MX2011004280A - Inserto para una herramienta de ataque, metodo para su fabricacion y herramientas que lo incorporan. - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un inserto para una herramienta de ataque, inserto que comprende una cubierta de dureza superior que tiene un volumen y que está unida a un sustrato en una interfaz, teniendo la cubierta de dureza superior un módulo de Young promedio mayor que 900 GPa y estando el sustrato caracterizado en que comprende una sección de refuerzo de cabezal como un mecanismo para reforzar una región del sustrato que está cercana a la interfaz, teniendo la sección de refuerzo de cabezal un volumen agregado que es mayor que aquel de la cubierta de dureza superior y un módulo de Young promedio que es al menos 60% de aquel de la cubierta de dureza superior. La invención se relaciona además con un método para la fabricación de un tal inserto y con un método para emplear dicho inserto.

Description

INSERTO PARA UNA HERRAMIENTA DE ATAQUE, MÉTODO PARA SU FABRICACIÓN Y HERRAMIENTAS QUE LO INCORPORAN Area de la invención La invención se relaciona con insertos recubiertos de dureza superior a ser empleados en herramientas de ataque y máquinas de corte, con un método para la fabricación de los mismos y con herramientas que los incorporan, en particular herramientas tales como perforadoras, brocas de perforación mediante percusión y brocas de perforación rotativas, tal como las empleadas en la minería, en la perforación de túneles, construcción de caminos y en las industrias de perforación de petróleo y gas, para procesar o para procesar o degradar pavimentos o formaciones rocosas, o para perforar la tierra.

Antecedentes de la invención La perforación en la tierra es una actividad importante en diversas industrias, tales como la perforación en la minería, y en el petróleo y gas, y en la prospección y en la construcción de túneles. Para estos propósitos existe una amplia variedad de métodos y diferentes tipos de brocas. Típicamente, la perforación de la tierra requiere que la roca sea fracturada mediante ya sea uno o ambos modos principales, específicamente corte por cizalle o chancado, ambos métodos llevándose a cabo mediante la interacción de la roca con insertos duros de algún tipo que están montados en la broca de perforación. El corte por cizalle involucra insertos que retiran material rocoso mediante el corte y cizalle del material . El chancado involucra el impacto repetido de insertos sobre la roca y su chancado. La perforación mediante percusión es un ejemplo de esta última y es ampliamente empleada en la minería y en la construcción, por ejemplo para perforar agujeros para huecos y agujeros para explosión. En la minería de rocas blandas y en la degradación de pavimentos, se pueden emplear herramientas perforadoras o similares a perforadores para romper roca, concreto o asfalto.

El diamante policristalino (PCD) es un material de dureza superior que comprende una masa de granos de diamante que han crecido de manera entre cruzada y de intersticios entre los granos de diamante. Típicamente PCD es fabricado sometiendo una masa agregada de granos de diamante a una presión y temperatura extremadamente altas . El material que de manera parcial o total rellena los intersticios puede ser llamado material de relleno o aglomerante. El PCD es típicamente fabricado en presencia de un material de ayuda al sinterizado, tal como cobalto, el que promueve el crecimiento entre los granos de diamante . El material de ayuda al sinterizado es comúnmente referido como material solvente / catalizador para diamante, debido a su función de disolución, en cierta medida, del diamante y a su función de catálisis de la re-precipitación. En consecuencia, los intersticios en el producto PCD sinterizado están completa o parcialmente llenos con material solvente / catalizador residual. Más comúnmente, PCD es frecuentemente fabricado en un sustrato ce carburo de tungsteno cementado en cobalto, lo que provee una fuente de solvente / catalizador de cobalto para el PCD. El PCD es empleado en una amplia variedad de herramientas para cortar, maquinar, perforar o degradar materiales duros o abrasivos tales como roca, metal, cerámica, compósitos y materiales que contienen madera. Por ejemplo, los insertos de PCD son ampliamente empleados en las brocas de perforación para el perforado en la tierra en la perforación en la industria del petróleo y de gas .

Delwiche et al. (Petroleum División, v 40, y Drilling Technology 1992, 1992, p 51-60, American Society of Mechanical Engineers) divulga insertos de PCD para la perforación en petróleo y gas, en los cuales la capa de PCD es asegurada a un sustrato que comprende un componente de soporte impregnado o "impreg" de diamante. A partir de los diagramas y fotografías se observa que los granos de diamante son gruesos y que están distribuidos de manera dispersa.

La patente Europea número 0 235 455 divulga un inserto para una broca para roca que comprende un cuerpo de carburo de tungsteno pre-cementado que tiene una sección para fijación alargada que se extiende a lo largo de la parte principal del inserto. La referencia divulga una disminución progresiva del módulo de elasticidad a través de las capas de transición desde una capa exterior de diamantes de extrema dureza hasta el cuerpo de carburo, a fin de disminuir el astillado.

La patente de los Estados Unidos número 4.811.801 divulga un inserto de broca para roca que incluye una superficie de diamante poli-cristalino en un inserto cuyo cuerpo que tiene una sección de cabeza fabricada de un material con propiedades de elasticidad y térmicas de expansión ventajosamente adaptadas para ser empleadas en tres tipos de brocas para roca, así como tres tipos de brocas para roca fabricadas con dichos insertos.

La patente de los Estados Unidos número 5.304.342 discute que para una aplicación determinada, es deseable proveer el sustrato de carburo cementado WC-Co lo más rígido posible, esto es, uno con un alto módulo de elasticidad, minimizando de esta manera la deflexión de las capas de PCD y reduciendo la probabilidad de una falla del PCD. Sin embargo, si el módulo de elasticidad es demasiado alto, los insertos son proclives a romperse durante la perforación.

La patente de los Estados Unidos número 6.258.139 divulga un PDC (compacto de diamante poli-cristalino) con un núcleo interno de diamante en el sustrato, para proveer diamante adicional en exposición cuando el sustrato está suficientemente erosionado. Además se divulga un PDC con un núcleo interno de carburo, que está completamente encerrado por la región de diamante de la pieza de corte de PDC, para evitar el alto estrés de corte en la región de diamante.

Existe una necesidad de minimización del espesor del material de dureza superior en los insertos de las herramientas de ataque y en consecuencia su costo, mientras se consigue una alta resistencia al impacto. Esto tiene una especial importancia en la degradación de rocas o pavimentos o en las aplicaciones de perforación.

Compendio de la Invención.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención se provee un inserto para una herramienta de ataque, inserto que comprende una cubierta de dureza superior que tiene un volumen y que está unida a un sustrato en una interfaz, teniendo la cubierta de dureza superior un módulo de Young promedio mayor que 900 GPa y preferentemente mayor que 960 GPa; estando el sustrato caracterizado en que comprende una sección de refuerzo de cabezal como un mecanismo para reforzar una región del sustrato que está cercana a la interfaz, teniendo la sección de refuerzo de cabezal un volumen agregado que es mayor que aquel de la cubierta de dureza superior y un módulo de Young promedio que es al menos 60% de aquel de la cubierta de dureza superior. · La sección de refuerzo de cabezal puede estar dispuesta de manera adyacente (próxima) a la interfaz.

En algunas presentaciones, la sección de refuerzo de cabezal puede tener un volumen agregado que es al menos un factor de tres veces mayor, preferentemente cinco veces mayor, y más preferentemente diez veces mayor que aquel de la cubierta de dureza superior.

En algunas presentaciones, la sección de refuerzo de cabezal puede tener un módulo de Young promedio de al menos 60% de aquel de la cubierta de dureza superior, más preferentemente 70%, e incluso aún más preferentemente 80% y aún más preferentemente 90%. En una presentación, el módulo de Young promedio de la sección de refuerzo de cabezal se encuentra en el rango de alrededor 60% hasta 80% de aquel de la cubierta de dureza superior.

