ES2222550T3 - Heramienta de abrasion que contiene un recubrimiento de grano superabrasivo. - Google Patents

Heramienta de abrasion que contiene un recubrimiento de grano superabrasivo.

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ES2222550T3 ES98200600T ES98200600T ES2222550T3 ES 2222550 T3 ES2222550 T3 ES 2222550T3 ES 98200600 T ES98200600 T ES 98200600T ES 98200600 T ES98200600 T ES 98200600T ES 2222550 T3 ES2222550 T3 ES 2222550T3
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Ren-Kae Shiue
Sergej-Tomislav Buljan
Bradley J. Miller
Eric Schulz
Thomas W. Eager
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Abstract

UN MATERIAL ABRASIVO PARA UNA HERRAMIENTA ABRASIVA DE UNA SOLA CAPA LIGADA CON METAL QUE COMPRENDE GRANOS ABRASIVOS REVESTIDOS CON UN PRIMER COMPONENTE ACTIVO. EL COMPONENTE ACTIVO ESTA MECANICAMENTE UNIDO A LA SUPERFICIE DE LOS GRANOS SUPERABRASIVOS. PREFERENTEMENTE EL ABRASIVO ES UN SUPERABRASIVO, ESPECIALMENTE DIAMANTE, Y EL PRIMER COMPONENTE ACTIVO ES TITANIO, BIEN A MODO DE TI ELEMENTAL O DE TIH 2 . EL NUEVO MATERIAL ABRASIVO SE FORMA MEZCLANDO EL PRIMER COMPONENTE ACTIVO EN POLVO CON UN AGLUTINANTE LIQUIDO PARA FORMAR UNA PASTA ADHESIVA; SE MEZCLA LA PASTA CON LOS GRANOS ABRASIVOS PARA HUMEDECER LOS GRANOS Y SE SECA LA MEZCLA PARA QUE EL COMPONENTE ACTIVO SE ADHIERA A LOS GRANOS. EL ABRASIVO REVESTIDO SE PUEDE BRONCESOLDAR SOBRE UN NUCLEO PARA FORMAR UNA HERRAMIENTA DE UNA SOLA CAPA, ESPECIALMENTE CON UNA COMPOSICION BRONCESOLDANTE QUE COMPRENDE UNA ALEACION DE BRONCE Y PEQUEÑAS CONCENTRACIONES DE UN SEGUNDO COMPONENTE ACTIVO. DURANTE LA BRONCESOLDADURA, LOS NUEVOS GRANOS ABRASIVOS PROPORCIONAN UN CONTACTO SUPERFICIAL EXCELENTE CON LA COMPOSICION BRONCESOLDANTE Y LA BRONCESOLDADURA UNE FUERTEMENTE LOS GRANOS AL NUCLEO DE LA HERRAMIENTA. LA COMPOSICION BRONCESOLDADA ES FACIL DE RETIRAR QUIMICA O ELECTROQUIMICAMENTE DE LOS NUCLEOS DE HERRAMIENTAS ABRASIVAS DESGASTADAS PARA PERMITIR LA RECONSTRUCCION DE LAS HERRAMIENTAS.

Description

Herramienta de abrasión que contiene un recubrimiento de grano superabrasivo.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a herramientas de pulido superabrasivas de una Sola Capa, soldadas de manera activa, y, más específicamente, a herramientas hechas con grano superabrasivo recubierto con un primer componente activo pulverizado, tal como titanio.
Antecedentes
Ciertas herramientas abrasivas para aplicaciones industriales usualmente tienen una porción abrasiva de granos incrustados en una unión. Esta porción abrasiva está normalmente fijada a un núcleo rígido. El núcleo se puede adaptar para su movimiento manual o accionado en contacto con una pieza de trabajo para moler, cortar, pulir o erosionar de otra manera la pieza de trabajo a una forma deseada.
Entre otras cosas, los granos abrasivos han de ser más duros que el material que se pule para penetrar en la superficie y retirar las virutas de la pieza de trabajo. Las substancias muy duras, llamadas "superabrasivas", tales como diamante y nitruro de boro cúbico ("CBN"), son especialmente útiles para cortar materiales duros o difíciles de cortar. Por ejemplo, el diamante puede pulir carburo de tungsteno, piedra natural, granito, hormigón y cerámica. El diamante no es adecuado para pulir hierro o acero, sin embargo. De una manera importante, el CBN puede cortar materiales ferrosos.
Como los superabrasivos son relativamente caros, es económicamente ventajoso reducir la cantidad de superabrasivo en una herramienta de pulido. En un tipo de herramienta abrasiva (una herramienta abrasiva de una "Única Capa") se deposita una cantidad muy pequeña de abrasivo en una capa de espesor substancialmente de un grano sobre la superficie operativa del núcleo y el grano abrasivo se une al núcleo mediante una unión de metal. Esta unión se puede conseguir mediante procedimientos tales como electrochapado y soldadura fuerte. De estos dos procedimientos, se prefiere la soldadura fuerte porque el electrochapado requiere generalmente el mantenimiento de un gran inventario de granos superabrasivos caros en un baño de electrochapado.
A veces la unión de metal puede ser el factor determinante de la vida de servicio para una herramienta abrasiva de una Sola Capa. La composición de la unión afecta a su resistencia de unión. A menos que la unión sea fuerte, el impacto repetitivo contra la pieza de trabajo desgarrará los granos superabrasivos del núcleo de manera prematura, es decir, mientras los granos superabrasivos permanecen afilados y capaces de seguir cortando. La unión también es normalmente más blanda que la pieza de trabajo. El contacto directo con la piezas de trabajo o con la viruta puede erosionar la unión, lo cual también permite el desgaste temprano de las partículas afiladas.
Recientes desarrollos tecnológicos han intentado mejorar la resistencia de las uniones soldadas. Por ejemplo, la patente US-4.968.326 describe un procedimiento para fabricar una herramienta de abrasión de diamante de una Sola Capa con una buena resistencia de unión que puede variarse al grado deseado. El procedimiento utiliza un material de soldadura fuerte que contiene un elemento de formación de carburo, preferiblemente molibdeno o hierro. El procedimiento patentado también tiene la ventaja citada que las capas de carburo y soldada tienden a trepar por el lado de las partículas de diamante. Este fenómeno de "mojado" de la superficie aumenta la interfaz entre la partícula abrasiva y la unión sobre la que la unión puede actuar, y así refuerza la potencia de la unión de la soldadura fuerte. En la solicitud de patente US-08/693.763, presentada el 7 de Agosto de 1996, se ha propuesto incluir en una soldadura de base de bronce, partículas de componentes activos, tales como titanio, zirconio, carburo de titanio, o mezclas de los mismos. Estos componentes activos puede reaccionar con la partícula abrasiva en la superficie para formar una unión química más fuerte.
