos de óxido de metal M2O5 no pó de vidro é compreendida em uma faixa entre cerca de 0<d<0,15 e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 0,01 <d<0,10.
Com referência aos compostos de óxido de metal MO2 e conforme descrito acima, um composto de óxido de metal MO2 particularmente adequado é o óxido de silício (SiO2), de tal modo que o pó de vidro é uma composição à base de silicato. Com particular referência a apenas a presença de óxido de silício no pó de vidro, tipicamente o pó de vidro inclui não 20 mais de cerca de 80% em mol de óxido de silício. De acordo com outra modalidade, o pó de vidro inclui não mais de cerca de 70% em mol, ou mesmo não mais de cerca de 60% em mol de óxido de silício. Ainda, em modalidades particulares, a quantidade de óxido de silício no pó de vidro não é inferior a cerca de 20% em mol. Deste modo, a quantidade de óxido de silício no pó de vidro é em geral compreendida em uma faixa entre cerca de 30% em mol e cerca de 70% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 40% em mol e cerca de 60% em mol.
Com particular referência a outros compostos de óxido de metal, certas composições do pó de vidro incluem óxido de alumínio (Al2O3), parti30 cularmente além do óxido de silício, de tal modo que o pó de vidro é um silicato de alumínio. Deste modo, com referência a modalidades que utilizam óxido de alumínio, em geral, o pó de vidro inclui não mais de cerca de 60%
Petição 870180073729, de 22/08/2018, pág. 17/20 em mol de AI2O3. Em outras modalidades, 0 pó de vidro pode incluir óxido de alumínio em quantidades menores, como por exemplo, não mais de cerca de 50% em mol ou mesmo não mais de cerca de 40% em mol. Tipicamente, 0 pó de vidro incorpora óxido de alumínio em uma faixa compreendida entre cerca de 5,0% em mol a cerca de 40% em mol e, particularmente em uma faixa compreendida entre cerca de 10% em mol e cerca de 30% em mol.
De acordo com outras modalidades, o pó de vidro inclui pelo menos um de óxido de magnésio (MgO) e óxido de lítio (Li2O), particularmente além de óxido de silício e, mais particularmente, além de óxido de silício e óxido de alumínio. Deste modo, a quantidade de óxido de magnésio no pó de vidro é em geral não superior a cerca de 45% em mol, como por exemplo não superior a 40% em mol, ou mesmo não superior a 35% em mol. Tipicamente, as composições de pó de vidro contendo óxido de magnésio, utilizam uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 5,0% em mol e cerca de 40% em mol e, particularmente, em uma faixa compreendida entre cerca de 15% e cerca de 35% em mol. Vidros de silicato de alumínio contendo magnésio podem ser referidos como vidros MAS tendo uma composição de silicato de alumínio e magnésio.
De acordo com outra modalidade, o pó de vidro inclui óxido de lítio, particularmente além do óxido de silício e, mais particularmente, além do óxido de alumínio e óxido de silício. Deste modo, a quantidade de óxido de lítio no pó de vidro é em geral não superior a cerca de 45% em mol, como por exemplo não superior a 30% em mol ou mesmo não superior a 20% em mol. Tipicamente, as composições de pó de vidro contendo óxido de lítio utilizam uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 20% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 5,0% em mol e 15% em mol. Os vidros de silicato de alumínio contendo lítio podem ser referidos como vidros LAS tendo uma composição de silicato de alumínio e lítio.
Em outras modalidades, o pó de vidro pode incluir um certo teor de óxido de bário (BaO), particularmente além de óxido de silício e, em algumas modalidades além de um sistema contendo óxido de alumínio e óxido de silício. Deste modo, a quantidade de óxido de bário no pó de vidro é em geral não superior a cerca de 45% em mol, como por exemplo não superior a 30% em mol ou mesmo superior a 20% em mol. Tipicamente, as composições de pó de vidro tendo óxido de bário utilizam uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 0,1% em mol e cerca de 20% em mol e, mais particularmente em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 10% em mol. Os vidros de silicato de alumínio contendo bário podem ser referidos como vidros BAS tendo uma composição de silicato de alumínio e bário.
Em outras modalidades, o pó de vidro contém uma certa quantidade de óxido de cálcio (CaO), como por exemplo além de um pó de vidro contendo óxido de silício e em modalidades particulares, em um pó de vidro contendo óxido de alumínio e óxido de silício. Deste modo, a quantidade de óxido de cálcio no pó de vidro em geral não é superior a cerca de 45% em mol, como por exemplo, não superior a 30% em mol ou mesmo superior a 20% em mol. Tipicamente, as composições de pó de vidro tendo óxido de cálcio utilizam uma quantidadde compreendida em uma faixa entre cerca de 0,5% em mol e cerca de 20% em mol e, particularmente em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 10% em mol. Em algumas modalidades, o óxido de cálcio está presente em sistemas que utilizam outros compostos de óxido de metal mencionados acima, particularmente em combinação com os vidros MAS e BAS. Deste modo, o óxido de cálcio pode formar um composto de óxido, por exemplo, um silicato de alumínio magnésio e cálcio (CMAS) ou silicato de alumínio magnésio bário e cálcio (CBAS).
Conforme descrito acima, as composições de vidro podem incluir outros compostos de óxido de metal. De acordo com uma modalidade particular, a composição de pó de vidro inclui óxido de boro (B2O3). De um modo geral, a quantidade de óxido de boro no pó de vidro não é superior a cerca de 45% em mol, com por exemplo não superior a 30% em mol ou mesmo não superior a 20% em mol. Tipicamente, as composições de pó de vidro contendo óxido de boro usam uma quantidade compreendida na faixa entre cerca de 0,5% em mol e cerca de 20% em mol e, particularmente em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Com particular referência aos reagentes do óxido de metal de transição no pó de vidro, conforme usado neste contexto, o termo reagente do óxido de metal de transição se refere a um grupo selecionado de compostos de óxido de metal de transição que são proporcionados no pó de vidro e reagem durante a sinterização do abrasivo ligado para formar um composto de nitreto de metal. Em concordância, os reagentes adequados do óxido de metal de transição incluem TÍO2, Cr2O3, ν2Οδ, ZrO2 e Nb2Os θ suas combinações ou óxidos complexos.
