Polvos duros con recubrimiento tenaz y artículos sinterizados de los mismos.

Material sinterizado que comprende

una pluralidad de particulas de nudeo,

que consisten en nitruro de boro cúbico;

una capa intermedia sobre cada una de las particulas de nucleo, consistiendo la capa intermedia en WC o W2C, formando de ese modo particulas recubiertas, y en la que la capa intermedia tiene un espesor, tras la sinterización, en el intervalo de desde el 5% hasta el 25% del diametro de las particulas de núcleo; y

un aglutinante que se superpone a la capa intermedia sobre las particulas recubiertas y que constituye una capa que incluye hierro, cobalto, niquel, sus mezclas, sus aleaciones o sus compuestos intermetalicos, y en el que la capa de aglutinante tiene un espesor tras la sinterización en el intervalo de desde el 3% hasta el 12% del diametro de las particulas recubiertas.

Polvos duros con recubrimiento tenaz y artículos sinterizados de los mismos

Antecedentes de la invención

Referencia cruzada a la solicitud relacionada

La presente solicitud se basa en una solicitud provisional con n.0 de serie 60/046.885 presentada el 13 de mayo de 1997.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a polvos cerámicos y materiales sinterizados compuesto por tales polvos. Tales materiales encuentran utilidad particular como elementos de formación de metales tales como herramientas de corte y formación de metales.

Antecedentes de la invención

Durante mediados de los años 1930, las aleaciones de acero para herramientas empezaron a sustituirse por herramientas de polvo de carburo de tungsteno sinterizado, que rápidamente se hicieron convencionales debido a su excelente dureza y alta tenacidad y resistencia mecánica transversal inherentes. La dureza de tales materiales mejoró la vida útil de la herramienta y la tenacidad y resistencia ayudaron a aumentar la productividad permitiendo mayores alimentaciones, velocidades y parámetros de forja más agresivos. El desarrollo de las herramientas de carburo y la disponibilidad comercial aumentaron significativamente tras la Segunda Guerra Mundial.

Incluso estos materiales finalmente se desgastan, y los mecanismos de tal desgaste todavía no se entienden completamente. El desgaste progresivo produce variación en los materiales que se están conformando, y como resultado de la necesidad de mantener las tolerancias dimensionales de la pieza, la herramienta debe sustituirse cuando ya no puede formar la pieza en la dimensión correcta. El tiempo o el número de piezas formadas antes de que se produzca esto determinan en última instancia el límite de la vida útil de la herramienta. La pérdida de productividad resultante durante el cambio de la herramienta y el reajuste del proceso, la producción defectuosa, la nueva realización del trabajo y los calendarios de entrega incumplidos han constituido un motivo principal para obtener materiales que proporcionen una vida útil más larga de la herramienta.

La vida útil de la herramienta se determina por su resistencia a varios tipos de desgaste, su respuesta a cargas pesadas y al choque. En general, cuando mayor es la tasa de eliminación de esquirlas (altas alimentaciones y velocidades), las presiones de formación y estirado, y más tiempo se mantiene la geometría de la herramienta, mejor es la herramienta. Las herramientas de corte y formación superiores deben ser simultáneamente duras, fuertes, rígidas y resistentes al desportillado, la fractura, la ruptura por calor, la fatiga, la reacción química con la pieza de trabajo y al desgaste por rozamiento. En consecuencia, las propiedades mecánicas deseables dominantes buscadas en una herramienta sinterizada son resistencia, dureza, alto módulo de elasticidad, tenacidad a la fractura, baja interacción química con la pieza de trabajo, y bajo coeficiente de fricción para ayudar a la formación de la pieza de trabajo mientras se reduce la acumulación térmica.

