ES2205928T3

ES2205928T3 - Rueda superabrasiva con enlace activo.

Info

Publication number: ES2205928T3
Application number: ES99964149T
Authority: ES
Inventors: Richard M. Andrews; Sergej-Tomislav Buljan; Srinivasan Ramanath; Earl G. Geary
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1999-01-07
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2004-05-01
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: EP1144160B1; JP3949891B2; IL144152A0; DE69910075T2; CN1130273C; DK1144160T3; KR100415340B1; CN1332666A; ID29071A; DE69910075D1; JP2005118994A; CZ20012476A3; US20010002356A1; US6200208B1; HK1040502A1; WO2000040371A1; AU2045100A; US6485532B2; MY120836A; KR20010089786A

Abstract

Rueda abrasiva que comprende un disco abrasivo recto, reforzado con granos que tiene una anchura uniforme del orden de 20-2500 m aproximadamente, consistente esencialmente en aproximadamente 2, 5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de un enlace comprendiendo un componente de metal y un metal activo que forma un enlace químico con los granos abrasivos después de su sinterización, estando presentes el metal activo y los granos abrasivos en una cantidad efectiva para producir un disco abrasivo reforzado con granos que tiene un valor de módulo elástico por lo menos un 10% mayor que el valor de módulo elástico de un disco abrasivo de la misma composición pero exento de metal activo y en el que el valor del módulo elástico es por lo menos 100 GPa.

Description

Rueda superabrasiva con enlace activo.

Esta invención se refiere a ruedas abrasivas finas para la abrasión de materiales muy duros tales como los utilizados por la industria electrónica.

Las ruedas abrasivas que son a la vez muy finas y altamente rígidas son comercialmente importantes. Por ejemplo, se usa ruedas abrasivas finas para el corte de secciones finas y la realización de otras operaciones de abrasión en la elaboración de obleas de silicio y los llamados "discos" de composite de alúmina-carburo de titanio en la fabricación de productos electrónicos. Las obleas de silicio se utilizan generalmente para circuitos integrados y los "discos" de alúmina-carburo de titanio se utilizan para fabricar cabezas de película fina voladora para grabar y reproducir información magnéticamente almacenada. El uso de ruedas abrasivas finas para la abrasión de obleas de silicio y "discos" de alúmina-carburo de titanio está bien explicado en la patente US nº 5.313.742, de la que se incorpora aquí como referencia toda su descripción.

Como se ha indicado en la patente '742, la fabricación de obleas de silicio y discos de alúmina-carburo de titanio crea la necesidad de cortes dimensionalmente precisos con poco desperdicio del material de la pieza a trabajar. De forma ideal, las cuchillas cortadoras para efectuar tales cortes deberían ser lo más rígidas posible y lo más delgadas que sea posible en la práctica porque cuanto más fina sea la cuchilla, menos desperdicios se produce y cuanto más rígida sea la cuchilla, más recto será el corte. Sin embargo, estas características están en conflicto porque cuanto más fina es la cuchilla, menos rígida se vuelve.

La industria ha evolucionado al uso de ruedas abrasivas monolíticas, usualmente acopladas en tándem sobre un eje montado en el árbol. Las ruedas individuales del tándem están axialmente separadas una de otra por espaciadores incompresibles y duraderos. Tradicionalmente, las ruedas individuales tienen una dimensión axial uniforme desde el agujero del árbol de la rueda hasta su periferia. Aunque sean muy finas, la dimensión axial de estas ruedas es mayor que la deseada para proporcionar la solidez adecuada para una buena precisión de corte. Sin embargo, para mantener la generación de desperdicios dentro de límites aceptables, se reduce el espesor. Esto disminuye la rigidez de la rueda a menos de la ideal.

Se ha comprobado que las ruedas rectas convencionales generan más desperdicios de las piezas a trabajar que una rueda más fina y tienden a producir más virutas y cortes imprecisos que con una rueda más rígida. La patente '742 perseguía mejorar el rendimiento de las ruedas rectas en tándem aumentando el espesor de una porción interior extendida radialmente hacia fuera del agujero del árbol. Se describió que una rueda monolítica con una porción interior gruesa era más rígida que una rueda recta con espaciadores. Sin embargo, la patente '742 sufre la desventaja de que la porción interior no se usa para el corte, y por consiguiente se desperdicia el volumen de abrasivo contenido en la porción interior. Como las ruedas abrasivas finas, especialmente las que se destinan al corte de alúmina-carburo de titanio, emplean sustancias abrasivas costosas tales como diamante, el coste de una rueda de la patente '742 es alto en comparación con una rueda recta debido al volumen de abrasivo desperdiciado.

Es deseable disponer de una rueda abrasiva recta, monolítica y fina que presente rigidez mejorada en comparación con las ruedas convencionales. Aparte de la geometría de la rueda, la rigidez es determinada por la solidez intrínseca de los materiales de la construcción de la rueda. Las ruedas monolíticas se componen básicamente de granos abrasivos y un enlace que mantiene los granos abrasivos en la forma deseada. Hasta la presente se ha usado normalmente un enlace de metal para ruedas abrasivas finas destinadas al corte de materiales duros tales como obleas de silicio y "discos" de aluminio-carburo de titanio. Se conoce en la especialidad una variedad de composiciones de enlace de metal para mantener los granos de diamante, tales como cobre, cinc, plata, níquel, o aleaciones de hierro, por ejemplo. Se ha descubierto ahora que la adición de por lo menos un componente de metal activo a una composición de enlace de metal puede hacer que los granos de diamante reaccionen químicamente con el componente de metal activo durante la formación del enlace formando así un composite integrado, reforzado con granos. La solidez intrínseca muy elevada de los granos junto con el enlace químico de los granos al metal producen así una estructura abrasiva de solidez incrementada sustancialmente.

