ES2304684T3 - Abrasivos con recubrimiento. - Google Patents

Abstract

Un abrasivo con recubrimiento super-duro que comprende un núcleo de un material abrasivo super-duro, una capa interna de un carburo metálico, de nitruro, boruro o de carbonitruro aglutinados químicamente a una superficie externa del material abrasivo super-duro y una capa externa de un carbonitruro metálico depositado sobre la capa interna.

Description

Abrasivos con recubrimiento.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a unos abrasivos con recubrimiento, a un proceso para su producción y a unos abrasivos con recubrimiento para su uso en unas herramientas que contienen un abrasivo.

Normalmente, se usan unas partículas abrasivas tales como el diamante y el nitruro de boro cúbico en unas aplicaciones de corte, trituración, perforación, aserrado y pulido. En dichas aplicaciones, se mezclan las partículas abrasivas con unas mezclas de pulvimetal, después se sinterizan a altas temperaturas para conformar unos elementos de corte aglomerados. Unas matrices de aglomeración típicas contienen hierro, cobalto, cobre, níquel y/o aleaciones de los mismos.

Unos problemas comunes en las aplicaciones son la retención de partículas en la matriz de aglomeración y la resistencia contra el ataque del óxido durante el proceso de sinterización y la subsiguiente aplicación.

Estos problemas están dirigidos comúnmente recubriendo las partículas abrasivas con metales o con unas aleaciones que se aglomeran químicamente a las partículas y se alean a la matriz de aglomeración. Típicamente, se usan unas técnicas de deposiciones de vapor químico (CVD) o deposiciones de vapor físico (recubrimiento metalizado PVD). El carburo de titanio es un ejemplo de un material que ha sido propuesto como revestimiento para partículas abrasivas, debido a su buena adhesión al diamante. El carburo de cromo es un material de recubrimiento similar que se puede usar también.

Un problema derivado del uso de recubrimientos de carburo de titanio cuando las matrices de aglomeración contengan bronce o Cu, es que estos materiales tienden a reaccionar con el carburo de titanio, de tal manera que puedan reaccionar a distancia. Entonces, las partículas de diamante son susceptibles de experimentar una grafitización de las superficies de las partículas de diamante, cuando la matriz de aglomeración esté compuesta de unos metales que se usan típicamente como disolventes/catalizadores para la síntesis del diamante. Unos ejemplos de dichos metales son el Fe, Co y el Ni. En el estado fundido, estos metales son capaces de disolver el diamante, lo cual precipita la refrigeración para conformar el grafito. Este proceso de grafitización de la superficie del diamante no solamente debilita a las partículas sino que puede dar como resultado también una retención más pobre de las partículas en la aglomeración.

Durante la fabricación de las herramientas de corte, por ejemplo, durante el sinterizado de unos segmentos de sierra que contienen partículas de diamante, el oxígeno deberá estar presente como óxidos de superficie, el oxígeno disuelto en los pulvimetales que conforman la matriz de aglomeración, o en forma gaseosa en la atmósfera o como una consecuencia de la aplicación de un recubrimiento de carburo de titanio, por sí mismo. A temperaturas de sinterizado, este oxígeno es capaz de atacar la superficie de las partículas de diamante, lo cual debilita las partículas.

Resumen de la invención

Un abrasivo con recubrimiento super-duro comprende: un núcleo de un material abrasivo super-duro, una capa interna de un carburo metálico, de un nitruro, de un boruro o de un carbonitruro aglutinada químicamente a una superficie externa del material abrasivo super-duro y una capa externa de un carbonitruro metálico, en particular, el carbonitruro de titanio.

La capa externa se aplica preferiblemente mediante una deposición de vapor físico.

Típicamente, el material abrasivo ultra-duro es diamante o basado en cBN y puede incluir microgránulos de diamante o de cBN, sustratos PCD, sustratos PCD térmicamente estables (TSPCD), sustratos PcBN, una película de diamante CVD, un sustrato de diamante de un solo cristal.

