ES2896351T3 - Métodos para formar un artículo metálico o cerámico que tiene una composición novedosa de material funcionalmente graduado - Google Patents

Métodos para formar un artículo metálico o cerámico que tiene una composición novedosa de material funcionalmente graduado Download PDF

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Abstract

Un método para elaborar un componente metálico o de cerámica, dicho método comprende: a) proporcionar al menos un primer polvo que comprende 9-10% en peso de Co, dicho primer polvo comprende una pluralidad de partículas de material compuesto, elaboradas de un material en partículas de núcleo, una capa intermedia sobre dicho material en partículas de núcleo, y una capa externa que comprende Co, en la que dicho material en partículas de núcleo tiene una dureza mayor que tanto la capa intermedia como la capa externa, y dicha capa intermedia tiene una tenacidad a la fractura mayor que el material en partículas de núcleo; b) proporcionar al menos un segundo polvo que comprende un material de carburo; c) formar un cuerpo en crudo compuesto por dichas primera y segunda mezclas de polvo de tal manera que la primera mezcla de polvo forma una primera porción de dicho cuerpo en crudo con la segunda mezcla de polvo que forma una segunda porción de dicho cuerpo en crudo; d) moldear, prensar o conformar dicho cuerpo en crudo para formar un compacto; y e) sinterizar dicho compacto, para formar un artículo que tiene primera y segunda porciones de diferentes propiedades yuxtapuestas, dicha primera porción de dicho cuerpo en crudo que forma la porción dura resistente al desgaste de dicho artículo y dicha segunda porción de dicho cuerpo en crudo que forma una porción que soporta la carga tenaz, fuerte de dicho artículo.

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos para formar un artículo metálico o cerámico que tiene una composición novedosa de material funcionalmente graduado
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para elaborar artículos metálicos y cerámicos, tales como taladros, molinos, herramientas de corte y formación, troqueles de alambre y componentes mecánicos que tienen composiciones no uniformes al formar cuerpos en crudo de polvos de diferentes composiciones, y compactar y sinterizar dichos cuerpos en crudo.
Antecedentes de la invención
La vida útil de la herramienta está determinada por la resistencia de la herramienta a varios tipos de desgaste y su respuesta a cargas pesadas y a los golpes, con la realidad de que la resistencia al desgaste generalmente aumenta a expensas de la fuerza. Hoy en día, las mejores herramientas exhiben los mejores compromisos y, por lo tanto, se limitan al uso en aplicaciones especiales. Para limitar dichos compromisos, se han utilizado técnicas de recubrimiento para permitir no solo una mayor vida útil de la herramienta, sino también mayores velocidades y cargas de corte. La metalurgia y sinterización de polvos han conducido al desarrollo de nuevos materiales con mayor dureza y tenacidad. La adición de un recubrimiento duro a la aleación sinterizada, tal como por Depósito Químico de Vapor (CVD), Depósito Físico de Vapor (PVD) o Depósito Químico de Vapor Asistido por Plasma (PACVD), ha aumentado la resistencia al desgaste. Por ejemplo, el documento JP2000328170 divulga un miembro duro que contiene nitruro de boro cúbico (cBN) en el que el material de cBN tiene una o más capas de recubrimiento sobre el mismo.
Las propiedades mecánicas se han mejorado mediante diversas modificaciones de ingeniería, que incluyen laminación, geometría de la pieza y mediante procesos mecánicos y/o térmicos adicionales para mejorar la resistencia al desgaste localizado. Sin embargo, estos procesos adicionales agregan costes y plazos de entrega y, a menudo, requieren más etapas de proceso, tales como soldadura fuerte, forja, tratamiento térmico, esmerilado o lapeado.
La solución de recubrimiento externo tiene varias desventajas importantes, que incluyen la delaminación y agrietamiento del recubrimiento en uso (debido a diferentes tasas de expansión térmica del recubrimiento y del sustrato y de las cargas de flexión y de superficie) y las altas temperaturas del proceso de CVD requeridas (900 °C-1200 °C) pueden no ser consistentes con el tratamiento térmico necesario para la fuerza o geometría de la pieza sinterizada.
Más aún, incluso con el uso de recubrimientos de alto rendimiento sobre la superficie de las herramientas, los recubrimientos eventualmente fallan, y como las propiedades del material subyacente son insuficientes para operar a velocidades de corte, la herramienta falla muy rápidamente. Si bien dichas herramientas se podrían rejuvenecer volviendo a aplicar un recubrimiento de CVD, la reaplicación de un recubrimiento o de recubrimientos múltiples generalmente no es económicamente viable.
De acuerdo con lo anterior, un objeto de la invención es proporcionar un método para elaborar Material Graduado Funcionalmente (FGM) que tenga propiedades que se puedan alterar en diferentes ubicaciones de la herramienta o artículo sin exhibir fallas en la interfaz entre las diferentes áreas de la herramienta o artículo. Este nuevo FGM se ensambla con polvos en crudo sinterizables, que pueden ser polvos plastificados, con matrices y materiales aglutinantes comunes o compatibles que permiten gradientes de transición de interfaz diseñados y una fuerza de unión muchas veces mayor que en las interfaces laminares convencionales.
El objetivo se logra al formar la herramienta o artículo a partir de diferentes tipos de materiales compactados y sinterizados como se define en la reivindicación 1. El material obtenido de acuerdo con la invención exhibe la combinación de propiedades necesarias para proporcionar herramientas y artículos de corte de metal superiores. Debido a la naturaleza de los materiales aglutinantes empleados en la reivindicación 1 que unen las partículas al artículo sinterizado, la interfaz entre las laminaciones es inusualmente fuerte. Esta fuerza se mejora adicionalmente mediante la transición gradual de los materiales utilizando troqueles de extrusión o inyección, rodillos o formas de moldes que proporcionan ranuras únicas que entrelazan los diferentes materiales en sus interfaces en capas.
Resumen de la invención
Los métodos para elaborar un artículo de materiales de componentes múltiples o graduados funcionales se definen en las reivindicaciones.
En una realización, el primer polvo que comprende 9-10% en peso de Co está compuesto por una pluralidad de partículas centrales que consisten esencialmente en un primer compuesto de metal o una pluralidad de compuestos de metal que tienen la fórmula MaXb donde M es un metal seleccionado del grupo que consiste en: titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, tantalio, cromo, molibdeno, tungsteno, aluminio, magnesio, cobre y silicio; X es un elemento elegido de nitrógeno, carbono, boro, azufre y oxígeno; y ay b son números mayores de cero hasta y que incluye catorce.
En una realización no limitante, el material en partículas de núcleo se selecciona del grupo que consiste en: TiN, Ti(C,N), TiC, TiB2, ZrC, ZrN, ZrB2, HfC, HfN, HfB2, TaB2, VC, VN, cBN, hBN, AhO3, SiaN4, SiBia, SiAlCB, B4C, B2O3, W2Bi5, WB2, WS2, AlN, AlMgBii4, MoS2, MoSi2, Mo2BÍ5, MoB2, MoFeB (boruro de molibdeno de hierro), diamante y mezclas de los mismos.
Las partículas del núcleo tienen sobre ellas una capa intermedia que consiste esencialmente en un segundo compuesto de metal, diferente en composición del primer compuesto de metal y que tiene una mayor tenacidad relativa a la fractura. El segundo compuesto de metal es capaz de unirse con el primer compuesto de metal y es capaz de unirse con un metal seleccionado del grupo que consiste en hierro, cobalto, níquel, cobre, titanio, aluminio, magnesio, litio, berilio, plata, oro y platino. La combinación de la partícula del núcleo y la capa intermedia forma partículas recubiertas.
Un primer aglutinante superpone la capa intermedia sobre las partículas recubiertas y el aglutinante comprende cobalto. Dicho primer polvo recubierto se conoce como Polvos Duros Recubiertos Tenaces (TCHP), divulgados en la patente de los Estados Unidos 6.372.346. En una realización, una segunda mezcla de polvo, tal como un polvo de TCHP que tiene partículas de núcleo u otros constituyentes diferentes del primer polvo de TCHP, se puede formar en una segunda mezcla de polvo.
Para preparar el primer polvo de materia en partículas TCHP y los segundos polvos para extrusión, inyección o calandrado a través de troqueles perfilados o rodillos en un molde de precompactación, se pueden plastificar en un estado de alta viscosidad pero fluido y moldeable. Los aglutinantes plastificantes que se utilizan normalmente para agregar fluidez a los polvos descritos en el presente documento incluyen, pero no se limitan a, ceras de parafina, ácido esteárico, bisestearamida de etileno (EBS), acetato de etileno vinilo, plastificantes (tales como alcohol polivinílico, polietilenglicol o resinas sintéticas), y compuestos orgánicos relacionados similares mezclados o combinados, tales como copolímeros de los anteriores. Estos agentes plastificantes se pueden mezclar con o sin la adición de calor más a menudo en el rango de 30 °C a 150 °C, con una pluralidad de las partículas componentes antes o simultáneamente con la extrusión, inyección o calandrado. En el caso de la estratificación de polvo seco, los polvos se transportan con control de flujo de masa a su punto de ensamble y se compactan en moldes sin la ayuda de extrusoras, inyectores o calandrias. Las ceras se pueden utilizar como coadyuvantes de consolidación y desmoldeo.
Las Partículas Duras con Recubrimiento Tenaz (TCHP) son microestructuras diseñadas y, en algunos casos, nanoestructuras, creadas al encapsular partículas de núcleo extremadamente duras (que incluyen nitruro de boro cúbico, diamante, alúmina, carburo de silicio y nitruro de titanio) con materiales muy tenaces (que incluyen, carburo de tungsteno cobalto o acero), que en el proceso de consolidación se convierten en la matriz contigua. En una sola variedad de TCHP, pueden coexistir tantas propiedades deseadas como diferentes materiales de partículas de núcleo presentes en su sustrato tenaz uniforme. El polvo de TCHP contiene Co en una cantidad que varía desde 9-10% en peso. Este material tiene una contracción sinterizada de aproximadamente el 16%.
La matriz contigua en la primera mezcla de polvo de plástico proporciona la matriz de soporte tenaz que mantiene en su lugar las partículas resistentes al desgaste. Esta mezcla de polvo de plástico se ubica en zonas o sobre superficies cuya función principal es la resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción y/u otras propiedades deseadas o combinaciones de propiedades tales como conductividad térmica y eléctrica, resistencia a la corrosión o coeficiente de expansión térmica.
