ES2322319A1 - Procedimiento para la preparacion de carburos nanoestructurados. - Google Patents

Procedimiento para la preparacion de carburos nanoestructurados. Download PDF

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Eduardo Martinez Tamayo
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Fernando Jose Sapiña Navarro
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Abstract

Procedimiento para la preparación de carburos nanoestructurados. La invención define un procedimiento para la preparación de un carburo nanoestructurado de un metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI) que comprende las etapas de: (a) preparar una disolución de una sal del metal de transición; (b) liofilizar la disolución preparada en la etapa (a) para obtener un precursor sólido; y (c) someter el precursor sólido obtenido en la etapa (b) a tratamiento térmico en presencia de una mezcla gaseosa carburizante. Dicho procedimiento permite obtener carburos metálicos con un tamaño de partícula nanométrico que pueden emplearse ventajosamente en la preparación de carburos cementados, que, a su vez, se emplean para preparar piezas para herramientas, componentes de maquinaria y moldes, así como para producir recubrimientos protectores de otros materiales sometidos a condiciones severas de desgaste, corrosión o temperatura.

Description

Procedimiento para la preparación de carburos nanoestructurados.
Campo de la invención
La invención se refiere al campo de los carburos metálicos. Más en particular, la invención se refiere a un procedimiento para obtener carburos nanoestructurados de metales de transición, compuestos que se emplean en la preparación de carburos cementados. En particular, en esta invención se emplea un método basado en la carburización de un precursor sólido obtenido por liofilización de una disolución del metal de interés empleando un gas adecuado a temperaturas elevadas.
Antecedentes de la invención
Como es bien conocido en el estado de la técnica, el procedimiento habitual de preparación de carburos metálicos de metales de transición tales como wolframio, molibdeno, vanadio, titanio o cromo está basado en la reacción en fase sólida, a elevadas temperaturas y en una atmósfera adecuada, entre los metales y carbón. Así, por ejemplo, en la patente US 2,601,023 se describe la preparación de carburos de wolframio y de molibdeno mediante pirólisis del carbonilo correspondiente y posterior calentamiento a 800-1850ºC de los productos de pirólisis en presencia de una atmósfera de monóxido y dióxido de carbono. Igualmente, en la patente US 5,089,182 se describe la preparación de esferas micrométricas de carburo de wolframio a partir de carburo de wolframio fundido que se prepara calentando con arco eléctrico hasta la temperatura de fusión de una mezcla de wolframio en polvo y grafito o negro de carbón también en polvo. De forma análoga, en la solicitud de patente US 2002/0078794 se describe la preparación de carburos de wolframio y de molibdeno partiendo del óxido correspondiente en polvo que se reduce y luego se carbura con negro de carbón a altas temperaturas.
Por otro lado, se han empleado otros métodos para obtener carburos metálicos tal como la preparación electrolítica de carburo de wolframio a partir de un baño fundido de un wolframato de un metal alcalino (US 3,589,987), o la preparación de mezclas de carburo de cobalto y wolframio en polvo mediante la reducción de un compuesto de wolframio con calcio metálico en un medio de cloruro cálcico fundido, en presencia de una cantidad de carbono suficiente y con la adición de una fuente de cobalto al medio fundido (US 3,486,881).
Sin embargo, estos métodos de síntesis parten de compuestos que tienen un tamaño de partícula elevado, de forma que el tamaño de partícula de los carburos finalmente obtenidos suele estar por encima de un micrómetro.
Dada la relación que existe entre las propiedades mecánicas de los carburos cementados y el tamaño de partícula del carburo de wolframio, ha surgido la necesidad de obtener carburos de wolframio con un tamaño de partícula nanométrico, así como de obtener carburos de molibdeno, vanadio, titanio y cromo también nanométricos que se emplean como inhibidores del crecimiento de las partículas de carburo de wolframio en el proceso de sinterización de los carburos cementados.
Recientemente, se ha descrito la preparación de un polvo de carburo de wolframio con un tamaño de partícula nanométrico en la solicitud de patente US 2004/0042953. Este método se basa en la reacción en fase de vapor del metal y el gas carburizante a presión atmosférica, partiendo de un precursor del metal que se vaporiza mediante evaporación o sublimación en una atmósfera no oxidante.