La capa interna está conformada a partir de un elemento capaz de conformar (individualmente o en combinación) carburos, nitruros o boruros a la/s superficie/s del material abrasivo cuando se apliquen como una capa interna usando un proceso de revestimiento en caliente. Típicamente, estos elementos provienen de unos grupos IVa, Va, VIa, IIIb y IVb de la tabla periódica. Preferiblemente, la capa interna es un recubrimiento de titanio o de carburo de cromo en el caso de un núcleo abrasivo de diamante, o un recubrimiento de titanio o de nitruro de cromo, de boruro o de boronitruro en el caso de un núcleo abrasivo cBN, aunque podrían usarse, por ejemplo, otros metales tales como el vanadio, molibdeno, tantalio, indio, circonio, niobio, tungsteno, aluminio, boro o silicona.

Descripción de las realizaciones preferentes

Aunque la invención se extiende hacia varias formas de materiales abrasivos con recubrimiento, se describirá en su mayor parte haciendo referencia al recubrimiento de microgránulos de diamante para su conveniencia. El Ti en forma de carburo de titanio o de nitruros y boruros de titanio se han mostrado como unos materiales de recubrimiento útiles para sustratos de diamante y cBN, respectivamente. Son particularmente útiles debido a su capacidad para aglutinarse químicamente al sustrato y para proteger el sustrato. No obstante, según se ha descrito anteriormente, no son apropiados en algunas aplicaciones, particularmente, cuando estén sinterizados en unas condiciones de sinterización agresivas en presencia de bronce o cobre y cuando la matriz de aglomeración contenga, por ejemplo, metales ferrosos o cuando esté en presencia de oxígeno.

Se ha descubierto que las ventajas de los recubrimientos de titanio se pueden extender a otras aplicaciones que utilizan microgránulos de diamante, cuando se aplique un recubrimiento externo de un carbonitruro metálico, en particular, el carbonitruro de titanio sobre la capa de recubrimiento de titanio. Particularmente, este es el caso cuando se usan microgránulos de diamante en una matriz de aglomeración metálica que contiene metales ferrosos para conformar un componente herramienta abrasiva inmediatamente después de su sinterizado. Conforma una barrera para la difusión de Co, Fe y Ni a partir de una matriz de aglomeración metálica de los mismos, permitiendo que se use en unos procesos de compresión en caliente de Cu bajo, de Fe, Co y Cu así como en unas aglomeraciones de hierro puro aun cuando las condiciones de sinterización requieran unos tiempos de sinterización dilatados y altas temperaturas. Es útil también cuando el recubrimiento de carburo de titanio, en el caso de las partículas de diamante, podría ser reaccionado a distancia por un componente del material metálico, por ejemplo, bronce y cobresoldaduras del material a otro material metálico o cerámico, o por la sinterización o infiltración de un polvo para conformar un material de polvo de infiltración.

Es especialmente útil en la fabricación de herramientas de diamante impregnado, tales como los segmentos para hojas de sierra, taladros, molduras para alambres con forma de diamante y especialmente cuando altas cantidades de bronce o cobre limiten la utilidad de los recubrimientos de carburo de titanio, la fabricación de herramientas de capa de diamante broncesoldadas o cobresoldadas, tales como las molduras para alambres con forma de diamante broncesoldadas o cobresoldadas, la fabricación de diamantes que contienen unos compuestos de matriz metálica, bronce o cobresoldaduras de materiales de diamante tales como la fijación de TSPCD, PCD y las piedras de perforación al cuerpo de un taladro, la fijación de CVD, de monocristales, de TSPCD y PCD a una hoja de sierra, al portaherramientas, al cuerpo del taladro y similares.

Adicionalmente, la capacidad mejorada del rendimiento de las herramientas de recubrimiento impregnadas de diamante tal como una vida útil de la herramienta más larga y una productividad más alta. Las partículas de recubrimiento de diamante de la invención para unas aplicaciones de bronce o cobresoldaduras permiten el uso de unas bronce o cobresoldaduras sencillas que trabajan en el aire, en contraposición a las bronce o cobresoldaduras activas que contienen Ti, las cuales requieren la exclusión del oxígeno.

Las partículas abrasivas de recubrimiento se conforman, preferiblemente, usando un proceso de recubrimiento en caliente para aplicar la capa interna y un proceso PVD para aplicar la capa externa.