Por consiguiente, la presente invención proporciona una rueda abrasiva que comprende un disco abrasivo recto, monolítico, reforzado con granos que tiene una anchura uniforme del orden de 20-2500 \mum, consistente esencialmente en aproximadamente 2,5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de un enlace comprendiendo un componente de metal y un metal activo que forma un enlace químico con los granos abrasivos después de su sinterización, estando presente el metal activo en una cantidad efectiva para producir un módulo elástico del disco abrasivo reforzado con granos por lo menos un 10% mayor que el módulo elástico de un disco sinterizado de la misma composición pero exento de metal activo y en el que el valor del módulo elástico es por lo menos 100 GPa.

Se proporciona también un método de corte de una pieza a trabajar que comprende el paso consistente en poner en contacto la pieza a trabajar con una rueda abrasiva que comprende un disco abrasivo recto, monolítico, reforzado con granos que tiene una anchura uniforme del orden de 20-2500 \mum, consistente esencialmente en aproximadamente 2,5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de un enlace comprendiendo un componente de metal y un metal activo que forma un enlace químico con los granos abrasivos después de su sinterización, estando presente el metal activo en una cantidad efectiva para producir un módulo elástico del disco abrasivo reforzado con granos por lo menos un 10% mayor que el módulo elástico de un disco sinterizado de la misma composición pero exento de metal activo y en el que el valor del módulo elástico es por lo menos 100 GPa.

Por otro lado, esta invención proporciona un método de fabricación de una herramienta abrasiva que comprende los pasos de

(a): proveer proporciones preseleccionadas de ingredientes particulados que comprenden

(1): granos abrasivos

(2): un componente de metal consistente esencialmente en una fracción mayor de cobre y una fracción menor de estaño, y

(3): un metal activo que puede formar un enlace químico con los granos abrasivos mediante sinterización

(b): mezclar los ingredientes particulados para formar una composición uniforme

(c): poner la composición uniforme dentro de un molde de forma preseleccionada

(d): comprimir el molde a una presión del orden de 345-690 MPa aproximadamente durante un tiempo efectivo para formar un artículo moldeado

(e): calentar el artículo moldeado a una temperatura del orden de aproximadamente 500 a 900ºC durante un tiempo efectivo para sinterizar el componente de metal y el metal activo obteniendo un enlace sinterizado que integra así los granos abrasivos y el enlace sinterizado en un composite reforzado con granos; y

(f): enfriar el composite reforzado con granos para formar la herramienta abrasiva.

La presente invención puede aplicarse a las ruedas abrasivas monolíticas, rectas, circulares. El término "recto" significa que el espesor axial de la rueda es uniforme en todos los radios desde el radio del agujero del árbol hasta el radio exterior de la rueda. Una aplicación importante prevista para estas ruedas es el rebanado de secciones finas tales como obleas y "discos" de sustancias inorgánicas con precisión y pérdida reducida de la abertura de corte. A menudo se consigue resultados superiores operando la rueda a altas velocidades de corte, es decir, velocidad de la superficie abrasiva en contacto con la pieza a trabajar. Tales criterios de rendimiento y condiciones operativas son alcanzados usualmente usando ruedas de espesor uniforme, extremadamente pequeño y gran diámetro. Por consiguiente, las ruedas preferidas de esta invención se destacan predominantemente de manera característica por su alta proporción dimensional. La proporción dimensional es definida como la relación del diámetro exterior de la rueda dividido por la dimensión en sección transversal axial, es decir, el espesor de la rueda. La proporción dimensional debería ser de aproximadamente 20-6000, con preferencia, de 100-1200 aproximadamente, y más preferiblemente de 250-1200 a 1 aproximadamente.

La uniformidad del espesor de la rueda se mantiene a una tolerancia apretada para conseguir el rendimiento de corte deseado. Con preferencia, el espesor uniforme es del orden de 20-2500 \mum aproximadamente, más preferiblemente de 100-500 \mum aproximadamente, y todavía más preferiblemente de 100-200 \mum aproximadamente. Se prefiere una variabilidad de espesor de menos de 5 \mum aproximadamente. Típicamente, el diámetro del agujero del árbol es de aproximadamente 12-90 mm y el diámetro de la rueda es de aproximadamente 50-120 mm.

El término "monolítico" significa que el material de la rueda abrasiva es una composición uniforme en su totalidad desde el radio del agujero del árbol hasta el radio de la rueda. Es decir, básicamente todo el cuerpo de la rueda monolítica es un disco abrasivo que comprende granos abrasivos embebidos en un enlace sinterizado. El disco abrasivo no tiene una porción integral no abrasiva para soporte estructural de la porción abrasiva, tal como un núcleo de metal sobre el que se fija, por ejemplo, la porción abrasiva de la rueda de amolado.

Básicamente, el disco abrasivo de esta invención comprende tres ingredientes, a saber, granos abrasivos, un componente de metal y un componente de metal activo. El componente de metal y el metal activo forman juntos un enlace sinterizado para mantener los granos abrasivos en la forma deseada de la rueda. Se consigue el enlace sinterizado sometiendo los componentes a condiciones de sinterización apropiadas. El término "metal activo" significa un elemento o compuesto que es capaz de reaccionar con la superficie de los granos abrasivos durante la sinterización. Por consiguiente, el metal activo se liga químicamente a los granos abrasivos. Igualmente, el metal activo está presente en una cantidad efectiva para integrar los granos y el enlace sinterizado en un composite reforzado con granos. En consecuencia, escogiendo juiciosamente de manera apropiada la alta rigidez así como la alta dureza de los granos abrasivos, se mejora la solidez global de la matriz de enlace sinterizado-abrasivo al ligarse químicamente el componente de metal activo a los granos abrasivos durante la sinterización.