En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal puede comprender un material de dureza superior, típicamente en la forma de gránulos o partículas. Preferentemente, la sección de refuerzo de cabezal comprende diamante o cBN, y más preferentemente comprende diamante. En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal puede comprender PCD.

En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal puede comprender carburo de tungsteno, o puede comprender carburo de tungsteno y diamante.

Preferentemente, la sección de refuerzo de cabezal comprende granos de un material de dureza superior dispersados en un metal de aglomeración, tal como cobalto. Preferentemente, el tamaño promedio de los granos de dureza superior es de al menos alrededor de 15 micrones, más preferentemente al menos alrededor de 20 micrones, más preferentemente al menos alrededor de 70 micrones, aún más preferentemente al menos alrededor de 150 micrones, y aún más preferentemente al menos alrededor de 200 micrones. El uso de granos de dureza superior más gruesos puede tener el efecto de aumentar la rigidez de la sección de refuerzo del cabezal, todas las demás características permaneciendo iguales.

El rango de tamaño de los granos de dureza superior incluidos en la región de cabezal puede ser amplio. Por ejemplo, el rango de tamaño de los granos de dureza superior puede ser desde alrededor de 1 micrón hasta alrededor de 500 micrones. El rango de tamaño de los granos de dureza superior incluidos en la sección del cabezal puede estar formado de más de una distribución de tamaño, y más que un máximo "modal" puede ser evidente en la distribución general de tamaños de los granos de dureza superior. Al menos una de las modas puede tener una distribución de tamaños promedio mayor que alrededor de 50 micrones .

La distribución de tamaño de los granos de diamante no unidos o en flujo libre es medida mediante el método de difracción láser, en el cual los granos son suspendidos en un medio fluido y se obtiene un patrón de difracción mediante el direccionamiento de un haz láser a la suspensión. El patrón de difracción es interpretado mediante un programa informático y la distribución de tamaño es expresada en términos de equivalente de diámetros circulares. En efecto, los granos son tratados como siendo esféricos y la distribución de tamaño es expresada en términos de una distribución de diámetros de esferas equivalentes. Para este propósito se puede emplear un aparato Mastersizer™ de Malvern Instruments Ltd, Reino Unido.

Una distribución de tamaños multi-modal de una masa de granos se entiende como expresando que los granos tienen una distribución que está formada de más de un máximo, correspondiendo cada máximo a una "moda" respectiva. Los cuerpos policristalinos multi-modales son típicamente producidos mediante la provisión de más de una fuente de una pluralidad de granos, comprendiendo cada fuente granos que tiene un tamaño promedio substancialmente diferente, y mezclando entre si los granos de las fuentes. Típicamente, la medición de la distribución de tamaño de los granos mezclados revela máximos diferentes que corresponden a modas diferentes. Cuando los granos son sinterizados entre sí para formar el cuerpo poli-cristalino, su distribución de tamaño se ve aún más alterada a medida que los granos son compactados entre sí y fracturados, resultando en una disminución general de los tamaños de los granos. Sin embargo, frecuentemente la muíti-modalidad de los granos permanece clara a partir del análisis de imágenes del artículo sinterizado.

A fin de obtener una medida del tamaño de los granos de diamante en PCD, se emplea un método conocido como "diámetro del círculo equivalente" . En este método, se emplea una imagen de microscopía electrónica de barrido (scanning electrón micrograph SEM) de una superficie pulida del material PCD. El aumento y contraste debieran ser suficientes para identificar al menos varios cientos de granos de diamante en la imagen. Los granos de diamante pueden ser distinguidos de las fases metálicas en la imagen y se puede determinar un circulo de tamaño equivalente para cada grano individualizado de diamante mediante un programa informático convencional de análisis de imagen. La distribución recolectada de estos círculos es evaluada de manera estadística. Cada vez que en este texto se haga referencia al tamaño de granos en un material PCD, se entiende que esto se refiere al diámetro promedio de un círculo equivalente.

En una presentación de este aspecto de la invención, la cubierta de dureza superior puede estar unida a la sección de refuerzo de cabezal en una primera interfaz, el sustrato que comprende una sección de refuerzo de cabezal en un extremo y una sección de apoyo en el extremo opuesto, estando la sección de refuerzo de cabezal unida a la sección de apoyo en una segunda interfaz . Preferentemente la primera interfaz no es plana. Preferentemente la segunda interfaz es substancialmente plana. Cuando está presente una sección de apoyo, el ensamble de la sección de apoyo y de la sección de refuerzo de cabezal es referido como la sección sustrato del inserto. Cuando no hay sección de apoyo, el sustrato puede consistir en la sección de refuerzo de cabezal por sí solo.

En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal comprende metal o una aleación metal cementada con carburo metálico y diamante en forma de gránulos o partículas, mientras que la sección de apoyo, si está presente, está substancialmente desprovista de diamante. En otras palabras, el cabezal comprende material de carburo mejorado con diamante (DEC) . Preferentemente los granos de diamante están dispersados de manera sustancialmente homogénea a través de la sección de refuerzo del cabezal. Los granos de diamante en la sección de refuerzo de cabezal pueden tener un tamaño promedio de al menos 200 micrones.

En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal puede estar en la forma de un tronco o de un núcleo que está completa o parcialmente alojada en el sustrato.

Preferentemente la cubierta de dureza superior, la sección que refuerza el cabezal y el resto del sustrato (i.e. la sección de apoyo) están formadas de manera integran y unidas en condiciones en las cuales el diamante es termodinámicamente estable.

Preferentemente el módulo de Young promedio de la cubierta de dureza superior es mayor que 1000 GPa.

Preferentemente, la cubierta de dureza superior comprende diamante poli-cristalino (PCD) .

En una presentación, la cubierta de dureza superior comprende PCD, at least one portion of which may be substantially free of solvent / catalyst material for diamante. Preferentemente the at least one portion is adjacent a working surface de la cubierta de dureza superior y distante de la interfaz con el sustrato. En una presentación, the at least one región puede ser porosa. En ciertas aplicaciones, tales como la perforación de la tierra o la perforación de roca, tales presentaciones pueden mejorar la estabilidad térmica y el rendimiento del inserto.

En algunas presentaciones, el módulo de Young de la sección de refuerzo de cabezal es al menos alrededor de 650 GPa o al menos alrededor de 675 GPa. En algunas presentaciones, el módulo de Young de la sección de refuerzo de cabezal es a lo más alrededor de 900 GPa o a lo más alrededor de 850 GPa. En algunas presentaciones, el módulo de Young de la sección de refuerzo de cabezal está en el rango desde alrededor de 650 GPa hasta alrededor de 900 GPa, o en el rango desde alrededor de 675 GPa hasta alrededor de 850 GPa.

En presentaciones en las cuales la cubierta de dureza superior tiene un módulo de Young promedio de más que alrededor de 1.000 GPa, puede ser benéfico para la sección de refuerzo de cabezal comprender un material de dureza superior de otro tipo, grado y módulo de Young, tal como PCD o PCBN.

Preferentemente la sección de refuerzo de cabezal comprende granos de carburo metálico refractarios, seleccionándose el metal de entre W, Ti, Ta, Nb, Mo, Cr, Hf, Zr, y Si, más preferentemente seleccionándose el metal de entre W, Si o Ti, estando unidos los granos entre sí mediante un metal o aleación aglomerante, que preferentemente comprende Co.