Las partículas de microgránulos de diamante son aquellas que se usan convencionalmente en la fabricación de herramientas metálicas de aglomeración. Tienen un tamaño generalmente uniforme, típicamente entre 0,1 hasta 10 mm. Unos ejemplos de dichas partículas de microgránulos de diamante incluyen unas limaduras micrométricas desde 0,1 hasta 60 micrómetros, unas limaduras de rueda desde 40 micrómetros hasta 200 micrómetros, unas limaduras de sierra desde 180 micrómetros hasta 2 milímetros, unos monocristales desde 1 milímetro hasta 10 milímetros, unas inserciones de CVD de unos pocos milímetros cuadrados hasta alcanzar un diámetro de 200 milímetros, unas inserciones de PCD de unos pocos milímetros cuadrados hasta alcanzar un diámetro de 104 milímetros, unas limaduras de cBN en una gama micrométrica comprendida entre 0,1 hasta 60 micrómetros, en una gama de limaduras de rueda comprendida entre 40 micrómetros hasta 200 micrómetros, unas inserciones de PCBN de unos pocos mm., hasta alcanzar un diámetro de 104 mm.

Las partículas de diamante se recubren primero en un proceso de recubrimiento en caliente para proporcionar una capa interna, la cual puede ser un carburo metálico, una capa de nitruro o de carbonitruro. En el caso del cBN, dicho recubrimiento interno sería, típicamente, una capa de nitruro metálico, o de boruro, o de boronitruro. En este proceso de recubrimiento en caliente, se aplica el recubrimiento con base metálica al sustrato de diamante bajo unas condiciones térmicas apropiadas para que se realice dicha aglomeración. Unas tecnologías de recubrimiento en caliente típicas que se pueden usar incluyen unos procesos que conllevan, por ejemplo, unas deposiciones a partir de una fase de gas halogenuro metálico, de procesos CVD, o de un recubrimiento por termodifusión al vacío o unos procesos de deposición de vapor metálico. Se consideran preferentes las deposiciones a partir de una fase de gas halogenuro metálico y de los procesos CVD.

En aquellos procesos que conlleven unas deposiciones a partir de una fase de gas halogenuro metálico, las partículas que van a ser recubiertas se exponen a un halogenuro metálico que contiene el metal que va a ser recubierto (por ejemplo, TI) en un medio gaseoso apropiado (por ejemplo, unos medios no oxidantes que contienen uno o más de los elementos siguientes: un gas inerte, hidrógeno, hidrocarburos, presión reducida). El halogenuro metálico puede ser generado a partir de un metal como una parte del proceso.

La mezcla se somete a un ciclo de calor durante el cual el halogenuro metálico transporta el Ti a las superficies de las partículas donde será liberado y se aglutinará químicamente a las partículas.

La capa externa de carbonitruro metálico se deposita usando un proceso CVD o una técnica de recubrimiento en frío tal como PVD, la cual se considera como preferente. Este es un proceso de baja temperatura porque se genera insuficiente calor para originar una aglomeración química, significativa, del carburo al sustrato. Por lo tanto, si se usa solo, entonces daría como resultado una pobre adhesión a las partículas de diamante. Un ejemplo de un proceso PVD para aplicar el recubrimiento externo es el de un recubrimiento metalizado reactivo en el cual un gas reactivo, tal como, un gas hidrocarburo y/o el nitrógeno es admitido durante el recubrimiento. El gas reacciona con el vapor metálico formado por el proceso de metalizado, dando como resultado la deposición de carbonitruros. En este procedimiento, se puede optimizar la proporción de Ti:(C_{1}N) y C:N para realzar adicionalmente las propiedades de la capa externa.

Preferiblemente, la capa externa es de carbonitruro de titanio.

Esta invención se describirá ahora solamente a modo de ejemplo, haciendo referencia al siguiente ejemplo no limitante.

Ejemplo

Las microgránulos de diamante a partir del tamaño de malla US 40/45 del Element Six, se recubrieron en un proceso CVD para producir un diamante de recubrimiento TIC de acuerdo con unos procedimientos generales conocidos comúnmente en la técnica. Se usó entonces el diamante de recubrimiento de CVD TIC como el sustrato para la segunda etapa de recubrimiento.