Una consideración primaria para seleccionar el grano abrasivo es que la sustancia abrasiva debería ser más dura que el material a cortar. Usualmente se seleccionará los granos abrasivos de las ruedas abrasivas finas entre las sustancias muy duras porque estas ruedas son usadas típicamente para la abrasión de materiales extremadamente duros tales como la alúmina-carburo de titanio. Como se ha mencionado, es importante que la sustancia abrasiva tuviese también una rigidez suficientemente alta para reforzar la estructura del enlace. Este criterio adicional para la selección de la sustancia abrasiva equivale normalmente a asegurar que el módulo elástico de la sustancia abrasiva sea más alto, y con preferencia notablemente más alto que el del enlace sinterizado. Son sustancias abrasivas duras representativa para usar en esta invención los llamados superabrasivos tales como el diamante y el nitruro de boro cúbico y otros abrasivos duros tales como el carburo de silicio, óxido de aluminio fundido, alúmina microcristalina, nitruro de silicio, carburo de boro y carburo de tungsteno. Se puede usar también mezclas de dos por lo menos de estos dos abrasivos. Se prefiere el diamante.

Los granos abrasivos se utilizan usualmente en forma de partículas finas. El tamaño de partícula de los granos para ruedas de hasta aproximadamente 120 mm de diámetro debería ser generalmente del orden de 0,5-100 \mum aproximadamente y con preferencia de aproximadamente 10-30 \mum. El tamaño de los granos para las ruedas de diámetro más grande puede ser proporcionalmente mayor.

El componente de metal de esta invención puede ser un elemento de metal sencillo o una mezcla de elementos múltiples. Son elementos representativos apropiados para usar en esta invención el cobre, estaño, cobalto, hierro, níquel, plata, cinc, antimonio y manganeso. Ejemplos de mezclas incluyen el cobre-estaño, cobre-estaño-hierro-níquel cobre-cinc-plata, cobre-níquel-cinc, cobre-níquel-antimonio. Puede usarse también compuestos de metales tales como cobalto-carburo de tungsteno y níquel-cobre-antimonio-carburo de tántalo y aleaciones que contienen no metales. El componente no metálico mejora típicamente la dureza del metal y rebaja la temperatura de fusión del metal, lo que ayuda a bajar la temperatura de sinterización y evita así el daño del diamante expuesto a altas temperaturas. Ejemplos de tales compuestos que contienen no metal y aleaciones incluyen níquel-cobre, manganeso-silicio-hierro, y níquel-boro-silicio. El componente de metal es proporcionado generalmente como un polvo de tamaño de partículas pequeño. Las partículas de polvo de un componente de metal de elementos múltiples pueden ser de elementos individuales, prealeaciones o una mezcla de ambas.

Debido al componente de metal activo, el enlace sinterizado se fija químicamente a los granos abrasivos en vez de abrazarlos simplemente. Por lo tanto, los granos de la nueva rueda abrasiva fina, activamente ligada, pueden presentarse a la pieza a trabajar con mayor exposición que lo harían los granos de muelas no ligadas activamente. Adicionalmente, puede usarse composiciones de enlace sinterizado más blando. Estos rasgos proporcionan la ventaja de que la rueda cortará libremente con menos tendencia a la carga, y por consiguiente, a funcionar con consumo de energía reducido. El cobre-estaño es una composición preferida para un componente de metal que produce un enlace relativamente blando.

Para un componente de metal de cobre-estaño, generalmente una fracción mayor (es decir, > 50% en peso) es cobre y una fracción menor (es decir,< 50% en peso) es estaño. Con preferencia, la composición de cobre-estaño consiste esencialmente en aproximadamente 50-90% en peso de cobre y aproximadamente 10-40% en peso de estaño; más preferiblemente, aproximadamente 70-90% en peso de cobre y aproximadamente 10-30% en peso de estaño; y todavía con más preferencia aproximadamente 70-75% en peso de cobre y 25-30% en peso de estaño. Como explicará más adelante la descripción de la preparación de las nuevas ruedas abrasivas finas, activamente ligadas, el componente metal es suministrado usualmente al proceso de fabricación de la muela en forma de partículas finas.

Se escoge el componente de metal activo para que sea compatible tanto con el componente de metal del enlace sinterizado como con los granos abrasivos. Es decir, bajo condiciones de sinterización, el metal activo debería densificarse con el componente de metal para formar un fuerte enlace sinterizado, y debería reaccionar con la superficie de los granos abrasivos para formar con ellos un enlace químico. La selección del componente de metal activo puede depender en gran medida de la composición del componente de metal, la composición de los granos abrasivos, y las condiciones de sinterización. Materiales representativos para el componente de metal activo son el titanio, circonio, hafnio, cromo, tántalo y mezclas de por lo menos dos de ellos. En una mezcla, los metales del componente activo pueden suministrarse en forma de partículas de metal individual o como aleaciones. Se prefiere el titanio, especialmente en relación con el componente de metal cobre-estaño y el abrasivo de diamante.

El componente activo puede agregarse bien sea en forma elemental o como un compuesto de metal y elementos de componente no activo. El titanio elemental reacciona con el agua y/u oxígeno a baja temperatura para formar dióxido de titanio, y de este modo no está disponible para reaccionar con el abrasivo durante la sinterización. Por consiguiente, se prefiere menos la adición de titanio elemental cuando está presente agua u oxígeno. Si se agrega titanio en forma de compuesto, el compuesto debería ser capaz de disociarse en forma elemental antes del paso de sinterización para permitir al titanio reaccionar con el abrasivo. Una forma de compuesto de titanio preferida para usar en esta invención es el hidruro de titanio, TiH_{2}, que es estable hasta aproximadamente 500ºC. Por encima de aproximadamente 500ºC, el hidruro de titanio se disocia en titanio e hidrógeno.

Tanto los constituyentes del componente metal como los componentes de metal activo se incorporan preferiblemente a la composición de enlace en forma particulada. Las partículas deberían tener un pequeño tamaño de partícula para ayudar a conseguir una concentración uniforme en todo el enlace sinterizado y un compuesto óptimo con los granos abrasivos durante la sinterización, y desarrollar una buena adhesión con los granos. Se prefiere partículas finas de una dimensión máxima de aproximadamente 44 \mum. Se puede determinar el tamaño de partícula de los polvos de metal filtrando las partículas a través de un tamiz de tamaño de malla especificado. Por ejemplo, partículas con un máximo nominal de 44 \mum pasarán a través de un tamiz de malla estándar estadounidense de 325.