La función de la segunda mezcla de polvo de plástico es proporcionar una capa o zonas de sustrato cuya función principal es proporcionar tenacidad a la fractura agregada y/u otras propiedades deseadas o combinaciones de propiedades tales como conductividad térmica y eléctrica, resistencia a la corrosión o coeficiente expansión térmica y para reducir el coste. En una realización, la composición química del segundo polvo compuesto es muy similar (o al menos unible y sinterizable con) la matriz contigua de la primera mezcla de polvo plástico. Esto proporciona una unión metalúrgica o química que proporciona una fuerza de interfaz que no disminuye en comparación con los dos sustratos.
En una realización, el segundo polvo es un material compuesto de partículas de WC recubiertas de cobalto o una mezcla de WC-Co o es un acero, acero para herramientas, acero inoxidable, titanio, aluminio u otro polvo que es esencialmente el mismo que el matriz contigua del primer polvo.
Alternativamente, la segunda composición en polvo es química o metalúrgicamente compatible con y se puede unir a la matriz contigua del primer polvo.
Mientras que algunas laminaciones requieren una diferencia significativa en la cantidad de aglutinante o elementos de unión o compuestos presentes en las diferentes capas para promover la difusión y la unión entre las capas, las laminaciones de material de sustrato con laminaciones en base a TCHP Funcionalmente Graduado seleccionado tienen o no esencialmente las fases de aglutinante o de unión equivalentes.
El método descrito en el presente documento puede comprender además cualquier número de mezclas de polvos de TCHP adicionales, como se describió anteriormente. Por ejemplo, en una realización, se divulgan uno o más polvos de soporte, como se describió previamente, y al menos dos polvos de TCHP, como se describió previamente, por ejemplo, partículas de núcleo que consisten esencialmente en un compuesto de metal que tiene la fórmula MaXb donde M es un metal seleccionado del grupo que consiste en: titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, tantalio, cromo, molibdeno, tungsteno, aluminio, magnesio, cobre y silicio; X es un elemento elegido entre nitrógeno, carbono, boro, azufre y oxígeno; y a y b son números mayores que cero hasta y que incluyen catorce.
En una realización no limitante, el material en partículas de núcleo se selecciona del grupo que consiste en: TiN, Ti(C,N), TiC, TiB2, ZrC, ZrN, ZrB2, HfC, HfN, HfB2, TaB2, VC, VN, cBN, hBN, AhOa, SiaN4, SiBia, SiAlCB, B4C, B2O3, W2Bi5, WB2, WS2, AIN, AlMgBii4, MoS2, MoSi2, Mo2BÍ5, MoB2, MoFeB, diamante y mezclas de los mismos.
En una realización, el material en partículas de núcleo comprende un compuesto de Fe-Mo-B mezclado con un rango de estequiometrías, que puede estar sustituido con Co, Ni como sustituyentes similares.
En otra realización no limitante, la capa intermedia se selecciona del grupo que consiste en: WC, TaC, W2C y una mezcla de WC y W2C.
Las partículas del núcleo de la segunda mezcla tienen al menos uno de M, X, a y b diferente de M, X, a y b en la primera mezcla plástica. Las partículas del núcleo de la segunda mezcla tienen sobre ellas una capa intermedia que consiste esencialmente en el segundo compuesto de metal de la primera mezcla plástica. La combinación de la partícula del núcleo del tercer compuesto y su capa intermedia que forma las segundas partículas recubiertas.
Se forman las varias mezclas de polvo en un cuerpo en crudo de tal manera que el primer polvo forma una primera porción del cuerpo en crudo, la segunda mezcla de polvo que forma una segunda porción del cuerpo en crudo, y así sucesivamente.
Los métodos no limitantes para formar, conformar y prensar el ensamble de cuerpo en crudo incluyen extrusión, coextrusión, moldeo por inyección de polvo, fundición en cinta, calandrado, estratificación de polvo seco, fundición de lechada, fundición de lechada centrífuga y pulverización de polvo húmedo, lechada para forma 3D, centrífuga para recubrir una tubería y pulverización en húmedo para depositar sobre el exterior de la forma simétrica axial.
Para lograr una verdadera zona de transición de ingeniería entre las capas, se pueden proporcionar troqueles de extrusión con ranuras pronunciadas en el aparato de extrusión, inyección, calandrado o suministro de polvo seco que proporcionan una interfaz más íntima entre las diferentes capas en crudo para proporcionar una nueva imbricación entrelazada de los diferentes materiales en la zona de interfaz de transición.
Un material que se va a utilizar en las zonas de desgaste es TCHP. Además, los materiales que se utilizarán en las zonas estructurales están compuestos por los materiales de la capa intermedia y aglutinante utilizados en la TCHP con un porcentaje de volumen reducido de partículas de núcleo o sin partículas de núcleo. A continuación, el ensamble de cuerpo en crudo se puede compactar para formar un compacto o se puede inyectar directamente en un molde. A continuación, el compacto se sinteriza para formar un artículo que tiene zonas de diferentes propiedades, la primera porción del cuerpo en crudo que forma una porción dura, resistente al desgaste del artículo y la segunda porción del cuerpo en crudo que forma una porción que soporta la carga tenaz, fuerte del artículo o componente.
La nueva unión de mezclas de polvos en crudo como materiales graduados funcionalmente hace realidad el término “gradiente funcional”. Por ejemplo, puede agregar propiedades en menos operaciones a componentes automotrices tales como engranajes y árboles de levas que normalmente requieren operaciones térmicas o físicas tales como tratamiento con calor o forjado que requieren costes adicionales y tiempos de procesamiento prolongados.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una micrografía electrónica de escaneo (“SEM”) que muestra la interfaz sinterizada de un artículo concéntrico de TCHP-FGM.
La Figura 2 es un SEM que muestra la interfaz sinterizada de un artículo de TCHP-FGM.
La Figura 3 es (A) una imagen SEM y una (B) imagen SEM retrodispersada que muestra la superficie de la sección transversal de la interfaz sinterizada de un artículo de TCHP-FGM.
La Figura 4 es una micrografía electrónica de escaneo (“SEM”) que muestra la interfaz sinterizada de un artículo concéntrico de TCHP.
La Figura 5 es una micrografía electrónica de escaneo (“SEM”) que muestra una sección transversal de la interfaz sinterizada de un artículo de TCHP-FGM en el que se encontró que era el polvo de soporte o este ejemplo (parte del troquel de alambre), se encontró que el soporte C era el mejor, y el apoyo A fue inadecuado.
La Figura 6 es un esquema de un troquel de alambre (en sección transversal) elaborado de acuerdo con la presente divulgación.
La Figura 7 es un esquema que muestra un ejemplo de una varilla FGM de dos materiales fabricada de acuerdo con la presente divulgación.
La Figura 8 es una micrografía electrónica de escaneo (SEM) que muestra la interfaz de la varilla de la Figura 7 con un aumento de 25x.
La Figura 9 es una micrografía electrónica de escaneo (SEM) que muestra la interfaz de la varilla de la Figura 7 con un aumento de 250x.
La Figura 10 es un esquema que muestra un ejemplo de un cilindro FGM de dos materiales elaborado de acuerdo con la presente divulgación.
La Figura 11 es una micrografía electrónica de escaneo (SEM) que muestra la interfaz de los cilindros concéntricos con un aumento de 250x de la Muestra A elaborada en el ejemplo inventivo 2.
La Figura 12 es una micrografía electrónica de escaneo (SEM) que muestra la interfaz de los cilindros concéntricos a un aumento de 250x de la Muestra B elaborada en el Ejemplo inventivo 2.
La Figura 13 es una fotografía óptica con un aumento de 200x que muestra la interfaz de los cilindros concéntricos de la Muestra C elaborada en el Ejemplo inventivo 2.
La Figura 14 es una fotografía óptica con un aumento de 200x que muestra la interfaz de los cilindros concéntricos de la Muestra D elaborada en el Ejemplo inventivo 2.
Descripción de las realizaciones
Ahora se hará referencia en detalle a la presente realización de la invención.
Definiciones
Como se utiliza en el presente documento, “material funcionalmente graduado”, que también se denomina en el presente documento f Gm , significa un material que se caracteriza por una variación en la composición y/o estructura sobre el volumen, lo que resulta en los correspondientes cambios en las propiedades del material. En una realización, los cambios en la composición y/o estructura sobre el volumen en el material FGM son graduales. En otra realización, los cambios en la composición y/o estructura pueden ser repentinos que muestran interfaces discretas entre composiciones y estructuras. En otra realización, el FGM puede incluir cambios en las propiedades físicas de un artículo con interfaces relativamente discretas entre materiales. En otras palabras, un material FGM de acuerdo con la presente divulgación incluye cualquier artículo que tenga variaciones en la composición desde un extremo hasta el otro. Se entiende que un material f Gm de acuerdo con la presente divulgación se elabora normalmente mediante un proceso en el que todo el material está sujeto a las mismas condiciones de procesamiento.
Como se utiliza en el presente documento, “NL-3” o versiones del mismo, se refiere a una partícula dura recubierta tenaz (TCHP) que tiene la siguiente composición: Óxido de aluminio 7.3% en peso; Carburo de tungsteno: 82.8% en peso; y cobalto: 9.9% en peso. Normalmente, tiene las siguientes Propiedades Físicas: Dureza, Rockwell, HRA (ASTM B294) 92.5-92.8; Vickers, HV30 (ASTM E384) 1700-1750; Tenacidad a la Fractura, MPa/m (ISO 28079) 12.5-13.5; y una Densidad, g/cm3 (ASTM B311) 12.4-12.5. El material tiene una microestructura uniforme que se crea mediante la encapsulación de partículas finas de AhO3 en una cubierta de WC y cubierta de Co posterior.
Como se utiliza en el presente documento, “TL-3” o versiones del mismo, se refiere a una partícula dura recubierta tenaz (TCHP) que tiene la siguiente composición: Carbonitruro de titanio 7.3% en peso; Carburo de tungsteno: 82.8% en peso; Cobalto: 9.9% en peso. Normalmente, tiene las siguientes Propiedades Físicas: Dureza, Rockwell, HRA (ASTM B294) 92.7-92.9; Vickers, HV30 (ASTM E384) 1770-1790; Tenacidad a la Fractura, MPa/m (ISO 28079) 11.0­ 11.5; y una densidad, g/cm3 (ASTM B311) 12.75-12.85. Las partículas de Ti (C, N) distribuidas uniformemente proporcionan una mayor conductividad térmica en comparación con los materiales de WC-Co convencionales. El proceso de recubrimiento de TCHP elimina la estructura de cermet de núcleo-borde estándar al encapsular completamente cada partícula de Ti(C, N) para protegerlas durante la consolidación.
