MX2014000837A - Herramienta de trituracion para tornear materiales fragiles y metodo para elaborar herramienta de trituracion. - Google Patents

Herramienta de trituracion para tornear materiales fragiles y metodo para elaborar herramienta de trituracion.

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Abstract

La invención se refiere a una herramienta de trituración 1 para tornear materiales frágiles. La herramienta de trituración 1 tiene un núcleo 2 y un borde abrasivo 4. El borde abrasivo 4 comprende partículas abrasivas incorporadas en una matriz 6. La matriz 6 comprende un agente de enlace metálico y posiblemente también un agente de enlace polimérico. El agente de enlace metálico contiene nitruro de silicio en una cantidad que constituye 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico. La invención también se refiere a un método para fabricar la herramienta de trituración. En el método1 se mezclan partículas abrasivas con polvo metálico y nitruro de silicio y se sinteriza la mezcla. También puede agregarse polvo polimérico antes de sinterización.

Description

HERRAMIENTA DE TRITURACION PARA TORNEAR MATERIALES FRAGILES Y METODO PARA ELABORAR HERRAMIENTA DE TRITURACION CAMPO DE LA INVENCION La invención se refiere a una herramienta de trituración, en particular a una herramienta trituración para triturar materiales duros y/o frágiles tal como carburo de tungsteno. La herramienta de trituración en particular puede ser una rueda de trituración. La invención también se refiere a un método para elaborar tal herramienta de trituración.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION Se utilizan herramientas de trituración tal como ruedas de trituración para torneado de materiales frágiles. Un área en donde se utilizan tales herramientas de torneado es el torneado de herramientas que están hechas de metal duro (carburo de tungsteno) . Por ejemplo, pueden utilizarse herramientas de trituración para operaciones de torneado en donde se forman taladros o herramientas de molienda mediante trituración. Si la pieza de trabajo que se va a formar está hecha de un material duro tal como carburo de tungsteno, la herramienta abrasiva debe tener partículas abrasivas de un material muy duro. En la práctica, esto normalmente significa que las partículas abrasivas son partículas de diamante o granos de nitruro de boro cúbico. Diamantes o granos de nitruro de boro cúbico para este propósito están Ref. 246252 comercialmente disponibles y pueden considerarse como componentes estándares. Los diamantes para este propósito típicamente pueden tener un promedio o tamaño de partícula medio de 50 µp\ (el tamaño de las partículas por supuesto es variable) y tener una pluralidad de bordes puntiagudos que pueden cortar materiales duros tal como carburo de tungsteno.
Un tipo conocido de herramienta de trituración para este propósito es una rueda de trituración con un núcleo que puede estar hecho de, por ejemplo, un material metálico tal como acero o aluminio. El núcleo también puede estar hecho de un material no metálico tal como un material polimérico. El núcleo puede formarse como un disco que puede montarse sobre un husillo de herramienta para rotación sobre el eje del núcleo metálico en forma de disco. Un borde abrasivo rodea el núcleo y se une al núcleo. El borde abrasivo puede comprender partículas abrasivas incorporadas en una matriz con uno o más agentes de enlace. El material utilizado en el borde abrasivo es normalmente más costoso que el material del núcleo. Por esta razón, el borde abrasivo tiene una extensión más pequeña en la dirección radial que el núcleo (es decir, el borde abrasivo normalmente es una parte más pequeña de la rueda de trituración ya que es más costoso) .
Durante la trituración, el borde abrasivo gradualmente se desgasta hasta que se consume y la rueda de trituración ya no puede utilizarse.
Agentes de enlace conocidos para bordes abrasivos de ruedas de trituración incluyen agentes de enlace polimérico tal como, por ejemplo, Baquelita.
Alternativamente, el agente de enlace puede ser un agente de enlace de cerámica. También se conoce utilizar agentes de enlace metálicos, en particular agentes de enlace de bronce que han sido hechos mediante sinterización . En tales operaciones de sinterización, polvo metálico que contiene cobre y estaño se sinterizan juntos con partículas abrasivas tal como partículas de diamante o granos de nitruro de boro cúbico. Algunas veces, puede agregarse plata ya que el bronce contiene cobre (Cu) , estaño (Sn) , y plata (Ag) . En el pasado, la experiencia práctica ha mostrado que las aleaciones de Cu/Sn/Ag funcionan bien como agentes de enlace para abrasivos y de manera que tales agentes de enlace funcionan bien durante trituración. Aunque la razón precisa de esto no se entiende completamente, se cree por los inventores que la conductividad térmica mejorada causada por la adición de plata puede explicar porque las aleaciones de bronce que contienen plata funcionan bien como agentes de enlace para abrasivos. Sin embargo, ya que la plata es costosa, pueden utilizarse otras aleaciones de bronce con el fin de reducir el costo y la presente invención es aplicable también a aleaciones de bronce sin plata.
Otras composiciones de bronce conocidas para este propósito incluyen cobre/estaño/cobalto (Cu/Sn/Co) y cobre/estaño/níquel (Cu/Sn/Ni) . También se ha sugerido que composiciones de bronce para este propósito pueden incluir cobre/estaño/titanio (Cu/Sn/Ti) .
Incluso otro sistema conocido incluye híbridos de agentes de enlace poliméricos y metálicos en los cuales se sinteriza polvo metálico junto con material polimérico de manera que se forme una matriz en la cual el agente de enlace polimérico y el agente de enlace metálico (típicamente una aleación de bronce como se describió anteriormente) se entrelazan de manera cercana entre sí en un nivel microscópico. En tales híbridos, el agente de enlace metálico y el agente de enlace polimérico, cada uno forma una red y las redes respectivas de los agentes de enlace penetran entre sí. Tal matriz híbrida que comprende tanto un agente de enlace metálico como un agente de enlace polimérico se describe, por ejemplo, en patente de E.U.A. No. 6063148.