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En una realización preferida, la rueda abrasiva fina, activamente ligada comprende un enlace sinterizado de aproximadamente 45-75% en peso de cobre, aproximadamente 20-35% en peso de estaño y aproximadamente 5-20% en peso de metal activo, sumando el total 100% en peso. En una realización particularmente preferida, el metal activo es el titanio. Como se ha mencionado, se otorga preferencia a incorporar el componente titanio en forma de hidruro de titanio. La pequeña diferencia entre el peso molecular del titanio elemental y el hidruro de titanio puede despreciarse usualmente. Sin embargo, en obsequio de la claridad se hace notar que las composiciones aquí indicadas se refieren al titanio presente, a menos que se indique específicamente otra cosa.

La nueva rueda abrasiva es producida básicamente por un proceso de densificación de lo tipos denominados prensado en frío o "prensado en caliente". En un proceso de prensado en frío, ocasionalmente llamado "sinterización sin presión", se introduce una mezcla de los componentes dentro de un molde de forma deseada y se aplica una alta presión a temperatura ambiente para obtener un artículo moldeado, compacto pero friable. Usualmente la alta presión es superior a 300 Mpa aproximadamente. A continuación se alivia la presión y se extrae del molde el artículo moldeado y luego se calienta a la temperatura de sinterización. El calentamiento para la sinterización se efectúa normalmente mientras que el artículo moldeado es presurizado en una atmósfera de gas inerte a una temperatura más baja que la presión del paso de presinterización, es decir, menos de aproximadamente 100 MPa, y con preferencia menos de aproximadamente 50 MPa. La sinterización puede tener lugar también bajo vacío. Durante esta sinterización a baja presión, el artículo moldeado, tal como un disco para una muela abrasiva fina, puede colocarse ventajosamente en un molde y/o ser emparedado entre placas planas.

En un proceso de prensado en caliente, la mezcla de componentes de la composición de enlace en partículas se pone en el molde, típicamente de grafito, y se comprime a una alta presión como en el proceso en frío. Sin embargo, se utiliza un gas inerte y se mantiene la alta presión mientras se eleva la temperatura para lograr así la densificación mientras la preforma permanece bajo presión.

Un paso inicial del proceso para fabricar la muela abrasiva consiste en compactar los componentes en un molde de conformado. Los componentes pueden añadirse como una mezcla uniforme de granos abrasivos separados, partículas constituyentes del componente metal y partículas constituyentes del componente de metal activo. Esta mezcla uniforme puede formarse usando cualquier aparato mezclador mecánico apropiado de los conocidos en la especialidad para realizar una mezcla de los granos y partículas en proporción preseleccionada. Equipo de mezclado ilustrativo puede incluir los volteadores de doble cono, volteadores en forma de V de envoltura gemela, mezcladores de cinta, volteadores de tambor horizontal y mezcladores de envoltura estacionario/husillo interno.

El cobre y el estaño pueden ser prealeados e introducidos como partículas de bronce. Otra opción incluye combinar y después mezclar hasta la uniformidad una composición particulada de material de bronce, partículas adicionales de cobre y/o estaño, partículas de metal activo y granos abrasivos.

En una realización básica de la invención, los granos abrasivos no están revestidos antes de sinterizar el enlace. Es decir, los granos abrasivos están libres de metal en su superficie. Otra realización exige el revestimiento previo de los granos abrasivos con una capa que comprende la totalidad o una parte del componente de metal activo antes de mezclar mecánicamente todos los componentes. Esta técnica puede mejorar la formación del enlace químico entre los granos abrasivos y el metal activo durante la sinterización.

La capa puede ser de espesor molecular, por ejemplo, como la que se puede obtener por deposición química de vapor o deposición física de vapor o de espesor macromolecular. Si se usa un espesor molecular, se recomienda suplir la cantidad de metal activo en el revestimiento previo con metal activo adicional en la mezcla de granos y componentes de la composición de enlace. Usualmente, un espesor molecular de revestimiento previo no posee por sí solo una cantidad suficiente del metal activo para alcanzar los resultados beneficiosos que se puede lograr por esta invención.

Se puede conseguir un revestimiento de espesor macromolecular (A) mezclando en composición uniforme un polvo fino del componente de metal activo y una cantidad efectiva de un ligante líquido fugitivo para formar una pasta pegajosa, (B) mezclando los granos abrasivos con la pasta adhesiva para humectar al menos una fracción mayor del área superficial del grano con la pasta adhesiva; y (C) secando el ligante líquido, usualmente con calor, para dejar un residuo de las partículas de polvo de metal activo mecánicamente unidas a los granos abrasivos. El propósito de la fijación mecánica es mantener las partículas de metal activo en la proximidad de los granos al menos hasta la sinterización cuando el ligado químico hará la fijación permanente. Se puede usar para la pasta cualquier ligante líquido fugitivo convencional. El término "fugitivo" significa que el ligante líquido tiene la habilidad de evacuar la composición de enlace a temperatura elevada, con preferencia por debajo de la temperatura de sinterización, y sin afectar adversamente al proceso de sinterización. El ligante debería ser suficientemente volátil para evaporarse y/o pirolizarse de manera sensiblemente completa durante la sinterización sin dejar residuo que pudiera interferir con la función del enlace. Con preferencia, el ligante se vaporizará por debajo de aproximadamente 400ºC. El ligante puede mezclarse con las partículas por muchos métodos bien conocidos en la especialidad.

La mezcla de componentes a cargar en el molde conformador puede incluir cantidades menores de productos auxiliares de elaboración opcionales tales como cera de parafina, "Acrowax", y estearato de cinc que se emplean usualmente en la industria de los abrasivos.

