ES2240484T3 - Procedimiento de produccion de un producto abrasivo que contiene diamante. - Google Patents

Procedimiento de produccion de un producto abrasivo que contiene diamante.

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ES2240484T3 ES01954249T ES01954249T ES2240484T3 ES 2240484 T3 ES2240484 T3 ES 2240484T3 ES 01954249 T ES01954249 T ES 01954249T ES 01954249 T ES01954249 T ES 01954249T ES 2240484 T3 ES2240484 T3 ES 2240484T3
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Abstract

Un procedimiento para producir un producto abrasivo que comprende: (1) proporcionar una mezcla de una masa de partículas de carburo discretas y una masa de partículas de diamante, las partículas de diamante estarán presentes en la mezcla en una cantidad tal que el contenido de diamante del producto abrasivo oscila entre el 10% y el 18% en peso, ambos inclusive, y (2) someter la mezcla a condiciones de presión y temperatura elevadas, a las que el diamante es cristalográficamente estable y a las que no se forma sustancialmente grafito, en presencia de un medio enlazante capaz de enlazar la mezcla dando un producto sinterizado y coherente para producir un producto abrasivo, el medio enlazante comprende una combinación de: (a) un metal de transición o una aleación de metal de transición, y (b) entre el 0, 5% y el 40% en volumen del medio enlazante de un segundo metal seleccionado del grupo constituido por: silicio, titanio, zirconio, molibdeno, niobio, tungsteno, vanadio, hafnio, tántalo, cromo, manganeso, boro, berilio, cerio, torio y rutenio, o una aleación del segundo metal, o de carburo de cromo, para proporcionar un carburo más fuerte que el del metal de transición o el de la aleación de transición.

Description

Procedimiento de producción de un producto abrasivo que contiene diamante.
Antecedentes de la invención
Esta invención se refiere a un procedimiento para producir un producto abrasivo que contiene diamante y carburo cementado.
El carburo cementado es un material cuya utilización se encuentra muy extendida en la industria en una variedad de aplicaciones, bien como material de desgaste, bien como material de resistencia al desgaste. Los carburos cementados generalmente están formados por partículas de carburo adecuadas tales como carburo de tungsteno, carburo de tántalo o carburo de titanio, enlazados por medio de un metal de enlace tal como cobalto, hierro o níquel, o por medio de una aleación de éstos. Típicamente, el contenido metálico de los carburos cementados oscila entre el 3 y el 35% en peso. Se producen por síntesis de las partículas de carburo y del metal de enlace a temperaturas del orden de
1400ºC.
En el otro extremo del espectro se encuentran productos abrasivos ultraduros y resistentes al desgaste. El diamante y los nitruros compactos de boro cúbico son masas policristalinas de partículas de diamante o nitruro de boro cúbico, el enlace se creó en condiciones de presión y temperatura elevadas en las que el componente ultraduro, es decir, el diamante o el nitruro de boro cúbico, es cristalográficamente estable. El diamante policristalino (DPC) y el nitruro de boro cúbico policristalino (NBPC) se pueden producir con o sin una segunda fase o matriz de enlace. La segunda fase, cuando se proporciona, puede ser, en el caso del diamante, un catalizador/disolvente como el cobalto o puede ser un carburo de un elemento como el silicio. En la síntesis del NBPC con varios carburos, nitruros y boruros se utilizan mecanismos de síntesis similares que tienen en común las segundas fases.