Como se utiliza en el presente documento, el término “polvo de plástico” o variaciones del mismo (por ejemplo, “polvo plastificado”), significa que el polvo se ha mezclado con un aditivo que mejora las propiedades de manipulación y/o procesamiento, tales como el flujo, viscosidad y propiedades de compactación del polvo. Los ejemplos no limitantes de dichos aditivos incluyen ceras de parafina, ácido esteárico, bisestearamida de etileno (EBS), alcohol polivinílico, polietilenglicol y copolímeros. Como apreciaría un experto en la técnica, el aditivo se quema durante el procesamiento y no permanece en el artículo sinterizado terminado.
Como se utiliza en el presente documento, el término “región de soporte”, o variaciones del mismo (por ejemplo, “cara de soporte”), pretende incluir la parte del artículo que no está realizando el trabajo del artículo. Por ejemplo, en una herramienta de corte, la región de soporte no realiza el corte. En un troquel de alambre, la región de soporte no está en contacto con el alambre que se está estirando.
Como se utiliza en el presente documento, el término “polvo de soporte” se utiliza para describir el polvo que eventualmente formará la “región de soporte” en el artículo sinterizado. Normalmente, el polvo de soporte comprende un material de carburo, tal como WC-Co.
Como se utiliza en el presente documento, el término “región de trabajo”, o variaciones del mismo (por ejemplo, “cara de trabajo”), pretende incluir la parte del artículo que está realizando el trabajo del artículo. En algunos casos, la región de trabajo o la cara de trabajo pueden estar en el exterior del artículo. Por ejemplo, en una herramienta de corte, tal como una broca, la región de trabajo es la superficie exterior que realiza el corte. En otras realizaciones, la región de trabajo o la cara de trabajo pueden estar en el interior del artículo. Por ejemplo, en un troquel de alambre, la región de trabajo es el interior del troquel que extruye el alambre, por lo tanto, en contacto directo con el alambre. La primera composición, que normalmente comprende el polvo de TCHP, comprenderá generalmente la región de trabajo en el artículo sinterizado, ya sea que se encuentre en el interior o en el exterior del artículo sinterizado.
Un aspecto de la presente divulgación se refiere a materiales consolidados compuestos de partículas duras recubiertas tenaces (“TCHP”) dispersas en un material de matriz tenaz.
Como se utiliza en el presente documento, el término “material consolidado” significa un material que ha sido sometido a un proceso de conformación y/o compresión, opcionalmente en combinación con un proceso de tratamiento térmico para crear un artículo sólido o sustancialmente sólido. En algunas realizaciones de la presente divulgación, el proceso de tratamiento térmico opcional incluye, por ejemplo, sinterización y/o revestimiento. El proceso de tratamiento térmico opcional se puede realizar junto con el proceso de compresión o después del proceso de compresión.
En algunas realizaciones, un material consolidado se produce mediante un proceso de múltiples etapas. Por ejemplo, los componentes del material se pueden moldear primero mediante un proceso tal como compactación, fundición en cinta, fundición en lechada u otro proceso similar, y luego se pueden procesar térmicamente (por ejemplo, mediante sinterización y/o revestimiento) para formar un artículo sólido o sustancialmente sólido. En algunas realizaciones, los procesos de conformación y tratamiento térmico se realizan sustancialmente al mismo tiempo, por ejemplo, mediante prensado isostático en caliente, prensado en caliente, prototipado rápido con haz de electrones, extrusión y/o laminado.
Las partículas TCHP adecuadas para uso en la presente divulgación se pueden proporcionar, por ejemplo, en forma de un polvo que incluye una pluralidad de partículas de núcleo que se recubren individualmente con al menos una capa intermedia. Una capa exterior que comprende Co está presente en la al menos una capa intermedia. Las partículas del núcleo y los materiales de la capa están destinados a impartir sus propiedades físicas a la partícula TCHP general.
En algunas realizaciones, las partículas del núcleo incluyen al menos un primer compuesto elegido entre materiales de metal de fórmula MaXb, donde M representa al menos uno de titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, tantalio, cromo, molibdeno, tungsteno, aluminio, magnesio y silicio, X representa al menos uno de nitrógeno, carbono, boro, oxígeno y azufre, y a y b son números mayores que cero hasta y que incluye catorce. Además de dichos materiales metálicos, al menos un primer compuesto se puede elegir entre materiales no metálicos tales como nitruro de boro cúbico (cBN), nitruro de boro hexagonal (hBN) y diamante. Como se utiliza en el presente documento, el término “compuesto” no se limita a un material formado por dos elementos y, por lo tanto, también puede referirse a la forma de diamante del carbono.
Un experto en la técnica comprenderá que en los materiales cristalinos, los átomos individuales de una celda unitaria se pueden compartir con celdas unitarias adyacentes. De acuerdo con lo anterior, en la fórmula MaXb, los subíndices “a” y “b” se pueden elegir entre números enteros o números no enteros que varían desde más de 0 hasta 14. En algunas realizaciones, los subíndices “a” y “b” se eligen de números enteros números que varían desde más de 0 hasta 14.
En algunas realizaciones de la presente divulgación, las partículas del núcleo pueden incluir al menos un material del núcleo elegido entre diamante, nitruro de boro cúbico y/o al menos un primer compuesto que incluye al menos un elemento primario compuesto con al menos un elemento secundario. Al menos un elemento primario se elige entre titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, tantalio, cromo, molibdeno, tungsteno, aluminio, magnesio y silicio, y al menos un elemento secundario se elige entre nitrógeno, carbono, boro, azufre y oxígeno.
En general, los materiales de partículas del núcleo (primer compuesto) son duros (es decir, exhiben una dureza Vickers relativamente alta) y pueden exhibir ciertas otras propiedades útiles, tales como resistencia al desgaste y resistencia química a la mayoría de entornos y piezas de trabajo. Sin embargo, estos materiales a menudo tienen una tenacidad a la fractura limitada (la capacidad de detener una grieta que se propaga).
Por supuesto, también se pueden utilizar otros compuestos metálicos y no metálicos como partículas de núcleo de acuerdo con la presente divulgación. Por ejemplo, en algunas realizaciones de la presente divulgación, al menos un primer compuesto consiste esencialmente en al menos un compuesto estequiométrico. Adicionalmente, las partículas de núcleo individuales del polvo de TCHP se pueden formar, por ejemplo, a partir de diferentes materiales del primer compuesto. De manera similar, las partículas de núcleo individuales se pueden formar a partir de una mezcla de materiales del primer compuesto. En cualquier caso, el propósito general es impartir las propiedades de los diversos materiales de partículas del núcleo a los artículos formados a partir del los.
Como ejemplos de los primeros materiales compuestos que se pueden utilizar adecuadamente para el núcleo de la TCHP descrito en el presente documento, se hace mención no limitante de AlB2, AUC3, AlN, A^O3, AlMgBi-M, B4C, nitruro de boro cúbico (cBN), nitruro de boro hexagonal (hBN), CrB2, C3C2, Cr2O3, diamante, HfB2, HfC, HfN, Hf(C,N), M0B2, Mo2Bi5, Mo2C, MoS2, MoSi2, NbB2, NbC, NbN, Nb(C,N), SiB4, SiBia, SiC, SÍ3N4, SiAICB, TaB2, TaC, Ta(C,N), TiB2, TiC, TiN, Ti(C,N), VB2, VC, VN, V(C,N), WB, WB2, W2Bi5, WC, W2C, WS2, ZrB2, ZrC, ZrN, Zr(C,N), ZrO2
y mezclas y aleaciones de los mismos. En particular, se hace mención no limitante de los primeros compuestos que consisten esencialmente en diamante, nitruro de boro cúbico, AhO3, B4C, HfB2, MoS2, SiC, Si3N4, TiC, Ti (C, N), WS2
y mezclas de aleaciones de los mismos.
Como se utiliza en el presente documento, “elegido de” o “seleccionado de” se refiere a la selección de componentes individuales o la combinación de dos (o más) componentes. Por ejemplo, X en la fórmula MaXb puede comprender solo uno de nitrógeno, carbono, boro, oxígeno y azufre, o puede comprender una mezcla de cualquiera o todos estos componentes.
La al menos una capa intermedia se puede aplicar a toda o una parte de la superficie exterior de las partículas del núcleo. En algunas realizaciones de la presente divulgación, la al menos una capa intermedia se aplica a la superficie exterior de sustancialmente cada partícula del núcleo. La al menos una capa intermedia se puede formar, por ejemplo, a partir de al menos un segundo compuesto diferente en composición de al menos un primer compuesto del núcleo.
En algunas realizaciones, al menos un segundo compuesto se forma a partir de un material que tiene mayor tenacidad
a la fractura relativa que al menos un primer compuesto del núcleo. Al menos un segundo compuesto también puede
ser capaz de unirse con al menos un primer compuesto y/o un material de matriz (descrito a continuación).
En algunas realizaciones de la presente divulgación, al menos un segundo compuesto incluye al menos uno de B4C,
W, WC, W2C, SiC, Si3N4, TiB2, Ti(C,N), ya sea solo o en combinación con otro elemento o material. Por ejemplo, al menos un segundo compuesto puede consistir esencialmente en W, WC y/o W2C, opcionalmente en combinación con
Co. En algunas realizaciones, al menos un segundo compuesto consiste esencialmente en W, WC y/o W2C, en combinación con menos de aproximadamente el 20% en peso de Co, tal como menos de aproximadamente el 15%
en peso de Co, o incluso menos de aproximadamente el 10% en peso de Co. Por supuesto, la al menos una capa intermedia puede contener más o menos Co que el descrito anteriormente. Adicionalmente, la cantidad de Co en la al menos una capa intermedia puede variar de forma incremental dentro de los rangos antes mencionados.
Las partículas TCHP pueden tener cualquier forma, por ejemplo, en bloques, cuadradas, rectangulares, elipsoidales, esféricas, en escamas, bigotes, plaquetas, o pueden ser irregulares. En algunas realizaciones de la presente divulgación, las partículas TCHP son sustancialmente esféricas. En otras realizaciones más de la presente divulgación, las partículas TCHP tienen una forma irregular. Por ejemplo, la forma de las partículas TCHP se puede seleccionar para adaptarse a una aplicación particular, por ejemplo, trefilado de alambre (sustancialmente esférico) y corte/conformado de metal (irregular/dentado).
Las partículas TCHP individuales de acuerdo con la presente divulgación también incluyen una capa exterior que comprende Co.
