ES2205928T3 - Rueda superabrasiva con enlace activo. - Google Patents
Rueda superabrasiva con enlace activo.Info
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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.
\newpage
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.
\newpage
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.
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.
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.
\newpage
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).
\newpage
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.
\newpage
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 (36)
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
- (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 es químicamente reactivo con los granos abrasivos en las condiciones de 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 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.
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.
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