La patente US-4.776.862 describe un procedimiento para fabricar una herramienta abrasiva que tiene un núcleo de metal, que comprende las etapas de:
- mezclar a una composición uniforme un primer componente en polvo activo y una cantidad efectiva de aglomerante líquido para formar una pasta adhesiva;
- mezclar granos superabrasivos, cada uno teniendo un área de superficie, con una cantidad efectiva de pasta adhesiva para mojar una fracción mayor del área de superficie de los granos superabrasivos con la pasta;
- calentar el aglomerante líquido produciendo así granos superabrasivos recubiertos que tiene un recubrimiento de superficie químicamente de unión del primer componente en polvo activo;
- recubrir una superficie operativa del núcleo con una cantidad efectiva de composición de soldadura fuerte que comprende un segundo componente activo;
\newpage
- depositar una Sola Capa de granos superabrasivos recubiertos en la composición de soldadura fuerte sobre la superficie operativa del núcleo de metal;
- calentar el núcleo de metal recubierto para retirar substancialmente todo el aglomerante líquido; y
- soldar los granos superabrasivos recubiertos al núcleo a una temperatura de por lo menos 700ºC para efectuar una reacción entre los granos superabrasivos, el primer componente activo y el segundo componente activo. También se describen una herramienta abrasiva según el preámbulo de la reivindicación 12 y un polvo abrasivo recubierto adecuado para soldarse a un núcleo de una herramienta abrasiva de metal de una Sola Capa según el preámbulo de la reivindicación 18.
El añadir metal activo, tal como titanio, a la composición de unión tiene un inconveniente. El aditivo puede reaccionar con otros elementos en la composición durante la soldadura para formar compuestos intermetálicos. Estos compuestos intermetálicos son más débiles que la soldadura y diluyen la soldadura restante que está presente. De esta manera, los compuestos intermetálicos le restan las propiedades mecánicas de la soldadura. Además, los compuestos intermetálicos puede adherir la soldadura muy fuerte al metal del núcleo. Esta adhesión hace que la retirada química o electroquímica de la soldadura de las herramientas desgastadas sea más difícil. La retirada es un proceso importante en la recuperación de los núcleos de herramientas recicladas. La capacidad de recuperar núcleos usados afecta cada vez más al coste de producción de la herramienta, particularmente respecto a herramientas grandes para la industria de la construcción, tal como ruedas de pulido de gran diámetro para ferrita.
En consecuencia, es deseable incorporar metal activo en la composición de la soldadura la reforzar la unión; sin embargo, también es ventajoso minimizar el metal activo en la composición de la soldadura para reducir la formación de los componentes intermetálicos. Ahora se ha descubierto que se pueden hacer uniones fuertes para herramientas abrasivas de una Sola Capa con cantidades muy reducidas de componente activo, por ejemplo entre el 0,5 y el 3,0% en peso de la composición de la soldadura. El descubrimiento implica en uso de granos superabrasivos recubiertos con una capa unida mecánicamente a un primer componente activo junto con una composición de soldadura que contiene un segundo componente activo. La cantidad total de componente activo presente en la composición soldada resultante es mucho menor que la necesaria para las uniones convencionales realizadas incorporando solamente un componente activo en la composición de la soldadura. Mientras se crea una unión fuerte al superabrasivo, la composición soldada resultante deja poco componente activo disponible para la formación intermetálica y, por lo tanto, refuerza la unión y facilita la retirada de la soldadura de las herramientas gastadas.
Descripción de la invención
En consecuencia, la presente invención proporciona un procedimiento para fabricar una herramienta abrasiva que tiene un núcleo de metal según las características de la reivindicación 1.
La invención también proporciona una herramienta abrasiva según las características de la reivindicación 12.
La invención incluye polvo abrasivo recubierto adecuado para soldarse a un núcleo de una herramienta abrasiva de una Sola Capa, según las características de la reivindicación 18.
El polvo abrasivo recubierto es preferiblemente diamante o nitruro de boro cúbico, recubierto con entre 4 y 150 micras aproximadamente de titanio elemental o hidruro de titanio, y el polvo abrasivo recubierto se usa preferiblemente en una soldadura de bronce que contiene entre el 0,5 y el 3,0% en peso de titanio elemental o hidruro de titanio.
Descripción detallada
Esta invención es principalmente útil en herramientas abrasivas de una Sola Capa fabricadas mediante el procedimiento de soldadura activa. La soldadura activa representa un avance sobre la soldadura básica, en la cual una aleación de bronce se calienta por encima del punto de fusión, a continuación se enfría para capturar los granos en una matriz sólida de bronce. El término "soldadura activa" significa que la aleación de bronce contiene un material activo capaz de reaccionar químicamente con los granos abrasivos usualmente a una temperatura elevada y especialmente cuando el bronce está fundido, es decir, durante la etapa de soldadura. La reacción enlaza químicamente la composición soldada y los granos para proporcionar una unión más fuerte que la producida mediante la soldadura básica. En la soldadura activa convencional, el material activo normalmente se incorpora solamente en la composición de la soldadura.
La presente invención reside básicamente en el descubrimiento que un recubrimiento de espesor macromolecular y unión meramente mecánica sobre los granos superabrasivos de un primer componente activo mejora significativamente la capacidad de una composición de soldadura que contiene un segundo componente activo de mojar la superficie de los granos durante la soldadura. El mojado mejorado permite que la soldadura fundida cubra de una manera más completa el área de superficie de los granos. La mejora del mojado proporciona así más sitios para que los componentes activos reaccionen con los granos y ayuda a incrustar los granos más profundamente en la matriz sólida. El recubrimiento del primer componente activo sobre los granos según esta invención aumenta la eficiencia de mojado de manera que la cantidad del segundo componente activo en la composición de soldadura se puede reducir mucho. Esto permite la fabricación de una herramienta de una Sola Capa en la que el componente activo total en la porción abrasiva es significativamente menor que la necesaria para la soldadura activa convencional.