Los materiales consolidados descritos en el presente documento también incluyen una matriz que rodea o rodea sustancialmente cada una de las partículas TCHP. La matriz está formada por al menos un tercer compuesto, que en algunas realizaciones tiene una tenacidad a la fractura relativamente alta en relación con las partículas del núcleo. Por ejemplo, la matriz puede comprender una mezcla de partículas primera y segunda, en la que las primeras partículas incluyen al menos uno de tungsteno y carburo de tungsteno (por ejemplo, WC y/o W2C) y las segundas partículas incluyen Co.
Alternativamente, o además de la mezcla de la primera y segunda partículas, la matriz puede comprender una aleación
de al menos una de tungsteno y carburo de tungsteno con Co. Independientemente, la cantidad de Co en al menos
un tercer compuesto puede variar, por ejemplo, desde más de 0 hasta aproximadamente 20% en peso de Co o más, tal como desde aproximadamente 5 hasta aproximadamente 20% en peso, desde aproximadamente 8 hasta aproximadamente 15% en peso, o incluso de aproximadamente 10 a aproximadamente 12% en peso. Por supuesto, la cantidad de Co en al menos un tercer compuesto se puede seleccionar para adaptarse a una aplicación particular y puede variar de forma incremental dentro de los rangos antes mencionados. Adicionalmente, la cantidad total de Co
en al menos un tercer compuesto puede ser superior al 20% en peso.
En algunas realizaciones, la cantidad de Co en al menos un tercer compuesto (matriz) es mayor que la cantidad de
Co en al menos un segundo compuesto (capa intermedia). Por ejemplo, al menos un segundo compuesto puede comprender desde más de 0 hasta aproximadamente 5% en peso de Co, y al menos un tercer compuesto puede comprender desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 15% en peso de Co. De manera similar, cualquier otra cantidad de Co dentro de los rangos previamente descritos para la capa intermedia y se puede utilizar el aglutinante, siempre que la matriz contenga más Co que la capa intermedia. En virtud del contenido aumentado de
Co, al menos un tercer compuesto (matriz) puede exhibir propiedades de tenacidad más altas, con respecto a al menos
un segundo compuesto (capa intermedia).
En algunas realizaciones, los materiales consolidados de la presente divulgación comprenden partículas TCHP sinterizadas con un núcleo que comprende al menos un primer compuesto descrito anteriormente. En estas realizaciones, al menos una capa intermedia está presente sustancialmente sobre cada núcleo, y comprende o
consiste esencialmente en W, WC y/o W2C, opcionalmente en combinación con Co. Adicionalmente, la matriz de al menos un tercer material de una matriz contiene o contiene sustancialmente las partículas TCHP, y comprende o consiste esencialmente en una mezcla de W, WC y/o W2C con más desde 0 hasta aproximadamente 20% en peso de Co. Por ejemplo, al menos un segundo compuesto puede consistir esencialmente en una mezcla de WC o W2C con 5-10% en peso de Co, y al menos un tercer compuesto puede consistir esencialmente en una mezcla de WC y/o W2C con más del 10% en peso de Co, por ejemplo, desde más de 10 hasta aproximadamente 20% en peso de Co o incluso desde aproximadamente 15 hasta aproximadamente 20% en peso de Co.
La TCHP descrita en el presente documento se puede fabricar mediante cualquier método adecuado. Por ejemplo, la TCHP se puede fabricar al proporcionar una pluralidad de partículas del núcleo, en el que las partículas del núcleo se forman a partir de al menos un primer compuesto descrito anteriormente, y al proporcionar al menos una capa intermedia alrededor de la mayoría de la pluralidad de partículas del núcleo, la capa intermedia se forma a partir de al menos un segundo compuesto descrito previamente.
La al menos una capa intermedia se puede proporcionar sobre las partículas del núcleo mediante cualquier método de depósito adecuado. Por ejemplo, la al menos una capa intermedia se puede depositar sobre las partículas del núcleo mediante al menos un método elegido entre depósito químico de vapor, depósito físico de vapor, depósito de plasma y/o revestimiento, depósito láser y/o recubrimiento, depósito magnético de plasma, depósito electroquímico, depósito no electrolítico, pulverización catódica, síntesis de fase sólida, procesos de depósito químico en solución y combinaciones de los mismos. Para ejemplos adicionales no limitantes de procesos adecuados para formar las capas intermedias, se hace referencia a los procesos descritos en la patente de Estados Unidos No. 6,372,346, y publicación de preconcesión de los Estados Unidos No. 2005/0275143.
Las partículas de material de matriz pueden comprender al menos un tercer compuesto descrito previamente, o un precursor del mismo. Por ejemplo, las partículas de material de matriz pueden incluir una mezcla de primeras partículas y segundas partículas, que comprenden las primeras partículas al menos una de W, WC y W2C y las segundas partículas que comprenden Co. Alternativamente, o además de la mezcla de las primeras y segundas partículas, la matriz puede comprender una aleación de al menos uno de W, WC, W2C con Co. De manera similar, el polvo de matriz puede comprender un material precursor que, tras la sinterización, revestimiento y/u otro procesamiento, da como resultado una mezcla de W, WC y/o W2C con una cantidad deseada de Co. En algunas realizaciones, la cantidad de Co en la matriz varía desde más de 0 hasta aproximadamente 20% en peso.
La TCHP y las partículas de la matriz se pueden mezclar utilizando aparatos o métodos de mezcla conocidos. Por ejemplo, la TCHP y las partículas de la matriz se pueden mezclar mediante molido de bolas, molido por atritor o agitación mecánica. Por supuesto, se pueden utilizar otros métodos de mezcla.
El polvo mezclado puede contener, por ejemplo, una distribución uniforme (homogénea), sustancialmente uniforme o no uniforme (heterogénea) de partículas de matriz y TCHP. En una realización no limitante, el polvo mezclado está compuesto por una distribución uniforme o sustancialmente uniforme de TCHP y partículas de matriz.
Se puede utilizar cualquier método conocido para conformar un material en partículas en un artículo en los métodos de acuerdo con la presente divulgación. Por ejemplo, el polvo mezclado se puede conformar en un artículo mediante moldeo. Adicionalmente, el polvo mezclado se puede formar en un artículo llamado “en crudo” al compactar o conformar el polvo mezclado a una temperatura más baja que la temperatura de sinterización del polvo. Por ejemplo, un artículo se puede formar mediante prensado en frío (por ejemplo, prensado isostático en frío), en el que se aplica suficiente presión externa al polvo para formar un artículo “en crudo”. Alternativamente, se puede preformar un artículo mediante prensado en caliente (por ejemplo, prensado isostático en caliente), en el que se aplica presión externa a un polvo mientras el polvo se calienta a una temperatura por encima, por debajo o alrededor de la temperatura de sinterización. Otros métodos de conformación no limitantes incluyen el polvo mixto de la presente divulgación que incluye moldeo por inyección de polvo, extrusión plastificada, medios de transmisión de alta presión y prototipazo rápido.
Se pueden agregar aglutinantes fugitivos al polvo mezclado para agregar fuerza en crudo a los artículos conformados descritos en el presente documento. Ejemplos no limitantes de dichos aglutinantes fugitivos incluyen ceras de parafina, ácido esteárico, bis-estearamida de etileno (EBS), plastificantes (por ejemplo, alcohol polivinílico, polietilenglicol y/o resinas sintéticas) y compuestos orgánicos similares. Un ejemplo de un aglutinante fugitivo disponible comercialmente es Acrawax. Los aglutinantes fugitivos se pueden agregar, por ejemplo, en una cantidad de aproximadamente 2% en peso. El aglutinante fugitivo se puede quemar durante una etapa posterior, como durante una etapa de sinterización.
Se pueden agregar lubricantes al polvo mezclado para ayudar en la formación de un artículo conformado. Por ejemplo, cuando el polvo mixto de la presente divulgación incluye TCHP de forma irregular, se pueden agregar lubricantes para ayudar a su compactación y conformación, ya que la TCHP no se redondea por disolución.
Además, algunas partículas TCHP experimentan procesos reactivos al entrar en contacto con oxígeno y/o humedad. Por tanto, se puede aplicar un recubrimiento protector, tal como un recubrimiento polimérico o de óxido inerte, a las partículas TCHp para evitar que se produzcan dichos procesos.
Haciendo referencia a la FIG. 6, se muestra un troquel (900) de alambre, en sección transversal, elaborado de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, el orificio para tirar del alambre (901) está rodeado por la región (905) de trabajo, que puede comprender un polvo de TCHP, como se divulga en el presente documento. Por ejemplo, en una realización, esta región de trabajo incluye una pluralidad de partículas de núcleo que comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste en: TiN, Ti(C,N), TiC, TiB, ZrC, ZrN, VC, VN, cBN, A^O3, Si3N4, SiBi6, SiAlCB, W2Bi5, AIN, AlMgBi-M, MoS2, MoSi2, Mo2BÍ5, Mo2B, MoFeB (boruro de molibdeno de hierro), y diamante; una capa intermedia sobre dichas partículas de núcleo, la capa intermedia comprende al menos un compuesto seleccionado de WC, W2C, acero para herramientas, aleaciones de nanoacero vítreo y desvitrificado, nitruro de silicio, y carburo de tantalio; y una capa externa ubicada sobre la capa intermedia que comprende Co. Adyacente a la región de trabajo está la región de soporte (910). En una realización, la región de trabajo comprende un material de carburo, tal como WC-Co.
Como se utiliza en el presente documento, la frase “procesos de fabricación aditiva” o variaciones de la misma se refiere a un proceso para elaborar objetos sólidos tridimensionales (3D) a partir de un modelo digital. Como resultado, a veces se denomina “impresión 3D” y se logra utilizando procesos aditivos, en los que se crea un objeto al colocar capas sucesivas de material. En una realización, el proceso de fabricación aditiva utilizado en el presente documento comprende un láser para sinterizar medios y formar un sólido, tal como la sinterización selectiva por láser (SLS) o la sinterización por láser de metales (DMLS).
La familia de TCHP de materiales descrita en el presente documento ofrece avances en propiedades mecánicas que, en comparación con los materiales convencionales, proporcionan un rendimiento mucho mayor en aplicaciones industriales como trefilado de alambre, corte de metales, etc. Este trabajo describe desarrollos novedosos recientes que se han concebido y demostrado para crear estructuras funcionalmente graduadas que constan de TCHP únicas y materiales de soporte cuidadosamente seleccionados, tales como ciertos polvos WC-Co, para promover mejoras adicionales en el rendimiento a través de una mayor eficiencia y productividad.
Estos nuevos materiales de TCHP-FGM se han creado al presionar y cosinterizar polvos de TCHP recientemente desarrollados con polvos de WC-Co cuidadosamente seleccionados para producir materiales funcionalmente graduados (FGM) con propiedades requeridas para un alto rendimiento, como alta resistencia a la abrasión, alta fuerza y alta tolerancia térmica, entre otras propiedades deseadas consistentes con aquellas que ofrecen los materiales de TCHP.
