ES2643898T3

ES2643898T3 - Cuerpo sinterizado de cerámica

Info

Publication number: ES2643898T3
Application number: ES13810570.5T
Authority: ES
Inventors: Jun Moteki; Yusuke KATSU; Takeshi Mitsuoka
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2017-11-27
Anticipated expiration: 2033-06-10
Also published as: CN103974922A; US20140242383A1; JP5519875B1; CN103974922B; US8927447B2; EP2772472A1; CA2877623C; EP2772472A4; KR101522147B1; CA2877623A1; EP2772472B1; KR20140069090A; JPWO2014002743A1; WO2014002743A1

Abstract

Un cuerpo sinterizado de cerámica que consiste esencialmente en: carburo de tungsteno, zirconia y alúmina, en donde el contenido de carburo de tungsteno es 20 a 50 % en vol, en donde el contenido de zirconia es 5 a 25 % en vol, en donde una fase cristalina de la zirconia es un cristal tetragonal o una mezcla de cristales tetragonales y monoclínicos, en donde una cantidad de compuestos de Ti incluidos en el cuerpo sinterizado de cerámica es 0,1 % en peso o menos cuando el cuerpo sinterizado de cerámica en su totalidad está definido como 100 % en peso, y en donde un diámetro de partícula promedio del carburo de tungsteno, un diámetro de partícula promedio de la zirconia y un diámetro de partícula promedio de la alúmina son todos 1 μm o menos.

Description

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Cuerpo sinterizado de ceramica

REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS CAMPO TECNICO

La presente invencion se refiere a un cuerpo sinterizado de ceramica que se puede usar, por ejemplo, como herramienta de corte y similares.

ANTECEDENTES EN LA TECNICA

Las superaleaciones resistentes al calor tienen una resistencia al calor excelente, aunque son muy diffciles de fabricar. Por lo tanto, se requieren herramientas utilizadas para cortar superaleaciones resistentes al calor con grandes propiedades ffsicas y resistencia al calor. Los materiales basados en alumina que contienen filamentos de carburo de silicio (en adelante mencionado como filamentos de sic) tienen una gran dureza, tenacidad y resistencia al calor y las herramientas hechas de dichos materiales demuestran un rendimiento superior al de otras herramientas al cortar superaleaciones resistentes al calor. Sin embargo, el hecho de que los filamentos de sic son costosos es un problema.

Por lo tanto, se han considerado otros materiales aparte de los filamentos de sic. Los Documentos de Patente 1 y 2 describen materiales a los que se agrega alumina con carburo, nitruro y/o carbonitruro (llamados ceramicas negras). Las ceramicas negras tienen mayor resistencia que la alumina debido al fortalecimiento por dispersion en el cual un cuerpo sinterizado se fortalece al dispersar carburo, etc. en alumina. Entre otras cosas, las ceramicas negras que usan carburo de tungsteno extremadamente duro son materiales que tienen una gran dureza y excelente resistencia al desgaste.

Los Documentos de Patente 3 y 4 describen materiales en los que se dispersa zirconia en alumina (llamados ceramicas blancas). Las ceramicas blancas tienen una resistencia mejorada debido a la dispersion de zirconia. Aunque las ceramicas blancas tienen una dureza menor en comparacion con las ceramicas negras, las ceramicas blancas tienen una tenacidad mejorada debido al proporcionamiento de tenacidad de transformacion impartido por el uso de zirconia parcialmente estabilizada.

DOCUMENTOS DE TECNICA ANTERIOR

DOCUMENTOS DE PATENTE

Documento de Patente 1: Patente japonesa n.° de publicacion 3145470 Documento de Patente 2: Patente japonesa n.° de publicacion 4177493 Documento de Patente 3: Patente japonesa n.° de publicacion 2511700

Documento de Patente 4: Solicitud de patente japonesa sin examinar n.° de Publicacion 2000-128626

CN 10112187 (A) describe un metodo para preparar un material de cuchillo de compuesto de carburo de tungsteno-oxido de zirconio-oxido de aluminio.

EP 1188729 describe un compuesto con una matriz de aluminio reforzada con plaquetas.

COMPENDIO DE LA INVENCION PROBLEMAS QUE SOLUCIONA LA INVENCION

Sin embargo, los materiales descritos en los Documentos de Patente 1 a 4, tienen una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste insuficientes, por ejemplo, para cortar superaleaciones resistentes al calor, que se realiza en condiciones de carga y temperatura elevadas. En un aspecto de la presente invencion, es deseable proporcionar un cuerpo sinterizado de ceramica que tiene una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste excelentes.

MEDIOS PARA SOLUCIONAR LOS PROBLEMAS

De acuerdo con la presente invencion, se proporciona el cuerpo sinterizado de ceramica de la reivindicacion 1. Aspectos adicionales de la invencion se exponen en las reivindicaciones dependientes. Un cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con un aspecto de la presente invencion se caracteriza por que el cuerpo sinterizado de ceramica consiste esencialmente en carburo de tungsteno, zirconia y alumina, por que el contenido del carburo de tungsteno es de 20 a 50 % en vol, por que el contenido de la zirconia es de 5 a 25 % en vol, por que la fase cristalina de la zirconia es un cristal tetragonal o una mezcla de cristales tetragonales y monoclfnicos, por que el cuerpo sinterizado de ceramica no incluye sustancialmente compuestos de Ti y por que el diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno, el diametro de partfcula promedio de la zirconia y el diametro de partfcula promedio de la alumina son todos de 1 pm o menos.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con el aspecto de la presente invencion tiene una resistencia al rompimiento y resistencia al desgaste excelentes incluso en condiciones de carga y temperatura elevadas.