El DPC y el NBPC tienen mucha mayor resistencia al desgaste que los carburos cementados pero tienden a ser frágiles. Esta fragilidad puede llevar a desportillamientos en la superficie de trabajo, lo cual puede ser un problema en aplicaciones en las que sea necesario un acabado fino. Además, los productos ultraduros como el DPC y el NBPC generalmente no se pueden soldar directamente sobre una base metálica. Por lo tanto, con frecuencia se sinterizan combinándolos con un sustrato de carburo cementado. La naturaleza en dos capas de tales productos ultraduros puede presentar problemas en términos de fuerzas termomecánicas entre los dos materiales: diferente dilatación y contracción con el calor y el frío debido a que los coeficientes de expansión térmica y el módulo elástico son diferentes. Esto puede llevar a la formación de grietas o a fuerzas residuales desfavorables si el sustrato y el producto ultraduro son demasiado diferentes. Otro problema potencial de tales materiales en dos capas es el debilitamiento, es decir el desgaste preferente de la base de carburo menos resistente a la abrasión. Además, el mecanizado de los productos ultraduros es difícil y costoso, mientras que los productos carburos pueden ser relativamente fáciles de mecanizar para obtener la geometría final.
Se han realizado una serie de esfuerzos para resolver algunos de estos problemas.
La patente de Estados Unidos nº 4.525.178 describe un material composite que incluye una mezcla de cristales de diamante individual y de piezas de carburos precementados. La mezcla se encuentra bajo condiciones de presión y temperatura elevadas en la región estable del diamante, para crear un cuerpo de diamante de composite policristalino. La mezcla utiliza carburo precementado y no partículas de carburo discretas.
La patente de Estados Unidos nº 5.045.092 describe un procedimiento para formar un artículo de carburo de tungsteno cementado con partículas incrustadas de diamante. Con este procedimiento, las partículas incrustadas de diamante se producen in situ.
La patente europea nº 0.256.829 describe un carburo cementado modificado de tal manera que contiene hasta un 20% en peso de partículas de nitruro de boro cúbico. El carburo cementado se produce preferentemente bajo las condiciones de la síntesis del nitruro de boro cúbico de tal forma que se minimizan los daños al nitruro de boro cúbico.
La patente europea nº 0.583.916 describe un procedimiento de producción de un producto abrasivo que comprende una mezcla de diamante y partículas discretas de carburo. Las partículas de diamante son menores que las partículas de carburo y se encuentran presentes en la mezcla en una cantidad superior al 50% en volumen. La mezcla se somete a condiciones de presión y temperatura elevadas, en las que el diamante es cristalográficamente estable, en presencia de un metal enlazante capaz de enlazar la mezcla formando un conglomerado duro.
Sumario de la invención
Según la invención se proporciona un procedimiento para producir un producto abrasivo que comprende:
(1)
proporcionar una mezcla de una masa de partículas de carburo discretas y una masa de partículas de diamante. Las partículas de diamante estarán presentes en la mezcla en una cantidad tal que el contenido de diamante del producto abrasivo oscila entre el 10 y el 18% en peso, ambos incluidos, y
(2)
someter la mezcla a condiciones de presión y temperatura elevadas a las que el diamante es cristalográficamente estable y a las que no se forma sustancialmente grafito, en presencia de un medio enlazante capaz de enlazar la mezcla en un producto sinterizado, coherente y para producir un producto abrasivo. El medio enlazante comprende:
(a)
un metal de transición o una aleación de metal de transición, preferentemente cobalto, hierro, níquel o aleaciones de éstos, y
(b)
un porcentaje en volumen que oscila entre el 0,5% y el 40% del medio enlazante (es decir, metal (a) más metal (b) de un segundo metal seleccionado del grupo constituido por: silicio, titanio, zirconio, molibdeno, niobio, tungsteno, vanadio, hafnio, tántalo, cromo, manganeso, boro, berilio, cerio, torio y rutenio, o una aleación del segundo metal, o de carburo de cromo, para proporcionar un carburo más fuerte que el del metal de transición o el de la aleación de transición.
El metal (a) se proporciona preferentemente en forma de polvo, pero también se puede añadir en forma de un precursor orgánico o una sal del precursor que a continuación se piroliza para obtener un metal finamente dispersado.
El metal (b) se puede proporcionar pulverizado, pero también se puede añadir en forma de precursor orgánico o precursor de sal. Adicionalmente, el metal (b) puede ser cromo en forma de carburo no estequiométrico, o en forma de carburo estequiométrico, donde el metal (b) es suficientemente soluble en el metal (a) de tal forma que el metal (b) puede migrar a través del metal (a).
