ES2293919T3 - Proceso para tratar por calor ceramica y articulos de fabricacion compuestos por la misma. - Google Patents
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Abstract
Un proceso para fabricar un inserto de corte de cerámica pulido tratado por calor, seleccionándose dicha cerámica entre el grupo compuesto por cerámica basada en nitruro de silicio, cerámica reforzada con fibras de carburo de silicio, cerámica basada en alúmina y cerámica basada en carbonitruro de titanio, comprendiendo dicho proceso las etapas de: a) formar un inserto de corte compacto de cerámica verde a partir de una mezcla en polvo; b) consolidar el inserto de corte compacto de cerámica verde para formar un inserto de corte virgen de cerámica no pulido no recubierto; c) pulir al menos una parte del inserto de corte virgen de cerámica no pulido no recubierto para formar un inserto de corte de cerámica pulido no recubierto; y d) tratar por calor el inserto de corte de cerámica pulido no recubierto para formar el inserto de corte de cerámica pulido tratado por calor donde el tratamiento por calor sucede en una atmósfera que comprende uno o más de nitrógeno, argón y monóxido de carbono y auna presión que varía de subatmosférica a 206, 8 * 106 Pa (30.000 psi) y, si dicha cerámica es una cerámica basada en nitruro de silicio, a una temperatura que varía entre 1600ºC y 2200ºC, si dicha cerámica se selecciona entre el grupo compuesto por cerámica reforzada con fibras de carburo de silicio, cerámica basada en alúmina y cerámica basada en carbonitruro de titanio, a una temperatura entre 1300ºC y 1700ºC, y, en cada caso, durante un tiempo entre 15 y 360 minutos.
Description
Proceso para tratar por calor cerámica y
artículos de fabricación compuestos por la misma.
Esta solicitud de patente es una continuación
parcial de la solicitud de patente de Estados Unidos en trámite
junto con la presente Nº de serie 09/393.004, presentada el 9 de
septiembre de 1999, por Mehrotra et al.
La invención se refiere a un proceso para
fabricar un inserto de corte de cerámica pulido tratado por calor
que incluye herramientas de corte basadas en nitruro de silicio,
herramientas de corte basadas en SiAlON, herramientas de corte
basadas en alúmina, herramientas de corte basadas en carbonitruro de
titanio, y herramientas de corte de cerámica reforzadas con fibras
de cerámica, tales como, por ejemplo, una herramienta de corte de
cerámica basada en carbonitruro de titanio reforzada con fibras y
una herramienta de corte de cerámica basada en alúmina reforzada
con fibras.
Hasta ahora, los insertos de corte basados en
nitruro de silicio, y los insertos de corte basados en SiAlON, que
son artículos de cerámica de fabricación, han demostrado ser útiles
para muchas aplicaciones de retirada de material. La Patente de
Estados Unidos Nº 4.127.416 de Lumby et al., la Patente de
Estados Unidos Nº 4.563.433 de Yeckley et al., la Patente de
Estados Unidos Nº 4.711.644 de Yeckley et al., la Patente de
Estados Unidos Nº 5.370.716 de Mehrotra et al., la Patente
de Estados Unidos Nº 5.382.273 de Mehrotra et al., la Patente
de Estados Unidos Nº 5.525.134 de Mehrotra et al., la
Patente de Estados Unidos Nº 4.880.755 de Mehrotra et al., y
la Patente de Estados Unidos Nº 4.913.936 de Mehrotra et al.
describen diversas composiciones de SiAlON y nitruro de silicio que
son útiles como insertos de corte.
Hasta ahora, los insertos de corte reforzados
con fibras, que son también artículos de cerámica de fabricación,
también han demostrado ser útiles para aplicaciones de retirada de
material. Estos insertos de corte reforzados con fibras incluyen
materiales basados en alúmina reforzados con fibras de carburo de
silicio tal como se muestra y se describe en la Patente de Estados
Unidos Nº B2 4.789.277 de Rhodes et al. y la Patente de
Estados Unidos Nº 4.961.757 de Rhodes et al. Un inserto de
corte basado en alúmina reforzado con fibras con una adición de
circonia también se ha mostrado y descrito en la Patente de Estados
Unidos Nº 4.959.332 de Mehrotra et al. Un inserto de corte
basado en carbonitruro de titanio reforzado con fibras se muestra y
se describe en el documento WO 97/18177.
La Solicitud de Patente Japonesa
JP-A 4-136174 se refiere a un método
para fabricar una herramienta de corte de cerámica recubierta. El
sustrato comprende una cerámica basada en nitruro de silicio o de
SiAlON. De acuerdo con la solicitud de patente, para mejorar la
adhesión, el método incluye pulir la superficie del sustrato y
después tratar por calor el sustrato pulido en una atmósfera que
contiene nitrógeno a una temperatura entre 1050ºC y 1400ºC. El
recubrimiento después se deposita sobre el sustrato tratado con
calor usando métodos de CVD y PVD comunes.
Aunque los insertos de corte fabricados a partir
de los materiales de las patentes y solicitudes de patente
anteriores muestran un rendimiento aceptable en aplicaciones de
retirada de material tales como, por ejemplo, fresado y torneado,
permanece como un objetivo la producción de insertos de corte de
cerámica (por ejemplo, insertos de corte basados en nitruro de
silicio, insertos de corte basados en SiAlON, insertos de corte
basados en alúmina, insertos de corte basados en carbonitruro de
titanio, e insertos de corte de cerámica reforzados con fibras) con
características de rendimiento aún mejores en aplicaciones de
retirada de material. También sigue siendo un objetivo la
producción de insertos de corte de cerámica (por ejemplo, insertos
de corte basados en nitruro de silicio, insertos de corte basados
en SiAlON, insertos de corte basados en alúmina, insertos de corte
basados en carbonitruro de titanio, e insertos de corte de cerámica
reforzados con fibras) que muestren una microestructura que
provoque mejores propiedades físicas y características de
rendimiento.
En una forma de la misma, la invención es un
proceso para fabricar un inserto de corte de cerámica pulido
tratado por calor, seleccionándose dicha cerámica entre el grupo
compuesto por cerámica basada en nitruro de silicio, cerámica
reforzada con fibras de carburo de silicio, cerámica basada en
alúmina y cerámica basada en carbonitruro de titanio, comprendiendo
dicho proceso las etapas de: (a) formar un inserto de corte compacto
de cerámica verde a partir de una mezcla en polvo; (b) consolidar
el inserto de corte compacto de cerámica verde para formar un
inserto de corte virgen de cerámica no pulido no recubierto; (c)
pulir al menos una parte del inserto de corte virgen de cerámica no
pulido no recubierto para formar un inserto de corte de cerámica
pulido no recubierto; y (d) tratar por calor el inserto de corte de
cerámica pulido no recubierto para formar el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor donde el tratamiento por calor
sucede en una atmósfera que comprende uno o más de nitrógeno, argón
y monóxido de carbono y a una presión que varía de subatmosférica a
206,8\cdot10^{6} Pa (30.000 psi) y, si dicha cerámica es una
cerámica basada en nitruro de silicio, a una temperatura que varía
entre 1600ºC y 2200ºC, si dicha cerámica se selecciona entre el
grupo compuesto por cerámica reforzada con fibras de carburo de
silicio, cerámica basada en alúmina y cerámica basada en
carbonitruro de titanio, a una temperatura entre 1300ºC y 1700ºC, y,
en cada caso, durante un tiempo entre 15 y
360 minutos.
360 minutos.
Las realizaciones preferidas de la presente
invención comprenden adicionalmente las características de una de
las reivindicaciones 2 a 28.