Unos 1.000 quilates de este diamante de revestimiento TIC tamaño de malla US 40/50, se colocaron en un recubrimiento metalizado de magnetrón provisto de un barril giratorio, con una gran placa metálica de titanio puro como objetivo. La cámara de recubrimiento fue evacuada, se admitió el argón y se encendió la potencia para conformar el plasma. Se aumentó la potencia de metalizado hasta 10 A (400 V) como objetivo, mientras se hacía girar el barril para garantizar un recubrimiento uniforme sobre todas las partículas de diamante a una presión de atmósfera del argón de 20 sccm. El gas C_{4}H_{10} fue admitido en 5sccm junto con el gas nitrógeno, para alcanzar una Medida de Emisiones Ópticas del 70%. La metalización del titanio reactivo con el carbono y el nitrógeno continuó durante unas 2 horas. Después de lo cual, se dejó enfriar el diamante de recubrimiento antes de retirarlo de la cámara.

Se realizó un análisis de este diamante de recubrimiento, que comprendía una difracción de rayos X, una fluorescencia de rayos X, una prueba química del recubrimiento, un análisis Óptico y de Exploración Microscópica Electrónica de imágenes y de fractura de partículas seguido por un análisis en sección transversal en la SEM.

Visualmente, este recubrimiento se mostraba de un color rojo oscuro/o cobre. Esta coloración se mostraba distribuida uniformemente sobre cada una de las partículas y cada partícula se mostraba idéntica. El recubrimiento se observaba uniforme y sin áreas sin recubrir. Nuevamente, la observación en la SEM mostraba un recubrimiento uniforme con una morfología ligeramente basta. Se observaron también en la SEM las partículas fracturadas. Se hizo claramente visible una estructura de dos capas, teniendo la capa de TiCN un grosor de aproximadamente 0,2 micrómetros. Este recubrimiento particular dio como resultado una prueba del 1,03%. El recubrimiento TiC de este tamaño que se usó para este lote, normalmente, tiene una prueba del 0,45%. Por lo tanto, el resto de la prueba del 1,03% se atribuye a la capa de TiCN en la parte superior del TiC. Cuando se analizaron usando XRD, TiC y TiCN se encontró XRF, el análisis mostraba un 100% de Ti.

Claims (8)

1. Un abrasivo con recubrimiento super-duro que comprende un núcleo de un material abrasivo super-duro, una capa interna de un carburo metálico, de nitruro, boruro o de carbonitruro aglutinados químicamente a una superficie externa del material abrasivo super-duro y una capa externa de un carbonitruro metálico depositado sobre la capa interna.

2. Un abrasivo con recubrimiento super-duro de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que la capa externa está conformada de un carbonitruro de titanio.

3. Un abrasivo con recubrimiento super-duro de acuerdo con la Reivindicación 1 ó la Reivindicación 2, en el que la capa externa está depositada mediante una deposición de vapor físico.

4. Un abrasivo con recubrimiento super-duro de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones anteriores, en el que el material abrasivo super-duro es basado en diamante o en cBN.

5. Un abrasivo con recubrimiento super-duro de acuerdo con la Reivindicación 4, en el que el material abrasivo super-duro se selecciona a partir del grupo que comprende microgránulos de diamante o de cBN, un sustrato PCD, un sustrato PCD térmicamente estable (TSPCD), un sustrato PcBN, una película de diamante CVD y un sustrato de diamante de un solo cristal.

6. Un abrasivo con recubrimiento super-duro de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones anteriores, en el que la capa interna está conformada a partir de un elemento capaz de conformar (individualmente o en combinación) carburos, nitruros o boruros para la/s superficie/s del material abrasivo que esté usando un proceso de recubrimiento en caliente.

7. Un abrasivo de recubrimiento super-duro de acuerdo con la Reivindicación 6, en el que se selecciona el elemento a partir del grupo que comprende los grupos IVa, Va, VIa, IIIb y IVb de la tabla periódica.

8. Un abrasivo con recubrimiento super-duro de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones anteriores, en el que la capa interna es un recubrimiento de carburo de titanio o de cromo en el caso de un núcleo basado en el diamante, o un recubrimiento nitruro de titanio o de cromo, de boruro o de boronitruro en el caso de un núcleo basado en cBN.