Los materiales de TCHP pueden tolerar entornos térmicos y abrasivos elevados que existen en muchas operaciones industriales, mientras que los materiales WC-Co típicos son inadecuados para aplicaciones exigentes. El alto valor proporcionado por los materiales de TCHP se debe principalmente a su vida útil más prolongada y las cualidades mejoradas de algunas piezas de trabajo, tales como trefilado de alambre con troqueles de TCHP; sin embargo, la porción de la parte que suministra el valor es la “superficie de trabajo”. Sustituir las porciones “que no funcionan” de la parte con el polvo de WC-Co típico puede reducir el coste y, en algunas partes, también transmitir propiedades mejoradas a la TCHP.
Un ejemplo no limitante de una parte destinada a dicha aplicación es un troquel de trefilado de alambre de TCHP-FGM avanzado. En esta realización, la arquitectura está diseñada de tal manera que una cara “de trabajo” de alta dureza (por ejemplo, el interior de un troquel de alambre o el exterior de un inserto de herramienta de corte) se compone de TCHP con materiales de “soporte” externos cuidadosamente seleccionados. La función principal del componente WC-Co externo es impartir tensión de compresión al TCHP y restringir su agrandamiento provocado por la expansión térmica durante las operaciones de trabajo (la dispersión del calor generado durante las operaciones de trabajo también se puede gestionar al diseñar las conductividades térmicas del FGM).
En contraste con los intentos publicados anteriormente de sinterizar FGM utilizando únicamente dos composiciones de polvo WC-Co diferentes, donde los dos materiales WC-Co se difunden entre sí y dos microestructuras ya no son lo suficientemente distintas, no se ha observado dilución sustancial entre TCHP y WC-Co.
La migración de cobalto entre los diferentes componentes de este tipo de TCHP-FGM se minimiza, mientras que es bien sabido que a veces existe una migración indeseable de cobalto en muchos intentos de sinterizar FGM de WC-Co. Adicionalmente, la limitación de los FGM de WC-Co se supera porque no se observa crecimiento de grano de WC.
Como resultado, se ha mostrado que son posibles al menos los siguientes beneficios asociados con los artículos y métodos de TCHP-FGM divulgados:
• Unión química fuerte entre polvos diversos mientras se mantiene una estructura de FGM discreta
• Migración de cobalto minimizada; sin crecimiento de grano de WC (problemas técnicos que afectan al FGM de WC-Co)
• Inducción de tensión de compresión diseñada intencionalmente en la parte sinterizada para la resistencia al desgaste aumentada
• Gestión o dispersión del calor generado durante la operación mediante el diseño apropiado de TCHP-FGM • Variedad de partes de TCHP-FGM - troqueles de alambre, varillas para herramientas de perforación, puntas de herramientas cosinterizadas, etc.
De acuerdo con la invención, un artículo se forma a partir de al menos dos polvos diferentes, al menos uno de los cuales es un primer polvo que comprende 9-10% en peso de Co, compuesto por una pluralidad de partículas de núcleo que consisten esencialmente de un primer compuesto de metal esencialmente estequiométrico que tiene la fórmula MaXb previamente descrita. En varias realizaciones, este primer polvo que comprende la primera mezcla plástica, el primer compuesto de metal es predominantemente estequiométrico y consiste esencialmente en un compuesto de metal seleccionado del grupo que consiste en: TiN, Ti(C,N), TiC, TiB2, ZrC, ZrN, ZrB2, VC, VN, cBN, A^O3, Si3N4, SiBi6, SiAlCB, W2Bi5, AlN, AlMgBi-M, MoS2, MoSi2, Mo2BÍ5, Mo2B, MoFeB (boruro de molibdeno de hierro), y diamante. Dichos compuestos de metal son duros o tienen otras propiedades mecánicas útiles, pero tienen una tenacidad a la fractura limitada. Además de los compuestos enumerados anteriormente, otros compuestos de metal pueden operar con la presente invención.
Las partículas de núcleo descritas anteriormente se recubren con un material intermedio que consiste esencialmente en un segundo compuesto de metal, es decir, uno diferente en composición del primer compuesto de metal que forma el núcleo de la partícula. El compuesto de la capa intermedia tiene generalmente una mayor tenacidad a la fractura relativa que el material que forma el núcleo. Además, el segundo compuesto de metal debe ser capaz de unirse con el primer compuesto de metal y ser capaz de unirse con hierro, cobalto, níquel, cobre, titanio, aluminio, magnesio, litio, berilio, plata, oro y platino, sus mezclas, sus aleaciones o sus compuestos intermetálicos.
En el primer polvo que comprende la primera mezcla, el segundo compuesto de metal consiste esencialmente en WC-Co. Como se divulgará a continuación, la combinación de una capa intermedia relativamente tenaz y resistente y un núcleo duro proporciona un material sinterizado formado a partir de él con propiedades mecánicas excepcionales. Las partículas recubiertas generalmente tienen un tamaño medio de partícula de menos de aproximadamente 2 micrómetros e incluso menos de aproximadamente 1 micrómetro. La capa intermedia tiene normalmente un espesor en el rango desde 5% hasta 50%, tal como 10% a 25% del diámetro de las partículas del núcleo.
En la medida en que el artículo o parte componente es una herramienta para conformar o cortar metal, está compuesto de un material sinterizado que contiene dicho primer polvo, sus propiedades de desgaste y fricción dependen principalmente de las propiedades de las partículas del núcleo. su concentración en el material sinterizado y sus combinaciones. La tenacidad a la fractura es función de la cantidad de WC-Co o acero u otra matriz estructural, el porcentaje de cobalto (si está presente) y la densidad de la matriz sinterizada.
En una realización en la que el artículo es un inserto de corte y las partículas del núcleo son TiN y la capa intermedia es WC, el coeficiente de fricción del TiN, su dureza y resistencia al desgaste imparten esas propiedades al inserto de corte mientras que la fuerza del inserto y su resistencia a la propagación de grietas se ven mejoradas por la capa de WC que rodea las partículas del núcleo de Ti(C,N). Significativamente, el desgaste del inserto no dará como resultado la disminución de las características de dicho inserto porque el Ti(C,N) no es un recubrimiento externo que se deba desgastar. Es una parte integral del material de inserto que renueva la superficie a medida que se desgasta.
El primer polvo que comprende la primera mezcla incluye adicionalmente una capa exterior que comprende Co que superpone la capa intermedia sobre las partículas recubiertas. La función de la capa exterior es unir las partículas recubiertas en tiempos y temperaturas de sinterización razonables en un material sinterizado denso. Como se incorpora, la capa exterior funciona como aglutinante. Generalmente, dichos aglutinantes son un recubrimiento uniforme en el exterior de las partículas del compuesto de metal en forma de una capa sustancialmente continua. Los polvos utilizados con la presente invención se divulgan en la patente de los Estados Unidos 6,372,346. Los polvos particulares que se pueden utilizar en la presente divulgación incluyen diamante, cBN y Ti (C, N).
En otra realización, el primer compuesto de metal en el segundo polvo así como el segundo compuesto de metal en el segundo polvo es WC o W2C y el aglutinante es Co. En dicha realización, el primer polvo forma carburo de tungsteno cementado. En una realización preferida, el segundo polvo está compuesto por partículas de WC recubiertas con una capa aglutinante de Co. El % en peso de Co puede varias desde aproximadamente 3 a aproximadamente 25 por ciento. Alternativamente, el segundo polvo puede consistir en una mezcla de WC y Co, donde el Co comprende entre 3 y 25 por ciento.
De acuerdo con la invención, se proporciona un método para elaborar un artículo tal como un componente mecánico o una herramienta para conformar metal.
La primera mezcla o mezcla de polvo se dispone para formar (después de la extrusión, inyección, calandrado o estratificación de polvo; conformación; compactación y sinterización) una herramienta o material componente que tiene una dureza y un coeficiente de fricción bajo sobre superficies de trabajo y bordes que producen menos calor, desgaste y formación de cráteres, y requieren menos potencia de procesamiento y uso auxiliar de lubricantes externos, lo que finalmente resulta en una vida útil más larga de la herramienta, un mejor control del proceso y un impacto ambiental reducido. Dicho material proporciona una baja reactividad con las piezas de trabajo a base de hierro, lo que reduce la adherencia y la difusión, flanqueo o desgaste del troquel y, a su vez, prolonga la vida útil de un troquel de trefilado elaborado con dicho material. Además, el material de recubrimiento intermedio tenaz y fuerte (por ejemplo, WC-Co) sobre las partículas del núcleo forma una macroestructura de soporte celular para el artículo y, al mismo tiempo, proporciona una capa protectora perfectamente ajustada y unida herméticamente para las partículas del núcleo duras (de, por ejemplo, TiN o B4C), manteniéndolas en posición y permitiendo una exposición óptima y retención de la fase dura en la superficie resistente al desgaste.
El método comprende adicionalmente formar una segunda mezcla o mezcla de polvo de un segundo polvo. La segunda mezcla o mezcla de polvo se dispone para formar una mayor resistencia y tenacidad a la fractura que el material formado a partir de la primera mezcla de polvo y está diseñada para formar un soporte estructural para un artículo (después de conformación, ensamble con la primera mezcla, compactación y sinterización). Esto proporciona un valor agregado importante en la técnica de extrusión y moldeo por inyección de polvo porque el material que forma el polvo recubierto o no recubierto primario o la capa intermedia sobre el polvo de la segunda mezcla se puede emparejar en composición con la capa intermedia sobre el polvo de la primera mezcla en polvo y los materiales aglutinantes para ambas mezclas en polvo pueden ser iguales y en las mismas fracciones de peso. Esto permite que los artículos elaborados de ambas mezclas se adhieran íntimamente con la mayor fuerza posible después del ensamble, compactación y sinterización.
Las dos mezclas de polvos se forman juntas en un cuerpo en crudo de modo que la primera mezcla forma una primera porción del cuerpo en crudo con la segunda mezcla formando una segunda porción del cuerpo en crudo. Un método ejemplar para lograr esto es el moldeo por inyección de polvo. Otros ejemplos son la extrusión de polvos, el calandrado de polvos, la colada en cinta y la estratificación de polvos.