A continuación se presenta una breve descripción
de los dibujos que forman parte de esta solicitud de patente:
la Fig. 1 es una vista isométrica de un inserto
de corte de la presente invención;
la Fig. 2 es una fotomicrografía en microscopio
electrónico de barrido (SEM) que representa imágenes electrónicas
secundarias (SEI) a un aumento de 1000X de la superficie en
rastrillo de un inserto de corte de superficie pulida de la Mezcla
I;
la Fig. 3 es una fotomicrografía en microscopio
electrónico de barrido (SEM) que representa imágenes electrónicas
secundarias (SEI) a un aumento de 3000X de la superficie en
rastrillo de un inserto de corte de superficie pulida de la Mezcla
I;
la Fig. 4 es una fotomicrografía en microscopio
electrónico de barrido (SEM) que representa imágenes electrónicas
secundarias (SEI) a un aumento de 1000X de la superficie en
rastrillo de un inserto de corte pulido y tratado por calor de la
Mezcla I;
la Fig. 5 es una fotomicrografía en microscopio
electrónico de barrido (SEM) que representa imágenes electrónicas
secundarias (SEI) a un aumento de 3000X de la superficie en
rastrillo de un inserto de corte pulido y tratado por calor de la
Mezcla I;
la Fig. 6 es una fotomicrografía en microscopio
electrónico de barrido (SEM) que representa imágenes electrónicas
secundarias (SEI) a un aumento de 1000X de la superficie en
rastrillo de un lateral del inserto de corte de superficie pulida
de la Mezcla I; y
la Fig. 7 es una fotomicrografía en microscopio
electrónico de barrido (SEM) que representa imágenes electrónicas
secundarias (SEI) a un aumento de 3000X de la superficie en
rastrillo de un lateral del inserto de corte de superficie pulida
de la Mezcla I.
Con referencia a los dibujos, se muestra en la
Fig. 1 un inserto de corte de cerámica generalmente denominado 20.
El inserto de corte 20 tiene una superficie en rastrillo 22, y
superficies laterales 24. Hay bordes de corte 26 en las
intersecciones de la superficie en rastrillo 22 y las superficies
laterales. El inserto de corte fabricado de acuerdo con la presente
invención puede adoptar una cualquiera de una diversidad de
geometrías de inserto de corte de modo que el solicitante no
pretende limitar el alcance de la presente invención a la geometría
del inserto de corte específico ilustrado en la Fig. 1 o las
geometrías expuestas en los ejemplos de este documento.
Con respecto a la producción de los insertos de
corte usados en los ensayos, los componentes en polvo se molerán en
molino de bolas, se secarán, y después se seleccionarán para formar
la mezcla en polvo. Algunas mezclas en polvo para las que la
presente invención tiene aplicación se describen a continuación en
este documento. Estas mezclas en polvo incluían las cuatro mezclas
basadas en nitruro de silicio (Mezclas I a IV) expuestas en la
siguiente Tabla I.
\vskip1.000000\baselineskip
Los componentes en polvo expuestos en la Tabla I
anteriormente en este documento se describen brevemente del
siguiente modo. Para las Mezclas I y III, el nitruro de silicio es
polvo de nitruro de silicio de Calidad SNE10 de Ube Industries,
Ltd. de Tokio, Japón. Para la Mezcla II, el nitruro de silicio es un
polvo de nitruro de silicio nitrado de pureza inferior disponible
en Herman C. Starck, Inc. de Nueva York, Nueva York (USA). Para la
Mezcla IV, el polvo de nitruro de silicio es de Calidad LC1 o M11
disponible en Herman C. Starck, Inc. Para las Mezclas
I-IV, el nitruro de aluminio es polvo de AlN de
Calidad C disponible en Herman C. Starck, Inc. de Nueva York, Nueva
York (USA). Para las Mezclas I-IV, la alúmina es HPA
0.5 de Calidad Ceralox disponible en Ceralox Corporation de Tucson,
Arizona (USA). Para las mezclas I-IV, el polvo de
itria es itria de calidad fina de Herman C. Starck, Inc. de Nueva
York, Nueva York (USA). Se encuentran descripciones más detalladas
de estos polvos en la Patente de Estados Unidos
Nº 5.370.716.
Nº 5.370.716.
Las mezclas en polvo usadas en la invención
incluyen adicionalmente cerámica reforzada con fibras de carburo de
silicio, cerámica basada en alúmina, y cerámica basada en
carbonitruro de titanio. Los ejemplos de estas mezclas en polvo,
que se identifican como Mezclas V, VI y VII, se exponen en la
siguiente Tabla II.
\vskip1.000000\baselineskip
Estas mezclas en polvo de las Mezclas I a VII
pueden consolidarse por una diversidad de métodos incluyendo
prensado, sinterizado, prensado isostático en caliente, prensado en
caliente y otros métodos conocidos en la bibliografía.
Como un ejemplo, los parámetros de procesado
para la Mezcla en polvo I para fabricar los insertos de corte,
después de mezclar los componentes en polvo, la mezcla en polvo se
prensó uniaxialmente en insertos de corte compactos de cerámica
verde. Estos insertos de corte compactos de cerámica verde se
cargaron en un recipiente de grafito revestido de carburo de
silicio, y los insertos de corte verdes compactos se rodearon por un
polvo de sedimentación protector. El polvo de sedimentación era un
polvo basado en nitruro de silicio con cantidades minoritarias de
uno o más de alúmina, itria, magnesia, carbono, carburo de silicio y
nitruro de boro o sus productos de reacción contenidos en los
mismos.
El recipiente con los insertos de corte verdes
compactos en el mismo se cargó en un horno de sinterizado
discontinuo y los insertos de corte verdes compactos después se
sinterizaron por lotes a 1815 grados centígrados durante 270
minutos en 101,3\cdot10^{3} Pa (una atmósfera) de nitrógeno. El
producto resultante era un inserto de corte compacto de cerámica
sinterizado. Después de completarse el sinterizado, los insertos de
corte compactos de cerámica sinterizados se prensaron
isostáticamente en caliente a 1750 grados centígrados a una presión
de 137,9\cdot10^{6} Pa (20.000 psi) de nitrógeno durante 60
minutos. Los productos resultantes eran insertos de corte vírgenes
completamente densos pulidos no recubiertos, es decir, insertos de
corte vírgenes moldeados con una superficie no pulida. En este
punto del procesamiento, estos insertos de corte vírgenes moldeados
no pulidos corresponden a la caracterización como insertos de corte
(o insertos de corte vírgenes) "de superficie no pulida" como
se encuentra en la Tabla III a la Tabla IX en este documento. Otros
métodos de densificación de polvo pueden incluir sinterizado (sin
HIP), prensado en caliente, HIP encapsulado, sinterizado sin una
cubierta de polvo protector, y otros métodos conocidos en la
bibliografía.
Para formar un inserto de corte de cerámica
pulido no recubierto, es decir, un inserto de corte que corresponda
a la caracterización inserto de corte "de superficie pulida"
como se encuentra en la Tabla III a la Tabla IX en este documento,
el inserto de corte virgen de superficie no pulida se sometió a un
proceso de pulimentado en el que la superficie superior, la
superficie inferior, y la periferia se pulieron a medida y se
pulieron bordes de corte con canto
en T.
en T.
Debe apreciarse que la etapa de pulimentado
también puede comprender una etapa de perfeccionamiento o similar.
La etapa de pulimentado o perfeccionamiento también puede afectar
solamente a una parte del inserto de corte virgen de cerámica no
pulido no recubierto de modo que solamente una parte del inserto de
corte de cerámica pulido no recubierto se pula o perfeccione. Se
entiende que en el proceso la etapa de pulimentado (o
perfeccionamiento) sucede sobre un artículo sinterizado que es al
menos sustancialmente denso por completo (es decir, porosidad
cerrada).