Mediante el término "unido mecánicamente" se indica que antes de soldar el primer componente activo se adhiere a los granos superabrasivos mediante medios puramente físicos, es decir, sin unión química directa entre el superabrasivo y el componente activo. El espesor del primer componente activo ha de ser macromolecular, es decir, un espesor de muchas moléculas. Preferiblemente, el primer componente activo son unas partículas finas. En un aspecto, la presente invención pertenece a nuevos granos superabrasivos cubiertos sobre por lo menos una fracción mayor del área de superficie de los granos con partículas discretas del primer componente activo.
El grano recubierto macromolecular unido mecánicamente de esta invención contrasta con el grano superabrasivo recubierto comercialmente disponible, generalmente hecho mediante tecnología de unión de vapor directo, tal como deposición de vapor química o física, para proporcionar recubrimientos extremadamente finos de una, o como máximo unas pocas moléculas del componente activo sobre la superficie del grano superabrasivo. El grano superabrasivo recubierto hecho mediante los procedimientos de deposición usados comercialmente no presenta un efecto beneficioso cuando se usa en las herramientas de la invención. En consecuencia, cuando se usa el diamante recubierto disponible comercialmente, el mojado del grano y la unión de soldadura fuerte solamente se puede conseguir incorporando cantidades indeseablemente grandes del segundo componente activo (por ejemplo, más del 7% en peso) en la composición de soldadura.
Los componentes activos de esta invención se seleccionan para conseguir la soldadura activa. Preferiblemente, son metales compatibles con una aleación de bronce. Mediante el término "compatible con la aleación de bronce" se indica que los componentes activos puede alearse con la aleación de bronce durante la soldadura. Los componentes activos han de comprender además un elemento o compuesto capaz de reaccionar con el superabrasivo a temperaturas elevadas a la temperatura de soldadura o por debajo. Preferiblemente, el componente activo ha de ser un material que forma carburo para abrasivo de diamante y un material que forma nitruro para abrasivo de nitruro de boro cúbico. El segundo componente activo puede ser químicamente el mismo o diferente del primer componente activo.
Los componentes activos puede estar en forma elemental. Por ejemplo, se pueden usar polvos elementales de silicio, cromo, titanio, tungsteno, vanadio y mezclas de los mismos. Se prefieren metales de transición, y de estos metales se prefiere el titanio. Los componentes activos también pueden estar presentes en un compuesto que se descompone para reaccionar durante la soldadura. Por ejemplo, se puede usar hidruro de titanio, TiH_{2}. TiH_{2} es estable hasta 500ºC, por encima del cual se disocia a titanio e hidrógeno. El titanio elemental reacciona con el agua a baja temperatura para formar dióxido de titanio y así se vuelven inútil para formar carburo o nitruro durante la soldadura cuando el agua está presente. De esta manera, TiH_{2} es un primer componente activo útil para recubrir superabrasivo con titanio cuando pudiera estar presente agua durante la soldadura, por ejemplo como un constituyente del aglomerante líquido. Cuando se usa titanio elemental, se ha elegir con cuidado los polvos de metal de titanio que tengan tamaños de partícula mayores (por ejemplo, por lo menos de 100 micras aproximadamente) y un sistema de unión no acuoso para evitar la reacción prematura entre el titanio y el oxígeno o agua o compuestos diferentes de los formadores de carburo o nitruro.
Un aglomerante líquido se puede usar para adherir el primer componente activo a los granos superabrasivos. En general, las partículas del primer componente activo y los granos superabrasivos se llevan en contacto juntos con el aglomerante líquido. Inicialmente, el aglomerante existe en el estado líquido. Posteriormente, el aglomerante líquido se seca dejando las partículas unidas de manera adhesiva a la superficie de los granos. Típicamente, el secado se consigue retirando una porción volátil del aglomerante líquido, por ejemplo evaporando un solvente volátil.
El aglomerante líquido se puede caracterizar por su susceptibilidad al secado. El aglomerante líquido ha de poder secarse preferiblemente por debajo de la temperatura de descomposición de los componentes activos en sus formas reactivas. El hidruro de titanio, por ejemplo, se descompone en titanio a unos 500ºC. El aglomerante líquido ha de poder, de esta manera, secarse por debajo de unos 450ºC. El aglomerante líquido ha de poderse secar opcionalmente bajo vacío. Podría ser necesario secar el aglomerante líquido en ausencia de oxígeno para evitar la oxidación de los componentes activos antes de la reacción con el superabrasivo.
El aglomerante líquido también se puede caracterizar por la capacidad de quemarse limpiamente, es decir para evacuar de manera substancialmente completa los granos recubiertos al calentarse por debajo de las temperaturas de formación de la soldadura, y preferiblemente por debajo de la temperatura de reacción entre el componente activo y el superabrasivo. El aglomerante líquido ha de dejar un residuo mínimo, y cualquier residuo no ha de interferir significativamente con la formación o función de la soldadura. Se ha de minimizar especialmente el residuo de carbono para evitar la competición con el carbono o nitrógeno del superabrasivo para su reacción con el componente activo.
Se contemplan una pluralidad de tipos de aglomerante líquido. Por ejemplo, el aglomerante líquido puede ser un prepolímero líquido susceptible de curado químico a una masa polimérica que se adhiere a las partículas de los granos. El aglomerante líquido podría ser un líquido de alta ebullición o una solución de un adhesivo en un solvente volátil. Están disponible comercialmente aglomerantes líquido adecuados. Los aglomerantes formadores de pasta representativos adecuados para su uso en la presente invención incluyen Braz™-Binder Gel de Vitta Company y aglomerante "S" de Wall Colmonoy Corporation, Madison Heights, Michigan.
El primer componente activo se puede depositar sobre los granos superabrasivos de varias maneras diferentes, tales como pulverización, pintado, pulverización por inmersión o tratando una mezcla de polvo seco del primer componente activo en aglomerante líquido sobre las partículas; o mojando primero los granos superabrasivos en aglomerante líquido y espolvoreando posteriormente polvo de componente activo sobre el superabrasivo mojado. A continuación, el secado del aglomerante líquido provoca que las partículas del componente activo se adhieran a los granos. La viscosidad del aglomerante líquido generalmente no se considera crítica. Sin embargo, el preparar mezclas del primer componente activo y el aglomerante líquido para suministrarlas mediante pulverización, pintura o procedimientos similares podría imponen limitaciones de viscosidad que un técnico en la material podría comprender.