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En un cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con un aspecto de la presente invencion, el diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno es preferiblemente 0,7 pm o menos. En tal caso, la resistencia al rompimiento y la resistencia al desgaste son aun mejores.

En un cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con un aspecto de la presente invencion, un elemento de zirconio se distribuye preferiblemente en los lfmites de granos entre la alumina y el carburo de tungsteno. En tal caso, la resistencia al rompimiento y la resistencia al desgaste son aun mejores.

Un cuerpo unido de acuerdo con un aspecto de la presente invencion puede ser un cuerpo en el que se unen un primer miembro hecho del cuerpo sinterizado de ceramica descrito anteriormente y un segundo miembro hecho de una aleacion superdura o cermet. Dicho cuerpo unido tiene una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste excelentes incluso en condiciones de carga y temperatura elevadas.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La Figura 1A es una vista en perspectiva que ilustra una configuracion del primer miembro 1 y un segundo miembro 3 y la Figura 1B es una vista en perspectiva que ilustra una configuracion de un cuerpo unido 5.

La Figura 2A es una vista en perspectiva que ilustra una configuracion de un primer miembro 1 y un segundo miembro 3 y la Figura 2B es una vista en perspectiva que ilustra una configuracion de un cuerpo unido 5.

EXPLICACION DE LOS NUMEROS DE REFERENCIA

1... Primer miembro, 3... Segundo miembro, 3A, 3B... Vertice, 5... Cuerpo unido

MODOS DE PONER EN PRACTICA LA INVENCION A continuacion se describira una realizacion de la presente invencion.

Un cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con una realizacion de la presente invencion incluye alumina. En el cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion, el resto aparte del carburo de tungsteno y la zirconia es alumina.

Al incluir alumina, el cuerpo sinterizado de ceramica se vuelve qufmicamente estable para asf tener una resistencia al desgaste aun mejor. El diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno, la zirconia y la alumina es preferiblemente 1 pm o menos. En tal caso, el cuerpo sinterizado de ceramica tiene una dureza y una resistencia mayores y una resistencia al rompimiento aun mayor. En la presente invencion, el diametro de partfcula promedio significa el valor medido por el metodo de intercepcion realizado con base en imagenes obtenidas al observar, con un SEM, un cuerpo sinterizado con pulido de espejo que se ha procesado mediante grabado.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion puede producir los siguientes efectos al incluir 20 a 50 % en vol de carburo de tungsteno. El contenido del carburo de tungsteno es el contenido cuando el cuerpo sinterizado de ceramica en su totalidad esta definido como 100 % en vol.

- El efecto de dispersion homogenea del carburo de tungsteno puede restringir el crecimiento de granos. Como resultado, el cuerpo sinterizado de ceramica tiene resistencia y dureza mejoradas.

- Se obtiene la alta tenacidad, baja expansion termica y alta conductividad termica del cuerpo sinterizado de ceramica.

- El cuerpo sinterizado de ceramica tiene alta sinterabilidad y resistencia a la oxidacion al incluir 50 % en vol o menos de carburo de tungsteno.

- El diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno es preferiblemente en particular 0,7 pm o menos. El efecto de dispersion descrito anteriormente se puede mejorar aun mas al incluir carburo de tungsteno con un diametro de partfcula promedio menor.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion no incluye sustancialmente compuestos de Ti (por ejemplo, carburo, nitruro de carbono o nitruro de Ti). Esto resulta en la resistencia, propiedades termicas y resistencia al rompimiento mejoradas del cuerpo sinterizado de ceramica. “No incluye sustancialmente” significa que el cuerpo sinterizado de ceramica puede incluir nada o puede incluir una cantidad muy pequena que no afecta la funcion y efecto del cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion (por ejemplo, la cantidad que corresponde a impurezas inevitables). La cantidad muy pequena que no afecta la funcion y efecto es la cantidad de 0,1 % en peso o menos cuando el cuerpo sinterizado de ceramica en su totalidad esta definido como 100 % en peso.

Si se incluyeran los compuestos de Ti, se producirfan los siguientes efectos. Los compuestos de Ti y el carburo de tungsteno formarfan una solucion solida (Wx-Th_x-C) en el intervalo de temperatura en el que se sinteriza el cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion. El carburo de tungsteno en solucion solida (Wx-Th_x-C) tendrfa una dureza y una conductividad termica reducidas para tener asf un rendimiento de corte reducido. Dado que los compuestos de Ti tienen una expansion termica mayor que el carburo de tungsteno, el cuerpo sinterizado de ceramica en su totalidad tambien tendrfa una expansion termica mayor para asf tener una resistencia al colapso termico reducida. Ademas, la diferencia en el coeficiente de expansion termica de la alumina o la zirconia serfa reducido, lo que resulta en un efecto de fortalecimiento reducido de las tensiones residuales.

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El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion puede estar inevitablemente contaminado con Fe, Ni, Co y Cr debido a motivos de fabricacion. En tal caso, los contenidos de Fe, Ni, Co y Cr son preferiblemente cantidades muy pequenas que no afectan la funcion y el efecto del cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion.

Especfficamente, cuando el cuerpo sinterizado de ceramica en su totalidad esta definido como 100 % en peso, el contenido de Fe es preferiblemente 0,04 % en peso o menos y mas preferiblemente 0,03 % en peso o menos.