Además de agentes de enlace metálicos y poliméricos, tales híbridos normalmente incluyen uno o varios rellenos. Tal relleno puede ser grafito que se utiliza para sus propiedades lubricantes.
Las partículas abrasivas utilizadas pueden tener diferentes propiedades. Por ejemplo, la fragilidad de diamantes puede variar dependiendo del propósito para el cual se va a utilizar la herramienta de trituración. Las propiedades de diferentes diamantes pueden coincidir para satisfacer las propiedades de diferentes agentes de enlace (o híbridos de agentes de enlace) .
En una buena herramienta de trituración, las partículas abrasivas deben enlazarse en su matriz de tal forma que la herramienta de trituración funcione como se desea. Es deseable que la herramienta de trituración tenga una buena resistencia al desgaste de manera que puede utilizarse sobre un periodo extendido. Sin embargo, una buena resistencia al desgaste no es la única propiedad deseada y la herramienta de trituración con la resistencia más alta al desgaste no necesariamente es la mejor elección. Otras propiedades deseables incluyen bajo consumo de energía (es decir, que la energía requerida para impulsar la herramienta de trituración no es excesivamente alta) y propiedades de desempeño constantes o al menos predecibles. Si el efecto de trituración del borde abrasivo varía demasiado con el tiempo, esto causa problemas. Este es especialmente el caso si el desempeño de la herramienta de trituración varía en una forma que es impredecible .
El grado de desgaste de la herramienta de trituración bajo circunstancias dadas depende a un muy alto grado sobre las propiedades de la matriz en las cuales se incorporan las partículas abrasivas. Por lo tanto, la composición de la matriz es importante.
Cuando se utiliza una herramienta de trituración para tornear una pieza de trabajo, esquinas y bordes puntiagudos sobre las partículas abrasivas actúan en la pieza de trabajo. Por lo cual, se ejerce fuerza sobre partículas abrasivas incorporadas en la matriz. Durante la trituración, se dañan las partículas abrasivas. Gradualmente, pequeñas piezas se desprenden de las partículas abrasivas de manera que las partículas abrasivas gradualmente se desgastan. Cuando las partículas abrasivas en un área del borde abrasivo se han desgastado completamente, la pieza de trabajo se encuentra con la matriz directamente. La matriz como tal es menos dura que la pieza de trabajo y se desgasta rápidamente. Como un resultado, partículas abrasivas frescas llegan a la superficie del borde abrasivo y empiezan a actuar sobre la pieza de trabajo.
Sin embargo, si la matriz que retiene las partículas abrasivas es demasiado débil, las partículas abrasivas pueden desgastarse de la matriz antes que se desgasten. Cuando esto sucede en parte de la superficie del borde abrasivo, la pieza de trabajo entra en contacto directo con la matriz relativamente frágil y desgasta la matriz prematuramente. Cuando esto sucede, el consumo de energía cae momentáneamente hasta que gran parte de la matriz ha sido desgastada y partículas abrasivas frescas llegan a la superficie. Como un resultado, el borde abrasivo de la herramienta de trituración se desgasta más rápido de lo que de otra forma lo haría. Si la operación de la herramienta de trituración ha sido programada por adelantado, la consecuencia de la misma puede ser que la operación de trituración no funcione apropiadamente ya que la herramienta de trituración se establece para operar con base en una suposición de diámetro de herramienta que ahora es incorrecta. Este problema se vuelve más serio si el borde abrasivo es desgastado en una forma que es difícil de predecir, por ejemplo si ocurre desgaste en pasos repentinos que llegan en intervalos irregulares.
También es deseable que la energía requerida para la operación de trituración pueda mantenerse baja de manera que pueda minimizarse el consumo de energía durante trituración.
Otra propiedad deseable de herramientas de trituración es una relación G alta. La relación G expresa la relación entre el volumen del material removido por la herramienta de trituración de una pieza de trabajo y el volumen perdido por la herramienta de trituración (el desgaste sobre la herramienta) . Una buena herramienta de trituración tiene relación G alta.
Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención proporcionar una herramienta de trituración que tiene una buena resistencia a desgaste. Objetivos adicionales de la invención van a proporcionar una herramienta que se desgasta en una forma regular y predecible, que tiene un bajo requisito de energía y una relación G alta. Estos objetivos se logran por medio de la presente invención como se explicará en lo siguiente.
SUMARIO DE LA INVENCION Esta invención se refiere a una herramienta de trituración. La herramienta de trituración está especialmente hecha como una herramienta de trituración para tornear materiales duros y/o frágiles, tal como carburo de tungsteno pero la herramienta de trituración inventiva también puede utilizarse para triturar otros materiales. La herramienta de trituración comprende un núcleo y un borde abrasivo. El borde abrasivo comprende partículas abrasivas incorporadas en una matriz y la matriz comprende un agente de enlace metálico que es una aleación de bronce sinterizada. El agente de enlace metálico constituye 50%-100% en volumen de la matriz. De conformidad con la invención, el agente de enlace metálico contiene nitruro de silicio en una cantidad que constituye 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico u opcionalmente 0.1% en volumen -5.0% en volumen del agente de enlace metálico.
En modalidades de la invención, la matriz además puede comprender opcionalmente un agente de enlace polimérico que ha sido sinterizado junto con el agente de enlace metálico de manera que el agente de enlace polimérico y el agente de enlace metálico forman una red conectada.
En modalidades de la invención, el nitruro de silicio constituye 0.3%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico. Por ejemplo, puede constituir 0.5%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico, 1.0%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico, o 0.5%-3.0% en volumen o 0.5%-2.0% en volumen.
El nitruro de silicio puede estar presente en la forma de granos que tienen un tamaño de grano promedio que preferiblemente es menor que ??µp? pero también preferiblemente sobre ?.?µt?. Tales partículas pueden ser partículas de malla Tyler 1250. Las partículas de esa forma pueden incluir partículas de hasta ??µp? incluso aunque el tamaño de grano promedio es menor.