Preferiblemente, el primer componente activo se aplicará al superabrasivo como una pasta adhesiva. La pasta proporciona una forma conveniente para suministrar cantidades precisas de componente activo y ayuda a asegurar que el área de superficie de los granos superabrasivos se cubren de manera efectiva. Una fracción mayor, es decir, por lo menos el 50%, del área de superficie de los granos, y preferiblemente toda el área de superficie, se ha de recubrir para conseguir los resultados deseados. La pasta adhesiva está formada mezclando una fino polvo del componente activo con un aglomerante líquido. El aglomerante se añade al polvo en una proporción efectiva para producir una consistencia viscosa adhesiva a modo de pasta similar a la de pasta de dientes, sin embargo, la viscosidad de la pasta no es crítica. Definida de una manera amplia, la pasta adhesiva será entre el 30 y el 90% en peso del primer componente activo y una cantidad complementaria de aglomerante líquido. Un técnico en la material podrá determinar las proporciones óptimas de polvo y aglomerante líquido de una manera más precisa para una aplicación específica sin demasiada experimentación. El aglomerante líquido se ha de mezclar con las partículas del primer componente activo hasta que la composición sea homogénea. La homogeneidad se puede determinar usualmente mediante observación visual. Cualquiera de los diferentes procedimientos y equipos conocidos en la técnica para procesar pastas tales como molinos de tambor, molinos de rodillo, y tanques removidos, agitados con paletas, barras o palas, se pueden usar para realizar la mezcla.
Preferiblemente, el primer componente activo se ha de incorporar en la pasta adhesiva en forma de polvo fino. Idealmente, el polvo ha de ser de flujo libre. Las partículas de polvo ha de ser lo suficientemente pequeñas para proporcionar un fino recubrimiento sobre la superficie de las partículas abrasivas. Tal como se ha mencionado anteriormente, el espesor del recubrimiento ha de ser principalmente macromolecular para asegurar que suficiente componente activo está presente sobre la superficie de los granos durante la soldadura. Sin embargo, un recubrimiento grueso puede carga la composición de la soldadura de manera innecesaria con excesivo componente activo que se vuelve disponible para formar cantidades no deseadas de compuestos intermetálicos durante la soldadura. Para evitar la creación de un recubrimiento demasiado grueso, un tamaño máximo de partícula preferido del polvo del primer componente activo es malla US estándar 325 (44 \mum), y un rango preferido está entre 4 y 44 \mum. Preferiblemente, una porción substancial del polvo del primer componente activo ha de tener un tamaño de partícula de por lo menos entre 4 y 10 \mum aproximadamente. El tamaño de partícula del componente activo y el tipo de aglomerante líquido se ha de seleccionar para formar un espesor de recubrimiento de entre 4 y 150 micrones, preferiblemente entre 4 y 50 micrones después del secado.
Los granos abrasivos pueden ser de sustancias tales como óxido de aluminio, óxido de silicio, carburo de silicio, carburo de tungsteno y similares, que son más duros, y por lo tanto abrasivos, que la sustancia que se ha de cortar. Para herramientas de una Sola Capa, la sustancia abrasiva ha de ser preferiblemente un superabrasivo tal como diamante, nitruro de boro cúbico y mezclas de los mismos. Se prefiere el diamante, principalmente para cortar materiales no ferrosos. El tamaño de partícula de los granos abrasivos generalmente ha de ser mayor que el tamaño de las partículas de polvo del primer componente activo, es decir, mayor de malla 325 (44 micrones), preferiblemente, mayor de malla 140 (100 micrones), y más preferiblemente mayor de malla 60 aproximadamente (300 micrones).
Aunque la pasta adhesiva es fluida, se mezcla con granos abrasivos para mojar los granos. El objetivo de la operación de mezcla es contactar íntimamente con las partículas de polvo del componente activo hechas pegajosas con los granos abrasivos, de manera que los granos se recubren de manera adecuada. Esta mezcla se puede realizar en equipos de mezcla de compuestos acuosos industriales estándar, tales como molinos de tambor, molinos de rodillo, y tanques removidos, agitados con paletas, barras o palas. Preferiblemente, la mezcla se ha de realizar con bajos índices de cizalladura para evitar la entrada de burbujas en la mezcla; para evitar la creación de calor que podría secar la pasta adhesiva prematuramente; y para evitar la fragmentación de los granos abrasivos. Las partículas abrasivas se pueden añadir directamente a la vasija de mezclado de pasta adhesiva o la pasta adhesiva y las partículas abrasivas se pueden transferir a una vasija de mezclado separada. Otras variaciones son permisibles, tales como un aglomerante líquido de mezcla previa con granos superabrasivos para formar un fango seguido para la adición de un polvo del primer componente activo al fango; y combinar un fango de aglomerante líquido/grano superabrasivo con una pasta de aglomerante líquido/primer componente activo. El orden de los ingredientes de la mezcla no es crítico, previendo que se obtiene una concentración uniforme y una mezcla íntima de granos, partículas y aglomerante líquido. El grado de humedad de los granos abrasivos se puede observar mediante inspección visual. Es decir, los granos abrasivos se verán bien mezclados en la pasta y habrá, como mucho, algunos grumos de granos abrasivos aglomerados.
Se ha de mezclar una cantidad suficiente de pasta adhesiva con los granos abrasivos para mojar por lo menos una fracción mayor del área de superficie de los granos. El límite superior de pasta en la mezcla no es crítico, sin embargo, un exceso de pasta puede dejar un recubrimiento innecesariamente grueso del primer componente activo sobre la superficie de los granos después de secarse el aglomerante líquido. Tal como se ha indicado anteriormente, un recubrimiento muy grueso suministra un componente activo extra a la composición de la soldadura y tiende a promover la formación intermetálica indeseable. Preferiblemente, una fracción mayor del área de superficie de los granos abrasivos se recubrirá con el polvo del primer componente activo después del secado. El porcentaje en peso del recubrimiento sobre una base de peso de diamante después del secado es entre el 5 y el 50% en peso, preferiblemente entre el 5 y el 15% en peso.