Dicho método, sin embargo, presenta como inconvenientes una baja productividad del método debida al paso de evaporación o sublimación, un elevado consumo energético, y un alto precio de los reactivos de partida.
Continúa existiendo en el estado de la técnica, por tanto, la necesidad de un procedimiento para preparar carburos metálicos nanoestructurados que superen los inconvenientes del estado de la técnica.
Los presentes inventores han descubierto que un tratamiento térmico a temperaturas elevadas en una atmósfera de carburización adecuada de precursores obtenidos por liofilización de una disolución de una sal del metal de transición, permite obtener carburos metálicos con tamaño de partícula nanométrico que pueden emplearse ventajosamente en la preparación de carburos cementados. Estos materiales, a su vez, se emplean en la preparación de piezas para herramientas, componentes de maquinaria, moldes y en la producción de recubrimientos protectores de otros materiales sometidos a condiciones severas de desgaste, corrosión o temperatura.
Objeto de la invención
La presente invención, por tanto, tiene por objeto proporcionar un procedimiento para la preparación de un carburo nanoestructurado de un metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI).
Otro objeto de la invención es proporcionar carburos nanoestructurados obtenibles por dicho procedimiento.
Asimismo, otro objeto de la invención es proporcionar el uso de dichos carburos nanoestructurados en la producción de carburos cementados.
Finalmente, otro objeto de la invención es proporcionar el uso de dichos carburos cementados en la producción de piezas de herramientas, componentes de máquinas y moldes o bien en el recubrimiento de materiales para la producción de los mismos.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra los diagramas de difracción de rayos X de carburos de wolframio preparados mediante el procedimiento de la invención: (A) con un tamaño de partícula de 80 nm (tratamiento térmico: 800ºC, 12 h); (B) con un tamaño de partícula de 200 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 12 h); (C) con un tamaño de partícula de 100 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 2 h); y (D) con un tamaño de partícula de 125 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 1 h).
La figura 2 muestra las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido de carburos de wolframio preparados mediante el procedimiento de la invención: (A) con un tamaño de partícula de 80 nm (tratamiento térmico: 800ºC, 12 h); (B) con un tamaño de partícula de 200 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 12 h); (C) con un tamaño de partícula de 100 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 2 h); y (D) con un tamaño de partícula de 125 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 1 h).
La figura 3 muestra los diagramas de difracción de rayos X de carburos de molibdeno preparados mediante el procedimiento de la invención: (A) con un tamaño de partícula de 10 nm (tratamiento térmico: 750ºC, 2 h); (B) con un tamaño de partícula de 10 nm (tratamiento térmico: 650ºC, 12 h); y de carburos de vanadio preparados mediante el procedimiento de la invención: (C) con un tamaño de partícula de 30 nm (tratamiento térmico: 875ºC, 12 h); (D) con un tamaño de partícula de 30 nm (tratamiento térmico: 900ºC, 12 h).
La figura 4 muestra las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido de carburos de molibdeno y vanadio preparados mediante el procedimiento de la invención: (A) carburo de molibdeno con un tamaño de partícula de 10 nm (tratamiento térmico: 650ºC, 12 h); (B) carburo de vanadio con un tamaño de partícula de 30 nm (tratamiento térmico: 875ºC, 12 h).
La figura 5 muestra el diagrama de difracción de rayos X de un carburo de titanio preparado mediante el procedimiento de la invención con un tamaño de partícula de 30 nm (tratamiento térmico: 1250ºC, 5 h).
La figura 6 muestra la micrografía obtenida mediante microscopía electrónica de barrido de un carburo de titanio preparado mediante el procedimiento de la invención con un tamaño de partícula de 30 nm (tratamiento térmico: 1250ºC, 5 h).