Preferentemente la sección de refuerzo de cabezal comprende un metal del grupo del hierro seleccionado de entre Co, Fe, Mn y Ni, más preferentemente Co. Cuando la cubierta de dureza superior comprende diamante, más preferentemente una parte de la sección de refuerzo de cabezal próxima a la primera interfaz con la cubierta comprende Co.

Preferentemente tanto la sección de refuerzo de cabezal como la sección de apoyo comprenden granos de carburo metálico, el metal siendo seleccionado de entre W, Ti, Ta, Nb, Mo, Cr, Hf, Zr, Si, más preferentemente el metal es seleccionado de entre W, Si o Ti, siendo los granos mantenidos unidos entre si mediante un metal o aleación aglomerante, la que preferentemente comprende Co. La sección de refuerzo de cabezal puede comprender más que un tipo de carburo. Preferentemente el porcentaje promedio de masa de Co en la sección de refuerzo de cabezal es menor que en la sección de apoyo .

En algunas presentaciones la sección cabezal puede estar substancialmente desprovista de diamante o puede contener diamante y el contenido de cobalto puede ser a lo más 10 % en peso, a lo más 8 % en peso, o incluso a lo más 6 % en peso. En algunas presentaciones el contenido de cobalto en una sección cabezal cementada en carburo puede ser al menos 3 % en peso o al menos 4 % en peso.

Preferentemente la sección de refuerzo de cabezal comprende granos de carburo metálico refractarios, siendo el metal seleccionado de entre W, Ti, Ta, Nb, Mo, Cr, Hf, Zr, y Si, más preferentemente el metal es seleccionado de entre W, Si y Ti, y un material de dureza superior, preferentemente diamante, típicamente en una forma granular o particulada, estando unidos los granos entre sí mediante un metal o aleación aglomerante, la que preferentemente comprende Co. La sección de refuerzo de cabezal puede comprender más que un tipo de carburo.

En algunas presentaciones la sección de refuerzo de cabezal puede comprender uno o más que un tipo diferente de materiales o compósitos. Más específicamente, puede comprender más que una capa de diferentes tipos de materiales o compósitos, y las interfaces entre las capas son agudas o difusas, y típicamente tienen una parte que puede estar generalmente conforme con la interfaz entre la sección de refuerzo de cabezal y la punta o cubierta de dureza superior.

En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal es más resistente a la abrasión que la sección de apoyo del sustrato y tiene una superficie expuesta, que puede funcionar como una superficie resistente al desgaste que reduce la tasa de desgaste del inserto.

En una presentación, la sección de refuerzo de cabezal se extiende substancialmente a través de todo el volumen del sustrato.

En algunas presentaciones, la sección de refuerzo de cabezal puede comprender uno o más tipos diferentes de material o compósitos y puede existir una interfaz distinta entre la sección de refuerzo de cabezal y la sección de apoyo, o puede no ser discernible, graduada o difusa.

Este aspecto de la invención puede ser ventajoso para ser empleado en herramientas empleadas para degradar o romper materiales, en especial roca, concreto, asfalto y similares, mediante el uso de impactos repetidos, tales como en el caso de insertos para herramientas perforadoras y de insertos para taladros de percusión, pero también puede proveer beneficios significativos para las herramientas que emplean cortadores de tipo cizalle y brocas de perforación rotatorias.

La invención puede ser de particular beneficio cuando la cubierta de dureza superior comprende PCD con un módulo de Young mayor que alrededor de 960, o mayor que alrededor de 1.000 GPa, tal como típicamente se emplea en la degradación, perforación, procesamiento, o excavación de roca, concreto y asfalto, por ejemplo en la perforación en la industria del petróleo y gas, en las industrias de la minería y en la construcción (de túneles) . Puede ser de particular beneficio en aplicaciones en las cuales el PCD u otros insertos de cubierta de dureza superior son llevados a impactar un cuerpo o formación dura durante el uso, tales como en el taladrado de percusión, en ensambles de perforadoras de minería y en el aplanado de caminos, o en la degradación o reciclado.

En algunas presentaciones, la cubierta de dureza superior tiene una forma cónica redondeada o roma con un ápex, encontrándose el espesor axial de la cubierta de dureza superior en el ápex en el rango de 1,14 hasta 2,4 mm, más preferentemente 1,4 hasta 2,3 mm. En algunas presentaciones, el espesor axial de la cubierta de dureza superior en el ápex puede ser al menos alrededor de 0,1 mm, al menos alrededor de 0,2 mm, al menos alrededor de 0,5 mm o incluso al menos 1 mm. En algunas presentaciones el espesor puede ser a lo más 2,4 mm, o incluso a lo más 2,3 mm. El espesor axial se refiere al espesor medido desde la interfaz, alineada con el eje central del inserto.

En algunas presentaciones, el ápex puede tener un radio de curvatura de al menos 0 , 5 mm o al menos 1 , 3 mm . En algunas presentaciones, el ápex puede tener un radio de curvatura de a lo más 4 mm. Preferentemente el ápex tiene un radio de curvatura en el rango de 0,5 a 4 mm, más preferentemente 1,3 hasta 4 mm.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención se provee un método para la producción de un inserto para una herramienta de ataque, método que incluye la provisión de una pre-forma para una sección de refuerzo de cabezal, una pre-forma para una sección de apoyo y una pre-forma para una cubierta PCD, el ensamble y el contacto de las pre-formas en una configuración deseada para formar una pre-forma de ensamble y someter la pre-forma ensamblada a condiciones de temperatura y de presión ultra altas en las cuales el diamante es termodinámicamente estable.

Preferentemente, el método de fabricación de la pre-forma de la sección de refuerzo de cabezal incluye las etapas de: •introducir granos de diamante en los polvos iniciales de in metal duro, lo que típicamente incluye granos de carburo metálico refractario, para formar una mezcla de polvo inicial; •dar forma a la mezcla de polvo inicial mediante la compactacion en un molde para crear un compactado crudo; •sinterizar el compactado crudo a una temperatura de más que alrededor de 1.000 °C, más preferentemente mayor que 1.200 ° C y a una presión aplicada de al menos alrededor de 1 GPa a fin de producir la pre-forma de la sección de refuerzo de cabezal .

Cuando se emplea este método, se ha observado que de manera inesperada el módulo de Young de la sección de refuerzo de cabezal depende no sólo del contenido absoluto de granos de diamante incorporado, tal como podría esperarse a partir de las formulaciones conocidas en la técnica, sino también del tamaño promedio de los granos de diamante mezclados en el polvo y en consecuencia incorporados en el cuerpo crudo del cabezal. En particular, se ha observado que el módulo de Young puede tender a ser mayor cuando los granos de diamante son mayores. Por ejemplo, carburo mejorado con diamante con 7,5 % en peso de granos de diamante dispersados con un tamaño promedio aproximado de 70 micrones tiene un módulo de Young de alrededor de 660 GPa comparado con hasta alrededor de 580 GPa para un artículo similar que comprende el mismo contenido de diamante, pero en el cual el tamaño promedio de los granos de diamante es de alrededor de 2 micrones.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención se provee un método para usar el inserto de acuerdo con el primer aspecto de la invención para degradar o romper cuerpos, artículos, o formaciones que comprenden materiales duros seleccionados desde el grupo que comprende roca, concreto y asfalto, método que incluye la etapa de causar que la cubierta de dureza superior impacte el cuerpo, artículo o formación.