Embora a descrição acima tenha sido dirigia à presença de compostos de óxido genéricos, tais como MO, M2O, M2O3, M2O5 e MO2, a descrição a seguir é particularmente dirigida à presença destes compostos de óxido de metal que são aqui usados como reagentes do óxido de metal de transição conforme descrito acima. De um modo geral, a quantidade total dos reagentes do óxido de metal de transição no pó de vidro não é superior a cerca de 25% em mol. De acordo com uma modalidade particular, a quantidade total dos reagentes do óxido de metal de transição no pó de vidro pode ser inferior, como por exemplo não superior a cerca de 20% em mol, como por exemplo não superior a 15% em mol ou mesmo não superior a cerca de 10% em mol. Tipicamente, a quantidade total dos reagentes do óxido de metal de transição está compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 20% em mol e, particularmente em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 15% em mol.
Com particular referência ao reagente do óxido de metal de transição TiO2, este reagente pode estar presente além de outros óxidos, particularmente além do óxido de silício e, particularmente, além do óxido de alumínio e óxido de silício. De um modo geral, o pó de vidro contém uma quantidade de óxido de titânio não superior a cerca de 20% em mol. De acordo com outra modalidade, 0 pó de vidro inclui uma quantidade não superior a 15% em mol de TiO2. Tipicamente, as composições de pó de vidro contendo o reagente do óxido de metal de transição TiO2 usam uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de
15% em mol e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Com particular referência ao reagente do óxido de metal de transição Cr2O3, este reagente pode estar presente além de outros óxidos, particularmente além do óxido de silício e, particularmente, além do óxido de alumínio e óxido de silício. De um modo geral, uma quantidade de óxido de cromo no pó de vidro não é superior a cerca de 20% em mol. Ainda, o pó de vidro pode conter menos, com por exemplo, não mais de cerca de 15% em mol de Cr2O3- Tipicamente, as composições de pó de vidro contendo o reagente do óxido de metal de transição Cr2O3 usam uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Com particular referência ao reagente do óxido de metal de transição ν2Οδ, em geral, este reagente está presente além de outros óxidos, particularmente além do óxido de silício e, particularmente, além do óxido de alumínio e óxido e silício. De um modo geral, o pó de vidro inclui não mais de cerca de 20% em mol de V2O5. De acordo com outra modalidade, o pó de vidro inclui não mais de 15% em mol de V2Os. Tipicamente o reagente do óxido de metal de transição V2O5 é usado em uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Com particular referência à presença de ZrO2, este reagente pode estar presente além de outros óxidos, particularmente além do óxido de silício e, particularmente, além de óxido de alumínio e óxido de silício. Como um reagente do óxido de metal de transição no pó de vidro, de um modo geral, o pó de vidro contém não mais de cerca de 20% em mol de ZrO2. De acordo com outra modalidade, o pó de vidro inclui não mais de 15% em mol de ZrO2. Tipicamente, o reagente do óxido de metal de transição está presente em uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Com particular referência ao reagente do óxido de metal de transição Nb2O5, este reagente pode estar presente além de outros óxidos, particularmente além do óxido de silício e, particularmente, além do óxido de alumínio e óxido de silício. De um modo geral, o pó de vidro contém uma quantidade de Nb20s não superior a cerca de 20% em mol. De acordo com outra modalidade, o pó de vidro inclui não mais de 15% em mol de Nb20s. Tipicamente, as composições de pó de vidro contendo o reagente de óxido de metal de transição Nb2O5 usam uma quantidade compreendida entre uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, mais particularmente em uma faixa entre cerca de 2,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Depois de proporcionar o pó de vidro na etapa 101, o processo continua na etapa 103 combinando o pó de vidro com os grãos abrasivos compreendendo nitreto de boro cúbico para formar uma mistura. Com referência à composição da mistura, em geral a mistura inclui não menos de cerca de 25% em volume de grãos abrasivos. De acordo com uma modalidade particular, a mistura inclui não menos de cerca de 40% em volume de grãos abrasivos, como por exemplo não menos de cerca de 45% em volume, ou mesmo não menos de cerca de 50% em volume de grãos abrasivos. Ainda, a quantidade de grãos abrasivos é limitada de tal modo que a mistura de um modo geral inclui não mais de cerca de 60% em volume de grãos abrasivos. Em particular, os grãos abrasivos na mistura estão presentes, em geral, em uma quantidade compreendida em uma faixa entre cerca de 30% em volume e cerca de 60% em volume.
Com referência aos grãos abrasivos, os grãos abrasivos incluem materiais duros, abrasivos e, particularmente, incluem materiais superabrasivos como por exemplo nitreto de boro cúbico. Ainda, de acordo com uma modalidade em particular, os grãos abrasivos incluem nitreto de boro cúbico e, mais particularmente, os grãos abrasivos consistem essencialmente em nitreto de boro cúbico. Em certas modalidades, uma certa porcentagem dos grãos abrasivos que, em geral, é normalmente nitreto de boro cúbico, pode ser substituída por grãos abrasivos, como por exemplo óxido de alumínio, carboneto de silício, carboneto de boro, carboneto de tungstênio e silicato de zircônio. Deste modo, a quantidade de grãos abrasivos substituídos é, em geral, não superior a cerca de 40% em volume do grãos abrasivos totais, como por exemplo não superior a cerca de 25% em volume ou mesmo não superior a cerca de 10% em volume.
De um modo geral, os grãos abrasivos têm um tamanho de grão médio não superior a cerca de 500 microns. Particularmente, o tamanho de grão médio dos grãos abrasivos não é superior a cerca de 200 microns ou mesmo não é superior a cerca de 100 microns. De um modo geral, o tamanho de grão médio está compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0 microns e cerca de 250 microns e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 35 microns e cerca de 180 microns.
Com referência à quantidade de pó de vidro combinado com os grãos abrasivos na mistura, a mistura pode incluir não menos de cerca de 10% em volume de pó de vidro, como por exemplo, não menos de cerca de 15% em volume de pó de vidro. Ainda, a quantidade de pó de vidro é limitada, de tal modo que a mistura inclui não mais de cerca de 60% em volume de pó de vidro, como por exemplo não mais de cerca de 50% em volume de pó de vidro, ou mesmo não mais de cerca de 400% em volume de pó de vidro. Em particular, a mistura em geral inclui uma quantidade de pó de vidro compreendida em uma faixa entre cerca de 10% em volume a cerca de 30% em volume.