En los últimos años, la industria de la pulvimetalurgia (PM) ha aumentado significativamente debido a la capacidad de los polvos para fluir en frío en un molde de precisión. Esto permite que el molde vuelva a usarse, a menudo con un alto volumen, mientras se reduce espectacularmente el mecanizado, la formación y otras etapas del proceso porque la pieza sinterizada ya está muy próxima a su configuración deseada o forma semifinal. Cada vez más estas piezas, ahora producidas principalmente de polvos de aluminio, hierro y cobre, requieren algunos de los mismos atributos deseables como herramientas. Por este motivo, muchos artículos de PM se someten a operaciones adicionales de forja, recubrimiento electrolítico, tratamiento térmico para desarrollar dureza, tenacidad, y resistencia localizadas. Muchas de estas piezas requieren resistencia al choque y a la abrasión que requieren las mismas propiedades mecánicas que las requeridas para las herramientas.

En las herramientas y los artículos duros, la resistencia al desgaste aumenta a expensas de la resistencia; actualmente, las mejores herramientas muestran los mejores compromisos, y por tanto su uso se limita a aplicaciones especiales.

Además del carburo de tungsteno, se ha encontrado que diversas aleaciones, técnicas de recubrimiento y combinaciones de ambas permiten, no sólo una vida útil de la herramienta más larga, sino también un aumento de las alimentaciones y velocidades de corte.

Por ejemplo, el documento US 5.106.392 A da a conocer partículas abrasivas de múltiples granos y artículos fabricados a partir de las mismas. Las partículas abrasivas de múltiples granos comprenden gránulos finos de nitruro de boro cúbico o diamante unidos por una matriz sinterizada de una o más capas de material de recubrimiento activo que está unido químicamente a la superficie subyacente. Estas partículas se obtienen sinterizando los gránulos recubiertos en condiciones relativamente suaves. El material de recubrimiento activo puede ser cualquier metal o

aleación que se une químicamente con la superficie del gránulo abrasivo o un recubrimiento sobre el mismo cuando se aplica. Los metales preferidos incluyen titanio, zirconio, hafnio, cobalto, vanadio, niobio, tantalio, silicio, cobre, cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, y similares o mezclas de los mismos. Los boruros, nitruros, carburos y óxidos de estos diversos metales también son adecuados. Los ejemplos de las especies preferidas en esta clase incluyen los boruros, nitruros y carburos de titanio, zirconio, hafnio, vanadio, niobio, tantalio, molibdeno, cromo, tungsteno y silicio. Los materiales de recubrimiento activos particularmente preferidos incluyen carburo de titanio, nitruro de titanio y tungsteno. El recubrimiento sinterizable puede aplicarse mediante las mismas técnicas que aquéllas para materiales de recubrimiento activos, es decir, mediante deposición no electrolítica, deposición electrolítica, deposición a vacío y deposición química en fase de vapor.

La pulvimetalurgia y la sinterización han conducido al desarrollo de nuevos materiales con dureza y tenacidad mejoradas, y añadiendo un recubrimiento duro a la aleación sinterizada tal como mediante deposición química en fase de vapor (CVD), deposición física en fase de vapor (PVD), o deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PACVD) se ha mejorado la resistencia al desgaste.

En la técnica anterior se enseña mucho sobre la preparación de recubrimientos sobre polvos, sustratos de recubrimiento, y otras mejoras sobre el material duro. La técnica anterior de los materiales para herramientas enseña seis enfoques que se conocen actualmente y son de uso general para lograr tales resistencia al desgaste y tenacidad mejoradas, teniendo cada uno beneficios significativos e inconvenientes significativos: (1) mezclar partículas de fase dura y tenaz, (2) recubrir por deposición química en fase de vapor (u otro) los sustratos sinterizados con capas de fase dura, (3) combinar los enfoques uno y dos, (4) obtener productos compactos cerametálicos (cerametal), (5) para un tipo especial de herramienta (medios de esmerilado y lijado), unir químicamente bajas concentraciones de partículas grandes de diamante o cBN para dar lugar a un sustrato abrasivo duro pero relativamente débil, y (6) materiales con función gradiente (FGM).

Ninguna de estas soluciones ha logrado la combinación esencial de propiedades de herramienta deseadas, y sólo el enfoque de deposición química en fase de vapor (CVD o PVD) es aplicable actualmente para algunas piezas mecánicas que requieren un aumento de la resistencia a la abrasión.