Descripción de las figuras Las presentaciones serán descritas mediante ejemplos no limitantes, y con referencia a las figuras que se acompañan, el las cuales: Las Figuras 1(a) y 1(b) presentan un diagrama esquemático de una sección transversal de dos insertos de herramienta de ataque de formas diferentes. Esta presentación de la presente invención comprende una cubierta de dureza superior, una sección de apoyo y una sección de refuerzo de cabezal dispuesta de manera intermedia entre la cubierta y la sección de apoyo. La sección de trabajo del inserto, la sección más exterior en la cual está la punta de dureza superior, tiene una forma cónica roma con un ápex. La sección de refuerzo de cabezal en un extremo está unida al lado inferior de la cubierta en una interfaz no plana que en general está conforme con la superficie de trabajo de la cubierta, y con la sección de apoyo en una interfaz substancialmente plana en un extremo opuesto. La sección de refuerzo de cabezal está expuesta en una superficie cilindrica periférica del sustrato .

Las Figuras 2 (a) y 2 (b) presentan un diagrama esquemático de una sección transversal de dos insertos de herramientas de ataque de formas diferentes. Esta presentación comprende una cubierta de dureza superior, una sección de apoyo y una sección de refuerzo de cabezal alojada en el cuerpo del sustrato. La sección de trabajo del inserto, de la cual la parte más exterior es la punta de dureza superior, tiene una forma cónica roma con un ápex.

La Figura 3 presenta un dibujo de un inserto de una herramienta de ataque, mostrada parcialmente en sección transversal. Esta presentación comprende una cubierta de dureza superior, una sección de apoyo y una sección de refuerzo de cabezal dispuesta de manera intermedia entre la cubierta y la sección de apoyo. La sección de trabajo del inserto, cuya parte más exterior es el punto de dureza superior, tiene una forma cónica roma con un ápex. La sección de refuerzo de cabezal en un extremo está unida a la parte inferior de la cubierta en una interfaz que no es plana que en general es conforma con la superficie de trabajo de la cubierta, y con la sección de apoyo en una interfaz substancialmente plana en un extremo opuesto.

La Figura "4 presenta un gráfico indicando el rango apropiado para el módulo de Young promedio para una sección de refuerzo de cabezal como una función de aquel de la cubierta de dureza superior entre 750 y 1.100 GPa. El rango para el módulo de Young de PCD de los grados típicamente empleados en la perforación de petróleo y gas, i.e. alrededor de 960 GPa hasta alrededor de 1.050, es destacado. También se presentan los rangos para el módulo de Young de carburo de tungsteno co-cementado para los grados típicamente empleados como sustratos en los insertos para PCD y en los grados con bajo nivel de cobalto, así como los rangos informados para los grados de carburo cementado mejorado con granos de dureza superior dispersados en su seno.

La Figura 5 presenta la distribución de tamaño de grano de PCD con una distribución de tamaño conocida como cuatro-modal, medida en un artículo de PCD sinterizado completamente. La distribución de tamaño puede ser resuelta en al menos cuatro distribuciones substancialmente normales o distribuciones Skew-normales , con más que 80% de los granos de diamante con un tamaño de grano menor que alrededor de 20 micrones . El tamaño general de grano de diamante se encuentra en el rango de 1 a 15 micrones y hay un máximo principal entre alrededor de 5 y 10 micrones.

La Figura 6 (a) presenta una micrografia electrónica de barrido (SEM) de una muestra de una pre-forma de una presentación preferida de una sección que refuerza el cabezal, la que comprende granos de C y granos de diamante parcialmente reconvertidos, unidos mediante el aglomerante de cobalto. Los granos de diamante comprenden núcleos de diamante (negro) rodeados de grafito (gris oscuro) el que se forma durante el proceso de tratamiento con calor a medida que las regiones exteriores de los granos de diamante, inicialmente de mayor tamaño, se convierte en grafito. El tamaño de los granos de diamante es del orden de 100 a 200 micrones . La parte blanca de la micrografía es la matriz de metal duro (i.e. granos de WC cementados con aglomerante metálico de Co) La Figura 6 (b) presenta una micrografía electrónica de barrido (SEM) de una muestra de una presentación preferida de sección que refuerza el cabezal. La muestra es preparada sometiendo la pre-forma de la figure 6(a) a condiciones de presión y de temperatura ultra altas en las cuales el diamante es termodinámicamente estable. Los núcleos de granos diamante (negro) visibles en la pre-forma todavía están visibles, pero el grafito que rodea los núcleos en la pre-forma se ha reconvertido en diamante (negro) . Una parte importante del diamante reconvertido en las micrografías tiene una apariencia general de aureolas de granos más finos rodeando los núcleos. El tamaño promedio de los núcleos de diamante es al menos un orden de magnitud mayor que aquel de los granos de diamante que surgen de la reconversión.

Descripción de la invención El término "un material de dureza superior" tal como se lo emplea en este texto se emplea para referir materiales con una dureza de Vickers mayor que alrededor de 25 GPa. Tales materiales incluyen diamante, nitruro de boro cúbico, sub-óxido de boro, carburo de boro, diamante poli-cristalino (PCD) , nitruro de boro cúbico poli-cristalino (PCBN) y diamante unido a carburo de silicio diamante (ScD) .

El término "PCBN" tal como se lo emplea en este texto se emplea para referir nitruro de boro poli-cristalino, el que típicamente comprende granos de nitruro de boro dispersos en una fase aglomerante que comprende fases metálicas y/o cerámicas .

El término "PCD" tal como se lo emplea en este texto es empleado para referir materiales que comprende diamante sinterizado en forma particulada o granular, habiendo sustancial unión directa entre las partículas de diamante.

El término "carburo mejorado con diamante", o DEC, tal como se lo emplea en este texto se emplea para referir compactados que comprende diamante y una fase carburo, típicamente en forma particulada o granular, típicamente dispersa en una fase de cementación o aglomerante.

El término "herramienta de ataque" se entiende como sinónimo de una herramienta o de un inserto de herramienta que es empleada para degradar o romper materiales, tales como roca, concreto, asfalto y similares, que típicamente puede ser empleada en aplicaciones de molienda, minería, perforación terrestre, degradación y excavación. Típicamente las herramientas de ataque están diseñadas para ser tan resistentes al desgaste y tan resistentes al impacto como sea posible, a pesar de que la importancia relativa de estas propiedades dependerá de la aplicación. Las herramientas de ataque incluyen picas, cortadoras, herramientas de perforación mediante percusión y herramientas de perforación rotativas .

El término "herramienta para picar" se entiende como sinónimo de una herramienta de ataque que está adaptada para quebrar o degradar un cuerpo mediante un mecanismo principal que involucre un grado de penetración en el cuerpo, o al menos la fractura y disminución de tamaño del cuerpo. Los extremos de trabajo de las herramientas para picar son típicamente agudos o con forma de cincel.

El término "inserto de herramienta" tal como se lo emplea en este texto se emplea para referir un componente que comprende una parte de trabajo, y es provisto como una unidad discreta que está adaptada para ser conectada, unida, o asegurada de alguna otra manera a una herramienta o a otro portador de alguna manera. No se lo emplea para implicar o sugerir un modo particular de conexión o unión, tal como la inserción en un receso que lo acomode .

El término "aleación metálica", o más simplemente "aleación", se entiende como sinónimo de un material que comprende al menos un metal y que tiene un carácter metálico, semimetálico o inter-metálico . De manera adicional puede comprender un componente cerámico.

El término "cubierta" tal como en "cubierta de dureza superior" debe ser empleado para que incluye una capa exterior substancialmente rígida a condiciones ambiente (i.e. no adecuada o rígida) o punta unida o adherida a un cuerpo, típicamente en un extremo de un inserto de herramienta, a fin de por ejemplo, para protegerla del desgaste o para funcionar como la parte principal de trabajo del inserto de herramienta. Una cubierta no necesita ser homogénea en estructura y composición, y podría por ejemplo comprender capas de materiales estructuralmente diferentes.