Las dos mezclas se forman juntas en un cuerpo en crudo de tal manera que la primera mezcla forma una primera porción o porciones resistentes al desgaste del cuerpo en crudo con la segunda mezcla que forma una segunda porción del cuerpo en crudo que proporciona alta tenacidad a la fractura. Las dos mezclas de polvo se ensamblan íntimamente juntas en estado en crudo en virtud de los procesos de extrusión, inyección, calandrado o estratificación de polvo. Esto permite que la matriz contigua común o compatible de los dos materiales en polvo, cada uno de los cuales puede estar plastificado, se una más fuertemente que con las prácticas convencionales de laminación, recubrimiento o FGM. Esto se ve favorecido además por la presión ejercida sobre las superficies verdes por los procesos de extrusión, inyección, calandrado o estratificación en polvo (moldeo). La presión requerida sobre una determinada mezcla de polvos con respecto a la otra mezcla de polvos depende de las viscosidades relativas de las dos. Generalmente se requiere una mayor presión sobre la mezcla de polvo que tiene una viscosidad relativamente más alta, cuando el espesor de esa capa con respecto a la otra se debe aumentar, o cuando el perfil de troquel o la cavidad de flujo es más complejo.
El cuerpo en crudo FGM ensamblado se compacta (tal como mediante prensado isostático en frío) para formar un compacto. El compacto se calienta luego para eliminar el material aglutinante polimérico y luego se sinteriza para formar un artículo tal como una herramienta que tiene porciones de diferentes propiedades, la primera porción del cuerpo en crudo que forma una porción de corte dura y resistente al desgaste de la herramienta y la segunda porción del cuerpo en crudo que forma una porción que soporta la carga tenaz y fuerte de la herramienta. El grosor de la(s) porción(es) resistente(s) al desgaste se puede aumentar o reducir para proporcionar el desgaste anticipado o para proporcionar mayor o menor triturados y reutilizaciones de la parte.
La pieza en bruto conformada (también denominada como un “cuerpo en crudo”) se compacta para formar un compacto. La compactación proporciona mayor fuerza, densidad, definición de forma y control dimensional. La compactación de polvo en crudo uniaxial convencional (sin sinterizar) se realiza generalmente con presión aplicada por punzones superiores e inferiores duros a lo largo de un eje de la parte. La cavidad del troquel en la que se presiona el polvo, tal como un polvo plastificado o una pieza en bruto, proporciona constricción lateral y conformación al polvo a medida que se comprime. Después de llenar la cavidad, los punzones se cargan para generar un esfuerzo de compresión en el rango de 20,000-30,000 psi sobre el polvo. Las partes más complicadas se cubren con recubrimientos de caucho y se comprimen isostáticamente en un medio de transmisión de presión hidráulica. Esto produce una consolidación en frío, tras la cual el compacto debe ser retirado del troquel mediante el movimiento de los punzones.
Durante la consolidación en crudo, las fuerzas de compactación crean uniones entre partículas que proporcionan la resistencia en crudo que mantiene la parte en forma en preparación para la sinterización. También se pueden agregar líquidos humectantes y ceras al material en partículas para aumentar la fuerza de unión. El prensado del polvo antes de la sinterización reduce la porosidad del polvo de modo que se produce una menor contracción durante la sinterización. El principal objetivo de la compactación es lograr suficientes propiedades de fuerza en crudo para mantener la geometría de la pieza compacta antes y durante la sinterización, pero con una mínima fricción de la pared.
El moldeo por inyección de polvo se basa en el principio del moldeo por inyección de plástico y produce partes de bajo coste y alta complejidad de conformación. Las etapas clave del moldeo por inyección son premezclado, mezclado y peletizado, moldeo por inyección o extrusión, desaglomerado y eliminación de solventes, desaglomerado térmico y presinterización y, finalmente, sinterización. Los aglutinantes utilizados son mezclas termoplásticas de ceras, polímeros, aceites, lubricantes y tensioactivos. El polímero imparte características de flujo viscoso a la mezcla de polvo para ayudar al flujo, formación, llenado del troquel y empaquetamiento uniforme. Los aglutinantes se componen normalmente de un 70% de cera de parafina y un 30% de polipropileno con lubricantes o agentes humectantes apropiados para proporcionar adherencia del aglutinante al polvo así como fluidez. La cantidad de aglutinante es aproximadamente el 40 por ciento en volumen de la mezcla y normalmente es fluida a aproximadamente 150 °C. El moldeo por inyección implica el calentamiento y presurización simultáneos de la materia prima mediante un mecanismo de inyección, extrusora o calandrado. La mezcla se calienta en la extrusora, máquina de inyección o calandrado a temperaturas en el rango de 130 °C a 190 °C. El polvo se inyecta en la cavidad mediante un empuje hacia adelante del tornillo o un pistón en el barril para inyectar un volumen preestablecido de materia prima fundida en el troquel. Alternativamente, la materia prima plana o calandrada se puede cortar y transferir a la cavidad del molde para mantener sus características laminares.
La estratificación del polvo se logra mediante suministro secuencial y, a veces, simultáneo a moldes de compactación de polvos constituyentes esencialmente secos idénticos a los de los procesos anteriores pero sin la ayuda de extrusoras, inyectores o calandrados de plástico. Se utilizan aglutinantes poliméricos, no para plastificar la mezcla, sino para ayudar a moldear la compactación y desmoldar las partes. De esta manera el mezclado y la transición de las partículas constituyentes en la interfaz además de las ranuras moldeadas, se puede lograr una fuerza en la zona de transición superior que con cualquier otro método.
A continuación, el compacto se sinteriza para formar un artículo o una herramienta o una preforma de herramienta que se puede conformar adicionalmente para formar la herramienta final. La sinterización de estos compactos laminares FGM es un proceso térmico que crea soldaduras entre partículas que mejoran en gran medida las propiedades de la parte en crudo. Esta unión de las partículas se produce cuando crecen cuellos cohesivos en los puntos de contacto de las partículas a altas temperaturas, lo que puede ocurrir por debajo del punto de fusión de un material aglutinante. Las partículas se sinterizan juntas por movimiento atómico que elimina la alta energía superficial asociada con el polvo. Los cambios estructurales durante la sinterización dependen de procesos de difusión que crean mecanismos de transporte de material. A medida que crecen los cuellos interpartículas, la estructura porosa se interconecta cada vez más a medida que se produce la contracción. A medida que continúa la densificación, los poros interpartículas colapsan gradualmente y las densidades del material en el rango de 92 a 99 por ciento de la teórica.
En una realización, el segundo polvo comprende WC-Co que tiene un tamaño de partícula que varía desde 0.5 hasta 5.0 micrómetros. Tras la sinterización, este segundo polvo se contrae aproximadamente entre un 15 y un 20%, por ejemplo entre un 16 y un 19%.
En algunos casos, se aplica presión al polvo durante sinterización. Las presiones de compactación más altas aumentan la densidad. En sistemas de dos fases tal como con TCHP, es posible formar una fase de bajo punto de fusión donde el líquido puede proporcionar un transporte rápido y una sinterización rápida. La humectación es el primer requisito, ya que el líquido debe formar una película alrededor de las partículas en fase sólida. Una vez que se forma el líquido, fluirá para humedecer las partículas y, a medida que aumenta la fase líquida, fluirá hacia los espacios intersticiales entre las partículas a medida que los capilares formen la densidad de la estructura. Con el calentamiento continuo, la fase sólida se disuelve en el líquido y la cantidad de líquido crece hasta que se satura con el componente sólido. La fase líquida se convierte entonces en un portador de los átomos de la fase sólida que luego nuclean y reprecipitan en los espacios intersticiales para densificar el producto después de enfriamiento.
Se pueden utilizar diferentes atmósferas durante la sinterización para protegerla de la oxidación y para eliminar los lubricantes y aglutinantes utilizados en la preconsolidación. Dichas atmósferas también pueden contribuir al control del carbono en la matriz. La densidad inicial, la temperatura de sinterización, el tiempo de sinterización, el material, el tamaño de partícula, la atmósfera de sinterización y la tasa de calentamiento influyen en la tasa de sinterización. A medida que aumenta el grado de sinterización, mejorarán la dureza, resistencia, ductilidad, conductividad térmica y eléctrica, resistencia a la corrosión, permeabilidad magnética y otras propiedades. Las propiedades dinámicas como la fatiga y la tenacidad al impacto son más sensibles al proceso de sinterización.
Las piezas en bruto también se pueden consolidar mediante lo que se conoce como sinterización en fase líquida. Dicho proceso para los materiales se divulga en la patente de los Estados Unidos No. 7,736,582.
En cualquiera de los métodos anteriores, la sinterización se puede realizar en una atmósfera inerte, cementante, descarburante o reductora, de nitrógeno o de vacío para ayudar al proceso de sinterización.
Se ha mostrado que la combinación de materiales de TCHP y materiales de soporte cuidadosamente seleccionados, tales como ciertos polvos de WC-Co, promoverá mejoras en el rendimiento a través de una eficiencia y productividad mejoradas. A continuación se proporciona una descripción de los Polvos de Soporte de WC-Co utilizados en la presente divulgación.
Polvo de WC-Co Tamaño de grano WC Cobalto (% en peso) Contracción sinterizada _____________________________ promedio (um)________________________________________(%)__________ A (ultrafino) 0.8 10.0 18.8
B (fino) 2-3 11.0 18.2
C (medio) 3-5 15.0 16.9
La TCHP utilizado en este trabajo contiene 9.5% en peso de cobalto, con una contracción sinterizada de aproximadamente 16.0%. Como resultado, el polvo C de WC-Co (mostrado arriba con una contracción sinterizada del 16.9%) se asemeja más al TCHP. Los otros polvos de WC-Co, que tienen una mayor contracción sinterizada, conducen a un producto terminado que tiene contracciones y grietas no coincidentes en las microestructuras. La Figura 5 muestra dicha estructura.
A continuación se proporciona un ejemplo no limitante de un método de prensado de polvo típico para producir un artículo de TCHP-FGM a partir de varios polvos.
Se colocó un tubo de acero hueco de pared delgada (diámetro exterior 0.340”) en el centro del juego de herramientas de troquel cilíndrico (diámetro 0.580”) sobre una prensa de polvo convencional para mantener la separación durante la carga de los dos tipos de polvo distintos (TCHP y WC-Co “soporte”).
Se colocaron aproximadamente 8 gramos de TCHP en el interior de este tubo hueco, y se colocaron aproximadamente 12.5 gramos de WC-Co en la cavidad del troquel en el exterior del tubo.
A continuación, se retiró cuidadosamente el tubo hueco para minimizar la ruptura del polvo, y luego se prensó convencionalmente a una presión de 10-12 TSI (toneladas por pulgada cuadrada).
Este proceso se repitió para diferentes polvos de soporte de WC-Co utilizando el mismo grado de TCHP.