Después de que la pasta se mezcla íntimamente con los granos abrasivos, se seca el aglomerante líquido. El término "secado" aplicado a la pasta adhesiva significa que la pasta se convierte de forma mojada a seca, provocando así que las partículas de polvo del primer componente activo se unan mecánicamente a la superficie de los granos abrasivos. Las condiciones de secado estarán dictadas en gran medida por el tipo de aglomerante líquido utilizado. Por ejemplo, el secado se puede conseguir mediante la polimerización de un prepolímero líquido que comprende el aglomerante líquido. Ciertos aglomerantes líquidos que incluyen una porción de líquido volátil y una porción adhesiva se pueden secar mediante la evaporación de la porción líquida para dejar un residuo que adhiere las partículas de polvo a los granos abrasivos. La evaporación puede realizarse mediante los granos abrasivos mojados con pasta adhesiva a una temperatura elevada por debajo de la temperatura de soldadura. La temperatura de evaporación ha de estar también por debajo de la temperatura de descomposición del primer componente activo. Por ejemplo, cuando el TiH_{2} es el componente activo, la evaporación ha de realizarse por debajo de unos 450ºC bajo una atmósfera de gas inerte, es decir, libre de oxígeno. Idealmente, la temperatura de evaporación ha de estar entre unos 50 y 300ºC, y más deseablemente, entre unos 50 y 250ºC. La evaporación puede realizarse en equipos de secado convencionales tales como hornos de cinta continua, de bandeja o de bandeja desplazable, hornos y secadores. Los granos abrasivos de secado y secos no se han de agitar excesivamente para evitar que las partículas de polvo del primer componente activo se separen de los granos abrasivos. Para facilitar el depósito de los granos recubiertos sobre la herramienta de corte, los granos recubiertos han de estar libres de flujo. Algunos procesos de secado producirán granos recubiertos en una masa que se puede desmenuzar. De esta manera, podría ser necesaria alguna ligera agitación para romper los aglomerados.
Los nuevos granos abrasivos recubiertos se pueden usar para fabricar una variedad de herramientas abrasivas. Los granos superabrasivos recubiertos según la presente invención son particularmente útiles para fabricar herramientas abrasivas de una Sola Capa. Generalmente, se pueden usar procesos de fabricación de herramientas convencionales con la precaución añadida de que los granos recubiertos no se han de agitar excesivamente, o de lo contrario se perturbarán de manera que sean propensos a desplazar el recubrimiento de los granos antes de la soldadura.
La composición de la soldadura que se puede usar con los nuevos granos superabrasivos para fabricar una herramienta abrasiva de una Sola Capa incluirá una aleación de bronce y un segundo componente activo. Preferiblemente, cada alegación de bronce y el segundo componente activo serán de una forma particular. Para conveniencia de la manipulación, la composición de la soldadura puede incluir además un vehículo líquido en una proporción efectiva para producir una pasta. Las propiedades físicas de la pasta de composición de la soldadura son similares a las de la pasta adhesiva.
La aleación de bronce es una composición básica de cobre/estaño que consiste esencialmente entre un 10-30% en peso de estaño y una cantidad complementaria de cobre. Mediante "consiste esencialmente" se indica que la aleación de bronce también puede incluir varias cantidades de elementos adicionales que generalmente se añaden a la funcionalidad de la composición soldada sin desmerecer la operación de la presente invención. Por ejemplo, la aleación de bronce puede incluir plata, níquel, carbono, indio y manganeso. Estos elementos adicionales puede presentarse en una aleación previa con el bronce o se pueden añadir como componentes discretos a la composición de la soldadura. Cada elemento adicional preferiblemente estará entre 0,2 y 20 partes en peso (pdw) aproximadamente por 100 pbw de cobre más estaño, y el total normalmente constituirá menos de la mitad de la composición de soldadura.
Opcionalmente, parte del segundo componente activo se puede introducir en la composición de soldadura con la aleación de bronce. Es decir, se puede usar una aleación de bronce que contenga fracciones menores de elementos activos tales como titanio, zirconio, tungsteno y molibdeno. Preferiblemente, la concentración de cada componente activo en la aleación de bronce será menor de entre 3 pbw y 100 pbw aproximadamente del total de cobre y estaño en el bronce.
La aleación de bronce y los segundos componentes activos se suministrarán preferiblemente como polvos gruesos. El tamaño de partícula de estos polvos es generalmente mayor que el tamaño del fino polvo del primer componente activo. Es decir, el tamaño nominal de partícula del polvo grueso ha de ser de por lo menos unos 10 \mum. Mediante "tamaño nominal de partícula" se indica que las partículas de polvo gruesas puede ser menores de 10 \mum y tan pequeñas como unos 5 \mum. El tamaño máximo de las partículas de polvo gruesas se determina principalmente mediante las características de fusión de la composición de soldadura. Preferiblemente, el tamaño ha de ser como máximo 325 de la malla US estándar (44 \mum).
El vehículo líquido proporciona un medio para realizar una mezcla homogénea de los polvos gruesos. También proporciona medios convenientes para manipular estos polvos. El vehículo líquido ha de ser lo suficientemente volátil para evaporarse substancialmente manera completa y/o pirolizarse durante la soldadura sin deja un residuo que pudiera interferir con la formación o función de la soldadura. Preferiblemente, el vehículo líquido se eliminará por debajo de unos 400ºC. Sin embargo, la volatilidad del líquido ha de ser lo suficientemente baja para que la composición de la unión permanezca fluida y adhesiva a temperatura ambiente durante un tiempo de trabajo razonable. Es deseable que el tiempo de trabajo sea lo suficientemente largo para aplicar la composición de soldadura y el abrasivo al núcleo y para prepara las herramientas para la soldadura. Preferiblemente, el tiempo de secado ha de ser menor de unos 1-2 horas. Más preferiblemente, el vehículo líquido se puede evaporar prácticamente de manera total de la composición de unión durante un tiempo de secado de unos 5-20 minutos a unos 50-300ºC.
Se pueden seleccionar materiales comercialmente disponibles, tales como Braz-Binder Gel de Vitta Company y aglomerante "S" de Wall Colmonoy Corporation para el vehículo líquido según la presente invención. También se puede usar aglomerante Lucanex™ de Lucas Company. Se obtiene como una pasta ya mezclada del vendedor con la aleación de bronce y los segundos componentes activos.