Cuando un agente de enlace polimérico es parte de la matriz, el agente de enlace polimérico puede comprender poliimida o está hecho completamente o casi completamente de poliimida .
La matriz puede comprender adicionalmente de forma opcional materiales de relleno tal como grafito. Grafito tiene propiedades lubricantes que pueden ser deseables durante trituración.
El agente de enlace metálico preferiblemente es una aleación de bronce que comprende cobre, estaño y plata.
Las partículas abrasivas pueden ser, por ejemplo, partículas de diamante o partículas de nitruro de boro cúbico. Para diamantes y nitruro de boro cúbico, las partículas abrasivas pueden tener un tamaño de partícula medio en el intervalo de 4µ??-181µp?. En muchas modalidades realistas, las partículas abrasivas pueden tener un tamaño en el intervalo de 46µp?-91µ?!?. En modalidades de la invención, las partículas abrasivas pueden tener un revestimiento de cobre o níquel .
La invención también se refiere a un método para elaborar la herramienta de trituración inventiva. El método comprende sinterizar partículas abrasivas junto con polvo metálico de manera que la sinterización resulta en una matriz en la cual se incorporan las partículas abrasivas. La matriz por ello comprenderá un agente de enlace metálico. El polvo metálico comprende cobre y estaño de manera que el agente de enlace metálico será una aleación de bronce sinterizada. De conformidad con la invención, nitruro de silicio en la forma de un polvo se agrega al polvo metálico antes de sinterización y a tal grado que el nitruro de silicio constituirá 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico y preferiblemente 0.1%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico.
En modalidades del método inventivo, el polvo metálico puede comprender adicionalmente plata.
Cuando se hace referencia a la proporción relativa de nitruro de silicio en el agente de enlace metálico, debe entenderse que se refiere a la proporción de volumen del polvo utilizado en el procedimiento de fabricación. En otras palabras, el método de fabricación es tal que, en el polvo agregado antes de sinterización, el nitruro de silicio constituirá 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico (el nitruro de silicio es contado como parte del agente de enlace metálico) . Se asume que las partículas de carburo de silicio retendrán la misma proporción relativa del volumen total también después de sinterización.
Opcionalmente , se agrega un polímero al polvo metálico antes de sinterización, preferiblemente en la forma de polvo de poliimida, de manera que se forme un agente de enlace polimérico que es una parte de la matriz.
El método puede llevarse a cabo de tal forma que el material en polvo para los agentes de enlace de la matriz se mezcla con las partículas abrasivas para formar una mezcla. La mezcla entonces se comparte en una prensa fría. La mezcla compactada entonces se cura en un horno a una temperatura en el intervalo de 380°C-520°C, preferiblemente 400°C-500°C, por un periodo de 120-150 minutos. Después de eso, la mezcla compactada y curada se coloca en una prensa y se somete a una presión de 1500-2000 kg/cm2. La presión entonces se mantiene hasta que la mezcla ha alcanzado una temperatura bajo 300°C.
Opcionalmente, se agrega material de relleno a la mezcla de polvo metálico y partículas abrasivas antes de la operación de sinterización. El material de relleno puede comprender opcionalmente grafito.
La matriz de la herramienta de trituración inventiva puede ventajosamente ser una matriz que es un híbrido con es decir, una matriz que tiene tanto un agente de enlace metálico como un agente de enlace polimérico. Las soluciones de enlace híbridas pueden combinar las mejores propiedades de los agentes de enlace metálicos con las mejores propiedades de los agentes de enlace poliméricos. Si es necesario volver a afilar de nuevo mediante una herramienta de afilado, una herramienta de trituración con una matriz híbrida puede afilarse de nuevo más fácilmente que una matriz metálica pura. Al mismo tiempo, una herramienta de trituración puede ser una herramienta de trituración con una matriz híbrida tiene mejor resistencia a desgaste que una matriz que utiliza únicamente un agente de enlace polimérico.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una representación esquemática de una herramienta de trituración.
La Figura 2 es una representación transversal esquemática de partículas abrasivas incorporadas en el borde abrasivo de una herramienta de trituración.
La Figura 3 es una representación transversal esquemática de una herramienta de trituración que actúa sobre una pieza de trabajo.
La Figura 4 es un diagrama que representa el consumo de energía para dos diferentes herramientas de trituración.
La Figura 5 es una representación transversal esquemática de una primera modalidad de la herramienta de trituración inventiva.
La Figura 6 es una representación transversal esquemática de una segunda modalidad de la herramienta de trituración inventiva.
La Figura 7 es un diagrama que muestra desgaste de una herramienta de trituración como una función de contenido de nitruro de silicio.
La Figura 8 es un diagrama que muestra una relación G de una herramienta de trituración como una función de contenido de nitruro de silicio.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Con referencia a la Figura 1, se muestra una herramienta de trituración 1. La herramienta de trituración en particular puede ser una rueda de trituración que está hecha para tornear materiales duros y/o frágiles tal como carburo de tungsteno. Tales materiales pueden estar presentes en piezas de trabajo para herramientas tal como por ejemplo taladros o herramientas de molienda y la herramienta de trituración 1 de la presente invención puede ser una rueda de trituración que se utiliza para formar tales herramientas. La herramienta de trituración 1 comprende un núcleo 2 y un borde abrasivo . El núcleo 2 puede estar hecho de un material menos costoso tal como acero o algún otro metal. Alternativamente, el núcleo puede estar hecho de, por ejemplo, un material polimérico. El núcleo también puede comprender más de un material. Por ejemplo, podría estar hecho parcialmente por metal tal como acero o aluminio y parcialmente ser un material polimérico. El núcleo 2 puede proporcionarse con un orificio de paso o cavidad 3 de manera que la herramienta de trituración 1 puede estar montada sobre un husillo (no mostrado) para movimiento giratorio. Con referencia a la Figura 2, el borde abrasivo 4 comprende partículas abrasivas 5 incorporadas en una matriz 6. La matriz 6 a su vez comprende un agente de enlace metálico que es una aleación de bronce sinterizada. El agente de enlace metálico constituye 50%-100% en volumen de la matriz 6 y las modalidades de esa forma son concebibles en donde toda la matriz 6 está hecha del agente de enlace metálico. Sin embargo, la matriz 6 normalmente comprende al menos algún otro componente. Por ejemplo, puede comprender relleno tal como grafito que tiene propiedades lubricantes. En la mayoría de las modalidades, la matriz 6 también comprendería un agente de enlace polimérico que puede formarse por poliimida.