O processo de mistura pode incluir um processo de mistura a seco ou um processo de mistura a úmido. Particularmente, o processo de mistura inclui um processo de mistura a úmido, de tal modo que pelo menos um líquido é adicionado para facilitar a mistura do pó de vidro e os grãos abrasivos. De acordo com uma modalidade particular, o líquido é água. Nestas modalidades, a água é adicionada em uma quantidade adequada para facilitar a mistura adequada e, deste modo, a mistura em geral contém pelo menos cerca de 6,0% em volume de águas, por exemplo, pelo menos cerca de 10% em volume. Ainda, a mistura em geral inclui não mais de cerca de 20% em volume de água, como por exemplo não mais de cerca de 15% de água.
A mistura pode incluir outros aditivos, como por exemplo, um aglutinante. De um modo geral, o aglutinante é um material orgânico. Materiais aglutinantes adequados podem incluir materiais que contêm glicol (por exemplo, polietilenoglicol), dextrina, resina, cola ou álcool (por exemplo, álcool polivinílico), ou combinações destes. De um modo geral, a mistura inclui não mais de cerca de 15% em volume de um aglutinante, como por exemplo, não mais de cerca de 10% em volume. De acordo com uma modalidade particular, o aglutinante é proporcionado na mistura em uma faixa compreendida entre cerca de 2,0% em volume e cerca de 10% volume.
Com referência ainda a outros aditivos, a mistura pode incluir formadores de poro ou um material de indução de poro para facilitar a formação de uma estrutura abrasiva ligada final porosa. Em concordância, os formadores de poro, em geral, incluem materiais inorgânicos ou orgânicos. Tipicamente, os materiais orgânicos adequados podem incluir butirato de polivinila, cloreto de polivinila, cera (por exemplo, cera de polietileno), sementes de plantas, cascas de plantas, diamil sulfosuccinato de sódio, metil etil cetona, naftaleno, poliestireno, polietileno, polipropileno, polímeros acrílicos, p-diclorobenzeno e combinações destes. Estes formadores de poro são tipicamente proporcionados em forma de partículas de tal modo que mediante aquecimento o material em partículas é desenvolvido e um poro é deixado para trás. Em concordância, o formador de poro tem um tamanho de partículas médio não superior a cerca de 0,5 mm, ou mesmo não superior a cerca de 0,05 mm. Além disso, os materiais inorgânicos adequados podem incluir esférulas de material inorgânico, particularmente esferas ocas de materiais como por exemplo vidros, cerâmica ou vidro cerâmico ou combinações destes.
Tipicamente, a quantidade de formador de poro proporcionada na mistura não é superior a cerca de 35% em volume. Em outra modalidade, a mistura inclui não mais de cerca de 30% em volume do formador de poro, como por exemplo, não mais de cerca de 20% em volume, ou mesmo não mais de cerca de 15% em volume do formador de poro. De acordo com uma modalidade particular, a mistura inclui uma quantidade de formador de poro compreendida em uma faixa entre cerca de 1,0% em volume e cerca de 35% em volume e, mais particularmente, compreendida em uma faixa entre cerca de 5,0% em volume e cerca de 25% em volume.
Além disso, será entendido que a mistura pode incluir porosidade natural ou a existência de bolhas ou poros no interior da massa da mistura de grãos abrasivos, pó de vidro e outros aditivos. Em concordância, esta porosidade natural pode ser mantida no artigo abrasivo ligado final dependendo das técnicas de formação. Deste modo, em modalidades particulares, os formadores de poro podem não ser usados e a porosidade natural na mistura pode ser usada e mantida por todo o processo de formação e sinterização para formar um artigo abrasivo ligado final com a quantidade de porosidade desejada. De um modo geral, a porosidade natural na mistura não é superior a cerca de 40% em volume. Embora, em modalidades particulares a porosidade natural na mistura seja menor, como por exemplo, não superior a cerca de 25% em volume ou não superior a cerca de 15% em volume. De um modo geral, a quantidade de porosidade natural na mistura é compreendida em uma faixa entre cerca de 5,0% em volume e cerca de 25% em volume.
Embora a etapa de mistura possa incluir misturar o pó de vidro, os grãos abrasivos e os outros componentes descritos acima, de acordo com uma modalidade particular, o aglutinante e os grãos abrasivos podem ser primeiro misturados na água. A água com os componentes adicionais (isto é, os grãos abrasivos e o aglutinante) podem, então, ser combinados com o pó de vidro e, se presente, o formador de poro.
Com referência uma vez mais à figura 1, depois de misturar o pó de vidro com os grãos abrasivos na etapa 103, o método continua na etapa 105, formando a mistura para formar um artigo inacabado. A formação da mistura em um artigo inacabado inclui processos de formação que dão ao artigo inacabado o contorno final desejado ou substancialmente o contorno final desejado. Conforme usado neste contexto, o termo artigo inacabado se refere a uma peça que não está totalmente sinterizada. Em concordância, os processos de formação podem incluir processos como por exemplo, fundição, moldagem, extrusão e prensagem, ou combinações destes. De acordo com uma modalidade, o processo de formação é um processo de moldagem.
Depois da formação do artigo inacabado na etapa 105, o processo continua na etapa 107 e inclui a pré-queima do artigo inacabado. De um modo geral, a etapa de pré-queima inclui aquecer o artigo inacabado para facilitar o desenvolvimento de voláteis (por exemplo, água e/ou materiais orgânicos ou formadores de poro). Deste modo, o aquecimento da mistura, em geral, inclui aquecer até uma temperatura superior à de cerca da temperatura ambiente (22°C). De acordo com uma modalidade, o processo de préqueima inclui aquecer o artigo inacabado até uma temperatura não inferior a cerca de 100°C, por exemplo, não inferior a cerca de 200°C, ou mesmo não inferior a cerca de 300°C. De acordo com uma modalidade particular, o aquecimento está completo entre uma temperatura de cerca de 22°C e cerca de 850°C.