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Una vez preparada la mezcla uniforme, es cargada dentro de un molde apropiado. En un proceso preferido de sinterización por prensado en frío, el contenido del molde puede comprimirse con presión mecánica externamente aplicada a temperatura ambiente entre aproximadamente 345-690 MPa. Se puede usar para esta operación una prensa de platos, por ejemplo. La compresión de mantiene usualmente durante 5-15 segundos aproximadamente, después de lo cual se alivia la presión. El contenido del molde se eleva seguidamente a la temperatura de sinterización, que debería ser suficientemente alta para hacer que la composición de enlace se densificase pero no se fundiese sustancialmente de forma completa. La temperatura de sinterización debería ser de por lo menos 500ºC aproximadamente. El calentamiento debería tener lugar en una atmósfera inerte, tal como bajo vacío a baja presión absoluta o bajo una capa de gas inerte. Es importante seleccionar componentes del enlace de metal y de metal activo que no requieran sinterización a unas temperaturas tan altas que los granos abrasivos se viesen afectados adversamente. Por ejemplo, el diamante comienza a grafitizarse por encima de 1100ºC aproximadamente. Por consiguiente, la sinterización de las ruedas abrasivas de diamante debería proyectarse para que ocurriese de forma segura por debajo de esta temperatura, con preferencia por debajo de aproximadamente 950ºC y más preferiblemente por debajo de aproximadamente 900ºC. La temperatura de sinterización debería mantenerse durante un tiempo efectivo para sinterizar los componentes del enlace y reaccionar simultáneamente el metal activo con los granos abrasivos. La temperatura de sinterización se mantiene típicamente por espacio de 30-120 minutos aproximadamente.

En un proceso preferido de prensado en caliente, las condiciones son generalmente las mismas que para el prensado en frío con la excepción de que se mantiene la presión hasta acabar el sinterizado. Tanto en el sinterizado sin presión como en el prensado en caliente después de la sinterización, los moldes son bajados a temperatura ambiente y los productos sinterizados, retirados. Los productos son acabados por métodos convencionales tales como el lapeado para obtener las tolerancias dimensionales deseadas.

El sinterizado y ligado antes mencionados integran pues los granos abrasivos en el enlace sinterizado para formar un composite reforzado con granos. Para facilitar la formación del composite reforzado con granos así como para dar un abrasivo bien expuesto, se prefiere usar aproximadamente 2,5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de enlace sinterizado en el producto sinterizado.

La herramienta abrasiva preferida de acuerdo con esta invención es una rueda abrasiva. Por consiguiente, la forma típica del molde es la de un disco fino. Se puede usar un molde de disco macizo, en cuyo caso después de la sinterización se puede retirar una porción de disco central para formar el agujero del árbol. Alternativamente, se puede usar un molde de forma anular para formar el agujero del árbol in situ. Esta última técnica evita el desperdicio debido a desechar la porción central, cargada de abrasivo, del disco sinterizado.

Después de formar con éxito una estructura compuesta reforzada con granos, los granos abrasivos contribuirán a la solidez de la rueda. Por consiguientes, como se ha indicado más arriba, es importante seleccionar el abrasivo no solamente por las características tradicionales de dureza, resistencia al impacto y similares, sino también por las propiedades de solidez determinadas por el módulo elástico, por ejemplo. Aunque no se desea ligarse a una teoría particular, se considera que las partículas abrasivas muy rígidas, integradas en el enlace sinterizado debido al ligado químico con el componente de metal activo, contribuyen notablemente a dar solidez al composite. Se cree que esta contribución se produce porque las cargas de esfuerzo en el composite durante la operación son transferidas efectivamente a los granos abrasivos intrínsecamente muy sólidos. Es pues posible por la práctica de esta invención obtener ruedas abrasivas rectas, delgadas, activamente ligadas que son más sólidas que las ruedas convencionales del mismo espesor. Las nuevas ruedas son útiles para proporcionar cortes más precisos y menor formación de astillas sin sacrificar más la pérdida de la abertura de corte formada en relación con las ruedas rectas tradicionales.

La solidez de la nueva rueda abrasiva debería mejorarse considerablemente con relación a las ruedas convencionales. En una realización preferida, el módulo elástico de la rueda abrasiva activamente ligada es mayor que el módulo elástico de los componentes de ligado sinterizado por sí solos (es decir, componente metal más componente de metal activo libre de granos abrasivos). El módulo elástico de la rueda abrasiva ligada activamente es por lo menos aproximadamente 100 GPa y preferiblemente al menos aproximadamente 15 GPa. En otra realización preferida, el módulo elástico de la rueda es por lo menos aproximadamente dos veces el módulo elástico del enlace sinterizado libre de granos abrasivos.

Se ilustra ahora esta invención mediante ejemplos de ciertas realizaciones representativas de la misma, en los que, a menos que se indique otra cosa, todas las partes, proporciones y porcentajes son en peso y los tamaños de partícula son especificados por designación de tamaño de malla de tamiz U.S. estándar. Todas las unidades de peso y medida no obtenidas originalmente en unidades SI han sido convertidas a unidades SI.

Ejemplo 1

Polvo de cobre (<400 malla), polvo de estaño (<325 malla) e hidruro de titanio (<325 malla) fueron combinados en proporciones de 59,63% Cu, 23,85% Sn y 16,50% TiH_{2}. Esta composición de enlace fue pasada a través de un tamiz de acero inoxidable de la malla 165 para retirar los aglomerados y la mezcla tamizada fue mezclada perfectamente en un mezclador marca "Turbula" (Glen Mills, Inc. Clifton, Nueva Jersey) durante 30 minutos. Se añadieron granos abrasivos de diamante (15-25\mum) de GE Superabrasives, Worthington, Ohio a la mezcla de metal para formar una mezcla conteniendo 18,75% en volumen de diamante. Esta mezcla fue trabajada en un mezclador Turbula durante 1 hora para obtener una composición de abrasivo y enlace uniforme.