Para la fabricación por prensado en caliente,
una placa o disco puede prensarse en caliente a densidad completa,
cortarse (o cortarse en tacos) en formas deseadas, y acabarse por
pulimentado. Como alternativa, los insertos de corte vírgenes
prensados en caliente de forma casi neta pueden acabarse por
pulimentado.
Para fabricar un inserto de corte de cerámica
pulido tratado por calor, es decir, un inserto de corte que
corresponde la caracterización inserto de corte "pulido y tratado
por calor" en la Tabla III a la Tabla IX, los insertos de corte
de cerámica pulidos de la Mezcla I se cargaron en un recipiente de
grafito revestido de carburo de silicio, y estos insertos de corte
se rodearon por un polvo de sedimentación protector. El polvo de
sedimentación era un polvo basado en nitruro de silicio con
cantidades minoritarias de uno o más de alúmina, itria, magnesia,
carbono, carburo de silicio y nitruro de boro o sus productos de
reacción contenidos en los mismos. El uso del polvo de
sedimentación protector es una característica opcional del proceso y
se presenta aquí solamente como un ejemplo.
El recipiente con los insertos de corte pulidos
convencionales en el mismo se cargó en un horno de sinterizado
discontinuo y los insertos de corte pulidos convencionales se
trataron por calor a una temperatura de 1815 grados centígrados
durante 270 minutos a una presión de 101,3\cdot10^{3} Pa (una
atmósfera) de nitrógeno. La duración del tratamiento por calor
puede variar entre aproximadamente 15 minutos y aproximadamente 6
horas. El intervalo de temperatura del tratamiento por calor para
cerámica basada en nitruro de silicio es entre aproximadamente 1600
grados centígrados y aproximadamente 2200 grados centígrados. El
intervalo de temperatura del tratamiento por calor para las otras
composiciones de cerámica descritas en este documento es entre
aproximadamente 1300 grados centígrados y aproximadamente 1700
grados centígrados.
Después de completarse el tratamiento por calor,
los insertos de corte se enfriaron en el horno. Como se ha
mencionado previamente, los insertos de corte de cerámica
resultantes de este tratamiento por calor corresponden a los
insertos de corte caracterizados como "pulidos y tratados por
calor" en la Tabla III a la Tabla IX en este documento.
Aunque la descripción anterior se refiere a un
horno discontinuo, el proceso puede tener lugar en un horno
continuo.
Aunque las condiciones de procesamiento pueden
variar, se pretende que el tratamiento por calor
post-pulimentado comprenda un tratamiento por calor
en el que puede o no haber algo de fase líquida que se forme, y
puede o no haber necesariamente alguna densificación significativa
adicional que suceda debido al tratamiento por calor
post-pulimentado. Además, el tratamiento por calor
post-pulimentado puede o no implicar un polvo de
sedimentación y puede conseguirse a presiones que varían entre
subatmosférica y aproximadamente 206,8\cdot10^{6} Pa (30.000
psi).
Aunque el proceso anterior para fabricar los
insertos de corte pulidos tratados por calor incluía la etapa
pulimentado, los insertos de corte vírgenes de cerámica no
recubiertos (es decir, insertos de corte vírgenes de superficie no
pulida) antes de la etapa de tratamiento por calor, debe apreciarse
que pueden suceder algunas etapas de pulimentado después de
completarse la etapa de tratamiento por calor. Esto es especialmente
cierto para etapas de pulimentado minoritarias que pueden suceder
después de la etapa de tratamiento por calor (por ejemplo, sobre
superficies que no son críticas para el rendimiento de corte tales
como orificios, y superficies superior e inferior), en algunas o
todas las superficies. Aún haciendo referencia a las etapas de
pulimentado minoritarias después del tratamiento por calor, los
bordes de corte pueden pulirse suavemente o refinarse de modo que
aún se retengan las ventajas de la presente invención
sobre productos pulidos convencionales (es decir, insertos de corte de cerámica de superficie pulida no recubiertos).
sobre productos pulidos convencionales (es decir, insertos de corte de cerámica de superficie pulida no recubiertos).
Aunque los insertos de corte pulidos y tratados
por calor descritos anteriormente fueron el resultado de las etapas
de sinterizado, prensado isostático en caliente, pulimentado y
tratamiento por calor, los insertos de corte pulidos tratados por
calor pueden fabricarse a partir de las etapas de sinterizado,
prensado isostático en caliente, tratamiento por calor
pre-pulimentado, pulimentado, y un tratamiento por
calor post-pulimentado.
Pueden aplicarse otros métodos de fabricación a
la presente invención. Un método adicional de fabricación incluye
las etapas de: sinterizado, opcionalmente prensado isostático en
caliente, pulimentado del inserto de corte sobre su superficie
completa, y tratamiento por calor. Otro método de fabricación
incluye las etapas de: sinterizado, opcionalmente prensado
isostático en caliente, pulimentado del inserto de corte en la
superficie superior y la superficie inferior y en sobre el canto en
K, y tratamiento por calor. Otro método más de fabricación incluye
las etapas de: sinterizado, pulimentado del inserto de corte sobre
su superficie completa, y tratamiento por calor del inserto de
corte. Finalmente, otro método de fabricación incluye las etapas de:
sinterizado, pulimentado de la superficie superior y la superficie
inferior del inserto de corte, tratamiento por calor, y después
pulimentado del canto en K.
Aunque los detalles del procesamiento pueden
variar, hablando en líneas generales la mezcla en polvo de la
Mezcla I puede procesarse para formar un inserto de corte virgen de
cerámica no pulido no recubierto de acuerdo con los contenidos de
las Patentes de Estados Unidos Nº 5.382.273 y 5.525.134.
Lo mismo es cierto para la mezcla en polvo de la
Mezcla II porque para formar un inserto de corte virgen de cerámica
no pulido no recubierto a partir de la Mezcla II, la mezcla en polvo
puede procesarse de acuerdo con los contenidos de la Patente de
Estados Unidos Nº 4.563.433. Con respecto al procesamiento de los
ejemplos de la Mezcla II, en el tratamiento por calor
post-sinterizado las partes se colocaron sobre la
parte superior del polvo de sedimentación que era un polvo de
sedimentación de nitruro de boro en un caja de nitruro de boro. El
tratamiento por calor post-sinterizado fue a 1770
grados centígrados durante dos horas a una presión de
101,3\cdot10^{3} Pa (una atmósfera) de nitrógeno en un horno de
correa continuo.
Asimismo, para la mezcla en polvo de la Mezcla
III porque para formar un inserto de corte virgen de cerámica no
pulido no recubierto a partir de la Mezcla III, la mezcla en polvo
puede procesarse de acuerdo con los contenidos de la Patente de
Estados Unidos Nº 5.370.716. Con respecto al procesamiento de los
ejemplos de la Mezcla III, en el tratamiento por calor
post-sinterizado las partes se colocaron sobre la
parte superior del polvo de sedimentación que era un polvo de
sedimentación de nitruro de boro en una caja de nitruro de boro. El
tratamiento por calor post-sinterizado fue a 1725
grados centígrados durante dos horas a una presión de
101,3-10^{3} Pa (una atmósfera) de nitrógeno en un
horno de correa continuo.
Los insertos de corte de la Mezcla III pulidos y
tratados por calor se ensayaron frente a insertos de corte de la
Mezcla III pulidos de la técnica anterior en el fresado y el
torneado.