Depois da pré-queima do artigo inacabado na etapa 107, o processo continua na etapa 109, pela sinterização do artigo inacabado a uma temperatura de transformação para formar um artigo abrasivo ligado incluindo grãos abrasivos em uma matriz de ligação e um produto de reação do composto de nitreto de metal de transição na interface dos grãos abrasivos e a matriz de ligação. De um modo geral, a temperatura de transformação é um temperatura que é suficiente para mudar uma porção substancial do reagente do óxido de metal de transição presente no pó de vidro para um composto de nitreto de metal de transição. Em concordância, a temperatura de transformação é, em geral, não inferior a cerca de 800°C. Outras modalidades usam uma temperatura de transformação mais alta, como por exemplo, não inferior a cerca de 1000°C, ou não inferior a cerca de 1200°C, ou mesmo não inferior a cerca de 1300°C. A temperatura de transformação é, em geral, compreendida em uma faixa entre cerca de 1000°C e cerca de 1800°C e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 1100°C e cerca de 1500°C.
De um modo geral, a sinterização é realizada em uma atmosfera controlada. De acordo com uma modalidade, esta temperatura controlada pode incluir uma atmosfera não oxidante. Exemplos de uma atmosfera não oxidante podem incluir uma atmosfera inerte, como por exemplo uma que usa um gás nobre. De acordo com uma modalidade, a atmosfera consiste em nitrogênio, como por exemplo, não menos de cerca de 90% em volume de nitrogênio. Outras modalidades usam uma concentração maior de nitrogênio, como por exemplo, não menos de cerca de 95% em volume, ou mesmo não menos de 99,99% em volume, de tal modo que a atmosfera consiste essencialmente em nitrogênio. De acordo com uma modalidade, o processo de sinterização em uma atmosfera de nitrogênio começa com uma evacuação inicial da atmosfera ambiente até uma pressão reduzida não superior a cerca de 5 kPa (0,05 bar). Em uma modalidade particular, este processo é repetido de modo que a câmara de sinterização é evacuada inúmeras vezes. Depois da evacuação, a câmara de sinterização pode ser purgada com nitrogênio gasoso livre de oxigênio.
Com referência ainda ao processo de sinterização, este processo é realizado por uma duração particular. De um modo geral, a sinterização é realizada por uma duração não inferior a cerca de 10 minutos. De acordo com outra modalidade, a sinterização é realizada por uma duração, por exemplo, não inferior a cerca de 60 minutos, ou mesmo não inferior a cerca de 240 minutos à temperatura de sinterização. Tipicamente, a sinterização é realizada por uma duração entre cerca de 20 minutos e cerca de 4 horas e, particularmente, entre cerca de 30 minutos e cerca de 2 horas.
Além disso, durante a sinterização à temperatura de transformação, a matriz de ligação, em geral, tem um alto teor de uma fase amorfa, como por exemplo, não inferior a cerca de 50% em volume de fase amorfa. Mais tipicamente, a matriz de ligação tem um teor mais alto de fase amorfa, como por exemplo não inferior a cerca de 60% em volume ou não inferior a cerca de 70% em volume, ou mesmo não inferior a cerca de 80% em volume. O alto teor de fase amorfa facilita a transformação do reagente do óxido de metal de transição em um composto de nitreto de metal de transição na interface dos grãos abrasivos e a matriz de ligação.
Depois da etapa de sinterização 109, o abrasivo ligado pode ser submetido a um processamento opcional adicional na etapa 111, que inclui uma operação de resfriamento para formar uma matriz de ligação tendo uma fase de cerâmica policristalina. Por exemplo, o abrasivo ligado pode ser submetido a um resfriamento controlado e cristalização controlada opcional para facilitar a cristalização do material da matriz de ligação. Nestas operações, em geral, a taxa de resfriamento da temperatura de sinterização não é superior a cerca de 50°C/minuto. Outras modalidades podem usar um gradiente menor, como por exemplo, não superior a cerca de 40°C/minuto, ou mesmo não superior a cerca de 30°C/minuto. De acordo com uma modalidade particular, o resfriamento é realizado a uma taxa não superior a cerca de 20°C/minuto.
Além disso, o resfriamento controlado e o processo de cristalização podem incluir um processo de espera onde o artigo abrasivo ligado é mantido a uma temperatura de cristalização acima da temperatura de transição vítrea (Tg) do material de matriz de ligação. Tipicamente, o artigo abrasivo ligado pode ser resfriado até uma temperatura não inferior a cerca de 100°C acima da Tg, como por exemplo, não inferior a cerca de 200°C acima da Tg, ou mesmo não inferior a cerca de 300°C acima da Tg. De um modo geral, a temperatura de cristalização não é inferior a cerca de 800°C, como por exemplo, não inferior a cerca de 900°C, ou mesmo não inferior a cerca de 1000°C. Particularmente, a temperatura de cristalização está compreendida em uma faixa entre cerca de 900°C a cerca de 1300°C e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 950°C a cerca de 1200°C.
O artigo abrasivo ligado é, em geral, mantido à temperatura de cristalização por uma duração não inferior a cerca de 10 minutos. Em uma modalidade, o artigo abrasivo ligado é mantido à temperatura de cristalização durante não menos de cerca de 20 minutos, como por exemplo, não menos de cerca de 60 minutos ou menos não menos de cerca de 2 horas. Durações típicas para manter o abrasivo ligado à temperatura de cristalização estão compreendidas em uma faixa entre cerca de 30 minutos a cerca de 4 horas e, particularmente em uma faixa entre cerca de 1 hora e cerca de horas. Será entendido que a atmosfera durante este processo opcional de resfriamento e cristalização é a mesma que a atmosfera durante o processo de sinterização e em concordância inclui uma atmosfera controlada, particularmente uma atmosfera rica em nitrogênio, livre de oxigênio.
Nestas modalidades que usam uma operação de resfriamento, a matriz de ligação pode ter uma fase de cerâmica cristalina significativa, de tal modo que não menos de 50% em volume da matriz de ligação seja cristalina. De acordo com uma modalidade particular, não menos de cerca de 60% em volume, ou não menos de cerca de 75% em volume, ou mesmo não menos de cerca de 90% em volume da matriz de ligação pode ser cristalina.
De um modo geral, a fase de cerâmica policristalina inclui uma pluralidade de cristalitos ou grãos cristalinos que têm um tamanho médio não inferior a cerca de 0,05 microns. Em uma modalidade particular, o tamanho de cristalito médio não é inferior a cerca de 1,0 microns, como por exemplo, não inferior a cerca de 10 microns ou mesmo não inferior a cerca de 20 microns. Ainda, o tamanho de cristalito médio é em geral não superior a cerca de 100 microns, de tal modo que o tamanho de cristalito médio é compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0 microns e 100 microns.