La composición de abrasivo y enlace fue colocada en un molde de acero que tenía una cavidad de 121,67 mm de diámetro exterior, 6,35 mm de diámetro interior y una profundidad uniforme de 0,81 mm. Se formó una rueda "en verde" compactando el molde a temperatura ambiente bajo 414 MPa (4,65 toneladas/cm^{2}) durante 10 segundos. La rueda en verde fue retirada del molde y posteriormente calentada a 850ºC bajo vacío durante 2 horas entre placas planas horizontales con un peso de 660 gramos colocado sobre la placa superior. Se dejó enfriar gradualmente el producto caliente sinterizado hasta 250ºC y luego fue enfriado rápidamente a temperatura ambiente. La rueda fue amolada al tamaño final por métodos convencionales, incluido el "rectificado" hasta un descentramiento preseleccionado, y acondicionamiento inicial bajo las condiciones indicadas en la Tabla I.

El tamaño de la rueda acabada fue 114,3 mm de diámetro exterior, 69,88 mm de diámetro interior (diámetro de agujero del árbol) y 0,178 mm de espesor.

TABLA I

Condiciones de rectificado Ejemplos 1-2
Rueda rectificada
Velocidad	5593 rev./min.
Tasa de alimentación	100 mm/min.
Exposición desde la pestaña	3,68 mm
Rueda rectificadora	modelo nº 37C220-H9B4
Composición	carburo de silicio
Diámetro	112,65 mm
Velocidad	3000 rev./min.
Velocidad de rotación	305 mm/min.
Nº de pases
\hskip1cm a 1,25 \mum	40
\hskip1cm a 1,25 \mum	40
Rectificado inicial
Velocidad rueda	2500 rev./min.
Rueda rectificadora	modelo nº 37C220-H9B4
Acondicionamiento inicial
Palillo acondicionador	Tipo 37C500-GV
Anchura palillo acondicionador	12,7 mm
Penetración	2,54 mm
Tasa de penetración	100 mm/min.
Nº de pases	12,00

Ejemplo 2 y Ejemplo 1 Comparativo

Se usaron la nueva rueda fabricada como se ha descrito en el ejemplo 1 y una rueda convencional, comercialmente disponible del mismo tamaño (Ej. 1 Comparativo) para cortar múltiples rebanadas a través de un bloque de 150 mm de largo por 150 mm de ancho por 1,98 mm de espesor del tipo 3M-310 (Minnesota Mining and Manufacturing Co. Minneapolis, Minnesota) alúmina-carburo de titanio encolado a un sustrato de grafito. La composición de la rueda del ejemplo 1 comparativo fue 18,9% en volumen de granos de diamante de 15/25 \mum en un enlace de 53,1% en peso de cobalto, 23,0% en peso de níquel, 12,7% en peso de plata, 5,4% en peso de hierro, 3,4% en peso de cobre y 2,4% en peso de cinc. Antes de cada rebanada, las ruedas fueron acondicionadas como se ha descrito en la tabla 1 con la excepción de que se usó un solo paso de acondicionamiento y un palillo acondicionador de 19 mm de ancho (12,7 mm para el Ejemplo 1 Comparativo). En cada prueba se montaron las ruedas abrasivas entre dos espaciadores de soporte metálicos de 106,93 mm de diámetro exterior. La velocidad de la rueda fue de 7.500 rev./min (9000 rev./min para el Ejemplo 1 Comparativo), y se utilizaron una tasa de alimentación de 100 mm/min, y una profundidad de corte de 2,34 mm. El corte fue enfriado por un flujo de 56,4 L/min., descargando 5% de agua desmineralizada estabilizada con inhibidor de herrumbre a través de una boquilla rectangular de 1,58 mm x 85,7 mm a una presión de 275 kPa.

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Los resultados del corte aparecen en la tabla II. La nueva rueda se comportó bien frente a todos los criterios de rendimiento del corte. La rueda del ejemplo 1 comparativo necesitó para funcionar a un 20% más de velocidad de rotación y consumió aproximadamente 45% más de potencia que la nueva rueda (aproximadamente 520 W frente a 369 W).

TABLA II

1

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2

Ejemplos 3 y 4 y Ejemplos 2-8 Comparativos

Se ensayó la solidez de composiciones de rueda abrasiva reforzadas con granos. Se combinó una variedad de polvos metálicos finos con y sin granos de diamante en las proporciones mostradas en la tabla III y se mezclaron a uniformidad de la composición como en el ejemplo 1. Se produjeron especímenes de prueba de tracción comprimiendo las composiciones en moldes en forma de hueso de perro a temperatura ambiente bajo una presión de aproximadamente 414-620 MPa (30-45 toneladas/pulgada cuadrada) durante 5-10 segundos y después se sinterizaron bajo vacío como se ha descrito en el ejemplo 1.

Los especímenes de prueba fueron sometidos a mediciones de módulo de tracción sónico y estándar en una máquina de ensayo de tracción Instron. Los resultados aparecen en la tabla III. El módulo elástico de las pruebas reforzadas con granos (ejemplos 3 y 4) superó los 150 GPa. La concentración incrementada de diamante en el ejemplo 4 intensificó notablemente el módulo lo que confirma que el diamante quedó integrado en la composición. En contraste, el ejemplo 2 comparativo reveló que la misma composición de enlace sin reforzamiento por granos, debido a la ausencia de diamante redujo drásticamente la solidez. De forma similar, el ejemplo 3 comparativo demuestra que el diamante embebido en una composición de enlace de bronce sin un componente activo proporciona una solidez relativamente mala.

En el ejemplo 4 comparativo se usaron granos de diamante anteriormente disponibles comercialmente de General Electric Co. que como indicó el fabricante estaban revestidos en superficie con aproximadamente 1-2 \mum de espesor de titanio. La solidez mejora ligeramente en comparación con la no presencia de componente activo (ejemplo 3 comparativo), pero resultó ser muy inferior a las composiciones del ejemplo operativo. Se sospecha que las razones para la efectividad reducida residen en que estaba presente una cantidad demasiado pequeña de componente activo, que el titanio de la superficie estaba presente en forma de carburo antes de la sinterización, lo que hizo al titanio menos compatible con los otros componentes de metal y/o que el titanio no de carburo presente en los granos estaba oxidado.