Si la matriz 6 retiene bien las partículas abrasivas 5, las partículas abrasivas 5 emitirán pequeños fragmentos y se desgastarán gradualmente. Como un resultado, el desgaste sobre el borde abrasivo 4 desacelerará relativamente de manera que el diámetro de la herramienta de trituración 1 puede mantenerse substancialmente constante durante un periodo más prolongado. Además, el desgaste sobre el borde abrasivo 4 se mantendrá a un ritmo uniforme y la energía durante operación no variará tanto.
Si a su vez la matriz 6 es incapaz de mantener las partículas abrasivas 5 firmemente, puede suceder que las partículas abrasivas se aflojen antes que se fragmenten. Como una consecuencia, se perderán antes que se haya utilizado todo su potencial abrasivo. La herramienta abrasiva 1 se desgastará más rápido y el diámetro de la herramienta de trituración (tal como una rueda de trituración) disminuirá más rápido. Un diámetro más pequeño de la herramienta de trituración 11 puede resultar en un torneado menos preciso de las piezas de trabajo.
Con referencia a la Figura 3, una herramienta de trituración 1 actúa sobre una pieza de trabajo 7. La pieza de trabajo 7 por ejemplo, puede ser una pieza de trabajo que debe ser formada a un taladro. La herramienta de trituración 1 es girada por medio de una fuente de energía que actúa a través de, por ejemplo, un husillo (no mostrado) . Con ello, el borde abrasivo 4 de la herramienta de trituración actúa sobre la pieza de trabajo 7 para cortar una ranura en la pieza de trabajo. En la Figura 3, la pieza de trabajo tiene un diámetro de núcleo CD que se determina por la acción de la herramienta de trituración 1. Si la herramienta de trituración 1 es desgastada de manera que su diámetro disminuye, el diámetro de núcleo CD crecerá a menos que se compense el desgaste (por ejemplo al reubicar la herramienta de trituración 1 con relación a la pieza de trabajo 7) . Por lo tanto es muy deseable que el desgaste pueda mantenerse bajo y que el desgaste que se lleva a cabo no llegue en avances impredecibles repentinos.
Se puede agregar que, cuando las partículas abrasivas 5 están apropiadamente fragmentadas pieza por pieza, es bueno que las propiedades de corte libre de la herramienta de trituración 1, es decir, la capacidad de que la herramienta de trituración se vuelva a afilar por sí misma. Cuando las partículas abrasivas 5 se fragmentan paso por paso, el desgaste sobre la matriz 6 puede ocurrir uniformemente y la superficie del borde abrasivo 4 no se atasca tan fácilmente. Si a su vez se desprenden partículas abrasivas repentinamente antes que se hayan fragmentado apropiadamente, esto tiende a llevar a atascamiento aumentado de la superficie; la superficie del borde abrasivo 4 se atascará a un mayor grado por partículas pequeñas 5 desde la pieza de trabajo 7. Esto puede necesitar remoción temporal de la herramienta de trituración 1 de operación de manera que la herramienta de trituración 1 se pueda volver a afilar. Si las partículas abrasivas 5 se fragmentan gradualmente, el riesgo de tal atascamiento es menor. Cuando las partículas abrasivas se han desgastado completamente, nuevas partículas abrasivas 5 pueden llegar a la superficie en un procedimiento más uniforme que por sí mismo contribuye al afilado de nuevo de la herramienta de trituración (o más bien el borde abrasivo 4 de la herramienta de trituración 1) .
Cuando se desprenden partículas abrasivas del borde abrasivo antes que se fragmentan completamente, esto tiende a mostrarse en el consumo de energía de la herramienta de trituración; la energía cae repentinamente y entonces comienza a llevarse de nuevo después de un rato. Si las partículas abrasivas se mantienen apropiadamente por la matriz de manera que se permite que fragmenten cómo deben hacerlo, también esto puede observarse en el consumo de energía. En tal caso, la energía tiende a permanecer relativamente constante con el tiempo (se debe observar, sin embargo, que normalmente siempre existe un aumento gradual en el requisito de energía de la primera pieza de trabajo de manera que se requiera menos energía para las primeras piezas de trabajo) .
Se ha sugerido en un artículo por É. D. Kizikov y P. Kebko ("microadditions to alloys of the system Cu-Si-Ti") , Instituto de Materiales Superduros, Academia de Ciencia de la RSS Ucraniana, Kiev, en traducción de Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Metallov, No. 1, páginas 50-53, enero 1987) que una aleación de Cu/Si/Ti que se va a utilizar como aglutinante de herramientas abrasivas de diamante se refuerza con 0.01% de nitruro de silicio (Si2N4) . De conformidad con los autores de este artículo, esta adición resultó en límite elástico mejorado.