El ensayo de fresado era fresado ascendente de
Inconel 718 a 3000 sfm (915 m/min), 0,004 ipt (0,01 cm/u), 0,100
pulgadas (0,254 cm) de profundidad de corte, seco, usando cuatro
insertos de corte estilo RNG-45T0320 montados en
una fresadora Hertel 4.0060R232 de 5,08 cm (dos pulgadas) de
diámetro en el que la anchura de corte era de 1,468 pulgadas (3,729
cm) y la longitud/pase era 13 pulgadas (33,02 cm) (tiempo de corte
real para cada borde por pase = 0,050 minutos). Los insertos de la
Mezcla III tratados por calor tenían una vida media de 3,63 pases
(promedio de dos rep.) y fallaban por desgaste/astillado de lateral
máximo, mientras que los insertos de la Mezcla III pulidos de la
técnica anterior tenían una vida media de 2,30 pases (promedio de
dos rep.).
En decoletaje excéntrico de Inconel 718 usando
insertos de la Mezcla III estilo RNG-45T0320 a 500
sfm
(152,5 m/min), 006 ipr (0,015 cm/u), y 0,040 (0,102 cm) de profundidad de corte (fluido refrigerante), los insertos tratados por calor de acuerdo con la presente invención tenían una vida de herramienta promedio de 4,1 minutos y los insertos pulidos de la técnica anterior tenían una vida de herramienta promedio de 4,6 minutos.
(152,5 m/min), 006 ipr (0,015 cm/u), y 0,040 (0,102 cm) de profundidad de corte (fluido refrigerante), los insertos tratados por calor de acuerdo con la presente invención tenían una vida de herramienta promedio de 4,1 minutos y los insertos pulidos de la técnica anterior tenían una vida de herramienta promedio de 4,6 minutos.
Aunque los detalles del procesamiento pueden
variar, la mezcla en polvo de la Mezcla IV se procesó como la de la
Mezcla I, excepto en que el polvo de sedimentación estaba basado en
nitruro de silicio con adiciones minoritarias de uno o más de
alúmina, itria, y nitruro de boro, y la temperatura del tratamiento
por calor post-sinterizado fue 1860 grados
centígrados y la duración del tratamiento por calor fue 130
minutos.
Aunque los detalles del procesamiento pueden
variar, la mezcla en polvo de la Mezcla V puede procesarse para
formar un inserto de corte virgen de cerámica no pulido no
recubierto de acuerdo con los contenidos de la Patente de Estados
Unidos Nº 4.959.332. Con respecto al procesamiento de los ejemplos
de la Mezcla V en este documento, para el tratamiento por calor
post-sinterizado las partes se colocaron en la parte
superior del polvo de sedimentación que era un polvo de
sedimentación basado en carburo de niobio, y la temperatura fue 1650
grados centígrados durante 60 minutos a una presión de
101,3\cdot10^{3} Pa (una atmósfera) de argón.
Lo mismo es cierto para la mezcla en polvo de la
Mezcla VI porque para formar un inserto virgen de cerámica pulido
no recubierto a partir de la Mezcla VI, la mezcla en polvo puede
procesarse de acuerdo con los contenidos del documento WO 97/18177
así como la Patente de Estados Unidos Nº 5.955.390. Con respecto al
procesamiento de los ejemplos de la Mezcla VI en este documento,
para el tratamiento por calor post-sinterizado las
partes se colocaron en la parte superior del polvo de sedimentación
que era un polvo de sedimentación basado en carburo de niobio, y la
temperatura fue 1650 grados centígrados durante 60 minutos a una
presión de 101,3\cdot10^{3} Pa (una atmósfera) de
argón.
argón.
Además, aunque los detalles del procesamiento
pueden variar, la mezcla en polvo de la Mezcla VII puede procesarse
para formar un inserto de corte virgen de cerámica pulido no
recubierto de acuerdo con el contenido de la Patente de Estados
Unidos B2 4.789.277 y la Patente de Estados Unidos Nº 4.961.757. Con
respecto al procesamiento de los ejemplos de la Mezcla VII en este
documento, para el tratamiento por calor
post-sinterizado las partes se colocaron en la
parte superior del polvo de sedimentación que era un polvo de
sedimentación basado en carburo de niobio, y la temperatura fue
1650 grados centígrados durante 60 minutos a una presión de
101,3\cdot10^{3} Pa (una atmósfera) de argón.
Debe entenderse en base a los procesos descritos
anteriormente, que se obtendrá una superficie pulida cuando se
retire por pulimentado una capa suficientemente gruesa (es decir,
0,03 pulgadas [0,762 milímetros] a 0,05 pulgadas [1,27 milímetros])
de la superficie pulida y tratada por calor.
La Tabla III expuesta a continuación presenta
las fases cristalinas (determinadas por difracción de rayos X) que
existen en la microestructura del material cerámico sinterizado
fabricado a partir de las mezclas en polvo de las Mezclas I a V
cuando el material cerámico está en uno de tres estados, es decir,
el estado de superficie no pulida, el estado de superficie pulida y
el estado de pulida y tratada por calor. A lo largo de las líneas
de las descripciones anteriores de estos estados, el uso de la
caracterización "superficie no pulida" en la Tabla III a la
Tabla IX de la presente significa un inserto de corte virgen
completamente denso sinterizado que no se ha pulido después del
sinterizado inicial del mismo. El uso de la caracterización
"superficie pulida" en la Tabla III a la Tabla IX significa un
inserto de corte completamente denso sinterizado que se ha pulido,
pero que no se ha sometido a ningún tratamiento por calor
post-pulimentado. El uso de la caracterización
"pulida y tratada por calor" en la Tabla III a la Tabla IX
significa un inserto de corte completamente denso sinterizado que
se ha pulido después del tratamiento de sinterizado inicial y
después se ha sometido a un tratamiento por calor
post-pulimentado.
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La designación 15R es un politipo que es un
SiAlON de fase única de una estructura cristalina rombohédrica con
la fórmula SiAl_{4}O_{2}N_{4}. Este politipo 15R se describe
en la Patente de Estados Unidos Nº 4.127.416. La designación
"t-ZrO_{2}" significa circonia tetragonal y la designación "m-ZrO_{2}" significa circonia monoclínica.
"t-ZrO_{2}" significa circonia tetragonal y la designación "m-ZrO_{2}" significa circonia monoclínica.
Debe apreciarse que la presente invención
también se puede aplicar a insertos de corte fabricados a partir de
materiales en los que el sustrato voluminoso es un nitruro de
silicio \alpha, nitruro de silicio \alpha más nitruro de
silicio \beta, \alpha'-SiAlON, y mezclas de
nitruro de silicio (\alpha y/o \beta) y (\alpha' y/o
\beta') SiAlON. Estas composiciones pueden tener microestructuras
(diferentes de la fase o fases intergranulares) que pueden incluir
opcionalmente aditivos en una cantidad hasta el 30 por ciento en
volumen de la composición completa donde estos aditivos comprenden
los óxidos de hafnio y/o circonio, los carburos, nitruros y/o
carbonitruros de titanio, silicio, hafnio y/o circonio (por ejemplo,
carburo de titanio, nitruro de titanio, carbonitruro de titanio,
carburo de silicio y carburo de hafnio).
Con referencia ahora a los resultados de ensayo
presentados en la Tabla IV expuesta a continuación en este
documento, los Ensayos Nº 1 a 7 comprenden una diversidad de ensayos
que usaron inserto de corte de la Mezcla I donde los insertos de
corte estaban en el estado "superficie no pulida", el estado
"superficie pulida" o el estado "pulida y tratada por
calor". El Ensayo Nº 8 comprendía un ensayo de fresado usando un
inserto de corte de la Mezcla IV donde los insertos de corte
estaban en el estado "superficie pulida" y el estado "pulida
y tratada por calor".