Descripción detallada de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento para la preparación de un carburo nanoestructurado de un metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI), en adelante "procedimiento de la invención", que comprende las etapas de:
(a) preparar una disolución de una sal del metal de transición;
(b) liofilizar la disolución preparada en la etapa (a) para obtener un precursor sólido; y
(c) someter el precursor sólido obtenido en la etapa (b) a tratamiento térmico en presencia de una mezcla gaseosa carburizante.
En el contexto de la invención el término "carburo nanoestructurado" se refiere a un carburo en forma de agregado de nanopartículas con un tamaño de unas decenas o unas pocas centenas de nanómetros.
En una realización particular del procedimiento de la invención, el metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI) se selecciona entre wolframio, molibdeno, vanadio, titanio y cromo.
El primer paso del proceso consiste en la preparación de una disolución de una sal que contiene el metal de transición de interés.
En una realización particular del procedimiento de la invención, la sal del metal de transición empleada en la etapa (a) es una sal inorgánica del mismo, preferiblemente una sal amónica. En otra realización particular del procedimiento de la invención, la sal del metal de transición es una sal orgánica del mismo, preferiblemente un isopropóxido. En una realización preferida, la sal del metal de transición se selecciona entre wolframato amónico, molibdato amónico, vanadato amónico, isopropóxido de titanio y cromato amónico.
La sal seleccionada se disuelve en un disolvente liofilizable o en una mezcla de disolventes liofilizables. Aunque se pueden emplear distintos disolventes liofilizables o mezclas de disolventes liofilizables del estado de la técnica, es preferible emplear agua como disolvente.
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Opcionalmente, a dicha disolución se le adiciona un compuesto apropiado que ayuda a estabilizarla. En el caso de una disolución de sal de titanio, dicho compuesto es el peróxido de hidrógeno.
La liofilización de la disolución así preparada permite obtener un precursor sólido que se someterá posteriormente a un tratamiento térmico adecuado en una atmósfera carburizante.
El proceso de liofilización de la disolución de la sal del metal de transición de interés supone someterla a congelación y después someter el producto congelado a vacío controlando la temperatura a fin de que se evapore el disolvente congelado. La congelación puede efectuarse, por ejemplo, vertiendo la disolución gota a gota sobre nitrógeno líquido. El producto así congelado se introduce después en un liofilizador adecuado a la técnica aplicando una presión del orden de 10^{-2} bar (0,0099 atm) durante un tiempo apropiado, del orden de 24 horas, con el condensador trabajando a una temperatura adecuada del orden de -50ºC.
Una vez obtenido el precursor sólido, se somete este a un tratamiento térmico de carburización empleando una atmósfera carburizante adecuada, estática o dinámica, si bien se prefiere trabajar en condiciones de mezcla carburizante dinámica. Así, en una realización particular del procedimiento de la invención, la mezcla gaseosa carburizante de la etapa (c) comprende hidrógeno y un gas que contiene carbono. En una realización preferida, el gas que contiene carbono se selecciona entre metano, etano, propano, butano, monóxido de carbono, y mezclas de los mismos, siendo el metano el gas de mayor preferencia.
En dicha mezcla gaseosa carburizante, la proporción del gas que contiene carbono variará en función de la naturaleza del metal de transición en el sólido precursor que se ha de carburar, variando preferiblemente del 0,001 al 99% en volumen, más preferiblemente del 0,01 al 40% en volumen y, aún más preferiblemente del 0,01 al 10% en volumen siendo el resto hidrógeno.
Los gases de dicha mezcla gaseosa carburizante pueden estar opcionalmente diluidos en un gas portador inerte tal como argón o helio. Así, en una realización particular del procedimiento de la invención, la mezcla gaseosa carburizante de la etapa (c) comprende un gas portador inerte. En una realización preferida, el gas portador inerte es argón.
En caso de incluir un gas portador inerte, se ha de reducir la proporción de hidrógeno, sustituyéndola por una cantidad adecuada de gas inerte que el experto podrá determinar de modo que la suma total de porcentajes en volumen de los distintos gases que componen la mezcla gaseosa carburizante sea del 100%.
En una realización particular del procedimiento de la invención, el tratamiento térmico de la etapa (c) se efectúa a una a una temperatura entre 600 y 1400ºC. En una realización preferida, el tratamiento térmico de la etapa (c) se efectúa a una temperatura entre 650 y 1250ºC.