De um modo geral, a composição dos cristalitos da fase de cerâmica policristalina pode incluir óxido de silício, óxido de alumínio ou uma combinação de ambos. Deste modo, os cristalitos da fase de cerâmica policristalina podem incluir cristais como por exemplo, quartzo beta, que podem incorporar outros óxidos de metal incorporados no pó de vidro inicial, em uma solução sólida. Em particular, a fase de cerâmica policristalina pode incluir uma fase de silicato de alumínio. De acordo com outra modalidade particular, os cristalitos da fase de cerâmica policristalina podem incluir compostos de cristais de óxido, como por exemplo, cordierita, enstatita, safirina, anortita, celsiana, diopsida, espinélio e espodumênio beta, onde o espodumênio beta em particular é encontrado em uma solução sólida.
Ainda, uma porção da matriz de ligação também pode incluir uma fase amorfa. A fase amorfa, como a fase de cerâmica policristalina, pode incluir óxido de silício e óxido de alumínio e espécies adicionais de óxido de metal que podem estar presentes no pó de vidro original. Tipicamente, a fase amorfa está presente em uma quantidade não superior a cerca de 50% em volume do volume total da matriz de ligação. Deste modo, uma fase amorfa está presente, em geral, em uma quantidade minoritária, de tal modo que está presente em uma quantidade não superior a cerca de 40% em volume, como por exemplo, não superior a cerca de 30% em volume, ou menos, como por exemplo não superior a cerca de 15% em volume. De acordo com uma modalidade particular, uma fase amorfa está presente em uma quantidade compreendida entre cerca de 0% em volume a cerca de 40% em volume e, mais particularmente, em uma faixa entre cerca de 5,0% em volume e cerca de 20% em volume.
No artigo abrasivo ligado formado final, os grãos abrasivos em geral compreendem não menos de cerca de 25% em volume do volume total do artigo abrasivo ligado. De acordo com as modalidades, em geral, os grãos abrasivos compreendem não menos de cerca de 35% em volume, como por exemplo, não menos de cerca de 45% em volume, ou mesmo não menos de cerca de 50% em volume do volume total do artigo abrasivo ligado formado final. De acordo com uma modalidade particular, os grãos abrasivos compreendem entre cerca de 35% em volume e cerca de 60% em volume do volume total do artigo abrasivo formado final.
De um modo geral, o artigo abrasivo ligado inclui um grau de porosidade que não é inferior a cerca de 5,0% em volume do volume total do artigo abrasivo ligado. Tipicamente, a quantidade de porosidade é maior, de tal modo que a porosidade não é inferior a cerca de 10% em volume, como por exemplo, não inferior a cerca de 15% em volume, cerca de 20% em volume, ou mesmo não inferior a cerca de 30% em volume do volume total do abrasivo ligado. Ainda, a quantidade de porosidade é limitada, de tal modo que a porosidade não é superior a cerca de 70% em volume, como por exemplo, de cerca de 60% em volume, ou mesmo não superior a cerca de 50% em volume. De acordo com uma modalidade particular, a porosidade do artigo abrasivo ligado é compreendida em uma faixa entre cerca de 20% em volume e cerca de 50% em volume. Esta porosidade, em geral, é uma combinação de porosidade aberta e fechada.
Com referência ainda à porosidade do artigo abrasivo ligado, o tamanho de poro médio, em geral, não é superior a cerca de 500 microns. Em uma modalidade, o tamanho de poro médio não é superior a cerca de 250 microns, como por exemplo, não superior a cerca de 100 microns, ou mesmo não superior a cerca de 75 microns. De acordo com uma modalidade particular, o tamanho de poro médio é compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0 microns e cerca de 500 microns e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 10 microns e cerca de 250 microns.
De um modo geral, a matriz de ligação está presente em uma quantidade não superior a cerca de 60% em volume do volume total do artigo abrasivo ligado formado final. Deste modo, o abrasivo ligado, em geral, inclui não mais de cerca de 50% em volume da matriz de ligação, como por exemplo, não mais de cerca de 40% em volume, ou mesmo não mais de cerca de 30% em volume. Em concordância, a matriz de ligação está presente, em geral, em uma quantidade compreendida entre cerca de 10% em volume e cerca de 30% em volume do volume total do artigo abrasivo ligado formado.
Será entendido que a matriz de ligação inclui aqueles compostos que estavam presentes inicialmente no pó de vidro inicial, com exceção dos reagentes do óxido de metal de transição. Isto é, a matriz de ligação compreende substancialmente a mesma composição do pó de vidro, particularmente, isto inclui os compostos de óxido de metal descritos acima e, particularmente, compostos de óxido de metal complexos e, mais particularmente, composições à base de silicato, como por exemplo, uma composição de silicato de alumínio, MAS, LAS, BAS, CMAS ou CBAS.
Conforme descrito acima, a matriz de ligação tem substancialmente os mesmos compostos de óxido de metal que o vidro inicial com exceção do reagente do óxido de metal de transição, o qual, durante a sinterização, é transformado in situ em um composto de nitreto de metal. Conforme usado neste contexto, os compostos de nitreto de metal de transição incluem aqueles compostos que foram adicionados ao pó de vidro inicial como reagente do oxido de metal de transição e existem no abrasivo ligado formado final como um nitreto de metal de transição. Em concordância, os compostos de nitreto de metal de transição incluem TiN, CrN, VN, ZrN e NbN ou suas combinações ou compostos de nitreto complexos.
Em particular, a quantidade total dos compostos de nitreto de metal de transição no abrasivo ligado é, em geral não superior a cerca de 20% em mol. De acordo com outra modalidade, a quantidade total de um ou mais compostos de nitreto de metal de transição não é superior a cerca de 15% em mol, como por exemplo, não superior a cerca de 10% em mol. A quantidade total do composto de nitreto de metal de transição no abrasivo ligado, tipicamente, é compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 20% em mol ou, particularmente, em uma faixa entre cerca de 4,0% em mol e cerca de 15% em mol.