Muchos de los procedimientos de procesamiento de fango y pasta conocidos descritos anteriormente como molido giratorio, molido por rodillos y removido se pueden utilizar para mezclas los componentes de la composición de soldadura. El orden para mezclar los polvos y el vehículo líquido no es crítico. La composición de soldadura contendrá unos 0,5-7 pbw de segundo componente activo por cien pbw del total de cobre y estaño en el componente de aleación de bronce, preferiblemente unos 0,5-3 pbw, y más preferiblemente unos 0,5-2 pbw. El recubrimiento del primer componente activo añade muy poco a la cantidad total de componente activo en la nueva unión. Por comparación, las composiciones de soldadura de metal tradicionales para herramientas abrasivas de una Sola Capa típicamente contienen como máximo unos 10 pbw de componente activo. La alta concentración de componente era requerida para mojar los granos superabrasivos de manera suficiente para proporcionar una unión fuerte. La presente invención, sin embargo, presenta la ventaja de que es necesario que hayan muchos menos componentes activos para realizar un excelente mojado de los granos. Estas cantidades menores hacen menos activo al componente disponible para formar fases intermetálicas que debilitan la unión entre el abrasivo y el núcleo y que afectan de manera adversa a la capacidad de retirarse la composición soldada de las herramientas desgastadas.
La composición de soldadura se puede recubrir sobre una superficie operativa del núcleo mediante cualquiera de las técnicas conocidas en la técnica, tal como cepillado, pulverización, tratamiento o hundimiento de la superficie de la herramienta en la pasta. Por ejemplo, la pasta de la composición de soldadura se puede recubrir sobre el núcleo con la ayuda de una máquina de giro. La composición de soldadura se ha de colocar sobre el núcleo a una profundidad de unión efectiva. Es decir, el espesor de la composición de soldadura será suficiente para permitir que la soldadura rodee y sumerja, por lo menos parcialmente, los granos abrasivos durante la soldadura. A continuación se deposita una capa de nuevos granos abrasivos recubiertos sobre el recubrimiento de la composición de soldadura. Los granos abrasivos se pueden colocar individualmente o espolvoreados de una manera para proporcionar una distribución uniforme sobre la superficie de corte. Los granos abrasivos están depositados en una Sola Capa, es decir, substancialmente con un espesor de un grano. Puede ser necesario agitar, golpear ligeramente o invertir la herramienta encendida previamente para retirar los granos en exceso.
Los granos abrasivos están fijados al núcleo mediante soldadura. Se pueden usar procedimientos y equipos de soldadura convencionales. Generalmente, la etapa de soldadura implica el calentamiento del conjunto de granos abrasivos incrustados en la composición de soldadura depositada sobre el núcleo. La temperatura del conjunto aumenta según un programa de tiempo-temperatura preseleccionado. A temperaturas elevadas inferiores, es decir, por debajo de unos 400-600ºC, los restos de las fracciones volátiles y combustibles del aglomerante líquido se evaporan y/o pirolizan. De una manera similar, la porción de vehículo líquido de la composición de unión se quema a estas temperaturas. También a estas temperaturas, los compuestos de componentes activos que contienen iones reactivos se descomponen para liberar el ión reactivo. Por ejemplo, el hidruro de titanio se descompone en titanio elemental e hidrógeno. La temperatura se aumenta más a unos 800-950ºC, donde se produce la soldadura de la aleación de bronce y los componentes activos para unir los superabrasivos al núcleo. La duración de exposición a las diferentes temperaturas se puede elegir para optimizar la soldadura. Un técnico en la materia podría identificar las condiciones de tiempo y temperatura adecuadas sin demasiada experimentación.
Esta invención se describe ahora mediante ejemplos de ciertas realizaciones representativas de la misma, en la que todas las partes, proporciones y porcentajes son en peso, a menos que se indique lo contrario. Todas las unidades de peso y medida no obtenidas originalmente en unidades del SI se han convertido a unidades del SI.
Ejemplos Ejemplo 1
Se formó una pasta mezclando 80 partes en peso de polvo de TiH_{2} (Cerac Company, Milwaukee, Wisconsin) y 20 partes en peso de Vitta Braz-Binder Gel (Vitta Corporation, Bethel, Connecticut). El tamaño nominal de partícula del polvo de TiH_{2} era de 325 malla US estándar (44 \mum), sin embargo, el tamaño de partícula máximo real era de unos 10 \mum. Los ingredientes se añadieron a un crisol y se removieron manualmente con una espátula hasta que la pasta tenía una consistencia lisa. Se añadieron cristales de diamante naturales de malla US estándar nominal 25 (0,707 mm) a la pasta y se mezclaron mediante un removido adicional. Después de que los diamantes se mojaron completamente con la pasta de TiH_{2}, la mezcla de diamante se secó en un horno a 200ºC durante 2 h. El aglomerante se evaporó completamente después del secado.
Ejemplos 2-6
Ejemplos comparativos 1-3
La capacidad de las diferentes composiciones de soldadura de soldar los cristales de diamante del Ejemplo 1 se investigó en una serie de experimentos de prueba de soldadura descritos con referencia a la Tabla I. Se prepararon cristales de diamante con recubrimiento de polvo de TiH_{2} tal como se describe en el Ejemplo 1. En el Ejemplo Comparativo 2, los cristales de diamante no estaban recubiertos. Se preparó una composición de soldadura mezclando polvo de aleación de bronco cobre-estaño (malla US estándar < 325) y polvo de TiH_{2} (tamaño de partícula máximo real 44 \mum) en las proporciones mostradas en la Tabla I junto con Vitta Braz-Binder Gel. La composición contenía un 20% en peso de vehículo líquido y un 80% en peso de sólidos. La composiciones de soldadura se mezclaron mediante removido manual durante unos diez minutos para formar una pasta viscosa de consistencia uniforme. Un lecho de composición de soldadura se extendió a una profundidad de 6 mm sobre la parte superior de cada uno de los bloques preformados de acero de bajo carbono planos de 10 mm de ancho aproximadamente.
Los grupos de cristales de diamante se colocaron sobre los lechos de las composiciones de soldadura y los bloques se calentaron a las temperaturas de soldadura indicadas durante el tiempo mostrado en la Tabla I. Bajo estas condiciones de soldadura, todas las composiciones de aleación de soldadura se fundieron alrededor de los cristales de diamante. La naturaleza de la unión entre el diamante y la soldadura se observó mediante inspección visual.