Una presentación preferida de un inserto de herramienta de ataque, 10, de la invención presentado en la Figura 1 comprende una cubierta de dureza superior, 11, que tiene un volumen y que está adherida a un sustrato, 12, en una interfaz, 13, estando el sustrato caracterizado en que comprende una primera sección que refuerza el cabezal, 14, como un mecanismo para aumentar la rigidez promedio de una región del sustrato que está próxima a la interfaz, estando al menos una parte de la sección de refuerzo de cabezal dispuesta de manera próxima a al menos una parte de la interfaz y teniendo un volumen continuo que es mayor que el de la cubierta de dureza superior y un módulo de Young promedio que es al menos 80% de aquel de la cubierta de dureza superior. En la presentación ilustrada en la Figura 1, la sección de refuerzo de cabezal es una única región contigua que se extiende substancialmente desde una primera interfaz próxima a la cubierta PCD hasta una segunda interfaz con una segunda sección de apoyo, 15, del sustrato, que en conjunto con la sección de refuerzo de cabezal forma todo el sustrato, estando la segunda interfaz sustancialmente distante de la primera interfaz y una superficie exterior de la sección de refuerzo de cabezal quedando expuesta a una superficie periférica externa del sustrato. El inserto tiene un extremo de trabajo que tiene forma de punta o similar a un cincel una cresta o ápex, 16.

En la Figura 2, la sección de refuerzo del cabezal, 24, de una presentación de un inserto de herramienta de ataque, 20, comprende un material, 26, con un módulo de Young mayor que aquel de la sección de apoyo del sustrato, 25, que el material que está alojado en el cuerpo del sustrato. El volumen de la sección de refuerzo del cabezal, 24, no necesariamente coincide con aquel del material alojado. El volumen de la sección de refuerzo de cabezal es calculado como el mayor volumen en el sustrato que puede ser alojado de manera que el módulo de Young promedio sea al menos 60% de aquel de la cubierta de dureza superior, más preferentemente 70%, y aún más preferentemente 80%. La Figura 2 ilustra cómo se podría seleccionar un material adecuado para la sección de refuerzo de cabezal dependiendo del tipo, grado y en consecuencia del módulo de Young de la cubierta de dureza superior material.

Resulta esencial que la sección de refuerzo de cabezal tenga suficiente rigidez, que es una propiedad extensiva que no sólo depende del módulo de Young, sino también de su volumen y forma. La sección de refuerzo de cabezal de la invención se distingue de los así llamados "inter-capas" del arte previo en que las inter-capas, que típicamente comprenden granos de carburo y diamante unidas entre sí mediante una matriz metálica, son capas relativamente finas dispuestas de manera intermedia entre la cubierta ultra-dura y el sustrato de carburo cementado subyacente. Se cree que las inter-capas reducen el estrés en la interfaz entre la cubierta y el sustrato, especialmente el estrés inducido de manera térmica que puede ocurrir al enfriar el producto inserto después del sinterizado hphT. Si bien las inter-capas conocidas pueden tener módulos de Young relativamente altos, su volumen es típicamente demasiado pequeño para proveer suficiente rigidez y apoyo para la cubierta ultra-dura empleada. El volumen de la sección de refuerzo de cabezal de esta invención debe ser al menos dos, preferentemente tres y preferentemente más que tres veces aquel de la cubierta ultra-dura. Además también debe tener un módulo de Young promedio al menos 80% que aquel de la cubierta ultra-dura, preferentemente más que 80%.

Se apreciará que la sección de refuerzo de cabezal puede comprender un material de dureza superior diferente que diamante o puede estar desprovisto de diamante o de otro material de dureza superior.

En una primera presentación preferida ilustrada de manera esquemática en la Figura 3, la cubierta de dureza superior, 31, comprende PCD como la parte principal, si no la totalidad, teniendo la cubierta de PCD un módulo de Young promedio en el rango 750 hasta 850 GPa, i.e. tal alto como sea posible. La cubierta de dureza superior tiene una forma redondeada convergente o puntiaguda y un ápex, 36, que tiene un radio de curvatura de la punta en el rango de 1,3 a 4 mm y espesor, 37, en el rango de 1,8 hasta 2,3 mm. La cubierta de dureza superior está formada de manera integral, y unida al sustrato, 32, en una primera superficie no plana, 33, en condiciones en las cuales el diamante es termodinámicamente estable. La cubierta de dureza superior está unida a la sección de refuerzo del cabezal, 34, del sustrato en la primera interfaz y la sección de refuerzo del cabezal, 34, está unida a la sección de apoyo, 35, en una segunda interfaz, parte de la cual puede ser sustancialmente plana.

La sección de refuerzo de cabezal comprende carburo mejorado con diamante (DEC) . Hay varios tipos de materiales DEC y en la técnica se conocen muchos métodos para su fabricación que pueden ser empleados, ya sea tal como se los conoce, o pueden ser adaptados para la sección de refuerzo de cabezal de esta presentación. Los ejemplos del arte previo incluyen las patentes de los Estados Unidos de Norteamérica números US 4.505.746 Y US 5.453.105 que enseñan métodos para la preparación de compósitos que comprenden partículas de diamante, una fase dura (por ejemplo C) y una fase aglomerante metálica (por ejemplo Co) . En la patente US número 5.453.105, el contenido de diamante en el DEC es mayor que 50% en volumen y en cierto grado ha crecido de manera entre-cruzada. En la patente US número 5.786.075 se emplea sinterizado HphT, en la cual se describe la síntesis de DEC para aplicaciones de disipadores de calor. La patente US número 7.033.408 se apoya de manera similar en la síntesis mediante sinterizado hphT de DEC, pero además divulga que la resistencia al desgaste puede ser mejorada aún más mediante la inclusión de un segundo metal en el aglomerante, en donde el segundo metal es un formador de carburo más fuerte que el metal aglomerante primario. La patente US número 5.158.148 divulga un enfoque en el cual se agrega un exceso de carbón que no es diamante al polvo de carburo de manera que el contenido global de carbón en la mezcla final de polvo sea superior al nivel estequeométrico del polvo de carburo. La mezcla de polvos, en presencia de una fase aglomerante metálica, es sometida a un proceso convencional de sinterizado de carburo, y el artículo sinterizado contiene aglomerados de material carbono que no es diamante. Este artículo sinterizado es posteriormente sometido a un segundo ciclo de sinterizado, bajo condiciones hphT, lo que resulta en la conversión del carbón que no es diamante en diamante. El producto final comprende carburo y partículas de diamante cementadas por un aglomerante metálico, y pocas o ninguna fase de carbón que no es diamante. La patente US número 6.214.079 divulga la infiltración química de gas carbonáceo en un cuerpo de carburo sinterizado pero poroso que posteriormente es sometido s un ciclo de sinterización hphT. Tal como en la patente US número 5.158.148, el carbón que no es diamante es convertido en diamante durante este ciclo.

La sinterización de materiales DEC a condiciones de presión y de temperatura inferiores al umbral de estabilidad del diamante requiere métodos que eviten o que minimicen la conversión del diamante agregado en carbón que no es diamante. Debido a que este proceso de degradación del diamante es conocido por verse acelerado por la presencia de metales típicamente empleados como aglomerantes en los materiales DEC, una estrategia consiste en recubrir las partículas de diamante con una capa barrera que prevenga o que reduzca el área de contacto entre las superficies del diamante y el metal aglomerante (por ejemplo las patentes US números 5.723.177, EP 1.028.171 y la patente US número 6.673.439). Otro enfoque es emplear un método de sinterización que requiere que el diamante en el compactado sea mantenido a altas temperaturas durante un corto período de tiempo, minimizando de esta manera su conversión. Esto puede conseguirse empleando por ejemplo, las técnicas de sinterización conocidas como Técnicas de sinterización asistida por campo (Field Assisted Sintering Techniques (FAST) ) , de las cuales el sinterizado por spark de plasma (SPS) es un ejemplo bien conocido (por ejemplo EP 1.028.171 y la patente US número 5.889.219), así como el sinterizado por microondas (por ejemplo la patente US número 6.315.066).