Los inventores de la presente invención han considerado que pasos pueden tomarse para mejorar la capacidad de la matriz para retener las partículas abrasivas. Sin desear limitarse por teoría, los inventores creen que una razón por la que los agentes de enlace metálico liberan las partículas abrasivas ahí incorporadas puede ser que dislocaciones dentro del agente de enlace metálico debilitan el agente de enlace metálico. Asumiendo que esta teoría es correcta, los inventores especularon primero que debe ser posible mejorar la matriz al reforzarla con dislocaciones que bloquean partículas en el agente de enlace metálico. Consecuentemente, los inventores intentaron diferentes adiciones al polvo metálico que se utilizó para sinterizar el agente de enlace metálico. Un aditivo que se probó fue óxido de aluminio que se agregó a un grado que corresponde a 1.0% en volumen del agente de enlace metálico. Esto resultó en cierta mejora pero la mejora no fue tan buena como hubieran esperado los inventores. Los inventores también intentaron adición de 0.01% en volumen de nitruro de silicio. La mejora de esa adición fue incluso menor que la mejora lograda por el óxido de aluminio.
Los inventores han investigado si cantidades aumentadas de nitruro de silicio produciría mejores resultados. Esto se confirmó en pruebas llevadas a cabo por los inventores. Cuando se agregó nitruro de sillico en cantidades significativamente mayores a 0.01% en volumen del agente de enlace metálico, se descubrió que se obtuvo una mejora muy substancial.
Por ejemplo, los inventores probaron una composición en la cual el agente de enlace metálico contuvo 1.0% en volumen de nitruro de silicio (Si3N4) . Una herramienta de trituración con esta composición entonces se comparó con una herramienta de trituración estándar utilizando una matriz híbrida y que no contuvo nitruro de silicio (Si3N4) . Las herramientas de trituración fueron ambas pruebas de trituración en las cuales el borde abrasivo 4 se formó como un anillo que rodea el núcleo 2. Bajo condiciones comparables, el diámetro de la herramienta estándar se desgastó por 136µ?? mientras que el diámetro de la herramienta de trituración con la composición experimental se desgastó con únicamente 58µp?. La relación G para la herramienta con 1.0% de nitruro de silicio fue 2335. En comparación, una herramienta que utiliza 0.01% en volumen de nitruro de silicio se desgastó 94µp? mientras una herramienta que utiliza 1.0% en volumen de óxido de aluminio se desgastó 84µp?.
Se realizó una prueba con una composición en donde el nitruro de silicio constituyó 5% en volumen del agente de enlace metálico. La resistencia al desgaste aún fue buena pero no tan buena como para la herramienta de trituración con 1.0% en volumen de nitruro de silicio. Además, la herramienta con 5.0% de nitruro de silicio tuvo consumo de energía superior. La relación G fue buena pero no tan buena como para las herramientas con 1.0% y 0.1% en volumen.
Los inventores también han probado una herramienta de trituración que tuvo una forma y una composición similar a las otras herramientas probadas pero en las cuales el nitruro de silicio constituyó 0.1% en volumen del agente de enlace metálico. Se encontró que, bajo las mismas condiciones de prueba que las otras herramientas que se probaron, el desgaste de la herramienta con 0.1% en volumen de nitruro de silicio fue 62µp? y la relación G fue 2084. Aunque esto fue inferior a los resultados obtenidos en 1% en volumen, aún fue una mejora muy substancial comparada con la herramienta de trituración estándar.
Los inventores también han probado una herramienta de trituración que tuvo un contenido de nitruro de silicio de 0.02% en volumen del agente de enlace metálico pero que de otra forma fue similar a las otras ruedas de trituración probadas. Bajo condiciones de prueba similares, la herramienta de trituración con 0.02% en volumen de nitruro de silicio fue un desgaste (reducción de diámetro) de 58µp? y una relación G de 2283. Los resultados de esa forma fueron ligeramente menores que los resultados obtenidos a una relación de 0.1% en volumen.
Los resultados llevaron a la conclusión que se obtuvieron resultados significativamente mejores en el intervalo de 0.02%-5.0% en volumen de nitruro de silicio (Si3N4) . En este intervalo, se ha encontrado tanto relación G como resistencia al desgaste para ser significativamente mejores que 0% ó 0.01%.
Las pruebas de resistencia al desgaste y la prueba de relación G han sido llevadas a cabo a 0% en volumen, 0.01% en volumen, 0.02% en volumen, 1.0% en volumen y 5.0% en volumen de nitruro de silicio.
Las herramientas que se probaron fueron ruedas de trituración substancialmente de la clase mostrada en la Figura 5, es decir herramientas de trituración con un borde abrasivo 4 que rodea un núcleo 2 y en donde la herramienta de trituración 1 gira alrededor del eje A durante operación. La resistencia al desgaste como una función del contenido de nitruro de silicio puede observarse en la Figura 7. La resistencia al desgaste se expresa en la Figura 7 como reducción de diámetro. Se puede observar en la Figura 7, que la resistencia a desgaste aumentó significativamente cuando el contenido de nitruro de silicio aumentó de 0.01% a 0.02%. La resistencia al desgaste continuo siendo alta hasta un contenido de nitruro de silicio de 5.0% en volumen del agente de enlace metálico. Sin embargo, a 5.0% en volumen de nitruro de silicio, la resistencia al desgaste fue de alguna forma inferior comparada con la resistencia observada en un contenido de 0.02%- 1.0%. Los inventores por lo tanto han concluido que la mejor resistencia al desgaste se obtuvo en el intervalo de 0.02%-5.0% en volumen.
La relación G como una función de contenido de nitruro de silicio puede observarse en la Figura 8. Como se puede observar en la figura 8, los mejores valores se obtuvieron a un contenido de nitruro de silicio en el intervalo de 0.02%-5.0%. A partir de la Figura 8, también se puede derivar que la relación G se está hundiendo hacia la derecha en la figura 8 incluso aunque la relación G a 5.0% en volumen aún es buena.