Todas las partes en crudo se colocaron sobre una bandeja de sinterización de grafito convencional y se cargaron en el horno de sinterización.
A continuación, las partes en crudo se sinterizaron en las siguientes condiciones: Comience a temperatura ambiente bajo vacío.
Aumente a 440 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr). Mantenga a 440 °C durante 120 minutos (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr).
Aumente a 700 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío. Mantenga a 700 °C durante 60 minutos bajo vacío.
Aumente a 1250 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío. Mantenga a 1250 °C durante 30 minutos bajo vacío.
Aumente a 1400 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de 2 Torr). Mantenga a 1400 °C durante 105 minutos (con argón a una presión parcial de 2 Torr). Enfríe con argón a una presión parcial de 2 Torr durante la primera hora de enfriamiento.
Todos los pesos finales de las partes sinterizadas son de aproximadamente 20 gramos (pesos en crudo ligeramente superiores, cercanos a 20.5 gramos).
A continuación se proporciona un ejemplo alternativo de un método de prensado de polvo típico utilizado para formar un artículo de TCHP-FGM comenzando con discos de TCHP preprensados.
Los discos de TCHP (diámetro 0.310” con un peso en crudo aproximado de 3 gramos) se prensaron primero a 10-12 TSI utilizando una prensa de polvo convencional y se reservaron.
A continuación, se insertó un juego de herramientas de troquel cilíndrico (diámetro 0.580”) en la prensa de polvo.
Se colocó un disco de TCHP prensado en el fondo de la cavidad de troquel y se cargaron aproximadamente 12 gramos de polvo de WC-Co para llenar el volumen restante de la cavidad de troquel.
A continuación, los polvos se prensaron juntos convencionalmente a una presión de 10-12 TSI.
Este proceso se repitió para diferentes polvos de soporte de WC-Co utilizando discos prensados del mismo grado de TCHP. Todas las partes en crudo se colocaron sobre una bandeja de sinterización de grafito convencional y se cargaron en el horno de sinterización.
A continuación, las partes en crudo se sinterizaron bajo las siguientes condiciones: Comience a temperatura ambiente bajo vacío.
Aumente a 440 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr). Mantenga a 440 °C durante 120 minutos (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr).
Aumente a 700 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío. Mantenga a 700 °C durante 60 minutos bajo vacío.
Aumente a 1250 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío. Mantenga a 1250 °C durante 30 minutos bajo vacío.
Aumente a 1400 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de 2 Torr). Mantenga a 1400 °C durante 105 minutos (con argón a una presión parcial de 2 Torr).
Enfríe con argón a una presión parcial de 2 Torr durante la primera hora de enfriamiento.
Los métodos descritos anteriormente se pueden utilizar para formar un artículo sinterizado que comprende al menos dos regiones de composición distintas y adyacentes, en las que una primera región de composición realiza el trabajo de la herramienta, tal como cortar o extrudir, y comprende: una pluralidad de núcleos La partícula comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste en: TiN, Ti(C,N), TiC, TiB, ZrC, ZrN, VC, VN, cBN, A^O3, Si3N4, SiBi6, SiAICB, W2Bi5, AlN, AlMgBi-M, MoS2, MoSi2, Mo2BÍ5, Mo2B, MoFeB (boruro de molibdeno de hierro), y diamante; una capa intermedia sobre dichas partículas de núcleo, dicha capa intermedia comprende al menos un compuesto seleccionado de WC, W2C, acero para herramientas, aleaciones de nanoacero vítreo y desvitrificado, nitruro de silicio, y carburo de tantalio; y una capa externa ubicada sobre dicha capa intermedia que comprende Co.
Esta primera región de composición o región de trabajo comprende 9-10% de Co.
El artículo también comprende una segunda región de composición que soporta la primera región de trabajo. En una realización, la segunda región de composición comprende un material de carburo, tal como WC-Co.
Los artículos descritos en el presente documento son normalmente artículos de corte o formación, tales como taladros, molinos, herramientas de corte y formación, troqueles de alambre y componentes mecánicos, donde la cara de trabajo comprende sustancialmente la primera composición.
De acuerdo con lo anterior, los materiales de acuerdo con la presente divulgación son bien adecuados para uso en una amplia gama de artículos, que incluyen, pero no se limitan a: herramientas, tales como troqueles de trefilado (por ejemplo, troqueles de trefilado de alambre, troqueles de alambre compuesto, troqueles de trefilado de alambre esmaltado), troqueles de extrusión, troqueles de forja, troqueles de corte y estampado, formas, rodillos de formación, moldes de inyección, cizallas, taladros, molinos y tornos, sierras, avellanadores, roturas, escariadores, derivaciones y otros troqueles; partes mecánicas individuales, tales como engranajes, levas, muñones, boquillas, sellos, asientos de válvulas, impulsores de bombas, cabrestantes, poleas, cojinetes y superficies de desgaste; componentes cosinterizados integrados para reemplazar partes de acoplamiento, varillas de motores de combustión interna, cojinetes, zonas de superficie dura en procesos de metal en polvo (P/M), partes mecánicas sustituidas por partes de acero forjadas o mecanizadas con zonas tratadas térmicamente (por ejemplo, árboles de levas, partes de transmisión, etc.) y partes de impresora/fotocopiadora; artículos industriales pesados tales como brocas de perforación de pozos profundos, dientes para equipos de minería y movimiento de tierras y rodillos calientes para acerías; y componentes electromecánicos tales como cabezales de lectura de unidades de memoria e imanes especializados.
Los materiales consolidados de la presente divulgación también se pueden utilizar, por ejemplo, para formar componentes de aparatos, maquinaria y otros artículos utilizados en la limpieza y/o mejora de material radiactivo (nuclear). En una realización no limitante, los materiales consolidados descritos en el presente documento se forman en una placa adecuada para uso en la limpieza y/o mejora de material nuclear. A este respecto, se hace mención no limitante de un material consolidado que comprende una pluralidad de TCHP descrito anteriormente, en el que los TCHP están revestidos o chapados con níquel antes de ser mezclados con un material de matriz.
La presente divulgación se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos no limitantes, que pretenden ser solo de ejemplo de la divulgación.
Ejemplos
Los siguientes ejemplos describen varios artículos FGM elaborados de acuerdo con la presente divulgación, cada uno de los cuales tiene un polvo duro recubierto tenaz (TCHP) en alguna parte. En el Ejemplo 1, se elaboraron y probaron varillas sólidas de FGM que tenían una variación en la composición de un extremo de la varilla al otro. En el Ejemplo 2, se elaboraron y probaron cilindros de FGM que tenían una variación en la composición desde el interior hacia el exterior del cilindro.
Preparación de polvos de TCHP mezclados
Se describe la secuencia del proceso para crear polvos de TCHP mezclados utilizados en los siguientes ejemplos de la invención.
Utilizando un contenedor de molido, se pesaron las proporciones adecuadas de polvo de TCHP y polvo de matriz de WC-Co. Generalmente, el peso total de los polvos fue de aproximadamente 800 g. Por tanto, para obtener una mezcla de polvo que comprende 25% en peso de TCHP y 75% en peso de matriz, se utilizaron aproximadamente 200 g de TCHP y aproximadamente 600 g de polvo de matriz WC-Co. En algunos casos, el polvo de matriz de WC-Co de materia prima contenía una pequeña cantidad (“2% en peso) de cera de parafina.
Si se deseaba un polvo encerado, se agregó un 2% adicional de cera de parafina a la mezcla de polvo, en base al peso de las partículas TCHP. Por el contrario, si se deseaba un polvo sin encerar, no se agregó cera de parafina (más allá de la cantidad presente en los polvos de materia prima) a la mezcla.
Al contenedor de molido se agregaron bolas de molido de WC-Co en una cantidad que corresponde a una relación de 1.5 kg de bolas de molido: 800 g de mezcla de polvo.
Si se estaba preparando un polvo encerado, se agregaron 150 ml de un solvente adecuado (por ejemplo, heptano) a las bolas de polvo/molido y se mezcló la solución resultante. Se agregó solvente adicional hasta que la solución tuvo una consistencia fluida.
Para la preparación de un polvo sin encerar, se agregaron 150 ml de un solvente adecuado (por ejemplo, etanol) a las bolas de polvo/molido y se mezcló la solución resultante. Se agregó más solvente hasta que la solución tuvo una consistencia fluida.
A continuación, se llenó el contenedor de molido con gas argón para minimizar la exposición al aire y se selló. El contenido se colocó luego en un laminador durante un período de tiempo deseado, por ejemplo, 2 horas a una velocidad deseada (por ejemplo, 100 RPM) dando como resultado la formación de una solución molida de polvo de TCHP/WC-Co.
El siguiente es un ejemplo no limitante de un procedimiento de secado típico para una solución molida de polvo de TCHP/WC-Co preparada de acuerdo con el Ejemplo 1.
Se decantó una solución molida de polvo de TCHP/WC-Co a través de un tamiz de gran tamaño en un recipiente resistente a la temperatura (por ejemplo, vidrio). El contenedor de molido utilizado para producir el polvo se enjuagó con el solvente correspondiente (por ejemplo, heptano o etanol) para eliminar cualquier solución molida restante de las bolas de molido de WC-Co.
El recipiente resistente a la temperatura se colocó luego en un horno de secado a una temperatura de aproximadamente 85 °C bajo un flujo de nitrógeno constante, por ejemplo, de aproximadamente 2-3 SCFH. El polvo se secó durante un tiempo deseado, por ejemplo, al menos 12 horas.
El polvo normalmente se apelmaza durante el proceso de secado. Para determinar si el polvo estaba seco, se utilizó una espátula para romper parte del polvo apelmazado. El polvo se consideró suficientemente seco cuando el polvo apelmazado se rompió en un polvo fino.
En el caso de un polvo encerado, después de que el polvo se secó, se presionó a través de un tamiz grueso (por ejemplo, uno que tuviera aberturas de aproximadamente 100 pm) para preparar el polvo para consolidación.
Los polvos secos se almacenaron luego en contenedores llenos de argón (por ejemplo, Nalgene®) para uso posterior. Ejemplo 1. Varillas sólidas de FGM con diferentes materiales superior e inferior
Se prepararon doce varillas de FGM de dos materiales y se sinterizaron por prensado isostático en caliente (HIPed) de acuerdo con los métodos a continuación. Cada una de las varillas estaba compuesta por un material superior que constituía 2/3 de la varilla y un material inferior que constituía el 1/3 restante de la varilla. Cada varilla elaborada en este ejemplo estaba compuesta por una varilla de FGM TCHP/WC-Co que tenía un diámetro exterior de 3/8” x 21^ ”. Los materiales específicos utilizados para las secciones superior e inferior fueron:
Material en 2/3 de parte superior____________________Material en 1/3 de parte inferior___________________ WC-15Co Núcleo de Ti (C, N) TCHP TL-3
El material WC-Co utilizado en este ejemplo comprendía WC de tamaño nominal de 3 micrones con 15% en peso de cobalto y exhibía las siguientes propiedades físicas: Dureza (ASTM 8294) de 88.0, una Tenacidad a la Fractura HRA (ISO 28079) de 11.49 MPa/m, y una densidad (ASTM B311) de 14.05 g/cm3.