En una versión de la primera presentación preferida, la sección de refuerzo de cabezal comprende lo que puede ser descrito de manera genérica como "súper carburo", que comprende granos de dureza superior o partículas en forma cristalina o policristalina, granos de carburo de tungsteno y un aglomerante metálico tal como cobalto. Los granos de carburo de tungsteno pueden estar pre-sinterizados , o pueden ser sinterizados in situ, durante la misma etapa en la cual se sinteriza la cubierta de PCD. Los granos de dureza superior preferentemente comprenden diamante, a pesar de que pueden menos preferentemente comprender cBN o PCBN. Se discuten variantes de súper carburo y métodos para su fabricación en las patentes US números 5.453.105, 6.919.040 y 7.033.408, así como en ciertas referencias allí contenidas. El súper carburo es producido mediante un proceso que incluye la etapa de someter una pre-forma a una presión y temperatura ultra-altas, condiciones en las cuales el diamante es termodinámicamente estable. Típicamente el súper carburo tiene un contenido substancialmente menor de un material de dureza superior que PCD o que PCBN, y típicamente menos que alrededor de 10 hasta 18 % en peso, y en consecuencia la fase de dureza superior ha crecido mucho menos de manera entre cruzada que en el PCD. El súper carburo con una fase diamante se distingue entonces del PCD de manera estructural y es significativamente menos dura y resistente a la abrasión que PCD. Tal como se muestra en la Figura 4, el súper carburo puede tener un módulo de Young mayor que 800 GPa o incluso mayor que 850 GPa.

En una segunda presentación preferida, la sección de refuerzo de cabezal puede comprender un carburo cementado, preferentemente un a carburo de tungsteno cementado con cobalto, con un bajo contenido de aglomerante metálico, preferentemente menos que 8 % en peso, más preferentemente menos que 6% en peso de aglomerante metálico, que puede estar substancialmente desprovisto de granos de dureza superior. Este es preferentemente empleado en combinación con características preferidas de la primera presentación preferida.

En una presentación de un método para la fabricación de un producto de acuerdo con la invención, la cubierta de dureza superior es formada de manera integran con la sección de refuerzo de cabezal y la sección de apoyo bajo condiciones de presión y de temperatura ultra altas (hphT) , condiciones que son bien conocidas en la técnica de la fabricación PCD o PCBN. Se prepara una pre-forma de inserto de herramienta de ataque que comprende tres secciones, la primera sección consiste en la sección de apoyo del sustrato, la segunda sección es una pre-forma de la sección de refuerzo de cabezal y la tercera es una pre-forma de la cubierta PCD. El apoyo y la sección que refuerza el cabezal del sustrato son preferentemente pre-sinterizadas mediante mecanismos convencionales de sinterización de carburo, ya sea como entidades separadas o de manera integral. Cuando estas son pre-sinterizadas como artículos separados, se los puede unir entre sí durante la etapa de sinterizada hphT durante la cual es formada la cubierta de PCD mediante el sinterizado de los granos de diamante. El tamaño promedio de los granos de diamante en la pre-forma de PCD se encuentra típicamente en el rango de 0,5 hasta 60 micrones . En una presentación el tamaño promedio es 0,5 hasta 20 micrones. Presentación la parte del sustrato más próxima a la interfaz con la pre-forma de PCD comprende cobalto u otro metal del grupo del hierro, que puede infiltrar la pre-forma de PCD cuando es fundida bajo las condiciones hphT y catalizar la unión directa de los granos de diamante para formar una masa de PCD coherentemente unida. Típicamente, la pre-forma encapsulada sería sometida a un tratamiento de calor para retirar mediante quema el aglomerante y las impurezas, y sería introducido en un ensamble de cápsula adecuado para ser empleado en un aparato y proceso de sinterizado hphT.

El inserto de herramienta de ataque de la invención puede sér empleado en tambores de degradación de pavimentos, brocas de perforación mediante percusión, brocas de perforación rotativas de tipo cizalle empleadas por ejemplo en la industria del petróleo y del gas y en herramientas de corte, aserrado o molienda. La forma geométrica de la herramienta puede ser substancialmente la misma que aquellas de los insertos de dureza superior convencionalmente empleados en esta aplicaciones y en general no es necesario montar estos insertos en los porta herramientas de manera substancialmente diferente que los insertos convencionales de dureza superior, a pesar de que en algunos casos puede encontrarse que una adaptación del proceso de montaje optimice el rendimiento.

Ejemplos Ejemplo 1 Se fabrica un juego de siete insertos para una herramienta de picar de acuerdo con el diseño presentado en la Figura 4. La cubierta de dureza superior, 31, es de PCD y está unida directamente a, y de manera integral con la sección de refuerzo del cabezal, 34, del sustrato 32. La sección de refuerzo de cabezal comprende carburo enriquecido con diamante y la sección de apoyo, 35, del sustrato, 32, es carburo de tungsteno cementado con cobalto.

La cubierta de PCD comprende granos de diamante sínterizados que tienen una distribución de tamaño promedio en el rango 1 a 20 micrones y que tienen una distribución de tamaños multi-modal . Este tipo de grado de PCD y un método para su fabricación se divulga en las solicitudes de patente 10/503.323 y 11/712.067, empleando tecnologías y métodos bien conocidos en la técnica. Se encuentra que el módulo de Young del PCD está en el rango de 1030 a 1055 GPa. El espesor, 37, de la cubierta de PCD en el ápex o cresta, 36, es de alrededor de 2,2 mm, y el radio de curvatura del ápex redondeado es de alrededor de 2,0 mm .

La sección de refuerzo de cabezal comprende 9% en peso de granos de diamante, 5,4% en peso de aglomerante de Co y 85,6% en peso de granos de WC, teniendo los granos de WC un tamaño promedio en el rango 1 a 3 micrones . Los granos de diamante están dispersados de manera substancialmente homogénea a través de la sección de refuerzo de cabezal y tienen un tamaño de grano promedio en el rango desde alrededor de 200 hasta 250 micrones. Se estima que el módulo de Young de la sección de refuerzo de cabezal es alrededor de 700 ± 20 GPa, que se encuentra en el rango de alrededor de 64% a 70% de aquella de la cubierta de PCD. La sección de refuerzo de cabezal es una región contigua con el sustrato y está unida con la cubierta de PCD en una interfaz que no es plana y es expuesta a una superficie periférica exterior cilindrica del sustrato. El volumen de la sección de refuerzo de cabezal es aproximadamente tres a cinco veces aquel de la cubierta de PCD, actuando de esta manera como un soporte de refuerzo rígido para la cubierta. La sección de refuerzo de cabezal es unida a la sección de apoyo del sustrato en una interfaz substancialmente plana.

El inserto del ejemplo es fabricado mediante el sometimiento de las pre-formas de la cubierta de PCD, la sección de refuerzo de cabezal y la sección de apoyo a condiciones de hphT, en las cuales el diamante es termodinámicamente estable. Las tres pre-formas son fabricadas de manera separada como tres componentes, que son ensamblados y encapsulados en una manga de recubrimiento de material refractario antes de la etapa hphT. La pre-forma de PCD es dispuesta en contacto con la pre-forma de la sección de refuerzo de cabezal en la interfaz no plana, y la sección de refuerzo de cabezal es dispuesta en contacto con la sección de apoyo en la interfaz substancialmente plana. El ensamble de pre-formas corresponde a la forma general del artículo sinterizado, presentado de manera esquemática en la Figura 3.