Los metales (a) y (b) se pueden proporcionar en forma de aleación de los metales (a) y (b).
El metal o de la aleación enlazante, por ejemplo los metales (a) y (b) se pueden mezclar con partículas de carburo y con partículas de diamante y la mezcla se puede sinterizar como tal, o la mezcla se puede prensar en frío primero para producir un cuerpo débil pero coherente antes de la síntesis.
Alternativamente, el metal o la aleación enlazante, por ejemplo los metales (a) y (b) se pueden proporcionar en forma de una capa separada adyacente a la mezcla de carburo-diamante que se infiltran durante la etapa de tratamiento a alta temperatura / alta presión.
Las partículas de diamante se encuentran preferentemente presentes en la mezcla en una cantidad tal que el contenido de diamante del producto abrasivo oscila entre el 10% y el 18% en peso, ambos incluidos.
Las partículas de diamante pueden ser finas o gruesas. Las partículas de diamante tienen preferentemente un tamaño de partícula que se encuentra en el rango de 0,2 \mum hasta 70 \mum, ambos incluidos, preferentemente menos de 20 \mum, más preferentemente menos de 10 \mum.
El metal o la aleación enlazante se utiliza preferentemente en una cantidad que va del 2% al 20% en peso, ambos incluidos, del producto abrasivo, más preferentemente del 5% al 20% en peso del producto abrasivo, aún más preferentemente menos del 15% en peso del producto abrasivo.
Las partículas del carburo pueden ser cualquiera de las partículas de los carburos utilizados en la fabricación de los carburos cementados convencionales. Ejemplos de carburos adecuados son el carburo de tungsteno, el carburo de tántalo, el carburo de titanio y mezclas de dos o más de éstos.
Las partículas de carburo tienen preferentemente un tamaño de partícula que se encuentra en el rango que oscila entre 0,1 \mum y 10 \mum ambos incluidos.
La síntesis de la mezcla de partículas de carburo y diamante y la aleación enlazante ocurre preferentemente a una temperatura en el rango que va de 1300ºC a 1600ºC ambas incluidas, y a una presión de 40 a 70 kbar ambas incluidas.
Esta etapa se lleva a cabo preferentemente bajo condiciones controladas no oxidativas.
La síntesis de la mezcla de partículas de carburo y diamante y la aleación enlazante se puede llevar a cabo en un aparato convencional de alta presión/alta temperatura. La mezcla se puede cargar directamente en la cápsula de reacción de dicho aparato. Alternativamente, la mezcla se puede colocar sobre una base de carburo cementado o en un hueco formado sobre una base de carburo. De esta forma se puede cargar en la cápsula.
En un procedimiento preferente de la invención, las partículas de carburo, las partículas de diamante y la aleación enlazante contienen sustancias volátiles que se eliminan antes de la síntesis, por ejemplo calentándolas y sometiéndolas a vacío. Estos componentes preferentemente se sellan al vacío, por ejemplo, por soldadura por haz de electrones antes de la síntesis. El vacío puede, por ejemplo, ser un vacío a 1 mbar o menos y la temperatura pueden encontrarse en el rango que va de 500ºC a 1200ºC, ambas incluidas.
El producto abrasivo producido por el procedimiento de la invención se puede utilizar como producto abrasivo para erosionar materiales, o como material resistente al desgaste, particularmente en componentes o piezas de herramientas que están formadas por un abrasivo compacto enlazado a un soporte de carburo cementado. Las aplicaciones típicas incluyen componentes de corte de madera y materiales de construcción, así como el mecanizado de varias piezas de metales no ferrosos.
Descripción de las formas de realización
El punto clave de la invención es un procedimiento para producir un producto abrasivo proporcionando una mezcla de una masa de partículas de carburo discretas y una masa de partículas de diamante, sometiendo la mezcla a condiciones de presión y temperatura elevadas a las que el diamante es cristalográficamente estable y a las que sustancialmente no se forma grafito, en presencia de un metal o una aleación enlazante capaz de enlazar la mezcla en un producto sinterizado coherente. Las partículas de diamante se encuentran presentes en la mezcla en una cantidad tal que el contenido en diamante del producto abrasivo oscila entre el 10% y el 18% en peso, ambos porcentajes incluidos.