Com referência a um composto particular de nitreto de metal de transição, o abrasivo ligado, em geral, inclui não mais de cerca de 15% em mol de TiN. De acordo com outra modalidade, o abrasivo ligado inclui não mais de cerca de 10% em mol de TiN, como por exemplo, não mais de cerca de 8,0% em mol ou mesmo não mais de cerca de 6,0% em mol de TiN. O teor de TiN no abrasivo ligado formado final é compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 4,0% em mol e cerca de 10% em mol.
O abrasivo ligado formado final pode incluir outros nitretos de metal de transição, como por exemplo, CrN. De um modo geral, o abrasivo ligado, em geral, inclui não mais de cerca de 15% em mol de CrN. De acordo com outra modalidade, o abrasivo ligado inclui não mais de cerca de 10% em mol de CrN, como por exemplo, não mais de cerca de 8,0% em mol ou mesmo não mais de cerca de 6,0% em mol de CrN. O teor de CrN no abrasivo ligado formado final é, em geral, compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 4,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Outros nitretos de metal de transição, como por exemplo, VN podem estar presentes no artigo abrasivo ligado e, em geral, o abrasivo liga do inclui não mais de cerca de 15% em mol de VN. De acordo com outra modalidade, o abrasivo ligado inclui não mais de cerca de 10% em mol de VN, como por exemplo, não mais de cerca de 8,0% em mol ou mesmo não mais de cerca de 6,0% em mol de VN. O teor de VN no abrasivo ligado formado final é, em geral, compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 4,0% em mol e cerca de 10% em mol.
O artigo abrasivo ligado formado final pode incluir outros nitretos de metal de transição, como por exemplo, ZrN. De um modo geral, o abrasivo ligado, em geral, inclui não mais de cerca de 15% em mol de ZrN. De acordo com outra modalidade, o abrasivo ligado inclui não mais de cerca de 10% em mol de ZrN, como por exemplo, não mais de cerca de 8,0% em mol ou mesmo não mais de cerca de 6,0% em mol de ZrN. O teor de ZrN no abrasivo ligado formado final é em geral compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 4,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Outros nitretos de metal de transição, como por exemplo, NbN, podem estar presentes no artigo abrasivo ligado e, em geral, o abrasivo ligado inclui não mais de cerca de 15% em mol de NbN. De um modo geral, o abrasivo ligado, em geral, inclui não mais de cerca de 15% em mol de NbN. De acordo com outra modalidade, o abrasivo ligado inclui não mais de cerca de 10% em mol de NbN, como por exemplo, não mais de cerca de 8,0% em mol ou mesmo não mais de cerca de 6,0% em mol de NbN. O teor de NbN no abrasivo ligado formado final é, em geral, compreendido em uma faixa entre cerca de 1,0% em mol e cerca de 15% em mol e, particularmente, em uma faixa entre cerca de 4,0% em mol e cerca de 10% em mol.
Com referência ainda à presença do composto de nitreto de metal de transição no abrasivo ligado, em geral, o composto de nitreto está na interface entre os grãos abrasivos e a matriz de ligação, de modo que esteja em contato direto com os grãos abrasivos. De acordo com uma modalidade, não mais de cerca de 50% em volume do teor total do composto de nitreto de metal de transição presente no abrasivo ligado estão em contato direto com os grãos abrasivos. Ainda, a quantidade de composto de nitreto de metal de transição em contato direto com os grãos abrasivos pode ser maior, como por exemplo, não menos de cerca de 60% em volume ou não menos de cerca de 75% em volume, ou mesmo não menos de cerca de 95% em voluma do volume total do composto de nitreto de metal de transição no abrasivo ligado.
Uma vez que o composto de nitreto de metal de transição pode ser formado em contato direto com os grãos abrasivos e na interface dos mesmos e a matriz de ligação, em geral, o composto de nitreto de metal de transição cobre não menos de cerca de 30% da área de superfície total disponível dos grãos abrasivos. De acordo com outras modalidades o composto de nitreto de metal de transição cobre uma quantidade maior dos grãos abrasivos, como por exemplo não menos de cerca de 40% ou não menos de cerca de 50%, ou mesmo não menos de cerca de 75% da área de superfície disponível total dos grãos abrasivos.
De um modo geral, a matriz de ligação é uma fase altamente uniforme de tal modo que tem uma fase amorfa, fases cristalinas ou uma combinação de ambas conforme descrito acima, mas particularmente a matriz de ligação tem porosidade e bolhas limitadas. Tipicamente, a matriz de ligação tem não mais de cerca de 10% em volume de bolhas em comparação com o volume total da matriz de ligação. De acordo com uma modalidade particular, não mais de cerca de 5,0% em volume da matriz de ligação são compreendidos por bolhas, como por exemplo, não mais de cerca de 2,0% em volume ou mesmo não mais de cerca de 1,0% em volume.
O coeficiente de expansão térmica do material da matriz de ligação é tipicamente baixo, como por exemplo, não superior a cerca de 80x10'7/K'1. De acordo com uma modalidade particular, a matriz de ligação tem um coeficiente de expansão térmica não superior a cerca de 60x10'7/K'1, como por exemplo, não superior a cerca de 50x10’7/K’1 ou mesmo não superior a cerca de 40x10’7/K'1. Deste modo, o coeficiente de expansão térmica da matriz de ligação é tipicamente compreendido em uma faixa entre cerca de 10x10’7/K'1 e cerca de 80x10’7/K'1.
De um modo geral, a matriz de ligação pós-sinterização tem uma resistência à flexão não inferior a cerca de 80 MPa. Em outras modalidades, a resistência à flexão da matriz de ligação é maior, como por exemplo não inferior a cerca de 90 MPa, não inferior a cerca de 100 MPa ou, em alguns casos, não inferior a cerca de 110 MPa. De acordo com uma modalidade particular, a resistência à flexão da matriz de ligação está compreendida em uma faixa entre cerca de 90 MPa e cerca de 150 MPa.
Além destas características, a matriz de ligação pós-sinterização, em geral, tem uma tenacidade não inferior a cerca de 0,8 MPa m1/2. Em outras modalidades, a tenacidade da matriz de ligação pode ser superior, como por exemplo não inferior a cerca de 1,5 MPa m1/2, ou menos não inferior a cerca de 2,0 MPa m1/2.