Los ejemplos 5 y 7 comparativos demostraron que las ruedas de diamante finas convencionales con diferentes composiciones de enlaces de cobre/estaño/níquel/hierro tienen módulos de sólo 100 GPa aproximadamente. Los ejemplos 6 y 8 comparativos corresponden a las composiciones de rueda de los ejemplos 5 y 7 comparativos sin grano de diamante. Estos ejemplos muestran que la solidez de las composiciones de enlace bien sea con o sin diamante fueron aproximadamente las mismas. Esto confirma la expectativa de que el enlace libre de componente de metal activo no integra el diamante en el enlace para reforzar la estructura.

3

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Aunque se han seleccionado formas específicas de la invención para su ilustración en los ejemplos, y la descripción precedente está redactada en términos específicos con el propósito de describir estas formas de la invención, esta descripción no pretende limitar el ámbito de la invención que es definida en las reivindicaciones.

Claims

1. Rueda abrasiva que comprende un disco abrasivo recto, reforzado con granos que tiene una anchura uniforme del orden de 20-2500 \mum aproximadamente, consistente esencialmente en aproximadamente 2,5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de un enlace comprendiendo un componente de metal y un metal activo que forma un enlace químico con los granos abrasivos después de su sinterización, estando presentes el metal activo y los granos abrasivos en una cantidad efectiva para producir un disco abrasivo reforzado con granos que tiene un valor de módulo elástico por lo menos un 10% mayor que el valor de módulo elástico de un disco abrasivo de la misma composición pero exento de metal activo y en el que el valor del módulo elástico es por lo menos 100 GPa.

2. Rueda abrasiva según la reivindicación 1, en la que los granos abrasivos son de un tamaño de aproximadamente 0,5-100 \mum.

3. Rueda abrasiva según la reivindicación 2, en la que el valor de módulo elástico es por lo menos el doble que el valor de módulo elástico de la misma composición de enlace sinterizada pero libre de granos abrasivos.

4. Rueda abrasiva según la reivindicación 3, en la que el disco abrasivo consiste esencialmente en 15-30% en volumen de granos abrasivos.

5. Rueda abrasiva según la reivindicación 1, en la que el componente metal es seleccionado del grupo consistente de cobre, estaño, cobalto, hierro, níquel, plata, cinc, antimonio, manganeso, carburo de metal y aleaciones de por lo menos dos de ellos.

6. Rueda abrasiva según la reivindicación 1, en la que el componente metal comprende una aleación metálica o compuesto de metal que contiene un material seleccionado del grupo consistente en boro, silicio, y sus compuestos y combinaciones.

7. Rueda abrasiva según la reivindicación 4, en la que se selecciona el metal activo dentro del grupo consistente en titanio, circonio, hafnio, cromo, tántalo, y una mezcla de por lo menos dos de ellos.

8. Rueda abrasiva según la reivindicación 7, en la que los granos abrasivos están libres de revestimiento de metal activo.

9. Rueda abrasiva según la reivindicación 7, en la que los granos abrasivos están revestidos con una capa de metal de espesor macromolecular.

10. Rueda abrasiva según la reivindicación 1, que es monolítica.

11. Rueda abrasiva según la reivindicación 5, en la que el enlace sinterizado comprende

(a) aproximadamente 45-75% en peso de cobre;

(b) aproximadamente 20-35% en peso de estaño; y

(c) aproximadamente 5-20% en peso de metal activo.

en la que el total de (a), (b) y (c) es 100% en peso.

12. Rueda abrasiva según la reivindicación 11, en la que se selecciona el metal activo dentro del grupo consistente en titanio, circonio, hafnio, cromo, tántalo, y una mezcla de por lo menos dos de ellos.

13. Rueda abrasiva según la reivindicación 12, en la que el metal activo es el titanio.

14. Rueda abrasiva según la reivindicación 1, en la que los granos abrasivos son de un abrasivo seleccionado del grupo consistente en diamante, nitruro de boro cúbico, carburo de silicio, óxido de aluminio fundido, alúmina microcristalina, nitruro de silicio, carburo de boro, carburo de tungsteno y mezclas de por lo menos dos de ellos.

15. Rueda abrasiva según la reivindicación 14, en la que los granos abrasivos son de diamante.

16. Rueda abrasiva según la reivindicación 1, consistente esencialmente en un disco abrasivo que tiene un reborde circunferencial de un diámetro de aproximadamente 40-120 mm que define un agujero de árbol axial de aproximadamente 12-90 mm, que tiene una anchura uniforme del orden de aproximadamente 100-500 \mum y que consiste esencialmente en granos de diamante y un enlace sinterizado comprendiendo aproximadamente 59,5% en peso de cobre, 24% en peso de estaño y 16,5% en peso de titanio.

17. Rueda abrasiva según la reivindicación 16, en la que la anchura uniforme es del orden de aproximadamente 100-200 \mum.

18. Rueda abrasiva que comprende un disco abrasivo recto, reforzado con granos que tiene una anchura uniforme y una proporción dimensional de aproximadamente 20-6000 a 1, consistente esencialmente en aproximadamente 2,5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de un enlace comprendiendo un componente de metal y un metal activo que forma un enlace químico con los granos abrasivos después de su sinterización, estando presentes el metal activo y los granos abrasivos en una cantidad efectiva para producir un disco abrasivo reforzado con granos que tiene un valor de módulo elástico por lo menos un 10% mayor que el valor de módulo elástico de un disco abrasivo de la misma composición pero exento de metal activo y en el que el valor del módulo elástico es por lo menos 100 GPa.