Tambien, el contenido de Ni es preferiblemente 0,02 % en peso o menos y mas preferiblemente 0,015 % en peso o

menos. El contenido de Co es preferiblemente 0,03 % en peso o menos y mas preferiblemente 0,02 % en peso o

menos. El contenido de Cr es preferiblemente 0,03 % en peso o menos y mas preferiblemente 0,02 % en peso o

menos.

Al incluir contenidos de Fe, Ni, Co y Cr iguales o por debajo de los valores de lfmite superior descritos anteriormente, la fuerza de enlace de lfmites de granos en el cuerpo sinterizado de ceramica aumenta para mejorar asf la resistencia a temperaturas altas y la dureza del cuerpo sinterizado de ceramica.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion tiene una alta tenacidad de fractura, ya que incluir 5 a 25 % en vol de zirconia en el cuerpo puede producir efectivamente una transformacion inducida por resistencia. Ademas, al hacer que el contenido de zirconia, que normalmente es inferior en resistencia al desgaste y resistencia al colapso termico, sea 25 % en vol o menos, se puede hacer que la resistencia al desgaste y la resistencia al colapso termico no causen problemas cuando se use para cortar, etc. El contenido de zirconia es el contenido cuando el cuerpo sinterizado de ceramica en su totalidad esta definido como 100 % en vol.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion, especialmente en un caso en donde se incluye 30 a 40 % en vol de carburo de tungsteno, preferiblemente incluye zirconia en un intervalo de entre 5 y 25 % en vol para tener asf una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste superiores. En un caso en donde se incluye 20 a 30 % en vol de carburo de tungsteno, mas preferiblemente se incluye 5 a 15 % de zirconia en vol desde un punto de vista de la resistencia al rompimiento. En un caso en donde se incluye 40 a 50 % en vol de carburo de tungsteno, mas preferiblemente se incluye 5 a 15 % de zirconia en vol desde un punto de vista de la resistencia al desgaste.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion incluye principalmente WC como carburo de tungsteno, pero puede incluir una cantidad muy pequena de W2C en un caso como por ejemplo en donde no se realiza ningun ajuste en el contenido de carbono en la fabricacion del cuerpo sinterizado de ceramica. Incluso en dicho caso, es menos probable que las propiedades del cuerpo sinterizado de ceramica se vean afectadas dado que el contenido de W2C es generalmente muy pequeno.

En el cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion, la fase cristalina de la zirconia es un cristal tetragonal o una mezcla de cristales tetragonales y monoclfnicos. Esto permite que la transformacion inducida por resistencia aumente asf la resistencia y la tenacidad del cuerpo sinterizado de ceramica. La fase cristalina de la zirconia se puede identificar, por ejemplo, con un analizador de difraccion de rayos x o un dispositivo espectroscopico Raman. Un estabilizante como por ejemplo oxido de itrio, oxido de cerio, oxido de magnesio y oxido de calcio se puede utilizar para hacer que la fase cristalina de la zirconia sea un cristal tetragonal o una mezcla de cristales tetragonales y monoclfnicos. En el cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion, el diametro de partfcula promedio de la zirconia es 1 pm o menos. Esto permite que la fase cristalina de la zirconia se mantenga facilmente en un estado de un cristal tetragonal o una mezcla de cristales tetragonales y monoclfnicos.

En el cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion, un elemento de zirconio se distribuye preferiblemente en los lfmites de granos entre la alumina y el carburo de tungsteno. En tal caso, se mejora la sinterabilidad y se mejora la fuerza de enlace de lfmites de granos. Se cree que esto es asf porque el elemento de zirconio aumenta la fuerza de enlace de lfmites de granos. Mas especfficamente, la alumina, que es un oxido y es qufmicamente estable, y el carburo de tungsteno, que es un carburo, son diffciles de reaccionar entre sf y, por lo tanto, generalmente no se puede obtener una fuerza de enlace suficiente entre los dos. Sin embargo, se cree que por medio de una inclusion de un elemento de zirconio en los lfmites de granos, se aumenta la fuerza de enlace en los lfmites de granos entre la alumina y el carburo de tungsteno ya que el elemento de zirconio forma zirconia que tiene una buena reactividad con la alumina y tiene buena reactividad con el tungsteno, que tambien es un metal de transicion. Como resultado de la fuerza de enlace de lfmites de granos mejorada, se mejora la resistencia al virutamiento de una herramienta hecha del cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion, lo que resulta en una vida util mas larga de la herramienta.

Para distribuir un elemento de zirconio en los lfmites de granos descritos anteriormente, cada componente se deberfa dispersar completamente mediante una tecnica de molienda con molino de perlas, etc., en la fabricacion del cuerpo sinterizado de ceramica. El uso de polvos de zirconia fina o un solvente de sal de zirconio como materia prima de zirconia permite una distribucion efectiva del elemento de zirconio en los lfmites de granos. Asimismo, el mezclado dispersivo en el que solo se muele por adelantado una materia prima de zirconia y el uso de un medio de molienda de zirconia tambien son efectivos.

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Ademas, la optimizacion de la velocidad del aumento de temperatura y el tiempo de espera en el momento de sinterizar puede acelerar el movimiento (difusion) del elemento de zirconio.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion se puede hacer, por ejemplo, sin una materia prima de filamento. En tal caso, el cuerpo sinterizado de ceramica se fabrica a un costo mas bajo.

El cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion puede ser, por ejemplo, un material para una herramienta (una herramienta de corte para materiales diffciles de cortar como por ejemplo superaleaciones resistentes al calor). En tal caso, se puede fabricar una herramienta de corte que proporcione excelente rendimiento de corte.

EJEMPLO 1

1. Metodo de Fabricacion de Cuerpo Sinterizado de Ceramica

Los siguientes tres tipos de polvos de materiales se pesaron cada uno en una cantidad predeterminada, se insertaron juntos con acetona en un molino hecho de resina y se molieron usando bolas de alumina durante 48 horas, para obtener asf una suspension.

Polvos de alumina con un diametro de partfcula promedio de 0,4 pm

Polvos de carburo de tungsteno con un diametro de partfcula promedio de 0,1 a 1,5 pm

Polvos de zirconia con un diametro de partfcula promedio de 0,6 pm (incluso 0 a 8 % molar de oxido de itr io

como estabilizante)

La suspension obtenida se entibio en agua caliente para eliminar el etanol y se tamizo para obtener polvos mezclados. Los polvos mezclados se insertaron en un molde de carbono y se sinterizaron con una prensa caliente para obtener un cuerpo sinterizado de ceramica. Las condiciones para la sinterizacion con la prensa caliente fueron las siguientes:

Temperatura de sinterizacion: 1650 °C Tiempo de sinterizacion: 2 horas Presion: 30 mpa Atmosfera: Gas Ar

En el metodo de fabricacion descrito anteriormente, la relacion de composicion de los polvos de material, el diametro de partfcula promedio de los polvos de carburo de tungsteno y el contenido de oxido de itrio en los polvos de zirconia se cambiaron de diferentes maneras para fabricar los cuerpos sinterizados de ceramica de S1 a s2o y S30 a S36, lo que cumple con las composiciones que se muestran en la Tabla 1. Sin embargo, solo se sinterizo S35 a temperaturas rapidamente aumentadas (30 °C/min o mas) en lugar de las condiciones de sinterizacion con prensa caliente descritas anteriormente.

[TABLA 1A] Tabla 1

Muestra: Composicion Diametro de Partfcula de la Materia Prima de Carburo de Tungsteno Contenido de Estabilizante en la Zirconia Fase Cristalina de la Zirconia Diametro de Partfcula Promedio del Carburo de Tungsteno Diametro de Partfcula Promedio de la Alumina Diametro de Partfcula Promedio de la Zirconia

Alumina: Carburo de Tungsteno Zirconia

% en vol
% en vol
% en vol: pm % molar - pm pm pm

S1: 85 0 15 - 2 T - 0,6 0,3

S2: 75 10 15 0,4 2 T 0,3 0,5 0,3

S3: 65 20 15 0,4 2 T 0,3 0,4 0,3

S4: 55 30 15 0,4 2 T 0,3 0,4 0,3

S5: 45 40 15 0,4 2 T 0,3 0,4 0,3

S6: 35 50 15 0,4 2 T 0,4 0,5 0,3

S7: 25 60 15 0,4 2 T 0,4 0,5 0,3

S8: 70 30 0 0,4 2 T 0,3 0,8 -

S9: 68 30 2 0,4 2 T 0,3 0,5 0,3

S10: 65 30 5 0,4 2 T 0,3 0,6 0,3

S11: 60 30 10 0,4 2 T 0,3 0,4 0,3

S12: 50 30 20 0,4 2 T 0,3 0,4 0,3

S13: 40 30 30 0,4 2 T 0,4 0,3 0,4

S14: 55 30 15 0,4 0 T,M 0,3 0,4 0,3

S15: 55 30 15 0,4 3 T 0,3 0,4 0,3

S16: 55 30 15 0,4 8 C 0,3 0,6 0,3

S17: 55 30 15 0,1 2 T 0,1 0,6 0,3

S18: 55 30 15 0,6 2 T 0,4 0,8 0,5

S19: 55 30 15 1,5 2 T 1,1 0,8 0,5

S20: 55 30 15 1,5 2 T 1,2 1,2 1,2

[TABLA 1B]

Continuacion de la Tabla 1

Alumina: Carburo de Tungsteno Zirconia

% en vol
% en vol
% en vol: pm % molar - pm pm pm

S21*: 55 Carburo de Tungsteno: 25 Carburo de Titanio: 5 15 Carburo de Tungsteno: 0,4 Carburo de Titanio: 0,9 2 T 0,4 0,8 0,5

S22: 55 Carburo de Tungsteno: 15 Carburo de Titanio: 15 15 Carburo de Tungsteno: 0,4 Carburo de Titanio: 0,9 2 T 0,3 0,8 0,4