El producto abrasivo producido es, en efecto, un carburo cementado que se ha modificado por la adición de partículas de diamante. La adición de estas partículas proporciona un carburo cementado con mejores propiedades abrasivas y de resistencia al desgaste.
El producto abrasivo producido debe encontrarse sustancialmente libre de grafito. La presencia de una cantidad significativa de grafito reduce las propiedades abrasivas y de resistencia al desgaste del producto. Para producir el producto es importante que se elijan las condiciones que logren esto.
La etapa de sinterización se lleva a cabo en presencia del medio enlazante que comprende una combinación de (a) un metal de transición o una aleación de un metal de transición y (b) del 0,5% al 40% en volumen del medio enlazante de un segundo metal que es un carburo más fuerte que el previamente mencionado metal del transición o aleación del metal de transición, o una aleación de este segundo metal.
Puesto que los metales que forman el carburo tienden a reaccionar con las partículas de diamante, grandes cantidades de tales metales pueden resultar en una pérdida excesiva de la fase de diamante y en la formación de una elevada proporción de fases quebradizas no deseables. De este modo, el metal (b) se utiliza en una cantidad que va del 0,5% al 40% en volumen del medio enlazante, es decir, el contenido total del metal, y esto es suficiente para lograr un producto con una alta resistencia al desgaste.
La presencia del metal (b) lleva a mejoras de enlace de los gránulos de diamante en la matriz de carburo y de este modo a una mejora de las propiedades del producto abrasivo producido.
A continuación se va a describir la invención más detalladamente con referencia a los siguientes ejemplos.
Ejemplo 1
(Comparativa)
Una mezcla en polvo de 14,9% en peso de diamante, 75,7% en peso de carburo de tungsteno y 9,4% en peso de cobalto, todo incluido en un rango de tamaño que va de 1 a 2 micrómetros, se mezcló exhaustivamente en una trituradora de bolas planetarias para lograr una mezcla homogénea de los materiales. La mezcla se compacto uniaxialmente para formar un aglomerado coherente. El aglomerado se cargo en un recipiente metálico y a continuación se le quitaron los gases sometiéndolo a vacío a 1100ºC y se selló por soldadura por haz de electrones. Los contenedores sellados se cargaron en la cápsula de reacción de un aparato estándar de alta presión/alta temperatura y las cápsulas cargadas se colocaron en el centro de reacción de este aparato. Los contenidos de la cápsula se sometieron a una temperatura de aproximadamente 1450ºC y a una presión de 50 kbar. Estas condiciones se mantuvieron durante 10 minutos. Una vez acabado el tratamiento se sacó del recipiente metálico un material resistente al desgaste, duro y bien sinterizado.
La resistencia a la abrasión del material se probó utilizando un ensayo de torneado donde se mecanizó una resina epoxi llena de polvo de sílice utilizando las siguientes condiciones:
Formato de muestra: cuadrante de 90º de 3,2 mm de espesor
Sujeción a la herramienta: neutra
Ángulo de velocidad:
Ángulo de salida:
Velocidad de corte: 10 m/min
Profundidad del corte: 1,0 mm
Velocidad de alimentación: 0,3 mm/rev
Duración del ensayo: 60 s
Bajo las condiciones dadas, el material exhibió una anchura de resistencia por el flanco máxima de 0,21 mm.
Ejemplo 2
Con el fin de evaluar el beneficio de un carburo metálico más "activo", en este caso Cr_{3}C_{2}, se preparó la siguiente mezcla utilizando el procedimiento del ejemplo 1:
14,9% en peso de diamante
75,7% en peso de carburo de tungsteno
8,5% en peso de cobalto
0,9% en peso de carburo de cromo (Cr_{3}C_{2})
Utilizando el mismo ensayo de torneado que en el ejemplo 1 el material mostró una anchura de resistencia por el flanco máxima de 0,11 mm.