El Ensayo Nº 1 expone los resultados de ensayo
de fresado con fresa perfilada simple de Hierro Fundido Gris Clase
40 (GCI) en forma de bloques con orificios en los mismos usando una
fresa Kennametal
KDNR-4-SN4-15CB en
las condiciones expuestas en la Tabla IV. La anchura y longitud del
corte fue tres pulgadas por veinticuatro pulgadas (7,62 centímetros
[cm] por 60,96 cm). Los criterios de fin de vida (EOL) para todos
los ensayos fueron por un desgaste lateral de 0,015 pulgadas (0,381
mm). La vida de herramienta en minutos como se expone para el
Ensayo Nº 1 en la Tabla IV refleja el tiempo de corte de astillas
real para el inserto de corte. Los resultados de ensayo del
Ensayo
Nº 1 muestran que la vida de herramienta medida en minutos para los insertos de corte pulidos y tratados por calor de la Mezcla I era aproximadamente dos veces y media mayor que para los insertos de corte de superficie pulida de la Mezcla I.
Nº 1 muestran que la vida de herramienta medida en minutos para los insertos de corte pulidos y tratados por calor de la Mezcla I era aproximadamente dos veces y media mayor que para los insertos de corte de superficie pulida de la Mezcla I.
Con referencia al Nº de Ensayo 2, estos datos
reflejan los resultados de un ensayo de ciclo de torneado en Hierro
Fundido Gris Clase 40. Los resultados muestran para la Mezcla I que
el inserto de corte pulido y tratado por calor tenía una vida de
herramienta mejorada de aproximadamente un veintisiete por ciento
(39,2 ciclos/30,8 ciclos) sobre el inserto de corte de superficie
no pulida y una vida de herramienta mejorada de aproximadamente un
treinta y seis por ciento (39,2 ciclos/ 28,8 ciclos) sobre el
inserto de corte de superficie pulida.
Con referencia a los Ensayos Nº 3 y 4 de la
Tabla IV, estos datos reflejan los resultados del uso de insertos
de corte estilo CNGX-434T (0,008 pulgadas (0,203 mm)
x 20º canto en K) en el torneado de rotores de freno de Hierro
Fundido Gris Clase 30. Es evidente a partir del Ensayo Nº 3 que el
desgaste de morro para el inserto de corte pulido y tratado por
calor era aproximadamente un dieciocho por ciento menor (2,05 x
10^{-4} pulgadas (5,207-10^{-4} cm) vs. 2,5 x
10^{-4} pulgadas (6,35\cdot10^{-4} cm)) que para el inserto de
corte de superficie pulida. El Ensayo Nº 4 muestra que el desgaste
de morro promedio para el inserto de corte pulido y tratado por
calor era aproximadamente igual que para el inserto de corte de
superficie pulida.
Con referencia al Ensayo Nº 5, se realizó un
ensayo de ciclo de torneado sobre Hierro Fundido Gris Clase 40
usando insertos de corte pulidos y tratados por calor e insertos de
corte de superficie pulida. El ensayo de ciclo de torneado enfatiza
el corte interrumpido en el que se hicieron dieciséis cortes por
ciclo para reducir el diámetro de barra con una longitud de dos
pulgadas (5,08 cm) de corte por corte y un tiempo de corte total
por ciclo de un minuto. Los resultados de estos ensayos reflejan la
vida de herramienta medida en minutos, y donde los criterios de fin
de vida (EOL) eran 0,030 pulgadas (0,762 mm) de desgaste de morro
(es decir, "nw"). Los resultados muestran que había una mejora
del veintisiete por ciento en la vida de herramienta (12,7
minutos/10,0 minutos) en el torneado de hierro fundido gris, medido
por minutos, entre el inserto de corte de superficie pulida y el
inserto de corte pulido y tratado por calor.
Con referencia a los Ensayos Nº 6 y 7, estos
ensayos pertenecen al torneado continuo de una barra redonda de
hierro fundido dúctil (80-55-06). La
vida de herramienta, que comprendía el tiempo de corte de astillas
real para el inserto de corte, se midió en minutos donde los
criterios EOL eran desgaste lateral de 0,015 pulgadas (0,381 mm).
Los Ensayos Nº 6 y 7 muestran que la vida de herramienta era
aproximadamente igual que para los insertos de corte en un ensayo de
torneado continuo.
Con referencia al Nº de Ensayo 8, estos
resultados se refieren al fresado con fresa perfilada simple de
Hierro Fundido Gris Clase 40 (GCI) en forma de bloques con
orificios en los mismos usando una fresa Kennametal
KDNR-4-SN4-15CB en
las condiciones expuestas en la Tabla IV con insertos de corte de la
Mezcla IV. La anchura y longitud de corte era tres pulgadas por
veinticuatro pulgadas (7,62 centímetros [cm] por 60,96 cm). Los
criterios de fin de vida (EOL) para todos los ensayos era por un
desgaste lateral de 0,015 pulgadas (0,381 mm). La vida de
herramienta en minutos expuesta para el Ensayo Nº 8 en la Tabla IV
refleja el tiempo de corte de astillas real para el inserto de
corte. La vida de herramienta para el inserto de corte pulido y
tratado por calor fue aproximadamente un veinte por ciento (1,8
minutos/1,5 minutos) mejor que la del inserto de corte de superficie
pulida de la Mezcla IV.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Además de realizar ensayos del rendimiento real
del inserto de corte en aplicaciones de retirada de material, se
analizaron ciertas composiciones para averiguar sus propiedades
físicas. A este respecto, se ha descubierto que las propiedades
físicas de asperaza superficial, resistencia a rotura transversal,
dureza, y resistencia a fractura superficial son indicativas del
rendimiento de un inserto de corte. Además, se ha descubierto que
la microestructura del inserto de corte, en algunos casos, influye
en el rendimiento del inserto de corte.
La siguiente Tabla V expone los resultados de
ensayo de mediciones de asperaza superficial en micropulgadas
(\mu pulgadas) de insertos de corte de la Mezcla I donde cada inserto de corte está en uno de los tres estados (es decir, superficie no pulida, superficie pulida, o pulida y tratada por calor). La técnica usada para medir la asperaza superficial usó un sistema de medida superficial WYKO Modelo Nº NT 2000 equipado con el software Vision 32. Las mediciones de asperaza superficial se hicieron en el modo interferométrico de exploración vertical a 10,2 aumentos sin inclinación y sin filtración. Los parámetros establecidos eran: tamaño: 736 x 480, y muestreo: 32,296 micropulgadas
(0,820 \mum). El sistema de medida superficial WYKO está fabricado por VEECO WYKO Corporation de Tucson, Arizona (USA) 85706.
(\mu pulgadas) de insertos de corte de la Mezcla I donde cada inserto de corte está en uno de los tres estados (es decir, superficie no pulida, superficie pulida, o pulida y tratada por calor). La técnica usada para medir la asperaza superficial usó un sistema de medida superficial WYKO Modelo Nº NT 2000 equipado con el software Vision 32. Las mediciones de asperaza superficial se hicieron en el modo interferométrico de exploración vertical a 10,2 aumentos sin inclinación y sin filtración. Los parámetros establecidos eran: tamaño: 736 x 480, y muestreo: 32,296 micropulgadas
(0,820 \mum). El sistema de medida superficial WYKO está fabricado por VEECO WYKO Corporation de Tucson, Arizona (USA) 85706.
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La siguiente Tabla VI muestra la resistencia a
rotura transversal (TRS) en miles de libras por pulgada cuadrada
(ksi) [kPa] y la desviación típica para la resistencia a rotura
transversal, así como el Módulo de Weibull, para barras de rotura
transversal de la Mezcla I donde cada barra transversal estaba en
uno de los tres estados (es decir, superficie no pulida, superficie
pulida, o pulida y tratada por calor). La técnica usada para medir
la resistencia a rotura transversal comprendía un ensayo de torsión
de tres puntos.