S23: 55 Solucion Solida De Titanio/Carburo de Tungsteno 15 1,0 2 T 0,3 0,8 0,5

S24: 55 Carburo de Titanio : 30 15 0,9 2 T 0,7 0,8 0,5

S25: 55 Nitruro de Titanio: 30 15 1,2 2 T 0,7 0,8 0,7

S26: 55 Carbonitruro de Titanio: 30 15 1,1 2 T 0,7 0,9 0,8

S27: Herramienta Basada en Filamentos de Alumina/sic - - - - -

S28: Herramienta Basada en SiAlON - - - - - -

S29: Herramienta Basada en Alumina/tic " - - - -

S30: 55 40 5 0,4 2 T 0,4 0,5 0,4

S31: 50 40 10 0,4 2 T 0,3 0,4 0,4

S32: 40 40 20 0,4 2 T 0,3 0,4 0,5

S33: 55 30 15 1,2 2 T 1,0 0,5 0,3

S34: 55 30 15 0,4 2 T 0,5 1,0 0,8

S35: 55 30 15 0,4 2 T 0,4 0,4 0,3

S36: 55 30 15 0,4 2 T 0,4 1,4 0,3

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Los cuerpos sinterizados de ceramica de S21 y S22 se fabricaron basicamente en una manera similar a la del metodo de fabricacion descrito anteriormente, pero anadiendo carburo de titanio ademas de carburo de tungsteno, zirconia y alumina. Ademas, los cuerpos sinterizados de ceramica de S23 a S26 se fabricaron basicamente en una manera similar a la del metodo de fabricacion descrito anteriormente, pero anadiendo uno de una solucion solida de titanio/carburo de tungsteno, carburo de titanio, nitruro de titanio y carbonitruro de titanio en lugar de carburo de tungsteno.

2. Analisis del Cuerpo Sinterizado de Ceramica

Al observar los lfmites de granos en los cuerpos sinterizados de ceramica de S1 a S20 y S30 a S36 con un SEM, se confirmo que un elemento de zirconio se distribuyo en los lfmites de granos entre la alumina y el carburo de tungsteno, excepto S35. En S35, que se sinterizo a temperaturas rapidamente aumentadas, no se distribuyo ningun elemento de zirconio en los lfmites de granos entre la alumina y el carburo de tungsteno.

En cada uno de los cuerpos sinterizados de ceramica de S1 a S26 y S30 a S36, se midio la fase cristalina de la zirconia mediante espectroscopfa Raman. Los resultados se muestran en la columna "Fase Cristalina de la Zirconia" de la Tabla 1 que antecede. En la Tabla 1, “T” representa un cristal tetragonal, “M” representa un cristal monoclmico, “C” representa un cristal cubico y “T,M” representa una mezcla de cristales tetragonales y monoclmicos.

En cada uno de los cuerpos sinterizados de ceramica de S1 a S26 y S30 a S36, se midio el diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno, el diametro de partfcula promedio de la zirconia y el diametro de partfcula promedio de la alumina. Los resultados se muestran en la Tabla 1 que antecede. Los diametros de partfcula promedio que se muestran en la Tabla 1 son los valores medidos mediante el metodo de intercepcion usando imagenes de SEM fotografiadas con una magnificacion de diez mil veces o mas.

3. Evaluacion del Cuerpo Sinterizado de Ceramica

(1) Medicion de Resistencia a la Flexion de Tres Puntos, Dureza Vickers y Tenacidad a la Fractura

Con cada uno de los cuerpos sinterizados de ceramica de S1 a S26 y S30 a S36, se hizo una muestra de 3 x 4 x 15 mm para medir la resistencia a la flexion de tres puntos (con un alcance de 10 mm), la dureza Vickers y la tenacidad a la fractura (metodo de fractura por indentacion) de este. Ademas, se midio la conductividad termica a una temperatura ambiente y la expansion termica a 600 °C en una forma predeterminada. Ademas, una herramienta basada en filamentos/alumina (en adelante mencionada como S27), una herramienta basada en SiAlON (en adelante mencionada como S28) y una herramienta basada en tic/alumina (en adelante mencionada como S29) que estaban comercialmente disponibles se midieron en una manera similar. Los resultados se muestran en la Tabla 2. En la Tabla 2, la resistencia a la flexion de tres puntos se indica como “Resistencia a la Flexion” y la dureza Vickers se indica como “Dureza”

r.'Lifstra: Resistenda a la Flexion Tenacidad a la Fractura □ ureza Coeficiente de Expansion T ermica Condudividad T ermica Prueba de Code 1 Prueba de Code 2

Velocidad de Alimentation: Evaluation Cantidad de Cesgaste Tras 2 Pases de Code a 243m/niir Cantidad de □ esgaste Tras 2 Pases de Code a 360 m/min Cantidad de Cesgaste Tras 2 Pases de Code a 430 m/niir Superficie T erminada

MPa: MPa mLli Hv ppm/K W/mK 0.55 mm/rev. 0.50 mm/rev. 0.55 mm/rev. 0.70 mm/rev. 0.75 mm/rev. mm mm mm O AX