Com referência às propriedades do artigo abrasivo ligado, em geral o artigo abrasivo ligado formado tem um módulo de ruptura (MOR) não inferior a cerca de 20 MPa. No entanto, o MOR pode ser maior, como por exemplo, não inferior a cerca de 40 MPa ou não inferior a cerca de 50 MPa, ou mesmo não inferior a cerca de 60 MPa. Em uma modalidade particular, o MOR do artigo abrasivo ligado não é inferior a cerca de 70 MPa e está tipicamente compreendido em uma faixa entre cerca de 50 MPa e cerca de 150 MPa.
Com referência ainda às propriedades dos artigos abrasivos ligados, de acordo com uma modalidade, os artigos abrasivos têm um módulo de elasticidade (MOE) não inferior a cerca de 40 GPa. Em outra modalidade, o MOE não é inferior a cerca de 80 GPa, como por exemplo, não inferior a cerca de 100 GPa, e mesmo não inferior a cerca de 140 GPa. De um modo geral, o MOE do artigo abrasivo ligado está compreendido em uma faixa entre cerca de 40 GPa e cerca de 200 GPa e particularmente em uma faixa entre cerca de 60 GPa e cerca de 140 GPa.
EXEMPLOS
Com referência à figura 2, a primeira imagem, figura 2a, ilustra uma porção de um artigo abrasivo ligado de acordo com as modalidades aqui apresentadas. Conforme ilustrado na figura 2a, a porção do abrasivo ligado inclui grãos abrasivos 205 no interior de uma matriz de ligação 207. Esta amostra inclui uma matriz de ligação de fase de cerâmica policristalina tendo uma composição de silicato de alumínio e magnésio. A amostra ilustrada na figura 2a foi queimada a 1320°C durante 60 minutos em uma atmosfera de nitrogênio e foi resfriada a uma taxa compreendida entre 3,0°C/minuto e 8,0°C/minuto. A segunda imagem, figura 2b, ilustra uma porção de um artigo abrasivo ligado feito de acordo com outros processos, particularmente grãos abrasivos 209 no interior de uma matriz 211. Esta amostra é um artigo abrasivo ligado tendo uma matriz de ligação parcialmente cristalizada compreendendo um silicato de alumínio e lítio. O abrasivo ligado da figura 2b foi queimado a 1000°C, durante 4 horas em nitrogênio. Cada uma das amostras incluía 50% em volume de grãos abrasivos de nitreto de boro cúbico e 16% em volume do pó de vidro. De um modo geral, cada uma das misturas também incluía aditivos em quantidades de 15% em volume de água e 5,0% em volume de polietilenoglicol para uso como aglutinante. A mistura também incluía cerca de 14% em volume de porosidade natural. Cada uma das amostras tinha aproximadamente 34% em volume de porosidade, 16% em volume de matriz de ligação e 50% em volume de grãos abrasivos.
Em comparação, a matriz de ligação 211 do abrasivo ligado na figura 2b ilustra um elevado grau de porosidade e formação de bolhas, particularmente entre os grãos de abrasivo 209. Além disso, a matriz de ligação 211 não é uniforme em cor, ilustrando a presença de diferentes fases, particularmente uma fase amorfa e uma fase cristalina. Será entendido que a porosidade e a formação de bolhas entre os grãos abrasivos 209 da matriz de ligação 211, define locais de concentração de tensão no interior da matriz de ligação 211 criando, deste modo, uma matriz de ligação mais susceptível a fratura e quebra. Por comparação, a matriz de ligação 207 da figura 2a inclui um material uniforme tendo um elevado grau de cristalinidade, um baixo grau de porosidade e substancialmente nenhuma formação de bolhas entre os grãos abrasivos, bem como umedecimento eficaz dos grãos abrasivos 205.
O seguinte proporciona exemplos particulares de artigos abrasivos ligados formados de acordo com modalidades aqui proporcionadas em comparação com um artigo abrasivo ligado feito de acordo com outros processos. A Tabela 2 adiante ilustra composições de pó de vidro (% em peso), ou composições de matriz ligada de três amostras (Amostras 1-3) formadas de acordo com as modalidades aqui descritas e uma composição de pó de vidro (Amostra Comparativa) formada de acordo com outros processos.
Tabela 2
S1O2 Fe2O3 AI2O3 CaO MgO Na2O K2O B2O3 TiO2 Zr2O ZnO
Amostra 1 48,5 0,20 28,9 0,09 12,10 0,07 0,02 2,48 7,75 0,14
Amostra 2 44,70 0,02 27,9 0,05 14,30 0,10 4,85 7,90
Amostra 3 55,70 0,02 17,50 0,30 19,60 0,17 0,09 2,90 3,73
Amostra Comparativa 50,80 0,10 18,9 0,15 18,8 0,03 5,36 0,02 5,93
A formação das Amostras ilustradas na Tabela 2 foram formadas usando os mesmo processos proporcionados acima de acordo com a descrição para as Amostras na Tabela 1. Cada uma das composições de vidro foi moída até formar um pó tendo um tamanho de partícula médio de cerca de 12 microns e um elevado teor de fase amorfa, na ordem de pelo menos 80% em volume. O pó de vidro foi, então combinado com os grãos abrasivos de nitreto de boro cúbico tendo um tamanho de grão médio de cerca de 115 microns. A mistura incluía 50% em volume de grãos abrasivos de nitreto de boro cúbico e 16% do pó de vidro. De um modo geral, cada uma das misturas também incluía aditivos em quantidades de 15% em volume de água e 5,0% em volume de polietilenoglicol para uso com aglutinante. A mistura também incluía cerca de 14% em volume de porosidade natural.
As amostras foram então formadas em artigos inacabados por meio da moldagem da mistura usando um molde de compressão. Depois da formação, os artigos inacabados foram pré-queimados a uma temperatura de cerca de 850°C para desenvolver espécies orgânicas e de baixa volatilidade e auxiliar na formação do artigo abrasivo ligado final.
Depois do processo de pré-queima, os artigos inacabados foram sinterizados. As amostras 1-3 foram sinterizadas a elevadas temperaturas tipicamente entre 1320°C e 1380°C durante 60 minutos, em uma atmosfera rica em nitrogênio a cerca de 1,1 atm. As amostras 1-3 foram resfriadas a uma taxa compreendida entre 8,0°C/minuto e 13°C/minuto. A Amostra Comparativa foi sinterizada a uma temperatura de 1050°C durante cerca de 60 minutos em nitrogênio. Todas as amostras tinha aproximadamente 34% em volume de porosidade, 16% em volume de matriz de ligação e 50% em volume de grãos abrasivos.