La pre-forma de la sección de refuerzo de cabezal es fabricada mediante un proceso que incluye las etapas de i) preparación de los polvos, ii) formación de un cuerpo sólido crudo, y iii) sinterización del cuerpo crudo mediante un método de sinterización convencional para metales duros. La preparación de los polvos de inicio involucra la mezcla de granos de diamante con un tamaño promedio en el rango alrededor de 200 hasta 250 micrones con granos de WC con una distribución de tamaño promedio en el rango de alrededor de 1 hasta 3 micrones y polvo de cobalto del tipo y grado que puede típicamente ser empleado en la industria metalúrgica para fabricar materiales de carburo cementados . Las proporciones respectivas de polvos de diamante, WC y Co son alrededor de 9 % en peso, 85,6% en peso y 5,4 % en peso. Los polvos son mezclados en seco mediante un mezclador multi-direccional (Turbula) (marca comercial registrada (RTM) ) y se introduce una ayuda de presión orgánico en la mezcla. Entonces se forma un cuerpo crudo mediante compactacion uni-axial de los polvos en la forma que se presenta esquemáticamente en la Figura 3 a temperatura ambiente (de la habitación) . El cuerpo crudo es dispuesto en un horno y es sometido a un proceso convencional de sinterizado de metales duros, proceso que involucra el calentamiento hasta una temperatura superior a 1.400 °C durante un período de tiempo de alrededor de 2 horas en vacío. El cuerpo crudo sinterizado es retirado del horno (después de enfriamiento) . El examen del cuerpo revela que las secciones exteriores de los granos de diamante se han convertido en carbón granítico, pero que las secciones interiores o núcleos de los mismos han permanecido como diamante. El cuerpo crudo sinterizado es empleado como la pre-forma del cabezal.

La sección de apoyo del sustrato es carburo de tungsteno cementado con cobalto que comprende 90% en peso de granos de WC y 10% en peso de aglomerante de Co, teniendo los granos de WC un tamaño promedio en el rango de 1 a 3 micrones.. La sección de apoyo es fabricada empleando un método convencional tal como es bien conocido en la técnica de metales duros y en la técnica de preparación de sustratos para insertos de PCD, tales como los insertos para la perforación terrestre para la industria del petróleo y del gas .

La pre-forma de la cubierta de PCD comprende granos de diamante unidos entre sí mediante un aglomerante orgánico. Se conocen diversos tipos de pre-formas de PCD y diferentes métodos para la preparación de los mismos en la técnica, y las personas experimentadas deben saber cómo emplear y adaptar estos tipos y métodos para llevar esta invención a efecto .

Una pre-forma compósita que comprende la pre-forma de PCD dispuesta en contacto con la pre-forma del cabezal en la superficie no plana indicada, y la sección de refuerzo de cabezal es dispuesta en contacto con la sección de apoyo. Así ensambladas y montadas, las pre-formas son sometidas a una presión mayor que alrededor de 5,5 GPa y una temperatura de alrededor de 1.400 °C durante alrededor de 10 minutos. Estas condiciones son tales que el diamante es termodinámicamente estable, lo que resulta en la fusión del cobalto en los componentes pre-forma, el sinterizado del PCD y su unión integral con la sección de refuerzo del cabezal . Al mismo momento, la sección de refuerzo de cabezal es íntegramente unida y sinterizada con la sección de apoyo.

Durante la etapa de sinterizado, el grafito que rodea los núcleos de diamante en la pre-forma del cabezal se reconvierten en diamante, aunque en una forma diferente que aquella del diamante introducido en los polvos . El diamante reconvertido está en forma granular, los tamaños de grano son substancialmente menores que aquellos de los núcleos, y en general isotrópicamente dispersados alrededor de los núcleos y formando una especia de halo esférico concéntrico. La reconversión del grafito en diamante resulta en que el volumen de la sección de refuerzo de cabezal se ve reducida en alrededor de 30%. Es importante tomar esta reducción de tamaño en cuenta cuando se prepara la pre-forma de la sección de refuerzo de cabezal, de manera que la forma y tamaño deseados de la sección de refuerzo de cabezal pueden ser obtenidas en el producto terminado. La cuantía de esta reducción de tamaño puede ser estimada mediante cálculo, pero se encuentra que una serie de etapas empírica de ensayo y error permiten una predicción más precisa, debido a que no es fácil saber con precisión de manera adelantada qué fracción del volumen del grano de diamante será convertida en grafito durante la etapa de sinterización convencional.

Después de la etapa de sinterizado hphT el inserto enchaquetado es retirado de la cápsula y la chaqueta es retirada mediante inmersión en un licor de ácido fuerte, y el inserto es procesado hasta la tolerancia de terminación final, tal como se conoce en la técnica.

Las indicaciones iniciales de su prueba en terreno son que los insertos preparados de acuerdo con este ejemplo pueden tener una resistencia significativamente superior al impacto y vidas de trabajo efectivo en las aplicaciones de degradación de asfalto que los insertos de PCD del arte previo.

Ejemplo 2 Se repite el Ejemplo 1, salvo que los granos de diamante introducidos en los polvos de la sección de refuerzo de cabezal tienen un tamaño promedio en el rango desde alrededor de 10 hasta 50 micrones.

El examen del cuerpo crudo sínterizado de la sección que refuerza el cabezal después de que es retirada del horno (después de enfriamiento) revela que substancialmente todos los granos de diamante se han convertido en grafito. El cuerpo crudo sínterizado es empleado como la pre-forma del cabezal .

Ejemplo 3 En este ejemplo, se sinterizan insertos cubiertos de PCD de tipo cortador por cizalle, los que son sinterizados sobre sustratos, en los cuales todo el sustrato opera como un cabezal, teniendo el módulo de Young y rigidez necesarias. Las superficies de trabajo de estos insertos PCD son substancialmente planas. Los sustratos mejorados con diamante son preparados empleando el método descrito en el Ejemplo 1 para preparar la sección que refuerza el cabezal mejorada con diamante, con granos de diamante que son introducidos en los polvos materia prima. Las proporciones respectivas de polvo de diamante, C y Co son alrededor de 7,1% en peso, 86,4% en peso y 6,5% en peso. Los granos de diamante tienen un tamaño de grano promedio en el rango desde alrededor de 60 hasta 80 micrones, tal como se mide mediante un Malvern Mastersizer (RTM) . El polvo de diamante empleado es un producto de Element Six PDA878 240/270.

Los sustratos son producidos mediante un proceso que incluye las siguientes etapas: 1.62 g de polvo de diamante, 56 g de polvo de Co y 750 g 13% en peso de polvo Co WC, que está provisto con -2% en peso de PEG, que son vertidos en un contenedor de un volumen aproximado de 500 mi; 2. Se agrega suficiente metanol como para formar una pasta; 3. La pasta es mezclada; 4. La pasta es secada y desintegrada en aglomerados blandos con mortero y mazo de mortero; 5. El polvo seco es dispuesto en un molde y es compactado para formar un cuerpo crudo . 6. El cuerpo crudo es sinterizado en un aparato y a presión y temperatura convencionales de sinterizado de carburo. Después de la sinterización los sustratos tienen una apariencia gris mate debido a la presencia de grafito (en esta etapa, al menos una parte del diamante en las muestras que contienen diamante y se ha convertido completamente en grafito) ; y 7. El sustrato, que es de forma substancialmente cilindrica, es entonces maquinado al mismo diámetro y altura exteriores .