S1: 1450 3.7 1350 7.6 17 Roto X Roto Roto Roto X

32: 1530 4;0 1900 l.:4 10 0 O Roto X Roto 0.32(F) 0.30(F) A

S3: 1850 4.4 2010 7.1 22 O O O O Roto O 0.23 0.21 0.1 B O

S4: 2010 4.5 2110 6.0 23 0 O 0 0 O 6 0.10 0.13 0.11 0

S5: 2050 5.0 2120 6.5 25 D D D O O e 0.18 0.13 0.00 D

S6: 1930 5.4 2150 6.3 31 O O O O O 6 0.12 0.00 0.03 O

S7: 1100 5.5 2350 6.0 42 0 O 0 Roto A 0.10(F) Roto Roto A

SB: 7B0 4;7 2250 6.5 20 o Roto X Roto 0.24(F) 0.20(F) A

SB: B10 4; 3 2250 6.5 23 0 Roto X Roto 0.23(F) 0,10(F) A

S10: 1300 5.0 2210 6.6 23 D D D O O e 0.14 0.13 0.11 O

S11: 1430 4,1 2300 6.B 23 o O O O O 6 0.1 B 0.12 0.00 O

S12: 1710 4.6 2080 7;0 25 0 O 0 0 Roto O 0.23 0.10 0.17 0

S13: 1320 5.3 1900 7.1 21 0 O 0 Roto A 0.34(F) 0.40(F) Roto X

S14: 1300 4.6 2000 6;B 23 o O o O Roto O 0;2 0.14 0.13 o

SIS: 2000 4; 5 2050 6;9 24 o O o O O 6 0,19 0.13 0.11 o

S1S: 1210 4.0 1810 7.2 22 D D D Roto A Roto 0.50(F) 0.32(F) A

S17: 215D 4.0 21 BO 7.0 24 o O o O 0 6 0.22 0.13 0.15 o

S1B: 2000 5.4 2020 7;0 23 0 0 0 O Roto O 0.22 0.14 0.15 0

S19: 1710 5;3 1030 6.7 24 o o o Roto A 0.23(F) 0.16(F) 0.23(F) A

S20: 1400 5; 6 1000 7;0 23 o o Roto X Roto 0.22(F) 0.22(F) A

Mi-estra: Resistencia a la Flexion Tenaddad a la Fractura □ ureza Coeficiente de Expansion Termica Gonductividac T ermica Prueba de Corte 1 Prueba de Corte 2

Velocidad de Alimentacibn: Evaluacion Gantidad de Cesgaste Tras 2 Pases de Corte a 243 m/mir Gantidad de Cesgaste Tras 2 Pases de Corte a 350 m/mir Gantidad de Cesgaste Tras 2 Pases de Corte a 480 m/mir Superficie T erminada

MPa: MPamUi Hv ppm/K W/mK 0.55 mm/rev. 0.60 mm/rev. 0.55 mm/rev. 0.70 mm/rev. 0.75 mm/rev. mm mm mm O AX

S21: 1660 4.5 2010 6.B 21 0 O Roto X Roto 0:50(F) 0.45 A

S22: 1830 4.3 1990 7.1 19 0 O Roto X Roto 0.55(F) 0.50(F) A

S23: 1260 4.1 1940 7.3 16 0 O Roto X Roto 0.4B[F) 0.45(F) A

S24: 1500 4 2030 7.4 17 0 Roto X Roto Roto Roto X

S25: 1550 4.3 1750 8.2 23 0 Roto X Roto 0.67(F) Roto X

S26: 15BO 4.6 17BO 7;9 21 0 Roto X Roto Roto Roto X

S27: 1100 5.2 2030 6.4 35 0 O O O Roto O Roto 0.90(F) Roto X

S2B: 1100 1 5.5 1500 3.5 36 0 O O O Roto O Roto Roto Roto X

S29: 800 3.5 2240 B 20 0 0 Roto X E-2 f F i 0.37(F) Roto X

S30: 1190 4.B 2310 6.2 30 0 0 O O O 6 0.19 0.15 0.13 O

S31: 1490 4.9 2200 6.4 2B 0 o O O O 6 0.23 0.1 B 0.15 O

S32: 1910 5.2 2090 6.B 25 0 0 O O Roto O 0.29 0.25 0.2 O

S33: 1790 4.B 2000 6.9 24 0 0 O Roto A 0.25(F) 0.2 0.1 B O

S34: 1900 4.9 1990 7 24 0 o O O O e 0.35 0.2 B 0.22 O

S35: 1550 4.6 2100 7 23 0 0 O Roto A 0.23(F) 0.17 0.15 O

S35: 1800 5 1950 7.1 24 0 0 O Roto A 0; 37(F) 0.32(F) 0.25 A

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

(2) Pruebas de Corte

Con cada uno de los cuerpos sinterizados de ceramica de S1 a S36, se hizo una punta de corte para realizar pruebas de corte. Se realizaron los siguientes dos tipos de pruebas de corte.

(a) Prueba de Corte 1 (Prueba de Corte Intermitente sobre Hierro Fundido)

(a-1) Condiciones de Prueba

Forma # de punta: SNGN432-TN

Pieza de trabajo de corte: FC200

Velocidad de corte: 200 m/min

Profundidad de corte: 1,5 mm

Velocidad de alimentacion: 0,55 a 0,75 mm/rev

Refrigerante: Ausente

(a-2) Metodo de Evaluacion

Si no ocurrio rompimiento tras 5 pases de corte a una velocidad de alimentacion fija, el proceso se repitio a una velocidad de alimentacion elevada en etapas de 0,05 mm/rev hasta que la velocidad de alimentacion alcanzara 0,75 mm/rev. La resistencia al rompimiento se evaluo por la velocidad de alimentacion a la que ocurrio el rompimiento. Mas espedficamente, en la columna “Velocidad de Alimentacion” en “Prueba de Corte 1” de la Tabla 2, se indica “O” para un caso en que no ocurrio rompimiento a las velocidades de alimentacion respectivas y se indica “Roto” para un caso en que ocurrio rompimiento. Tal como se muestra en la columna “Evaluacion” en “Prueba de Corte 1” de la Tabla 2, se realizo la evaluacion de modo que se indique “X” para un caso en que ocurrio rompimiento a o antes de la velocidad de alimentacion de 0,65 mm/rev, “A” para un caso en que el rompimiento ocurrio a la velocidad de alimentacion de 0,70 mm/rev, “O” para un caso en que el rompimiento ocurrio a la velocidad de alimentacion de 0,75 mm/rev y “0” para un caso en que no ocurrio rompimiento.