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Estos resultados de ensayo muestran que las
barras de rotura transversal pulidas y tratadas por calor tenían
peor (es decir, menos) resistencia a rotura transversal que las
barras de rotura transversal de superficie pulida de la misma
composición. Parece que la razón para esta diferencia en la
resistencia a rotura transversal se debe al hecho de que las barras
de rotura transversal pulidas y tratadas por calor tenían mayor
asperaza superficial que las barras de rotura transversal de
superficie pulida. Además, la superficie de la barra de rotura
transversal pulida y tratada por calor (Mezcla I) mostró vetas como
agujas que estaban ausentes en la superficie de la barra de rotura
transversal de superficie pulida (Mezcla I).
La siguiente Tabla VII muestra la carga crítica
en kilogramos, que refleja la resistencia a fractura superficial,
para insertos de corte de la Mezcla I donde cada inserto de corte
está en uno de los tres estados (es decir, superficie no pulida,
superficie pulida, o pulida y tratada por calor). La técnica usada
para medir la resistencia a fractura superficial comprendía un
ensayo de hendidura usando un verificador de dureza Rockwell
equipado con un indentador de diamante cónico a cargas de 18
kilogramos, 33 kilogramos, 48 kilogramos y 70 kilogramos. En cada
carga, la muestra se examinó visualmente a 64X para determinar la
presencia o ausencia de grietas en la superficie para averiguar de
este modo la carga crítica a la que aparecen las primeras grietas en
la superficie del inserto de corte.
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Los resultados de ensayo anteriores muestran que
para la mayoría de los insertos de corte, los insertos de corte
pulidos y tratados por calor presentaban la mayor carga crítica. Una
excepción fue en el caso de la Mezcla III donde los insertos de
corte de superficie no pulida tenían una mayor carga crítica (70+
kilogramos) que la carga crítica (70 kilogramos) de los insertos de
corte pulidos y tratados por calor. La otra excepción fue en el
caso de la Mezcla IV donde la carga crítica del inserto de corte
pulido y tratado por calor era igual (es decir, 70+ kilogramos) que
para el inserto de corte de superficie no pulida.
La siguiente Tabla VIII presenta las tolerancias
de acabado para insertos de corte de la Mezcla I donde cada inserto
de corte estaba en uno de los tres estados (es decir, superficie
moldeada no pulida, superficie pulida, o pulida y tratada por
calor).
Esta Tabla VIII anterior muestra que los
insertos de corte pulidos y tratados por calor cumplen los
requisitos de tolerancia "G" mientras que los insertos de
corte moldeados no pulidos solamente cumplen los requisitos de
tolerancia "M" y "U". El control dimensional de las piezas
a máquina labradas es mucho mejor con el uso de insertos de corte
de tolerancia "G" en comparación con el uso de insertos de
corte de tolerancia "M" o insertos de corte de tolerancia
"U".
La Tabla IX expone los resultados del ensayo de
dureza de insertos de corte fabricados de la Mezcla I usando un
Ensayo de Dureza Vickers con una carga de 50 gramos y una carga de
100 gramos. Se usó pulido de ángulo inferior de la superficie de
las muestras de material para hacer estas mediciones de dureza cerca
de la superficie.
La Tabla IX muestra que los insertos de corte
pulidos y tratados por calor mostraban una dureza mayor cerca de la
superficie del material (es decir, en una región superficial que se
extiende aproximadamente 0,030 pulgadas
[0,762 mm] desde la superficie) que los insertos de corte de superficie pulida de la Mezcla I o los insertos de corte de superficie no pulida de la Mezcla I. Estos resultados de ensayo también muestran que la región superficial de los insertos de corte pulidos y tratados por calor (de la Mezcla I) presentaban una dureza mayor que el sustrato voluminoso del mismo ya que la dureza del sustrato voluminoso de los insertos de corte pulidos y tratados por calor iguala a la dureza de los insertos de corte de superficie pulida.
[0,762 mm] desde la superficie) que los insertos de corte de superficie pulida de la Mezcla I o los insertos de corte de superficie no pulida de la Mezcla I. Estos resultados de ensayo también muestran que la región superficial de los insertos de corte pulidos y tratados por calor (de la Mezcla I) presentaban una dureza mayor que el sustrato voluminoso del mismo ya que la dureza del sustrato voluminoso de los insertos de corte pulidos y tratados por calor iguala a la dureza de los insertos de corte de superficie pulida.
Se realizaron análisis para averiguar las fases
presentes y la morfología superficial de los insertos de corte de
superficie pulida, los insertos de corte de superficie no pulida, y
los insertos de corte pulidos y tratados por calor. Con referencia
a las Fig. 2 y 3, se descubrió que la región superficial del inserto
de corte de superficie pulida tenía líneas de pulimentado y una
estructura relativamente aplanada. Un análisis de difracción de
rayos X mostró que la región superficial del inserto de corte de
superficie pulida comprendía solamente nitruro de silicio beta.
Con referencia a las Fig. 4 y 5, estas
fotomicrografías muestran una mezcla de superficies pulidas y
superficies no pulidas caracterizadas por estructura de vetas
aciculares. Un análisis de difracción de rayos X mostró que la
región superficial del inserto de corte pulido y pulido tratado por
calor tiene una fase de nitruro de silicio beta y una fase de
Y_{2}Si_{3}O_{3}N_{4}.
Con referencia a las Fig. 6 y 7, estas
fotomicrografías muestran superficies no pulidas caracterizadas por
estructura de vetas como agujas. Un análisis de difracción de rayos
X mostró que la región superficial del inserto de corte de
superficie no pulida tenía presente una fase de nitruro de silicio
beta, y una fase de Y_{2}Si_{3}O_{3}N_{4}, y una fase
metálica de silicio.
En la etapa de tratamiento por calor del
procesamiento, el polvo de sedimentación y/o la atmósfera pueden
adaptarse para proporcionar características superficiales
controladas para una región superficial (es decir, un volumen de
material que se extiende desde la superficie interiormente hacia el
sustrato voluminoso para una distancia específica) en comparación
con el sustrato voluminoso. Se puede considerar al polvo de
sedimentación y/o a la atmósfera una fuente de reacción, es decir,
una fuente para los elementos de reacción. Por ejemplo, se puede
conseguir una región superficial resistente al desgaste en
combinación con una región voluminosa más firme. Con respecto al
polvo de sedimentación, donde se desea transmitir uno o más de los
siguientes metales y/o sus óxidos y/o carburos a la región
superficial del sustrato, se puede usar un polvo de sedimentación
que contenga uno o más de los siguientes y/o sus productos de
reacción: los óxidos de aluminio, hafnio, circonio, itrio,
magnesio, calcio y los metales de la serie de elementos de los
lantánidos; y los nitruros y/o carburos de silicio, titanio,
hafnio, aluminio, circonio, boro, niobio y carbono.
Otro modo de controlar la reacción con la
superficie para proporcionar características superficiales
controladas es por el uso de un gas o gases del grupo que comprende
nitrógeno, argón, y monóxido de carbono/dióxido de carbono. La
presión de estos gases puede variar entre subatmosférica y
aproximadamente 30.000 psi (206,8:10^{6} Pa).
