ES2240484T3 - Procedimiento de produccion de un producto abrasivo que contiene diamante. - Google Patents
Procedimiento de produccion de un producto abrasivo que contiene diamante.Info
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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.
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.
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.
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.
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: | 0º |
| Ángulo de salida: | 6º |
| 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.
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.
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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