Com referência à figura 3, é proporcionado um gráfico que ilustra o módulo de elasticidade para as Amostras 1-3 e a Amostra Comparativa. Conforme ilustrado pelo gráfico da figura 3, as Amostras 1-3 demonstram um módulo de elasticidade melhorado em excesso de 100 GPa e, tipicamente, pelo menos 120 GPa e, em alguns casos em excesso de 140 GPa. Por comparação, a Amostra Comparativa tem um módulo de elasticidade de aproximadamente 63 GPa.
Com referência à figura 4, é ilustrado um gráfico que proporciona o módulo de ruptura das Amostras 1-3 e a Amostra Comparativa. De um modo geral, os artigos abrasivos ligados das Amostras 1-3 demonstram um módulo de ruptura melhorado em relação ao da Amostra Comparativa. Particularmente, as Amostras 1-3 têm um módulo de ruptura (MOR) superior a cerca de 60 MPa, à etapa que a Amostra Comparativa tem um MOR de 23 MPa. Particularmente, as Amostras 1 e 2 têm um MOR em excesso de 70 e, particularmente, a Amostra 1 tem um MOR que é de cerca de 75, quase quatro vezes maior do que a Amostra Comparativa.
Com referência à figura 5, é proporcionado um gráfico que ilustra a dureza das amostras abrasivas ligadas. Particularmente, cada uma das Amostras 1-3 demonstram uma dureza superior à da Amostra Comparativa. As Amostras 1-3 ilustram uma dureza superior a 90 (Escala H de Dureza de Rockwell) e tipicamente de pelo menos cerca de 100. Em particular, as Amostras 2 e 3 têm uma dureza em excesso de 100 e a Amostra 3 tem uma dureza de quase 105. A Amostra Comparativa não tinha dureza suficiente para medição precisa mas espera-se que tenha uma dureza inferior a 70.
De acordo com as modalidades aqui apresentadas, são proporcionados artigos abrasivos ligados que têm propriedades melhoradas. En quanto certas referências descrevem a formação de partículas superabrasivas revestidas em uma matriz de ligação vítrea, estas descrições são limitadas por suas composições da matriz de ligação, processos de revestimento e processos de formação. Tipicamente, os abrasivos ligados convencionais tipicamente adicionam fluxos à composição da matriz de ligação para baixar a temperatura de sinterização necessária. Acredita-se que temperaturas de sinterização mais baixas sejam vantajosas no que diz respeito ao custo, eficácia e degradação reduzida dos componentes abrasivos ligados, isto é, os grãos abrasivos. Além disso, os superabrasivos revestidos convencionais são tipicamente ferramentas de corte que têm uma matriz de ligação de metal, não artigos abrasivos ligados para aplicações de esmerilhamento. Em contraste, as modalidades aqui apresentadas usam uma combinação de características diferentes incluindo composições de matriz de ligação, processos de sinterização, reações in situ e transformação de óxidos em nitretos e processos de cristalização. Além disso, os artigos abrasivos ligados formados finais aqui apresentados combinam uma variedade de características, particularmente alta porosidade, umedecimento superior entre a ligação e os grãos abrasivos, uma matriz de ligação de alta resistência tendo baixa porosidade e bolhas e produto de reação dos compostos de nitreto de metal de transição formados na interface entre os grãos abrasivos e a matriz de ligação.
Embora a invenção tenha sido ilustrada e descrita no contexto de modalidades específicas, a mesma não pretende ser limitada aos detalhes apresentados, uma vez que várias modificações e substituições podem ser feitas sem, de modo algum, afastamento do âmbito da presente invenção. Por exemplo, podem ser proporcionados substitutos adicionais ou equivalentes e podem ser utilizados passos de produções adicionais ou equivalentes. Deste modo, outras modificações e equivalentes da invenção aqui descrita podem ocorrer aos versados na técnica usando não mais do que experimentação de rotina e, acredita-se que todas estas modificações e equivalentes estejam no âmbito da invenção conforme definida pelas seguintes reivindicações.

Claims (8)

1. “Método de fabricação de um artigo abrasivo ligado”, caracterizado por proporcionar um pó de vidro compreendendo um composto de óxido de metal de transição;
combinar o pó de vidro com grãos abrasivos compreendendo nitreto de boro cúbico;
formar o pó de vidro e grãos abrasivos para formar um artigo inacabado; e sinterizar o artigo inacabado a uma temperatura de transformação para formar grãos abrasivos em uma matriz de ligação vítrea, a temperatura de transformação mudando o composto de óxido de metal de transição para um composto de nitreto de metal de transição na interface dos grãos abrasivos e a matriz de ligação vítrea.
2. “Método”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a temperatura de transformação não é inferior a 800 °C.
3. “Método”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pó de vidro compreender um composto de óxido de metal descrito pela equação geral aM2O-bMO-cM2O3-dMO2, em que a quantidade (fração molar) dos compostos de óxido de metal compreende 0<a<0,30, 0<b<0,60, 0<c<0,50 e 0,20<d<0,80.
4. “Método”, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o composto de óxido de metal M2O compreender um dos compostos de óxido de metal selecionados do grupo que consiste em U2O, Na2O, K2O e Cs2O.
5. “Método”, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o composto de óxido de metal MO compreender um dos compostos de óxido de metal selecionados do grupo que consiste em MgO, CaO, SrO, BaO e ZnO.
6. “Método”, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o composto de óxido de metal M2O3 compreender um dos compostos de óxido de metal selecionados do grupo que consiste em ALO3, B2O3, Y2O3, Fe2O3, Bí2O3 e La2O3.
Petição 870180073729, de 22/08/2018, pág. 18/20
2/2
7. “Método”, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o composto de óxido de metal dMÜ2 compreender um dos compostos de óxido de metal selecionados do grupo que consiste em SiÜ2, TiÜ2 e ZrÜ2.
8. “Método”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado
5 por o método compreender ainda a refrigeração mantendo a uma temperatura de cristalização não inferior a 100°C acima da temperatura de transição vítrea do material da matriz de ligação.
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