(a-3) Resultados de la Prueba

Los resultados de la prueba se muestran en la Tabla 2 que antecede. Los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18, 30 a 32 y 34 tuvieron una resistencia al rompimiento mayor en comparacion con los otros.

(b) Prueba de Corte 2 (Prueba de Cilindrado de Superaleacion Resistente al Calor)

(b-1) Condiciones de Prueba

Forma de punta: RCGX120700T01020 Pieza de trabajo de corte: Forja INCONEL 718 Velocidad de corte: 240 a 480 m/min Profundidad de corte: 1,0 mm Velocidad de alimentacion: 0,2 mm/rev Refrigerante: Presente

(b-2) Metodo de Evaluacion

Las condiciones (belleza) de las superficies terminadas se evaluaron en tres grados: O (Buena), A (Intermedia) y

X (Mala), con base en la cantidad de desgaste del lfmite, las condiciones de borde (la presencia ausencia de viruta, etc.) y las condiciones de superficie terminada tras 2 pases de corte a cada velocidad.

Se midio la cantidad de desgaste de cada uno a las velocidades de corte de 240, 360 y 480 m/min.

(b-3) Resultados de la Prueba

Los resultados de la prueba se muestran en la Tabla 2 que antecede. En la Tabla 2, (F) representa una ocurrencia de desprendimiento. Los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 tuvieron una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste mayores en comparacion con los otros. Ademas, los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 tuvieron superficies terminadas mas bellas en comparacion con los otros.

4. Efectos Producidos por el Cuerpo Sinterizado de Ceramica

(1) Los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 tuvieron una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste excelentes.

(2) Los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 se pueden producir a costos mas bajos en comparacion con S27.

(3) El uso de los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 permitieron fabricar superaleaciones resistentes al calor a alta velocidad y con alta eficiencia.

(4) El uso de los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 proporcionaron una alta precision de superficie terminada.

(5) El uso de los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 permitieron fabricar superaleaciones resistentes al calor.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

A la luz de los resultados anteriores, se confirmo que los cuerpos sinterizados de ceramica de S3 a 6, 10 a 12, 14, 15, 17, 18 y 30 a 35 son utiles para terminar superaleaciones resistentes al calor. Especialmente, los cuerpos sinterizados de ceramica anteriores mostraron un rendimiento de corte excelente para terminar a la velocidad de corte de 240 m/min o mas. Por consiguiente, el uso de los cuerpos sinterizados de ceramica anteriores permite el corte altamente eficiente de superaleaciones resistentes al calor. El uso de los cuerpos sinterizados de ceramica anteriores tambien permite mejorar las condiciones de superficie terminada.

EJEMPLO2

1. Metodo de Fabricacion del Cuerpo Unido 5

En primer lugar, como se muestra en la Figura 1A, se fabricaron individualmente un primer miembro 1 hecho de un cuerpo sinterizado de ceramica S5 del Ejemplo 1 descrito anteriormente y un segundo miembro 3 hecho de una aleacion superdura (hecho de WC y un aglutinante de cobalto). El primer miembro 1 tenia una forma triangular prismatica. El segundo miembro 3 basicamente tenia una forma rectangular paralelepfpeda con recortes en proporcion con el primer miembro 1 en sus dos vertices 3A y 3B.

Luego, como se muestra en la Figura 1B, el primer miembro 1 se unio a cada uno de los vertices 3A y 3B del segundo miembro 3 mediante soldadura fuerte para completar asf un cuerpo unido 5. El cuerpo unido 5 tenia una forma rectangular paralelepfpeda que corresponde con DNGA 150408.

2. Evaluacion del Cuerpo Unido 5 (Parte 1)

(1) Condiciones de Prueba

Se realizo la terminacion en las siguientes condiciones usando el cuerpo unido 5 como punta, cuando la parte del cuerpo unido 5 que contactaba principalmente la pieza de trabajo de corte era el primer miembro 1.

Tambien se realizo la terminacion en condiciones similares usando una punta de cBN comercialmente disponible (un cuerpo unido de cBN y aleacion superdura fabricado por Sumitomo Electric Industries, Ltd.) y una herramienta superdura recubierta de PVD comercialmente disponible (fabricada por Sumitomo Electric Industries, Ltd.). Sin embargo, la velocidad de corte al usar la herramienta superdura recubierta de PVD comercialmente disponible se configuro en 56 m/min. Esto fue asf porque la velocidad de corte de 240 m/min lleva a un desgaste excesivo de la herramienta superdura recubierta de PVD comercialmente disponible. La punta de cBN comercialmente disponible y la herramienta superdura recubierta de PVD comercialmente disponible tenfan una forma que corresponde con DNGA 150408.

Pieza de trabajo de corte: Forja INCONEL 718 Velocidad de corte: 240 m/min Profundidad de corte: 0,4 mm Velocidad de alimentacion: 0,15 mm/rev Agua refrigerante: Presente

(2) Metodo de Evaluacion

Se midio la cantidad de desgaste del flanco de la punta y la rugosidad superficial de las superficies fabricadas despues de la terminacion. Con respecto a la cantidad de desgaste del flanco de la punta, se definio que 3 mm es la cantidad de desgaste de fin de vida util. La rugosidad superficial es una distancia entre las partes convexa y concava de una superficie fabricada. Una rugosidad superficial menor indica mejores condiciones de la superficie fabricada.