19. Método de corte de una pieza a trabajar que comprende el paso consistente en poner en contacto la pieza a trabajar con una rueda abrasiva que comprende un disco abrasivo recto, reforzado con granos que tiene una anchura uniforme del orden de aproximadamente 20-2500 \mum, consistente esencialmente en aproximadamente 2,5-50% en volumen de granos abrasivos y una cantidad complementaria de un enlace comprendiendo un componente de metal y un metal activo que forma un enlace químico con los granos abrasivos después de su sinterización, estando presente el metal activo y los granos abrasivos en una cantidad efectiva para producir un disco abrasivo reforzado con granos que tiene un valor de módulo elástico por lo menos un 10% mayor que el valor de módulo elástico de un disco abrasivo de la misma composición pero exento de metal activo y en el que el valor del módulo elástico es por lo menos 100 GPa.

20. Método según la reivindicación 19, en el que el disco abrasivo comprende también un reborde de un diámetro de aproximadamente 40-120 mm, y un agujero de árbol axial de aproximadamente 12-90 mm, y en el que se selecciona el componente metal del grupo consistente en cobre, estaño, cobalto, hierro, níquel, plata, cinc, antimonio, manganeso, carburo de metal y aleaciones de por lo menos dos de ellos, y se selecciona el metal activo del grupo consistente en titanio, circonio, hafnio, cromo, tántalo, y una mezcla de por lo menos dos de ellos, y los granos abrasivos son de un tamaño de aproximadamente 0,5-100 \mum y el disco abrasivo reforzado con granos tiene un módulo elástico que es por lo menos el doble que el módulo elástico del enlace sinterizado libre de granos abrasivos.

21. Método según la reivindicación 20, en el que el componente metal comprende una aleación metálica o compuesto de metal que contiene un material seleccionado del grupo consistente en boro, silicio, y compuestos y combinaciones de los mismos.

22. Método según la reivindicación 20, en el que

el diámetro del reborde circunferencial es de aproximadamente 50-120 mm, la anchura uniforme es del orden de aproximadamente 100-500 \mum, y

el disco abrasivo consiste esencialmente en granos de diamante y un enlace sinterizado consistente esencialmente en (a) aproximadamente 45-75% en peso de cobre; (b) aproximadamente 20-35% en peso de estaño; y (c) aproximadamente 5-20% en peso de metal activo, en el que el total de (a), (b) y (c) es 100%.

23. Método según la reivindicación 19, en el que la pieza a trabajar es de alúmina-carburo de titanio.

24. Método de fabricación de una herramienta abrasiva que comprende los pasos de

(1): granos abrasivos

(3): un metal activo que es químicamente reactivo con los granos abrasivos en las condiciones de sinterización

(e): calentar el artículo moldeado a una temperatura del orden de 500 a 900ºC durante un tiempo efectivo para sinterizar el componente de metal y el metal activo obteniendo un enlace sinterizado que integra así los granos abrasivos y el enlace sinterizado en un composite reforzado con granos; y

25. Método según la reivindicación 24, que comprende además el paso consistente en reducir la presión ejercida sobre el artículo moldeado a una presión menor que aproximadamente 100 MPa después del paso de compresión y mantener la presión a menos de aproximadamente 100 MPa durante el paso de calentamiento.

26. Método según la reivindicación 25, en el que el artículo moldeado se reduce a/y se mantiene durante el paso de calentamiento a una presión de aproximadamente 10-40 MPa.

27. Método según la reivindicación 25, en el que la herramienta abrasiva es un disco que tiene una anchura uniforme del orden de aproximadamente 100-500 \mum, un reborde circunferencial con un diámetro de aproximadamente 50-120 mm y cuyo disco define un agujero de árbol axial de aproximadamente 12-90 mm.

28. Método según la reivindicación 27, que comprende además los pasos consistentes en extraer el disco del molde después del paso de compresión e intercalar el disco entre placas planas empujadas contra el disco durante el paso de calentamiento.

29. Método según la reivindicación 27, en el que el disco tiene una anchura uniforme del orden de aproximadamente 100-200 \mum.

30. Método según la reivindicación 20, en el que el paso de calentamiento ocurre mientras es mantenido el artículo moldeado a la presión del paso de compresión.

31. Método según la reivindicación 24, en el que los granos abrasivos son proporcionados libres de revestimiento de metal activo.

32. Método según la reivindicación 24, en el que los granos abrasivos son revestidos con una capa de metal de espesor macromolecular antes del paso de mezclado.

33. Método según la reivindicación 24, en el que los ingredientes particulados comprenden (a) aproximadamente 45-75% en peso de cobre; (b) aproximadamente 20-35% en peso de estaño; y (c) aproximadamente 5-20% en peso de metal activo, seleccionado del grupo consistente en titanio, circonio, hafnio, cromo, tántalo y una mezcla de por lo menos dos de ellos, siendo el total de (a), (b) y (c) 100% en peso.

34. Método según la reivindicación 33, en el que el paso de provisión comprende además

(i): mezclar a composición uniforme un polvo fino del componente de metal activo y una cantidad efectiva de un ligante líquido para formar una pasta pegajosa;

(ii): mezclar los granos abrasivos con la pasta adhesiva para humectar al menos una fracción mayor del área superficial del grano con la pasta adhesiva; y

(iii): secar el ligante líquido eficazmente para dejar un residuo de las partículas en polvo de metal activo mecánicamente unido a los granos abrasivos.

35. Método según la reivindicación 24, en el que los granos abrasivos comprenden aproximadamente 20-50% en volumen de granos abrasivos de ingredientes particulados, y consisten esencialmente en un abrasivo seleccionado del grupo consistente en diamante, nitruro de boro cúbico, carburo de silicio, óxido de aluminio fundido, alúmina microcristalina, nitruro de silicio, carburo de boro, carburo de tungsteno y mezclas de por lo menos dos de ellos.

36.-Método según la reivindicación 35, en el que los granos abrasivos son de diamante.