Mezcla de sistemas ternarios duros v tenaces

Pese a los muchos tratamientos auxiliares y a las variaciones que existen y que se enseñan en la técnica, la mezcla de partículas de aleación WC-TiN-Co duras con el polvo de carburo antes de la sinterización tiene varias desventajas. Dado que estas partículas más duras tienen baja solubilidad mutua con el aglutinante, la resistencia transversal del sustrato disminuye rápidamente por encima del 6-10 por ciento en peso de partículas duras. En consecuencia, también se reducen la dureza de superficie y la resistencia al desgaste, en comparación con un recubrimiento de superficie. El mecanismo de desgaste tampoco se mejora en gran medida porque las pocas partículas duras (menos de una de cada diez en la superficie en la que se necesitan), unidas débilmente al aglutinante, se desprenden enteras.

Recubrimientos mediante deposición química en fase de vapor fCVDI.

Estos recubrimientos externos duros de capas de cerametal e intermetálicas duras sobre aceros para... [Seguir leyendo]

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Material sinterizado que comprende

una pluralidad de partículas de núcleo, que consisten en nitruro de boro cúbico;

una capa intermedia sobre cada una de las partículas de núcleo, consistiendo la capa intermedia en WC o W2C, formando de ese modo partículas recubiertas, y en la que la capa intermedia tiene un espesor, tras la sinterización, en el intervalo de desde el 5% hasta el 25% del diámetro de las partículas de núcleo; y

un aglutinante que se superpone a la capa intermedia sobre las partículas recubiertas y que constituye una capa que incluye hierro, cobalto, níquel, sus mezclas, sus aleaciones o sus compuestos intermetálicos, y en el que la capa de aglutinante tiene un espesor tras la sinterización en el intervalo de desde el 3% hasta el 12% del diámetro de las partículas recubiertas.

Material según se reivindica en la reivindicación 1, en el que las partículas recubiertas tienen un tamaño medio de partícula inferior a 2 pm, preferiblemente inferior a 1 pm.

Material según se reivindica en las reivindicaciones 1 ó 2, en el que partes de la capa intermedia y el aglutinante se retiran para exponer las partículas de núcleo.

Material según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una tenacidad a la fractura mayor que la del nitruro de boro cúbico.

Polvo que consiste en una pluralidad de partículas recubiertas, comprendiendo la mayoría de las partículas recubiertas:

partículas de núcleo, que consisten en nitruro de boro cúbico, y

una capa intermedia sobre cada una de las partículas de núcleo, consistiendo la capa intermedia en WC o W2C, y en la que la capa intermedia tiene un espesor, tras la sinterización, en el intervalo de desde el 3% hasta el 200% y preferiblemente de desde el 5% hasta el 25% del diámetro de dichas partículas de núcleo.

Polvo según se reivindica en la reivindicación 5, en el que las partículas recubiertas tienen un tamaño medio de partícula inferior a 2 pm, preferiblemente inferior a 1 pm.

Polvo según se reivindica en las reivindicaciones 5 a 6, que incluye una capa de aglutinante exterior que consiste en un metal seleccionado del grupo que consiste en: hierro, cobalto, níquel, sus mezclas, sus aleaciones o sus compuestos intermetálicos, depositándose la capa de aglutinante sobre la superficie exterior de la capa intermedia en forma de una capa continua.

Polvo según se reivindica en la reivindicación 7, en el que la capa continua de un aglutinante se deposita mediante deposición química en fase de vapor, pulverización catódica, deposición de carbonita, recubrimiento no electrolítico por pulverización de disolución, galvanoplastia o deposición física en fase de vapor.

Polvo según se reivindica en la reivindicación 8, en el que la capa intermedia que consiste en WC tiene un espesor en el intervalo de desde el 5% hasta el 25% del diámetro de dichas partículas de núcleo y la capa exterior comprende cobalto o níquel.

Polvo según se reivindica en la reivindicación 9, en el que la combinación de la partícula de núcleo, la capa intermedia y la capa de aglutinante exterior tiene un tamaño medio de partícula inferior a 1 pm.