Las pre-formas de sustrato mejorado reemplazan sustratos de carburo cementado con Co convencionales en la fabricación posterior de insertos de PCD. Una capa de PCD es sinterizada íntegramente en cada sustrato mejorado empleando un enfoque hphT. Tal como es conocido en la técnica, este proceso involucra la disposición de la pre-forma de diamante PCD que comprende granos de diamante en un extremo del sustrato para formar una pre-forma compósita. Las pre-formas son ensambladas en cápsulas de PCD convencionales empleadas para la sinterización hphT, y las capsules son degasificadas empleando un procedimiento estándar en el que el aire es evacuado desde las mismas, las que a continuación son selladas. Las cápsulas son sometidas al ciclo estándar de sinterización hphT empleado para la fabricación de insertos de corte en PCD para las aplicaciones de taladrado de roca (i.e. a una presión por sobre alrededor de 5 GPa y a una temperatura mayor que alrededor de 1.400 °C) . Durante el ciclo hphT, substancialmente todo el carbón que no es diamante en los sustratos es convertido en diamante, tal como en el Ejemplo 1.

Ejemplo 4 Se fabrica un inserto con forma de cortador con una sección cabezal de DEC que tiene una geometría según la Figura 3. Se compacta una placa de diamante (PCD) a partir de granulos con ayudas orgánicas de proceso que son quemadas antes de la sinterización. El espesor y la forma de la placa de diamante son definidas mediante compactacion con maquinado apropiado a la forma.

El compactado de diamante está comprendido de una mezcla de diamante en la cual la distribución del tamaño de partículas de diamante es una distribución amplia multi-modal con máximos en el rango desde alrededor de 10 um hasta 45 um. El rango total del tamaño de las partículas es desde ~2 um hasta 50um .

El compactado de diamante contiene Co como un agregado de la mezcla, pero es principalmente infiltrado con Co desde el sustrato y la sección cabezal para conseguir la sinterización . La sección cabezal está comprendida de una mezcla de partículas de WC de 1-6 um con partículas de diamante de ~22 um y cobalto.

Las relaciones de los volúmenes WC: diamante: diamante varían entre 1:1 y 3:1. Se espera un módulo de Young más alto con una relación 1:1 .

Tanto el compactado de diamante como de el de la sección cabezal son compactados de manera conjunta durante las etapas finales del ensamblaje para asegurar una unión completa entre las dos capas. Esto también asegura una buena densificación antes de la remoción de las ayudas orgánicas de proceso.

Se dispone una interfaz plana en la base de la sección del cabezal. Este compósito pre-sinterizado de WC/Co actúa como una base firma durante la sinterización de alta presión y además provee Co adicional para infiltración y la sinterizacion adecuada de la sección cabezal y de la placa de diamante .

A pesar de que la descripción anterior de materiales de dureza superior, los métodos de producción y diversas aplicaciones que los utilizan contiene características específicas, estas no deben ser interpretadas como limitantes del alcance de la presente invención, sino simplemente como elementos que proveen una ilustración de algunas presentaciones ej emplificatorias . De manera similar, se pueden concebir otras presentaciones de la invención que no se alejen del espíritu o alcance de la presente invención. Por lo tanto, el alcance de la invención es indicado y limitado sólo por las reivindicaciones que se adjuntan, y por sus equivalente legales, y no por la descripción precedente. Todas las condiciones, eliminaciones y modificaciones de la invención, tal como se la divulga en este texto, que se encuentren en el significado y alcance de las reivindicaciones deben ser tomadas en cuenta.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un inserto para una herramienta de ataque, inserto caracterizado porque comprende una cubierta de dureza superior que tiene un volumen y que está unida a un sustrato en una interfaz, teniendo la cubierta de dureza superior un módulo de Young promedio mayor que 900 GPa y estando el sustrato caracterizado en que comprende una sección de refuerzo de cabezal como un mecanismo para reforzar una región del sustrato que está cercana a la interfaz, teniendo la sección de refuerzo de cabezal un volumen agregado que es mayor que aquel de la cubierta de dureza superior y un módulo de Young promedio que es al menos 60% de aquel de la cubierta de dureza superior.

2. Un inserto de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la sección de refuerzo de cabezal está dispuesta de manera próxima a la interfaz .

3. Un inserto de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la sección de refuerzo de cabezal tiene un volumen agregado que es al menos tres veces mayor que aquel de la cubierta de dureza superior y un módulo de Young promedio de al menos 70% de aquel de la cubierta de dureza superior.

4. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la sección de refuerzo de cabezal comprende un material de dureza superior.

5. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la sección de refuerzo de cabezal comprende granos de un material de dureza superior dispersados en un aglomerante metálico, tal como cobalto, en donde el tamaño promedio de los granos de dureza superior es mayor que 50 micrones .

6. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5 en donde el material de dureza superior comprende diamante .

7. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la cubierta de dureza superior está unida a la sección de refuerzo de cabezal en una primera interfaz y la sección de refuerzo de cabezal está unida a una sección de apoyo en una segunda interfaz, comprendiendo la sección de apoyo un metal duro.

8. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la cubierta de dureza superior tiene una forma redondeada, convergente o puntiaguda y un ápex que tiene un radio de curvatura en el rango de 1,4 a 4 mm.

9. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la cubierta de dureza superior tiene una forma redondeada, convergente o puntiaguda y un ápex, estando el grosor de la cubierta de dureza superior en el ápex en el rango desde 1,4 hasta 2,4 mm.

10. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el módulo de Young promedio de la cubierta de dureza superior es mayor que 960 GPa.

11. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el módulo de Young promedio de la sección de refuerzo de cabezal está en el rango desde 650 a 900 GPa.

12. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el módulo de Young promedio de la cubierta de dureza superior es mayor que 960 GPa y porque la sección de refuerzo de cabezal está en el rango desde 650 hasta 900 GPa.

13. Un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la cubierta de dureza superior comprende PCD y la sección de refuerzo de cabezal comprende granos de carburo metálico, siendo el metal seleccionado de entre W, Ti, Ta, Nb, Mo, Cr, Hf, Zr, Si, y porque además comprende un aglomerante que comprende un metal de transición, y diamante en forma de gránulos o partículas, la cubierta de dureza superior estando unida directamente a la sección de refuerzo del cabezal.

14. Un método para la fabricación de un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, el método incluye la provisión de una pre-forma para una sección de refuerzo de cabezal, una pre-forma para una sección de apoyo y una pre-forma para una cubierta de PCD, el ensamble y contacto de las pre-formas en una configuración deseada para formar un ensamble de pre-formas y el someter el ensamble de pre-formas a condiciones de presión y de temperatura ultra altas, condiciones en las cuales el diamante es termodinámicamente estable.

15. Un método para el uso de un inserto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 , para la degradación o rompimiento de cuerpos, artículos o formaciones que comprenden materiales duros seleccionados desde el grupo que consiste en roca, concreto y asfalto, método que incluye una etapa de causar que la cubierta de dureza superior impacte el cuerpo, artículo o formación. RESUMEN La invención se relaciona con un inserto para una herramienta de ataque, inserto que comprende una cubierta de dureza superior que tiene un volumen y que está unida a un sustrato en una interfaz, teniendo la cubierta de dureza superior un módulo de Young promedio mayor que 900 GPa y estando el sustrato caracterizado en que comprende una sección de refuerzo de cabezal como un mecanismo para reforzar una región del sustrato que está cercana a la interfaz, teniendo la sección de refuerzo de cabezal un volumen agregado que es mayor que aquel de la cubierta de dureza superior y un módulo de Young promedio que es al menos 60% de aquel de la cubierta de dureza superior. La invención se relaciona además con un método para la fabricación de un tal inserto y con un método para emplear dicho inserto.