Este tratamiento térmico se puede llevar a cabo en un reactor adecuado a la técnica, a una velocidad apropiada de 1-50ºC/min, preferiblemente de 5-20ºC/min durante un tiempo adecuado de 0,1-48 horas, preferiblemente 0,5-12 horas y con un flujo de la mezcla gaseosa carburizante de 1-2000 cm^{3}/min, preferiblemente de 100-1000 cm^{3}/min y más preferiblemente de 220 cm^{3}/min.
En otro aspecto de la invención se proporciona un carburo nanoestructurado de un metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI) obtenible por el procedimiento previamente descrito, caracterizado porque tiene un tamaño de partícula comprendido entre 8 y 200 nm.
En el caso del carburo de wolframio, el tamaño de las partículas está comprendido entre unos 80 y 200 nm. El tamaño de las partículas de carburo de molibdeno varía entre 8 y 15 nm, el de las partículas de carburo de vanadio entre 25 y 35 nm, el de las partículas de carburo de titanio entre 20 y 40 nm y el de las partículas de carburo de cromo entre 10 y 40 nm.
En otro aspecto de la invención se proporciona el uso de dichos carburos nanoestructurados en la producción de carburos cementados.
En otro aspecto de la invención se proporciona el uso de dichos carburos cementados para producir piezas de herramientas, componentes de máquinas y moldes, así como para recubrir materiales para la producción de piezas de herramientas, componentes de máquinas y moldes. Así, estos carburos nanoestructurados constituyen la materia prima para producir recubrimientos sobre diferentes sustratos, habitualmente metálicos, que se emplean para proteger el sustrato de la acción de condiciones de trabajo severas: corrosión, temperatura, etc., y que proporcionan elevadas propiedades frente al desgaste, o comportamiento tribológico mejorado.
A continuación se describe la presente invención con mayor detalle, mediante una serie de ejemplos. Los ejemplos se presentan a título ilustrativo y no deben tomarse con la intención de limitarla presente invención a cualquier forma específica.
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Ejemplo 1 Preparación de carburo de wolframio con un tamaño de partícula de 80 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de wolframato amónico de concentración 0,3 M, (NH_{4})_{6}W_{12}O_{39}. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 800ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 12 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de wolframio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 1 A]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de unos 80 nm [Figura 2 A].
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Ejemplo 2 Preparación de carburo de wolframio con un tamaño de partícula de 200 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de wolframato amónico de concentración 0,3 M, (NH_{4})_{6}W_{12}O_{39}. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 900ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 12 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de wolframio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 1 B]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de unos 200 nm [Figura 2 B].
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Ejemplo 3 Preparación de carburo de wolframio con un tamaño de partícula de 100 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de wolframato amónico de concentración 0,3 M, (NH_{4})_{6}W_{12}O_{39}. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 900ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 2 horas.
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El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de wolframio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 1 C]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido, es de unos 100 nm [Figura 2 C].
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Ejemplo 4 Preparación de carburo de wolframio con un tamaño de partícula de 125 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de wolframato amónico de concentración 0,3 M, (NH_{4})_{6}W_{12}O_{39}. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 900ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 1 hora.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de wolframio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 1 D]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de 125 nm [Figura 2 D].
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Ejemplo 5 Preparación de carburo de molibdeno con un tamaño de partícula de 10 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de molibdato amónico de concentración 0,3 M, (NH_{4})_{6}Mo_{7}O_{24}.
4H_{2}O. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 750ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 2 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de molibdeno, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 3 A]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de 10 nm.
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Ejemplo 6 Preparación de carburo de molibdeno con un tamaño de partícula de 10 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de molibdato amónico de concentración 0,3 M, (NH_{4})_{6}Mo_{7}O_{24}.
4H_{2}O. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
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A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 650ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 12 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de molibdeno, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 3 B]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido, es de 10 nm [Figura 4 A].