El TL-3 tenía las siguientes Propiedades Físicas: Dureza (ASTM B294) de 92,1, una tenacidad a la fractura HRA (ISO 28079) de 11.43 MPa/m y una densidad (ASTM B311) de 12.75 g/cm3.
El método de Prensado de Polvo típico utilizado en este ejemplo estaba compuesto por un juego de herramientas de troquel adecuado para prensar piezas en bruto de varillas de 2-3” de largo que se insertaron en la prensa de polvo.
Se colocaron aproximadamente 23 gramos de polvo de TCHP (grado TL-3) en el fondo de la cavidad del troquel. A continuación, se cargaron aproximadamente 46 gramos de polvo de WC-Co (WC de tamaño nominal de 3 micrómetros con 15% en peso de cobalto) para llenar el volumen restante de la cavidad de troquel.
A continuación, los distintos polvos se comprimieron convencionalmente axialmente a una presión de 10-12 TSI (toneladas de pulgada cuadrada). Todas las partes prensadas en crudo se colocaron sobre una bandeja de sinterización de grafito convencional y se cargaron en el horno de sinterización.
A continuación, las partes en crudo se sinterizaron con HIP bajo las siguientes condiciones:
• Comience a temperatura ambiente bajo vacío.
• Aumente a 440 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr).
• Mantenga a 440 °C durante 120 minutos (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr).
• Aumente a 1250 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío.
• Mantenga a 1250 °C durante 30 minutos bajo vacío.
• Aumente a 1445 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de 2 Torr).
• Mantenga a 1445 °C durante 60 minutos (con argón a una presión parcial de 2 Torr).
• Introduzca argón a alta presión a aproximadamente 600 PSI y mantenga la presión durante 15-20 minutos.
• Enfríe con argón a una presión parcial de 2 Torr durante la primera hora de enfriamiento.
La FIG. 7 es un esquema que muestra un ejemplo de una varilla de FGM de dos materiales elaborada de acuerdo con la presente divulgación. Las FIG. 8 y 9 son micrografías electrónicas de escaneo (modo retrodispersado) a 25x y 250x, respectivamente, que muestran la interfaz del artículo de la FIG. 7, y se describe en este ejemplo.
Ejemplo 2. Cilindros de FGM con diferentes materiales internos y externos
Se prepararon cuatro variaciones de cilindros de dos materiales de FGM y se sinterizaron al vacío como se describe en el presente documento, con los siguientes materiales internos y externos.
Muestra Material interior Material exterior
A Núcleo de Ti(C, N) TCHP TL-3 WC-15Co GWC-50
B Núcleo de AhOa TCHP NL-3 WC-15Co GWC -50
C Núcleo de AhOs TCHP NL-3 Núcleo de Ti(C, N) TCHP TL-3
D Núcleo de Ti(C, N) TCHP TL-3 Núcleo de AhO3 TCHP NL-3
Método de prensado de polvo típico (para cilindros de FGM)
A continuación se proporciona la metodología utilizada para cilindros de FGM de prensado de polvo elaborados de acuerdo con la presente divulgación.
Se colocó un tubo de acero hueco de pared delgada (diámetro exterior 0.340”) en el centro del juego de herramientas de troquel cilíndrico (diámetro 0.580”) sobre una prensa de polvo convencional para mantener la separación durante la carga de los dos tipos de polvo distintos (materiales “internos” y “externos”).
Se colocaron aproximadamente 8 gramos de polvo “interno” de TCHP en el interior del tubo hueco, y se colocaron aproximadamente 12.5 gramos de polvo “externo” en la cavidad de troquel, fuera del tubo.
A continuación, se retiró el tubo hueco para minimizar la ruptura del polvo, y luego se prensó axialmente convencionalmente a una presión de 7.5 a 10 TSI (toneladas por pulgada cuadrada).
Este proceso se repitió para los diferentes polvos “internos” y “externos”, como se muestra en la tabla de muestras anterior.
A continuación, todas las partes prensadas en crudo se colocaron sobre una bandeja de sinterización de grafito convencional y se cargaron en el horno de sinterización al vacío y se sinterizaron como se describe a continuación.
Ciclo de sinterización al vacío típico
A continuación se proporciona la metodología utilizada para la sinterización al vacío de cilindros de FGM elaborados de acuerdo con la presente divulgación. A continuación, las partes en crudo se sinterizaron bajo las siguientes condiciones:
• Comience a temperatura ambiente bajo vacío.
• Aumente a 440 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr).
• Mantenga a 440 °C durante 120 minutos (con argón a una presión parcial de aproximadamente 2 Torr).
• Aumente a 700 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío.
• Mantenga a 700 °C durante 60 minutos bajo vacío.
• Aumente a 1250 °C a una tasa de 5 °C/min bajo vacío.
• Mantenga a 1250 °C durante 30 minutos bajo vacío.
• Aumente a 1400 °C a una tasa de 5 °C/min (con argón a una presión parcial de 2 Torr).
• Mantenga a 1400 °C durante 60 minutos (con argón a una presión parcial de 2 Torr).
• Enfríe con argón a una presión parcial de 2 Torr durante la primera hora de enfriamiento.
• Los pesos de la parte de FGM sinterizada final son de aproximadamente 20 gramos (pesos en crudo ligeramente más altos, aproximadamente 20.5 gramos).
Las FIG. 11-14 son fotografías ópticas y micrografías electrónicas de escaneo (modo retrodispersado) en varias ampliaciones que muestran las interfaces de las Muestras A-D, descritas en este ejemplo. La interfaz entre los materiales internos y externos es claramente evidente en cada micrografía.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un método para elaborar un componente metálico o de cerámica, dicho método comprende:
a) proporcionar al menos un primer polvo que comprende 9-10% en peso de Co, dicho primer polvo comprende una pluralidad de partículas de material compuesto, elaboradas de un material en partículas de núcleo, una capa intermedia sobre dicho material en partículas de núcleo, y una capa externa que comprende Co, en la que dicho material en partículas de núcleo tiene una dureza mayor que tanto la capa intermedia como la capa externa, y dicha capa intermedia tiene una tenacidad a la fractura mayor que el material en partículas de núcleo;
b) proporcionar al menos un segundo polvo que comprende un material de carburo;
c) formar un cuerpo en crudo compuesto por dichas primera y segunda mezclas de polvo de tal manera que la primera mezcla de polvo forma una primera porción de dicho cuerpo en crudo con la segunda mezcla de polvo que forma una segunda porción de dicho cuerpo en crudo;
d) moldear, prensar o conformar dicho cuerpo en crudo para formar un compacto; y
e) sinterizar dicho compacto, para formar un artículo que tiene primera y segunda porciones de diferentes propiedades yuxtapuestas, dicha primera porción de dicho cuerpo en crudo que forma la porción dura resistente al desgaste de dicho artículo y dicha segunda porción de dicho cuerpo en crudo que forma una porción que soporta la carga tenaz, fuerte de dicho artículo.
2. El método de la reivindicación 1, en el que dicho al menos un primer polvo comprende una partícula de núcleo que comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste en: TiN, Ti(C,N), TiC, TiB2, ZrC, ZrN, ZrB2, VC, Vn , cBN, Al2O3, Si3N4, SiBis, SiAlCB, W2Bi5, AlN, AlMgBi-M, MoFeB (boruro de molibdeno de hierro), MoS2, MoSÍ2, Mo2BÍ5, Mo2B, y diamante.
3. El método de la reivindicación 1, en el que dicho al menos un primer polvo comprende una capa intermedia sobre dichas partículas de núcleo, dicha capa intermedia comprende al menos un compuesto seleccionado de WC, W2C, acero para herramientas, aleaciones de nanoacero vítreo y desvitrificado, nitruro de silicio, carburo de tantalio, o combinaciones de los mismos.
4. El método de la reivindicación 1, en el que dicho al menos un segundo polvo que comprende un material de carburo comprende WC-Co, preferiblemente en el que dicho WC-Co tiene un tamaño de partícula que varía desde 0.5 hasta 5.0 micrómetros.
5. El método de la reivindicación 1, en el que la primera y segunda mezclas de polvo del cuerpo en crudo se ensamblan bajo presión que varía desde 20,000-40,000 psi.
6. El método de la reivindicación 1, en el que la primera y segunda mezclas de polvo forman capas del cuerpo en crudo que se ensamblan en varillas continuas, cilindros concéntricos o laminaciones planas, o formas más complejas.
7. El método de la reivindicación 1, en el que la primera y segunda mezclas de polvo del cuerpo en crudo se ensamblan a una temperatura que varía desde 30-200 °C.
8. El método de la reivindicación 1, en el que el ensamble de cuerpo en crudo se sinteriza después de compactación mediante un método seleccionado de sinterización en fase líquida, prensado en caliente, prensado isostático en caliente, sinterizado-HIP, sinterización asistida por corriente de plasma, forja sinterizada, microondas, o consolidación omnidireccional rápida.
9. El método de la reivindicación 1, en el que los diámetros de las primeras partículas de núcleo de polvo y segundas partículas de polvo que comprenden dicho ensamble de cuerpo en crudo están en el rango de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 30 micrómetros.
10. El método de la reivindicación 1, en el que al menos uno de dicho primer polvo o dicho segundo polvo se mezclan con al menos un aditivo seleccionado de ceras de parafina, ácido esteárico, bisestearamida de etileno (EBS), alcohol polivinílico, polietilenglicol, y copolímeros con una pluralidad de dichas partículas de componente antes o simultáneo con dicha conformación.
11. El método de la reivindicación 1, dicho método comprende:
a) proporcionar el primer polvo como al menos un primer artículo en crudo formado;
b) proporcionar el segundo polvo como al menos un polvo de soporte;
c) formar un segundo cuerpo en crudo compuesto por dicho primer artículo en crudo y dicho al menos un polvo de soporte;
d) compactar dicho primer artículo en crudo y dicho polvo de soporte para formar un compacto; y
e) sinterizar dicho compacto para formar un artículo que tiene porciones de diferentes propiedades yuxtapuestas.
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