(3) Resultados de la Prueba

Cuando se uso la punta del cuerpo unido 5, la cantidad de desgaste del flanco fue aproximadamente la mitad de la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 3 pases de corte y alcanzo la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 5 pases de corte. Ademas, cuando se uso la punta del cuerpo unido 5, la superficie fabricada tenia una rugosidad superficial notablemente baja.

Por otro lado, cuando se uso la punta de cBN comercialmente disponible, la cantidad de desgaste del flanco alcanzo la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 3 pases de corte. Cuando se uso la herramienta superdura recubierta de PVD, la cantidad de desgaste del flanco alcanzo la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 5 pases de corte. Ademas, cuando se uso la herramienta superdura recubierta de PVD, la superficie fabricada tenia una rugosidad superficial notablemente mayor que cuando se uso la punta del cuerpo unido.

3. Evaluacion del Cuerpo Unido 5 (Parte 2)

(1) Condiciones de Prueba

La terminacion tambien se realizo en condiciones similares usando una punta de cBN comercialmente disponible (un cuerpo unido de cFBN y una aleacion superdura fabricada por Sumitomo Electric Industries, Ltd.).

5

10

15

20

25

30

35

40

Pieza de trabajo de corte: Forja INCONEL 718 Velocidad de corte: 360 m/min Profundidad de corte: 0,4 mm Velocidad de alimentacion: 0,15 mm/rev Refrigerante: Presente

(2) Metodo de Evaluacion

Se midio la cantidad de desgaste del flanco de la punta y la rugosidad superficial de las superficies fabricadas despues de la terminacion. Con respecto a la cantidad de desgaste del flanco de la punta, se definio 0,3 mm como la cantidad de desgaste de fin de vida util. La rugosidad superficial es una distancia entre las partes convexa y concava de una superficie terminada. Una rugosidad superficial menor indica superioridad.

(3) Resultados de la Prueba

Cuando se uso la punta del cuerpo unido 5, la cantidad de desgaste del flanco fue igual o menor que la mitad de la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 2 pases de corte y no alcanzo la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 4 pases de corte. Ademas, cuando se uso la punta del cuerpo unido 5, la superficie fabricada tenia una rugosidad superficial notablemente baja.

Por otro lado, cuando se uso la punta de cBN comercialmente disponible, la cantidad de desgaste del flanco alcanzo la cantidad de desgaste de fin de vida util tras 2 pases de corte. Ademas, cuando se uso la punta de cBN comercialmente disponible, la superficie fabricada tenia una rugosidad superficial notablemente mayor en comparacion con el caso en que se uso la punta del cuerpo unido 5.

4. Efectos Producidos por el Cuerpo Unido 5

El cuerpo unido 5 tuvo una resistencia al rompimiento y una resistencia al desgaste excelentes incluso en condiciones de carga y temperatura elevadas. Por consiguiente, el uso del cuerpo unido 5 permitio el corte altamente eficiente de superaleaciones resistentes al calor. El uso del cuerpo unido 5 tambien permitio mejorar las condiciones de superficie fabricada.

Por ejemplo, la forma del cuerpo unido 5 no deberfa limitarse a la forma descrita anteriormente, pero se puede fabricar un cuerpo unido 5 con la forma que se muestra en la Figura 2B uniendo mediante soldadura fuerte un primer miembro 1 y un segundo miembro 3 que tengan las formas (formas de columna con diametros que se reducen en sentido descendente) como las que se muestra en la Figura 2A. El material del segundo miembro 3 puede ser cermet.

La cantidad del primer miembro 1 incluido en un unico cuerpo unido 5 puede ser singular o plural (por ejemplo, 2, 3, 4...).

Ademas, el cuerpo sinterizado de ceramica de acuerdo con la presente invencion se puede usar, por ejemplo, para soldadura por friccion-agitacion o como miembro resistente al impacto.

El metodo para unir el primer miembro 1 y el segundo miembro 3 no deberfa limitarse a la soldadura fuerte, sino que se puede usar otros metodos de union (como un metodo de difusion directa bajo presion) segun sea apropiado.

Claims

5

10

15

20

REIVINDICACIONES

1. Un cuerpo sinterizado de ceramica que consiste esencialmente en:

carburo de tungsteno, zirconia y alumina,

en donde el contenido de carburo de tungsteno es 20 a 50 % en vol, en donde el contenido de zirconia es 5 a 25 % en vol,

en donde una fase cristalina de la zirconia es un cristal tetragonal o una mezcla de cristales tetragonales y monoclfnicos,

en donde una cantidad de compuestos de Ti incluidos en el cuerpo sinterizado de ceramica es 0,1 % en peso o menos cuando el cuerpo sinterizado de ceramica en su totalidad esta definido como 100 % en peso, y en donde un diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno, un diametro de partfcula promedio de la zirconia y un diametro de partfcula promedio de la alumina son todos 1 pm o menos.
2. El cuerpo sinterizado de ceramica segun la reivindicacion 1,

en donde el diametro de partfcula promedio del carburo de tungsteno es 0,7 pm o menos.
3 . El cuerpo sinterizado de ceramica segun la reivindicacion 1 o 2,

en donde un elemento de zirconio se distribuye en los lfmites de granos entre la alumina y el carburo de tungsteno.
4. Un cuerpo unido (5) formado al unir un primer miembro (1) hecho del cuerpo sinterizado de ceramica segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 y un segundo miembro (3) hecho de una aleacion superdura o cermet.