En el Ejemplo Comparativo 1, la aleación de soldadura no mojó la superficie de los diamantes y los cristales se dejaron en pozos muy poco profundos de composición soldada. Esta estructura no proporcionó una unión fuerte. En contraste, las composiciones soldadas de cada uno de los Ejemplos 2-4 formaron un amplio menisco alrededor de cada grano de diamante y los granos se sumergieron profundamente en la soldadura. Esta morfología indica que los diamantes fundidos se unieron fuertemente a una herramienta abrasiva de una Sola Capa. Estos ejemplos muestran además que solamente una cantidad muy pequeña del segundo componente activo en la composición de soldadura puede hacer la composición soldada compatible con los granos de diamante recubiertos. Aunque se ha visto que son suficientes unas 1,5 partes en peso (pbw), puede ser adecuada una cantidad menor, tan baja como unos 0,5 pbw. Además, tal como se muestra en el Ejemplo Comparativo 2, la composición de soldadura con una baja concentración de titanio no mojó adecuadamente los diamantes no recubiertos. Sin embargo, el Ejemplo 3 demuestra que un recubrimiento unido mecánicamente de un primer componente activo provoca el mismo 2 pbw de titanio en la composición de soldadura para mojar completamente los cristales de diamante.
TABLA I
1
Los experimentos de prueba de soldadura se repitieron con una aleación de bronce diferente que contiene plata en los Ejemplos 5-6 y el Ejemplo Comparativo 3. Cada composición de soldadura incluía 2 pbw de TiH_{2}. El primer componente activo en el Ejemplo 6 era polvo de titanio elemental de malla US estándar < 325 (< 44 \mum) de Cerac Company, Milwaukee, Wisconsin. En los Ejemplos 5 y 6, la composición soldada formó un menisco alrededor de los cristales de diamante, mientras que la composición soldada idéntica en el Ejemplo Comparativo 3 no lo hizo. Estos experimentos confirman que el recubrimiento de los granos de diamante mejora de manera significativa la compatibilidad entre el diamante y la composición soldada. Además, el Ejemplo 6 demuestra que el polvo de titanio elemental es un primer componente activo efectivo.
Ejemplo 7
Ejemplo comparativo 4
Se realizaron pruebas de soldadura adicionales tal como se describen anteriormente con las siguientes variaciones: En el Ejemplo 7, en 68% en peso del polvo de TiH2 se mezcló con un 32% en peso de aglomerante "S" registrado de Wall Colmonoy Corporation para formar una pasta de fango. La pasta se mezcló con cristales de diamante de tamaño de partícula de malla US estándar 20/30, es decir, entre 0,841 y 0,595 mm para mojar el diamante. La mezcla se secó en un horno a 175ºC durante 2 h para evaporar completamente el aglomerante "S". A continuación, los diamantes recubiertos y un control de diamantes no recubiertos, Ejemplo Comparativo 4, se soldaron usando la composición y las condiciones de soldadura indicadas en la Tabla II. La efectividad de la composición soldada resultante se observó mediante inspección visual. El experimento muestra que 2 pbw de TiH_{2} incluidos en la composición de soldadura no provocaron que la composición soldada mojara los diamantes no recubiertos muy bien. En contraste, el cristales de diamante se mojaron bien con la misma aleación de soldadura. Basado en este experimento, se puede concluir que el aglomerante Wall Colmonoy "S" puede ser un aglomerante líquido volátil efectivo según la presente invención.
TABLA II
2
Ejemplos comparativos 5-6
Se repitieron las pruebas de soldadura como en el Ejemplo 7 excepto en que dos tipos de diamante recubierto con titanio disponibles comercialmente se sustituyeron por diamante recubierto mecánicamente. En el Ejemplo Comparativo 5, se usaron diamantes sintéticos de tamaño de partícula de malla US estándar 25/30 (0,707-0,595 mm) de General Electric Company. Los diamantes en el Ejemplo Comparativo 6 eran de tamaño de partícula de malla US estándar 40/50 (0,42-0,297 mm) de Deberes. El recubrimiento de titanio sobre los diamantes Deberes era de un 0,5% en peso y la cantidad de titanio en los diamantes de General Electric se desconoce, pero se estima que el recubrimiento es menor de 1 micrón aproximadamente de espesor. Se completó la soldadura con las composiciones y las condiciones mostradas en la Tabla II.
Las soldaduras no mojaron ninguna de las muestras de diamante recubiertas comercialmente. Aunque no se conoce con certeza, se piensa que el recubrimiento de titanio comparativamente fino sobre los diamantes comerciales se realiza mediante deposición de vapor química o física o un procedimiento de unión directa similar. Estos procedimientos producen espesor de recubrimiento de escala molecular. Estos recubrimientos extremadamente fino no hacen que las composiciones de soldadura mojen el diamante. Se cree que los diamantes recubiertos de titanio comerciales no disponen del suficiente titanio sin reaccionar en el recubrimiento para hacer que las composiciones de soldadura mojen el diamante.
Aunque se han seleccionado formas específicas de la invención para ilustración en los ejemplos, y la descripción anterior se realiza en términos específicos para el propósito de describir estas formas de la invención, esta descripción no está pensada para limitar el ámbito de la invención que está definida en las reivindicaciones.

Claims (21)

1. Procedimiento para la fabricación de una herramienta abrasiva que tiene un núcleo de metal, que comprende las etapas de:
mezclar a una composición uniforme un primer componente activo en polvo seleccionado entre el grupo que consiste en titanio elemental e hidruro de titanio y una cantidad efectiva de un aglomerante líquido para formar una pasta adhesiva;
mezclar granos superabrasivos, teniendo cada uno un área de superficie, con una cantidad efectiva de la pasta adhesiva para mojar una fracción mayor del área de superficie de los granos superabrasivos con la pasta;
secar el aglomerante líquido mediante calentamiento de los granos superabrasivos mojados a unos 50ºC - 300ºC hasta que el líquido en el aglomerante se evapore, produciendo así granos superabrasivos recubiertos que tiene un recubrimiento de superficie unido mecánicamente con un espesor > 1 micrón del primer componente activo en polvo;
recubrir una superficie operativa del núcleo con una cantidad efectiva de una composición de soldadura que comprende un segundo componente activo;
depositar una Sola Capa de granos superabrasivos recubiertos en la composición de soldadura sobre la superficie operativa del núcleo de metal;
calentar el núcleo de metal recubierto bajo una atmósfera inerte para retirar substancialmente todo el aglomerante líquido; y
soldar los granos superabrasivos recubiertos al núcleo a una temperatura de por lo menos 700ºC para realizar una reacción entre los granos superabrasivos, el primer componente activo y el segundo componente activo.