Ejemplo 3
Para evaluar las ventajas del cromo como carburo metálico se preparó otro ejemplo más, esta vez introducido no como carburo sino como metal:
14,9% en peso de diamante
76,0% en peso de carburo de tungsteno
5,7% en peso de cobalto
2,3% en peso de níquel
1,1% en peso de cromo
Utilizando el mismo ensayo de torneado que en el ejemplo 1 el material mostró una anchura de resistencia por el flanco máxima de 0,09 mm.

Claims (14)

1. Un procedimiento para producir un producto abrasivo que comprende:
(1)
proporcionar una mezcla de una masa de partículas de carburo discretas y una masa de partículas de diamante, las partículas de diamante estarán presentes en la mezcla en una cantidad tal que el contenido de diamante del producto abrasivo oscila entre el 10% y el 18% en peso, ambos inclusive, y
(2)
someter la mezcla a condiciones de presión y temperatura elevadas, a las que el diamante es cristalográficamente estable y a las que no se forma sustancialmente grafito, en presencia de un medio enlazante capaz de enlazar la mezcla dando un producto sinterizado y coherente para producir un producto abrasivo, el medio enlazante comprende una combinación de:
(a)
un metal de transición o una aleación de metal de transición, y
(b)
entre el 0,5% y el 40% en volumen del medio enlazante de un segundo metal seleccionado del grupo constituido por: silicio, titanio, zirconio, molibdeno, niobio, tungsteno, vanadio, hafnio, tántalo, cromo, manganeso, boro, berilio, cerio, torio y rutenio, o una aleación del segundo metal, o de carburo de cromo, para proporcionar un carburo más fuerte que el del metal de transición o el de la aleación de transición.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el metal de transición se selecciona del grupo constituido por cobalto, hierro y níquel.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el metal (a) se proporciona bien en forma de polvo o bien en forma de un precursor orgánico o precursor de sal que se piroliza posteriormente para, dar como resultado en un metal dispersado finamente.
4. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el metal (b) se proporciona bien en forma de polvo o bien en forma de un precursor orgánico o precursor de sal.
5. Un procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el metal (a) y el metal (b) se proporcionan en forma de una aleación del metal (a) con el metal (b).
6. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa (1) el medio enlazante se mezcla con las partículas de carburo y con las partículas de diamante, y en la etapa (2) la mezcla se somete a condiciones de presión y temperatura elevadas.
7. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa (1) el medio enlazante se mezcla con las partículas de carburo y con las partículas de diamante, y después la mezcla se prensa en frío para producir un cuerpo coherente frágil, y en la etapa (2) el cuerpo coherente frágil se somete a condiciones de presión y temperatura elevadas.
8. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa (1) el medio enlazante se suministra en forma de capa separada adyacente a la mezcla de la masa de partículas de carburo y a la masa de partículas de diamante, y en la etapa (2) el medio enlazante se infiltra cuando la mezcla se encuentra sometida a condiciones de presión y temperatura elevadas.
9. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que las partículas de diamante tienen un tamaño de partícula que se encuentra en el intervalo de 0,2 \mum a 70 \mum, ambos inclusive.
10. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el medio enlazante se utiliza en una cantidad del 2% al 20% en peso, ambas incluidas, del producto abrasivo.
11. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que las partículas de carburo se seleccionan del grupo constituido por partículas de carburo de tungsteno, partículas de carburo de tántalo, partículas de carburo de titanio y mezclas de dos o más de éstas.
12. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que las partículas de carburo tienen un tamaño de partícula de 0,1 \mum a 10 \mum, ambos inclusive.
13. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que en la etapa (2) las condiciones de presión y temperatura elevadas se corresponden con una temperatura en el intervalo de 1300ºC a 1600ºC, ambas inclusive, y una presión de 40 kbar a 70 kbar, ambas inclusive.
14. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la etapa (2) se lleva a cabo bajo condiciones controladas no oxidativas.
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