Por lo tanto, los inventores han concluido que el agente de enlace metálico puede contener nitruro de silicio en una cantidad que constituye 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico. Ya que el consumo de energía fue superior a 5.0% en volumen, los inventores han concluido que valores inferiores a 5.0% tienen buena resistencia al desgaste pero consumo de energía inferior comparado con herramientas con un contenido de nitruro de silicio de 5% en volumen. Por lo tanto, un intervalo preferido puede ser 0.02% en volumen a 3.0% en volumen, 0.5%-3.0% en volumen, 0.5%-2.0% en volumen o 1.0%-2.0% en volumen del agente de enlace metálico .
A 0.1% en volumen, el consumo de energía fue generalmente inferior a 0.02% volumen. En un nitruro de silicio de 5.0% en volumen, el consumo de energía fue superior a un contenido de 0.02% pero el consumo de energía a 5.0% en volumen fue incluso más, el consumo de energía fue más predecible que 0.02% en volumen.
Las partículas de nitruro de silicio preferiblemente deben tener un tamaño de hasta ??µp? (malla de Tyler 1250). Para partículas cortadas, esto normalmente significará que el tamaño de grano promedio es menor que ??µ?t?. El tamaño de partícula promedio (D50) de las partículas de nitruro de silicio entonces puede ser de aproximadamente 2µp?-3µ??? (dependiendo de cómo se mide el tamaño de partícula promedio) . El área de superficie específica de las partículas de nitruro de silicio puede estar ventajosamente en el intervalo de 5 m2/g-6 m2/g. Y las partículas utilizadas son demasiado pequeñas, esto puede resultar en atascamiento y dificultades durante fabricación. Además, para dar resistencia optimizada a los agentes de enlace metálico, se cree por los inventores que preferiblemente deben incluirse partículas de hasta 10 µp?.
Normalmente, la matriz 6 además debe comprender un agente de enlace polimérico que ha sido sinterizado junto con el agente de enlace metálico de manera que el agente de enlace polimérico y el agente de enlace metálico forman una red conectada (incluso aunque tal agente de enlace polimérico es opcional) . El uso de un agente polimérico hace posible ajustar las propiedades de la matriz y adaptarla a diferentes clases de partículas abrasivas. El agente de enlace polimérico puede ser adecuadamente poliimida o comprender poliimida. La razón para esto es que la poliimida es resistente al calor y puede soportar las altas temperaturas durante sinterización . Si se utiliza un agente de enlace polimérico, el agente de enlace polimérico puede estar presente en una cantidad de hasta 50% en volumen de la matriz (es decir la cantidad de agente de enlace polimérico está en el intervalo de 0%-5% en volumen de la matriz) . Por ejemplo, el agente de enlace polimérico puede presentar 10%-40% o 10%-30% en volumen de la matriz.
Posiblemente, el agente de enlace polimérico debe formarse por algún otro material polimérico. Por ejemplo, podría formarse por poliamida- imida que también es capaz de soportar altas temperaturas. Sin embargo, se prefiere poliimida ya que tiene mejores propiedades de trituración que poliamida-imida .
El agente de enlace metálico es preferiblemente una aleación de bronce que comprende cobre, estaño y plata. Plata mejora las propiedades deseables del agente de enlace metálico .
Las partículas abrasivas 5 pueden ser partículas de diamante o partículas de nitruro de boro cúbico. Los diamantes son más duros y tienen mejores propiedades abrasivas pero nitruro de boro cúbico es más resistente a la temperatura. Además, los diamantes pueden reaccionar químicamente con ciertos materiales.
Las partículas abrasivas 5 pueden ser partículas de diamante o partículas de nitruro de boro cúbico. Las partículas pueden estar en el intervalo de 4µp?-181µ?? incluso aunque las partículas fuera de este intervalo pueden considerarse dependiendo de los requisitos en cada caso específico. En muchas modalidades realistas, las partículas abrasivas 5 pueden tener un tamaño de partícula medio en el intervalo de 46µp\-91µ?? que es un intervalo que es adecuado para muchas operaciones de trituración.
Las partículas abrasivas 5 pueden tener opcionalmente un revestimiento de cobre o níquel. Un revestimiento de cobre o níquel puede mejorar el enlace entre las partículas abrasivas 5 y la matriz 6. Sin embargo, las propiedades abrasivas de las partículas 5 de alguna forma se reducirán si las partículas tienen tal revestimiento.
La proporción relativa de partículas abrasivas 5 con relación a los agentes de enlace y rellenos en la matriz 6 puede variar dependiendo de los requisitos en cada caso. En muchas modalidades realistas, la cantidad de partículas abrasivas puede representar un 10%-50% del volumen total del borde abrasivo (es decir, el volumen total de las partículas abrasivas y la matriz) . Si la proporción relativa de partículas abrasivas es superior a 50%, existe un peligro substancial que la matriz ya no será capaz de retener las partículas abrasivas. Si la proporción relativa de partículas abrasivas es menor que 10%, el efecto de trituración puede volverse incluso pequeño. La proporción relativa de partículas abrasivas puede estar preferiblemente en el intervalo de 15%-30% y un valor adecuado puede ser 25%.
Preferiblemente, el nitruro de silicio está presente en la forma de granos que tienen un tamaño de grano promedio que es igual a o menor que ??µp? pero sobre ?.?µt?. Por ejemplo, pueden tener un tamaño medio en el intervalo de 1 µt?-??µ?? o 2µp\-9µp?. Se cree por los inventores que las partículas de nitruro de silicio más pequeñas que 0. ?µ?? pueden resultar en atascamiento de las partículas de nitruro lo de silicio lo que reduce su efecto de refuerzo.
Las partículas de nitruro de silicio pueden tener tres diferentes estructuras cristalográficas designadas como fases a, ß y ? (también conocida como fase trigonal, fase hexagonal y fase cúbica) . Las fases a y ß son las más comunes. La fase ? puede sintetizarse únicamente bajo alta presión y alta temperatura. Cualquiera de estas fases puede utilizarse. Preferiblemente, la fase utilizada es la fase a. Las partículas de nitruro de silicio agregadas también pueden ser una mezcla de partículas de diferentes fases.