2. La invención según la reivindicación 1, en la que los granos superabrasivos recubiertos tiene un recubrimiento de superficie de 4 a 150 micrones aproximadamente de espesor del primer componente activo en polvo.
3. La invención según la reivindicación 1, en la que el primer componente activo en polvo tiene un tamaño de partícula entre 4 y 44 mm aproximadamente.
4. La invención según la reivindicación 1, en la que el superabrasivo se selecciona entre el grupo que consiste en diamante y nitruro de boro cúbico.
5. La invención según la reivindicación 1, en la que el segundo componente activo está presente en la composición de soldadura en forma de un polvo de tamaño de partícula entre 4 y 150 mm aproximadamente.
6. La invención según la reivindicación 1, en la que el segundo componente activo comprende un metal seleccionado entre el grupo que consiste en titanio, silicio, cromo, tungsteno, vanadio, molibdeno, hafnio, hierro, zirconio, y compuestos reactivos de los mismos y mezclas de los mismos.
7. La invención según la reivindicación 6, en la que el segundo componente activo se selecciona entre el grupo que consiste en titanio elemental e hidruro de titanio.
8. La invención según la reivindicación 1, en la que la composición de soldadura comprende:
100 partes en peso de un polvo grueso de una aleación de bronce que consiste esencialmente en 10-30% en peso aproximadamente de estaño y una cantidad complementaria de cobre;
0,5 - 7 partes en peso aproximadamente de polvo grueso de un segundo componente activo; y
15 - 30 partes en peso de un vehículo líquido.
9. La invención según la reivindicación 8, en la que el total del primer componente activo y el segundo componente activo es menor que 5 partes en peso aproximadamente por 100 partes en peso de aleación de bronce.
10. La invención según la reivindicación 8, en la que el segundo componente activo está entre 0,5 y 3,0 partes en peso aproximadamente por 100 partes en peso de aleación de bronce.
11. La invención según la reivindicación 8, en la que la soldadura se realiza mediante calentamiento del núcleo de metal recubierto a una temperatura de 750 a 950ºC durante 5 a 30 minutos bajo una atmósfera no oxidante.
12. Herramienta abrasiva, que comprende:
un núcleo de metal que tiene una superficie operativa; y
una capa de un grano de espesor de granos superabrasivos soldados a la superficie operativa; estando recubierto cada grano con un espesor macromolecular de un primer componente activo en polvo, seleccionado entre el grupo que consiste en titanio elemental e hidruro de titanio, caracterizada por el hecho de que el primer componente activo está unido de manera exclusivamente mecánica a los granos superabrasivos antes de la soldadura por calentamiento de los granos superabrasivos recubiertos a unos 50ºC - 300ºC hasta que se evapora cualquier líquido sobre los granos superabrasivos recubiertos; y
una composición soldada sobre la superficie operativa, siendo el producto soldado de una composición de soldadura que incluye:
100 partes en peso aproximadamente de un polvo grueso de una aleación de bronce que consiste esencialmente en 10-30% en peso aproximadamente de estaño y una cantidad complementaria de cobre; y
0,5 - 7 partes en peso aproximadamente de polvo grueso de un segundo componente activo.
13. Herramienta abrasiva según la reivindicación 12, en la que el superabrasivo se selecciona entre el grupo que consiste en diamante y nitruro de boro cúbico.
14. Herramienta abrasiva según la reivindicación 12, en la que el segundo componente activo comprende un metal seleccionado entre el grupo que consiste en titanio, silicio, cromo, tungsteno, vanadio, molibdeno, hafnio, hierro, zirconio, y compuestos reactivos de los mismos y mezclas de los mismos.
15. Herramienta abrasiva según la reivindicación 12, en la que el primer componente activo y el segundo componente activo son químicamente idénticos.
16. Herramienta abrasiva según la reivindicación 12, en la que el total del primer componente activo y el segundo componente activo es como máximo unas 5 partes en peso de la composición de soldadura.
17. Herramienta abrasiva según la reivindicación 12, en la que el segundo componente activo está presente en la composición de soldadura entre 0,5 y 3,0 partes en peso aproximadamente.
18. Arena abrasiva recubierta adecuada para soldarse a un núcleo de una herramienta abrasiva de metal de una sola capa, comprendiendo la arena abrasiva recubierta granos superabrasivos, estando recubierto cada grano con un espesor macromolecular de entre 4 y 150 micrones aproximadamente de un primer componente activo en polvo, seccionado entre el grupo que consiste en titanio elemental e hidruro de titanio, caracterizada por el hecho de que el recubrimiento está unido exclusivamente de manera mecánica al grano mediante un procedimiento que comprende las etapas de:
mezclar a una composición uniforme un primer componente activo en polvo seleccionado entre el grupo que consiste en titanio elemental e hidruro de titanio y una cantidad efectiva de un aglomerante líquido para formar una pasta adhesiva;
mezclar granos superabrasivos, teniendo cada uno un área de superficie, con una cantidad efectiva de la pasta adhesiva para mojar una fracción mayor del área de superficie de los granos superabrasivos con la pasta;
secar el aglomerante líquido mediante calentamiento de los granos superabrasivos mojados a unos 50ºC - 300ºC hasta que el líquido en el aglomerante se evapore.
19. Herramienta abrasiva según la reivindicación 18, en la que el recubrimiento del primer componente activo en polvo está presente entre un 5 y 50 por ciento en peso aproximadamente del grano superabrasivo.
20. La invención según la reivindicación 18, en la que el polvo del primer componente activo tiene un tamaño de partícula entre 4 y 44 micrones aproximadamente.
21. La invención según la reivindicación 18, en la que el superabrasivo se selecciona entre el grupo que consiste en diamante y nitruro de boro cúbico.
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