En otro ejemplo, se sinterizó y pulió un inserto
de corte de composición de \beta' sialon de la Mezcla IV como se
ha descrito anteriormente y después se trató por calor a 1750 grados
centígrados durante sesenta minutos a 15-20 Ksi
(1,03\cdot10^{5}-1,38\cdot10^{5} kPa) de
presión isostática de nitrógeno en un polvo de sedimentación de
Si_{3}N_{4}, Al_{2}O_{3}, Y_{2}O_{3}, y opcionalmente
BN, y sus productos de reacción. Una comparación de rastros de
difracción de rayos X obtenida a partir de la superficie pulida y
después a partir de la superficie tratada por calor mostró lo
siguiente:
Estos insertos tratados por calor y pulidos de
la Mezcla III se ensayaron para el corte de metales en un motor de
inyección de Waspalloy modificado, de 17,78 cm (siete pulgadas) de
diámetro de árbol principal, en las siguientes condiciones de
torneado de desbaste: 676 sfm (206,18 m/min), 0,008 ipr (0,203
mm/u), 0,180 pulgadas (0,457 cm) de profundidad de corte, y cuatro
pulgadas (10,16 cm) de longitud de corte. El material de la Mezcla
III pulido y tratado por calor se clasificó debido a la profundidad
de corte de muescas y produjo un acabado superficial de la pieza a
máquina de 56 RMS mientras que el material de la Mezcla III pulido
se clasificó debido a la profundidad de corte de muescas y
astillado y produjo un acabado superficial peor de 250 RMS.
Este ensayo demuestra que puede producirse por
la presente invención una herramienta de corte que tiene una
microestructura voluminosa de \beta' sialon y una microestructura
superficial de \alpha' + \beta' sialon. También se cree que se
pueden producir por la presente invención herramientas de corte que
tienen una microestructura voluminosa de nitruro de silicio \beta
y una microestructura superficial de \beta' sialon o \alpha' +
\beta' sialon. Para producir estas microestructuras, se cree que
el polvo de sedimentación usado en la etapa de tratamiento por calor
debe contener, además de Si_{3}N_{4}, hasta 50 sin AlN y/o
Al_{2}O_{3}, y cantidades minoritarias de Y_{2}O_{3} (o un
óxido de lantánido) para ayudar a controlar el \alpha' sialon
producido en la superficie.
La Tabla X expuesta a continuación presenta los
resultados de la medición por fluorescencia de rayos X del
contenido de aluminio sobre la superficie de los insertos de corte
de la Mezcla I donde los insertos de corte estaban en uno de los
tres estados (es decir, superficie no pulida, superficie pulida, o
pulida y tratada por calor).
Con referencia a los resultados expuestos en la
Tabla X anterior, estos datos muestran que como resultado del
tratamiento por calor, aumentó el contenido de aluminio en la
superficie. El aluminio se obtuvo del polvo de sedimentación que
contenía alúmina. Este aumento en el aluminio puede conducir a una
región (o capa) superficial aleada que tenga mejores propiedades
tales como, por ejemplo, resistencia aumentada al desgaste, dureza
aumentada, y mayor resistencia a fractura.
En otro ejemplo, se trató por calor un inserto
de corte pulido de la Mezcla I a 1750 grados centígrados durante
120 minutos a presión isostática de 1500 psi (103,43\cdot10^{5}
Pa) o de nitrógeno y un polvo de sedimentación basado en nitruro de
silicio que contenía, como se ha descrito previamente en este
documento para la Mezcla I, pero que también contenía 10% ponderal
nitruro de titanio. El análisis de difracción de rayos X y
fluorescencia de rayos X de la superficie tratada por calor,
respectivamente encontró: la presencia de nitruro de silicio beta,
con cantidades traza de nitruro de titanio (TiN) y fases de silicato
de itrio (Y_{2}SiO_{5}); y 5,8% ponderal titanio. Se espera que
la adición de nitruro de titanio (u otros materiales) de este modo
evite los problemas asociados con la aplicación de un recubrimiento
del mismo material al material tratado por calor; concretamente la
adhesión del recubrimiento y/o grietas térmicas en el recubrimiento,
proporcionando al mismo tiempo un rendimiento de corte de metales
beneficioso en ciertas aplicaciones (por ejemplo, fresado de hierro
fundido gris clase 40).
Como alternativa, el polvo de sedimentación y/o
la atmósfera reactiva pueden ayudar a eliminar uno o más
constituyentes indeseables (o seleccionados) de la región
superficial que después conduciría a una diferencia de composición
entre la región superficial y la región voluminosa. Dicha diferencia
de composición también puede conducir a un rendimiento mejorado,
así como a propiedades mejoradas, para los insertos de corte pulidos
y tratados por calor en comparación con los insertos de corte de
superficie pulida.
Parece evidente que el solicitante ha
proporcionado un método mejorado para la producción de un inserto de
corte de cerámica que incluye una herramienta de corte basada en
nitruro de silicio, una herramienta de corte basada en SiAlON, una
herramienta de corte basada en alúmina, una herramienta de corte
basada en carbonitruro de titanio, y una herramienta de corte de
cerámica reforzada con fibras. También es evidente que el
solicitante ha proporcionado, como resultado de dicho proceso, una
herramienta de corte de cerámica mejorada donde la herramienta de
corte es una herramienta de corte basada en nitruro de silicio, una
herramienta de corte basada en SiAlON, una herramienta de corte
basada en alúmina, una herramienta de corte basada en carbonitruro
de titanio, o una herramienta de corte de cerámica reforzada con
fibras.
Los ensayos de rendimiento revelan que para la
mayoría de los casos los insertos de corte pulidos y tratados por
calor experimentaron un mejor rendimiento que los insertos de corte
de superficie pulida o los insertos de corte no pulidos en las
aplicaciones de fresado y torneado de desbaste. Las propiedades
físicas de los insertos de corte pulidos y tratados por calor
fueron comparables a los de los insertos de corte de superficie
pulida. La microestructura de los insertos de corte pulidos y
tratados por calor es diferente de la de los insertos de corte de
superficie pulida o los insertos de corte no pulidos.
Como característica opcional, los insertos de
corte pueden recubrirse con un recubrimiento refractario (por
ejemplo, alúmina, nitruro de titanio, carburo de titanio,
carbonitruro de titanio o nitruro de titanio y aluminio). El
recubrimiento puede aplicarse por técnicas de deposición física por
vapor (PVD) o por técnicas de deposición química por vapor (CVD).
En el caso en el que el esquema de recubrimiento comprende múltiples
capas, al menos una capa puede aplicarse por CVD y al menos una
capa puede aplicarse por PVD. El solicitante espera que las
herramientas de cortes recubiertas sean adecuadas para el labrado de
hierro fundido gris, hierro dúctil, aceros, y aleaciones basadas en
níquel.
Claims (28)
1. Un proceso para fabricar un inserto de corte
de cerámica pulido tratado por calor, seleccionándose dicha
cerámica entre el grupo compuesto por cerámica basada en nitruro de
silicio, cerámica reforzada con fibras de carburo de silicio,
cerámica basada en alúmina y cerámica basada en carbonitruro de
titanio, comprendiendo dicho proceso las etapas de:
a) formar un inserto de corte compacto de
cerámica verde a partir de una mezcla en polvo;
b) consolidar el inserto de corte compacto de
cerámica verde para formar un inserto de corte virgen de cerámica
no pulido no recubierto;
c) pulir al menos una parte del inserto de corte
virgen de cerámica no pulido no recubierto para formar un inserto
de corte de cerámica pulido no recubierto; y
d) tratar por calor el inserto de corte de
cerámica pulido no recubierto para formar el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor donde el tratamiento por calor
sucede en una atmósfera que comprende uno o más de nitrógeno, argón
y monóxido de carbono y a una presión que varía de subatmosférica a
206,8\cdot10^{6} Pa (30.000 psi) y, si dicha cerámica es una
cerámica basada en nitruro de silicio, a una temperatura que varía
entre 1600ºC y 2200ºC, si dicha cerámica se selecciona entre el
grupo compuesto por cerámica reforzada con fibras de carburo de
silicio, cerámica basada en alúmina y cerámica basada en
carbonitruro de titanio, a una temperatura entre 1300ºC y 1700ºC,
y, en cada caso, durante un tiempo entre 15 y 360 minutos.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que la etapa de consolidación (b) comprende sinterizar el
inserto de corte compacto de cerámica verde para forma el inserto de
corte virgen de cerámica no pulido no recubierto.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que la etapa de consolidación (b), comprende las etapas
de:
sinterizado del inserto de corte compacto de
cerámica verde para formar un inserto de corte compacto de cerámica
no pulido sinterizado; y
prensado isostático en caliente del inserto de
corte compacto de cerámica no pulido sinterizado para formar un
inserto de corte virgen de cerámica no pulido no recubierto.
4. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que la etapa de consolidación (b) comprende las etapas
de:
sinterizado del inserto de corte compacto de
cerámica verde para formar un inserto de corte compacto de cerámica
no pulido sinterizado;
prensado isostático en caliente del inserto de
corte compacto de cerámica no pulido sinterizado para formar un
inserto de corte virgen de cerámica no pulido no recubierto; y
sinterizado del inserto de corte virgen de
cerámica no pulido no recubierto.
5. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que la etapa de consolidación (b) comprende la etapa de
prensado uniaxial en caliente del inserto de corte compacto de
cerámica verde para formar un inserto de corte virgen de cerámica
no pulido prensado en caliente.
6. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5, en el que el tratamiento por calor en
la etapa (d) sucede en una atmósfera de nitrógeno a una presión de
una atmósfera y a una temperatura entre 1815ºC y 1860ºC durante
entre 130 y 270 minutos.
7. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5, en el que el tratamiento por calor en
la etapa (d) sucede en una atmósfera de argón a una presión de
aproximadamente una atmósfera y a una temperatura de 1650ºC durante
60 minutos.
8. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7 que incluye adicionalmente la etapa de
recubrimiento del inserto de corte de cerámica pulido tratado por
calor.
9. El proceso de acuerdo con la reivindicación
8, en el que el recubrimiento se selecciona entre uno o más
compuestos del grupo compuesto por alúmina, nitruro de titanio,
carbonitruro de titanio, carburo de titanio y nitruro de titanio y
aluminio.
10. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo comprende
entre el 60 por ciento en peso y el 98 por ciento en peso de nitruro
de silicio, hasta el 25 por ciento en peso de nitruro de aluminio,
hasta el 25 por ciento en peso de alúmina, hasta el 2 por ciento en
peso de magnesia, y hasta el 7 por ciento en peso de itria.
11. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo comprende
el 98 por ciento en peso de nitruro de silicio, el 1 por ciento en
peso de magnesia y el 1 por ciento en peso de itria.
12. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo comprende
el 85,4 por ciento en peso de nitruro de silicio, el 6,2 por ciento
en peso de nitruro de aluminio, el 3,7 por ciento en peso de
alúmina, y el 4,7 por ciento en peso de itria.
13. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo comprende
el 63,3 por ciento en peso de nitruro de silicio, el 9,3 por ciento
en peso de nitruro de aluminio, el 22,7 por ciento en peso de
alúmina, y el 4,7 por ciento en peso de itria.
14. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo comprende
el 91,6 por ciento en peso de nitruro de silicio, el 1,6 por ciento
en peso de nitruro de aluminio, el 1,3 por ciento en peso de
alúmina, y el 5,5 por ciento en peso de itria.
15. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 10, en el que la mezcla en polvo comprende
fibras de alúmina y carburo de silicio.
16. El proceso de acuerdo con la reivindicación
15, en el que la mezcla en polvo incluye adicionalmente
circonia.
17. El proceso de acuerdo con la reivindicación
15, en el que la mezcla en polvo incluye adicionalmente carbonitruro
de titanio.
18. El proceso de acuerdo con la reivindicación
17, en el que la mezcla en polvo comprende el 34,4 por ciento en
peso de alúmina, el 19,1 por ciento en peso de fibras de carburo de
silicio, el 0,3 por ciento en peso de itria, y el carbonitruro de
titanio de equilibrio.
19. El proceso de acuerdo con la reivindicación
18, en el que el carbonitruro de titanio tiene la fórmula
TiC_{x}N_{y}, y x es igual a aproximadamente 0,5 e y es igual a
aproximadamente 0,5.
20. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo comprende
el 14,2 por ciento en peso de circonia; el 2,3 por ciento en peso de
MgAl_{2}O_{4}; el 1,2 por ciento en peso de fibras de carburo
de silicio; el 0,14 por ciento en peso de dióxido de silicio; el
0,02 por ciento en peso de óxido de calcio; y la alúmina de
equilibrio.
21. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 14, en el que la mezcla en polvo está
basada en nitruro de silicio, y antes de la etapa de consolidación,
el inserto de corte compacto de cerámica verde está en contacto con
un polvo de sedimentación; y el polvo de sedimentación incluye uno o
más de los siguientes y/o sus productos de reacción: los óxidos de
aluminio, hafnio, circonio, itrio, magnesio, calcio y los metales
de la serie de elementos de los lantánidos; y nitruros y/o carburos
de silicio, titanio, hafnio, aluminio, circonio, boro, niobio y
carbono.
22. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla en polvo incluye
adicionalmente hasta el treinta por ciento en volumen de al menos un
componente seleccionado entre el grupo de hafnia, circonia, y los
nitruros, carburos y/o carbonitruros de titanio, silicio, hafnio, y
circonio y sus mezclas.
23. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 22, en el que el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor tiene una región superficial con
una primera microestructura y una región voluminosa con una segunda
microestructura, y la primera microestructura de la región
superficial comprende fase de nitruro de silicio \beta y fase de
Y_{2}Si3O_{3}N_{4}, y la segunda microestructura de la región
voluminosa comprende nitruro de silicio \beta.
24. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 22, en el que el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor tiene una región superficial con
una primera microestructura y un región voluminosa con una segunda
microestructura, y la primera microestructura de la región
superficial comprende \beta'-Sialon,
\alpha'-Sialon y N-YAM; y la
segunda microestructura de la región voluminosa comprende una
mezcla de \alpha'-Sialon y
\beta'-Sialon.
25. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 22, en el que el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor tiene una región superficial con
una primera microestructura y una región voluminosa con una segunda
microestructura, y la primera microestructura de la región
superficial comprende \beta'-Sialon y fase 15R; y
la segunda microestructura de la región voluminosa consta
esencialmente de \beta'-Sialon.
26. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 22, en el que el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor tiene una región superficial con
una primera microestructura y una región voluminosa con una segunda
microestructura, y la primera microestructura de la región
superficial comprende \beta'-Sialon y
N-Melilita; y la segunda microestructura de la
región voluminosa consta esencialmente de
\beta'-Sialon, fase B y
N-\alpha-Wollastonita.
27. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 22, en el que el inserto de corte de
cerámica pulido tratado por calor tiene una región superficial con
una primera microestructura y una región voluminosa con una segunda
microestructura, y la primera microestructura de la región
superficial comprende alúmina, circonia tetragonal, circonia
monoclínica, carburo de silicio, MgAl_{2}O_{4}, y ZrO/ZrC; y la
segunda microestructura de la región voluminosa comprende alúmina,
circonia monoclínica, circonia tetragonal, carburo de silicio y
MgAl_{2}O_{4}.
28. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 27, que incluye adicionalmente la etapa de
pulimentado de al menos una parte del inserto de corte pulido
tratado por calor no recubierto.
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