Material sinterizado que consiste en una pluralidad de partículas de núcleo,

que consisten en uno o más primeros compuestos metálicos seleccionados del grupo que consiste en: TiN, TiCN, TiB2, TiC, ZrC, ZrN, VC, VN, Al2O3, Si3N4, y AIN; una capa intermedia sobre cada una de las partículas de núcleo que consiste en WC; y un aglutinante que se superpone a la capa intermedia sobre las partículas recubiertas y que constituye una capa que consiste en hierro, cobalto, níquel, sus mezclas, sus aleaciones o sus compuestos intermetálicos

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Referencia cruzada a la solicitud relacionada 5

La presente solicitud se basa en una solicitud provisional con n.º 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 hechos a partir de tales polvos. Tales materiales encuentran utilidad particular como elementos de formación de metales tales como 10 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 15 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 20 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 25 proceso, la producción defectuosa, la realización de nuevo 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 30 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, 35 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 40 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 45 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 50 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, la publicación de solicitud de patente estadounidense abierta a consulta por el público n.º US 5,167,943 A da a conocer un material de carburo de silicona recubierto con nitruro de titanio que contiene un núcleo de carbono de silicona recubierto con una capa de baja difusividad y que tiene sobre el mismo una capa 55

superficial de nitruro de titanio. Dicho material de carburo de silicona recubierto con nitruro de titanio se forma mediante un proceso de difusión en paquetes.

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 5 asistida por plasma (PACVD) se ha mejorado la resistencia al desgaste.

La publicación de solicitud de patente estadounidense abierta a consulta por el público n.º 5,489,449 A da a conocer un material de núcleo compuesto de un material inorgánico metálico o no metálico que está recubierto sobre la superficie con partículas ultrafinas de un material inorgánico metálico o no metálico. El material de núcleo puede estar compuesto entre otros por metales tales como Si, Ni, Co, W, Ti, Al, Cu, Fe y otros; o por 10 compuestos intermetálicos y aleaciones tales como aleación de Fe-Ni-Si, aleación de Fe-Cr-Al, aleación de Fe-Cr-Mo, aleación de Fe-Ni-Cr, aleación de Ni-Cr y otras y material compuesto de los mismos. El material de recubrimiento puede ser igual o diferente de los materiales de núcleo dependiendo de las propiedades y funciones deseadas de las partículas recubiertas. Dichas partículas recubiertas pueden producirse introduciendo las partículas de un material de núcleo en un estado monodisperso en una corriente que lleva las 15 partículas ultrafinas de un material de recubrimiento formado en una fase de vapor mediante una deposición química en fase de vapor (CVD) o una deposición física en fase de vapor (PVD) tal como un proceso de plasma de radiofrecuencia (RF) y un proceso de láser y poniendo en contacto dichas partículas ultrafinas de los materiales de recubrimiento con partículas del material de núcleo en un estado fluidizado para depositar fuertemente las partículas ultrafinas sobre la superficie del material de núcleo. Las partículas recubiertas así 20 producidas se usan como materiales en polvo para la producción de un producto sinterizado.

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) 25 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). 30

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 y tenaces

Pese a los muchos tratamientos auxiliares y a las variaciones que existen y que se enseñan en la técnica, la 35 mezcla de partículas de aleación WC-TiN-Co duras con el polvo... [Seguir leyendo]

1. Material sinterizado que consiste en

una pluralidad de partículas de núcleo, que consisten en uno o más primeros compuestos metálicos seleccionados del grupo que consiste en: TiN, TiCN, TiB2, TiC, ZrC, ZrN, VC, VN, Al2O3, Si3N4, y AIN;

una capa intermedia sobre cada una de las partículas de núcleo que consiste en WC; y 5

un aglutinante que se superpone a la capa intermedia sobre las partículas recubiertas y que constituye una capa que consiste en hierro, cobalto, níquel, sus mezclas, sus aleaciones o sus compuestos intermetálicos.

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

3. Material según la reivindicación 1 ó 2, en el que la capa intermedia tiene un espesor, tras la sinterización, 10 en el intervalo de desde el 3% hasta el 200%, preferiblemente del 5% al 25% del diámetro de las partículas de núcleo.

4. Material según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, 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. 15

5. Material según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que partes de la capa intermedia y el aglutinante se retiran para exponer las partículas de núcleo.

6. Material según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la capa de aglutinante consiste en cobalto o níquel.

7. Material según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye partículas de núcleo de 20 composiciones diferentes.

8. Polvo que consiste en una pluralidad de partículas recubiertas, consistiendo la mayoría de las partículas recubiertas en:

partículas de núcleo, que consisten en un primer compuesto metálico seleccionado de un grupo que consiste en: TiN, TiCN, TiB2, TiC, ZrC, ZrN, VC, VN, Al2O3, Si3N4, y AIN, y 25

una capa de WC sobre cada una de las partículas de núcleo.

9. Polvo según la reivindicación 8, en el que las partículas recubiertas tienen un tamaño medio de partícula inferior a 2 m, preferiblemente inferior a 1 m.

10. Polvo según la reivindicación 8 ó 9, en el que dicha capa tiene un espesor en el intervalo de desde el 3% hasta el 200%, y preferiblemente del 5% al 25% del diámetro de dichas partículas de núcleo. 30

11. Polvo según las reivindicaciones 8 a 10, 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 segunda capa de compuesto metálico en forma de una capa continua.

12. Polvo según la reivindicación 11, en el que la capa continua de un aglutinante se deposita mediante 35 deposición química en fase de vapor, pulverización catódica, deposición de carbonilo, recubrimiento no electrolítico por pulverización de disolución, galvanoplastia o deposición física en fase de vapor.

13. Polvo según la reivindicación 12, 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 de aglutinante exterior consiste en cobalto o níquel. 40

14. Polvo según la reivindicación 13, en el que una combinación de la partícula de núcleo, la capa intermedia y la capa de aglutinante exterior tiene un tamaño medio de partícula inferior a 1 m.