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Ejemplo 7 Preparación de carburo de vanadio con un tamaño de partícula de 30 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de vanadato amónico de concentración 0,3 M, NH_{4}VO_{3}. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 875ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 12 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de vanadio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 3 C]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de 30 nm [Figura 4 B].
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Ejemplo 8 Preparación de carburo de vanadio con un tamaño de partícula de 30 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de vanadato amónico de concentración 0,3 M, NH_{4}VO_{3}. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de - 50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 9,09% de metano, un 9,09% de hidrógeno y un 81,82% de argón. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 5ºC/min hasta una temperatura de 900ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 12 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de vanadio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 3 D]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de 30 nm.
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Ejemplo 9 Preparación de carburo de titanio con un tamaño de partícula de 30 nm
Se prepararon 250 ml de una disolución acuosa de isopropóxido de titanio de concentración 0,075 M, Ti(OiPr), a la que se le añadió un pequeño volumen de una disolución de peróxido de hidrógeno. Esta disolución se congeló por vertido, gota a gota, sobre nitrógeno líquido. El producto congelado se introdujo después en un liofilizador que trabajaba en sus condiciones óptimas de operación, que en este caso fueron de -50ºC para la temperatura del condensador, y de 10^{-2} bar para la presión en el sistema. Al cabo de 24 horas se obtuvo el precursor liofilizado.
A continuación, se introdujo 1 g del precursor en el reactor de cuarzo del horno. Se hizo pasar una atmósfera gaseosa dinámica como mezcla gaseosa carburizante para el tratamiento térmico. Esta mezcla gaseosa tenía la siguiente composición en volumen: un 5% de metano y un 95% de hidrógeno. El flujo de gases empleado fue de 220 cm^{3}/min.
Después de 20 minutos desde el inicio del paso de la mezcla carburizante, el precursor se calentó a una velocidad de 20ºC/min hasta una temperatura de 1250ºC. El producto se mantuvo a esa temperatura durante 5 horas.
El producto se enfrió después en el horno lentamente hasta temperatura ambiente mientras seguía circulando la mezcla de gases carburizante por el reactor de cuarzo.
El producto obtenido es carburo de titanio, como pone de manifiesto su diagrama de difracción de rayos X [Figura 5]. El tamaño medio de partícula, determinado a partir de las micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, es de 30 nm [Figura 6].

Claims (16)

1. Un procedimiento para la preparación de un carburo nanoestructurado de un metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI) que comprende las etapas de:
(a)
preparar una disolución de una sal del metal de transición;
(b)
liofilizar la disolución preparada en la etapa (a) para obtener un precursor sólido; y
(c)
someter el precursor sólido obtenido en la etapa (b) a tratamiento térmico en presencia de una mezcla gaseosa carburizante.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el metal de transición se selecciona entre wolframio, molibdeno, vanadio, titanio y cromo.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la sal del metal de transición de la etapa (a) es una sal inorgánica.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque es una sal de amonio.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la sal del metal de transición de la etapa (a) es una sal orgánica.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque es un isopropóxido.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el tratamiento térmico de la etapa (c) se efectúa a una temperatura de 600-1400ºC.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el tratamiento térmico de la etapa (c) se efectúa a una temperatura de 650-1250ºC.
9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla gaseosa carburizante de la etapa (c) comprende hidrógeno y un gas que contiene carbono.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el gas que contiene carbono se selecciona entre metano, etano, propano, butano, monóxido de carbono y mezclas de los mismos.
11. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la mezcla gaseosa carburizante de la etapa (c) comprende un gas portador inerte.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el gas portador inerte es argón.
13. Carburo nanoestructurado de un metal de transición de los grupos (IV), (V) y (VI) obtenible por el procedimiento de las reivindicaciones 1-12, caracterizado porque tiene un tamaño de partícula comprendido entre 8 y 200 nm.
14. Uso de los carburos de la reivindicación 13 en la producción de carburos cementados.
15. Uso de los carburos cementados de la reivindicación 14 para producir piezas de herramientas, componentes de máquinas y moldes.
16. Uso de los carburos cementados de la reivindicación 14 para recubrir materiales para la producción de piezas de herramientas, componentes de máquinas y moldes.
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