Con referencia a la Figura 4, una herramienta de trituración de conformidad con la invención se compara con una herramienta de trituración estándar. El eje vertical representa consumo de energía mientras el eje horizontal representa número de piezas de trabajo en las cuales actuó la herramienta de trituración respectiva. En la Figura 4, B5 representa una herramienta de trituración de conformidad con la invención mientras EZ representa una herramienta de trituración estándar. Como se puede observar en la Figura 4, la herramienta representada como B5 tiene un consumo de energía que primero se eleva abruptamente y después de eso permanece substancialmente constante. La herramienta convencional como se representó por EZ tiene un consumo de energía que se eleva abruptamente y entonces cae repentinamente antes de que se eleve de nuevo. Esto indica que las partículas abrasivas de la herramienta B5 se fragmentaron lentamente mientras EZ representa una herramienta de trituración en donde las partículas abrasivas se desprendieron repentinamente. El desgaste sobre la herramienta por lo tanto será más rápido.
Se puede observar que B5 representa una herramienta tanto con un agente de enlace metálico como con un agente de enlace polimérico. El agente de enlace metálico es un bronce que tiene cobre, estaño y plata. Se ha sinterizado utilizando un volumen metálico que contiene 45% en volumen de cobre, 45% en volumen de estaño y 10% en volumen de plata. En la herramienta de conformidad con B5, el agente de enlace polimérico constituye 1.0% en volumen de la cantidad total de agente de enlace.
La herramienta de trituración de la Figura 1 puede tener una sección transversal como se muestra en la Figura 5. En tal modalidad, el borde abrasivo 4 está colocado radialmente fuera del núcleo 2 de manera que el borde 4 rodea completamente el núcleo 2. Las pruebas explicadas con referencia a la Figura 4, Figura 7 y Figura 8 han sido llevadas a cabo en tal herramienta de trituración. Sin embargo, la invención no está limitada a tal modalidad. Con referencia a la Figura 6, se debe entender que el núcleo 2 puede extenderse al menos tanto en la dirección radial como el borde abrasivo 4. En la Figura 6, la herramienta de trituración tiene un borde abrasivo 4 que no se extiende más allá del núcleo 2 en la dirección radial. A su vez, el borde abrasivo 4 tiene una extensión en la dirección axial que es diferente de aquella del núcleo 2 (la dirección axial es el eje de rotación A de la herramienta de trituración 1 cuando se ha impulsado por un husillo, ver Figura 5 y Figura 6) . También se debe entender que la herramienta de trituración 1 no necesariamente está diseñada para rotación. A su vez, podría actuar en piezas de trabajo en un movimiento recíproco. En el contexto de las reivindicaciones, el término "núcleo" de esa forma debe entenderse ampliamente como cualquier clase de cuerpo portador para el borde abrasivo. De forma similar, el término "borde" debe entenderse también ampliamente como cualquier clase de capa asegurada al núcleo 2 de manera que las partículas abrasivas puedan actuar en una pieza de trabajo.
La invención además comprende un método para hacer la herramienta de trituración inventiva. El método comprende sinterizar partículas abrasivas juntas con el polvo metálico que comprende cobre y estaño de manera que la sinterización resulte en una matriz en la cual se incorporan las partículas abrasivas 5. La matriz comprende un agente de enlace metálico que es una aleación de bronce sinterizada. De conformidad con la invención, se agrega nitruro de silicio en la forma de un polvo al polvo metálico antes de sinterizar a tal grado que el nitruro de silicio constituirá 0.1%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico.
El polvo metálico utilizado es preferiblemente polvo metálico con partículas que son más pequeñas que 44µp? pero preferiblemente deben ser más grandes que las partículas de nitruro de silicio. Preferiblemente deben ser al menos dos veces más grandes. Un tamaño promedio en el intervalo de 15µ??-44µt? puede ser adecuado.
El polvo metálico opcionalmente también puede comprender plata.
El polvo metálico puede venir en la forma de partículas pre-aliadas o como partículas de cobre puro, estaño puro, plata pura, etc.
Puede agregarse polímero al polvo metálico antes de sinterización, preferiblemente en la forma de polvo de poliimida, de manera que también se forma un agente de enlace polimérico que es una parte de la matriz 6.
El método de sinterización puede llevarse a cabo de manera que el material en polvo para los agentes de enlace de la matriz 6 se mezcle con las partículas abrasivas 5. La mezcla es compactada en una prensa fría. Después de eso se cura la mezcla compactada en un horno a una temperatura en el intervalo de los 380°C-520°C, preferiblemente 400°C-500°C o 440°C-460°C, por un periodo de 120-150 minutos. El tiempo requerido depende del tamaño. En una forma de prensa más grande, se requiere más tiempo. Después de eso (preferiblemente de manera inmediata después de eso) la mezcla compactada y curada se coloca en una prensa y se somete a una presión de 1500-2000 kg/cm2. La presión entonces se mantiene hasta que la mezcla ha alcanzado una temperatura bajo 300°C.
Por ejemplo, los inventores han elaborado herramientas de trituración de conformidad con este método en un procedimiento en donde la temperatura en el horno fue 450°C.
El borde abrasivo 4 también puede fabricarse por medio de sinterización de plasma de chispa (SPS, por siglas en inglés) . Mediante esta técnica, el borde abrasivo 4 puede fabricarse muy rápido.
El borde con la matriz que contiene partículas abrasiva puede sintetizarse separadamente y sujetarse (por ejemplo, pegarse) subsecuentemente sobre el núcleo 2. Alternativamente, el borde abrasivo 5 puede sinterizarse directamente sobre el núcleo 2 de manera que se enlace al núcleo a medida que se forma. Antes de sinterización, el núcleo 2 puede revestirse electrolíticamente con cobre sobre al menos una superficie del núcleo que encontrará el borde abrasivo 4. El borde abrasivo 4 entonces pues sinterizarse sobre la superficie revestida con cobre de manera que se forme una unión.
Material de relleno puede agregarse opcionalmente a la mezcla de polvo metálico y partículas abrasivas 5 antes de la operación de sinterización. Como se explicó previamente, el material de relleno puede comprender grafito. Otros materiales de relleno posibles pueden incluir, por ejemplo, esferas de óxido de aluminio.
Preferiblemente, se selecciona el bronce utilizado en el agente de enlace metálico del grupo que incluye cobre-estaño (Cu/Sn) , cobre-estaño-cobalto (Cu/Sn/Co) , cobre-estaño-níquel (Cu/Sn/Ni) o cobre-estaño-plata (Cu/Sn/Ag). Incluso más preferido, el bronce es un bronce de cobre-estaño-plata. Otras aleaciones de bronce también pueden considerarse .
La herramienta de trituración inventiva puede utilizarse para tornear materiales duros y/o frágiles. Esto no excluye la posibilidad que la herramienta de trituración pueda utilizarse también para otros materiales.
En modalidades de la invención, la matriz 6 puede comprender también opcionalmente al menos un componente de cerámica en la forma de partículas de cerámica. El componente de cerámica puede ser, por ejemplo, frita y contener Si02. Las partículas de cerámica para la matriz pueden ser frita en la forma de partículas esféricas que tienen un tamaño de partícula de 50µp\-500µt? dependiendo del tamaño de las partículas abrasivas. Para partículas abrasivas más grandes, se utilizarán partículas de cerámica más grandes. Las partículas abrasivas pueden incorporarse en las partículas de cerámica mientras las partículas de cerámica se incorporan en una matriz híbrida con un agente de enlace metálico y un agente de enlace polimérico. Las partículas de cerámica pueden mantenerse retenidas más fuerte por la matriz que lo que se retendrían las partículas abrasivas. Las propiedades de corte libre del borde abrasivo se mejoran de esa forma. El componente de cerámica no tiene tan buena resistencia al desgaste como el agente de enlace metálico. Al combinar cerámicas, agentes de enlace metálicos y poliméricos, es posible combinar las mejores propiedades de estos agentes de enlace .
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :
1. - Una herramienta de trituración para tornear materiales duros y/o frágiles, caracterizada porque comprende un núcleo y un borde abrasivo, el borde abrasivo comprende partículas abrasivas incorporadas en una matriz, la matriz comprende un agente de enlace metálico que es una aleación de bronce sinterizada, el agente de enlace metálico constituye 50%-100% en volumen de la matriz, el agente de enlace metálico contiene nitruro de silicio en una cantidad que constituye 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico, caracterizada porque el nitruro de silicio está presente en la forma de granos que tienen un tamaño de grano promedio que es menor que ??µt? y sobre 0.1 µ??.
2. - Una herramienta de trituración de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la matriz además comprende un agente de enlace polimérico que ha sido sinterizado junto con el agente de enlace metálico de manera que el agente de enlace polimérico y el agente de enlace metálico forman una red conectada.
3. - Una herramienta de trituración de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el nitruro de silicio constituye 0.3%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico, preferiblemente 0.5%-3% en volumen e incluso más preferido 0.5%-2% en volumen.
4. - Una herramienta de trituración de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el agente de enlace polimérico comprende poliimida.
5. - Una herramienta de trituración de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque la matriz adicionalmente comprende materiales de relleno tal como grafito.
6. - Una herramienta de trituración de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizada porque el agente de enlace metálico es una aleación de bronce que comprende cobre, estaño y plata.
7. - Una herramienta de trituración de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizada porque las partículas abrasivas son partículas de diamante o partículas de nitruro de boro cúbico.
8. - Una herramienta de trituración de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque las partículas abrasivas tienen un tamaño de partícula medio en el intervalo de 4µp?-181µt? y preferiblemente en el intervalo de 46µt?-91µ??.
9. - Una herramienta de trituración de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque las partículas abrasivas tienen un revestimiento de cobre o níquel.
10. - Un método para elaborar una herramienta de trituración, el método comprende sinterizar partículas abrasivas junto con polvo metálico que comprende cobre y estaño de manera que la sinterización resulta en una matriz en la cual se incorporan las partículas abrasivas, la matriz comprende un agente de enlace metálico que es una aleación de bronce sinterizada, caracterizado porque se agrega nitruro de silicio en la forma de un polvo al polvo metálico antes de sinterización y a tal grado que el nitruro de silicio constituirá 0.02%-5.0% en volumen del agente de enlace metálico en donde el nitruro de silicio que se agrega está en en la forma de granos que tiene un tamaño de grano promedio que es menor que ??µp? y sobre ?.?µ?t?.
11. - Un método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el polvo metálico adicionalmente comprende plata.
12. - Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque se agrega un polímero al polvo metálico antes de sinterización, preferiblemente en la forma de polvo de poliimida, de manera que también se forma un agente de enlace poliméricos que es una parte de la matriz.
13. - Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10-12, caracterizado porque comprende; mezclar el material en polvo para los agentes de enlace de la matriz con las partículas abrasivas; compactar la mezcla en una prensa fría; curar la mezcla compactada en un horno de una temperatura en el intervalo de 380°C-520°C, preferiblemente 400°C-500°C, por un periodo de 120-180 minutos; después de eso colocar la mezcla compactada y curada en una prensa y someterla a una presión de 1500-2000 kg/cm2; y retener la presión hasta que la mezcla haya alcanzado una temperatura bajo 300°C.
14. - Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10-13, caracterizado porque el material de relleno se agrega a la mezcla de polvo metálico y partículas abrasivas antes de la operación de sinterización y en donde el material de relleno comprende grafito.
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