MATERIALES COMPUESTOS ULTRADUROS.

La presente invención se refiere a materiales compuestos ultraduros Los materiales compuestos ultraduros, típicamente en forma de compactos abrasivos, se usan ampliamente en corte, molienda, trituración, perforación y otras operaciones abrasivas. Estos contienen generalmente partículas abrasivas ultraduras dispersadas en una matriz de segunda fase. La matriz puede ser metálica o cerámica o un compuesto a base de cerámica y metal. Las partículas abrasivas ultraduras pueden ser diamante, nitruro de boro cúbico (cBN), carburo de silicio o nitruro de silicio y similares. Estas partículas pueden unirse entre sí durante el proceso de fabricación del compacto a alta presión y alta temperatura usado generalmente, formando una masa policristalina, o pueden unirse mediante el material o materiales de la matriz de segunda fase para formar una masa policristalina. Dichos cuerpos se conocen generalmente como diamante policristalino (PCD), o nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN), donde contienen diamante o cBN como partículas ultraduras, respectivamente. La solicitud PCT WO2006/032984 divulga un procedimiento de fabricación de un elemento abrasivo policristalino, que incluye las etapas de proporcionar una pluralidad de partículas abrasivas ultraduras que tienen superficies vitreófilas, recubrir las partículas abrasivas ultraduras con un material precursor de matriz, tratar las partículas abrasivas ultraduras recubiertas para hacerlas adecuadas para el sinterizado, preferentemente para convertir el material precursor de matriz en un óxido, nitruro, carburo, oxinitruro, oxicarburo o carbonitruro del material precursor de matriz, o una forma elemental del material precursor de matriz, o combinaciones de las mismas, y consolidar y sinterizar las partículas abrasivas ultraduras recubiertas a una presión y temperatura a las cuales son cristralográfica o termodinámicamente estables. De esta manera se preparan materiales compuestos policristalinos ultraduros que tienen partículas ultraduras dispersadas de forma homogénea en materiales de matriz de grano fino, submicrométrico y nanométrico. Los elementos abrasivos ultraduros típicamente comprenden una masa de materiales particulados ultraduros de cualquier tamaño o distribución de tamaño menor de aproximadamente varios cientos de micrómetros, hasta e incluyendo tamaños sub-micrométrico y nanométrico (partículas por debajo de 0,1 micrómetros es decir 100 nm), que se dispersan bien en una matriz continua hecha de cerámica oxidada de grano extremadamente fino, cerámica no oxidada, compuestos a base de cerámica y metal o combinaciones de estas clases de materiales. El documento EP 0 698 447 divulga otro enfoque para la generación de materiales compuestos ultraduros, mediante el cual la matriz se genera mediante la pirólisis de precursores poliméricos organometálicos, tal como pirólisis de polisilazanos polimerizados. Esto tiene una utilidad particular para la generación de compuestos ultraduros derivados de diamante y/o cBN donde las matrices de cerámica se seleccionan entre carburo de silicio, nitruro de silicio, carbonitruro de silicio, dióxido de silicio, carburo de boro, nitruro de aluminio, carburo de tungsteno, nitruro de titanio y carburo de titanio. Es deseable que los compuestos ultraduros sean optimizables respecto a sus propiedades mecánicas y su rendimiento en aplicaciones. En particular se desea un rendimiento superior en aplicaciones relacionadas con el desgaste tales como maquinado de materiales duros de maquinar y perforación de rocas. Resumén de la invención De acuerdo con la invención que se da en las reivindicaciones, se proporciona un material compuesto ultraduro que comprende partículas ultraduras de diamante o nitruro de boro cúbico o una combinación de los mismos, dispersadas en un material de matriz de tamaño de grano nanométrico que comprende nitruro de cromo (CrN o Cr2N), nitruro de titanio (TiN), nitruro de tántalo (TaN o Ta3N5), nitruro de niobio (NbN), nitruro de vanadio (VN), nitruro de zirconio (ZrN), nitruro de hafnio (HfN), nitruro de silicio (Si3N4), dióxido de silicio (SiO2), carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC o Ta2C), carburo de niobio (NbC), carburo de vanadio (VC), carburo de zirconio (ZrC), carburo de hafnio (HfC), carburo de silicio (SiC), óxido de aluminio (Al2O3), óxido de zirconio (ZrO2) o combinaciones de los mismos, en el que el tamaño de grano promedio del material de matriz está en 30 nm del tamaño de grano de desviación de la ley de Hall-Petch para el material de matriz. También se divulga un procedimiento de producción de un material compuesto abrasivo ultraduro que incluye las etapas de proporcionar una fuente de partículas ultraduras, poner en contacto a las partículas ultraduras con un material precursor de matriz de tamaño de grano nanométrico para formar un volumen de reacción, y consolidar y sinterizar el volumen de reacción a una presión y una temperatura a las que las partículas ultraduras son cristalográfica o termodinámicamente estables, caracterizado por que el tamaño de grano promedio del material precursor de matriz es tal que proporciona un material de matriz que tiene un tamaño de grano promedio que está en 30 nm del tamaño de grano de desviación de la ley de Hall-Petch para el material de matriz. El tamaño de grano promedio del material de matriz está preferentemente en 20 nm o, más preferentemente, en 10 nm de, y de la forma más preferible en o cerca de (lo más cerca que sea prácticamente posible) el tamaño de grano 2 E07789413 20-10-2011   de desviación de la ley de Hall-Petch para el material de matriz. El material compuesto ultraduro de la invención comprende partículas de diamante y/o cBN micrométricas o submicrométricas dispersadas en un material de matriz de tamaño de grano nanométrico que comprende nitruro de cromo (CrN o Cr2N), nitruro de titanio (TiN), nitruro de tántalo (TaN o Ta3N5), nitruro de niobio (NbN), nitruro de vanadio (VN), nitruro de zirconio (ZrN), nitruro de hafnio (HfN), nitruro de silicio (Si3N4), dióxido de silicio (SiO2), carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC o Ta2C), carburo de niobio (NbC), carburo de vanadio (VC), carburo de zirconio (ZrC), carburo de hafnio (HfC), carburo de silicio (SiC), óxido de aluminio (Al2O3), óxido de zirconio (ZrO2) o combinaciones de los mismos. Descripción detallada de realizaciones preferidas Los materiales compuestos ultraduros de la invención, típicamente formados como cuerpos abrasivos policristalinos, también denominados como elementos abrasivos policristalinos, se usan como herramientas de corte para torneado, molienda y afilado, cuchillas de barrenado, cerámica y metal, piezas de repuesto y similares. La invención se refiere particularmente al diseño a medida del tamaño de grano promedio del material de matriz de los materiales compuestos, de modo que las mejoras esperadas en propiedades y comportamiento en aplicaciones como resultado del mismo puedan explotarse. La invención aprovecha los procedimientos de fabricación de materiales compuestos abrasivos ultraduros descritos en la solicitud PCT WO2006/032984 y el documento EP 0 698 447, que se optimizan de acuerdo con la presente invención. En particular el tamaño de grano de los materiales de matriz, y preferentemente también la diferencia del coeficiente de expansión térmica entre las partículas ultraduras y los materiales de matriz, se diseñan a medida para producir los compuestos abrasivos ultraduros de la invención. Los materiales compuestos ultraduros pueden generarse mediante el sinterizado del material de matriz a alta temperatura y presión. En estas condiciones tanto las partículas como la matriz alcanzan un equilibrio plástico y elástico entre sí después del sinterizado y, por lo tanto, habrá una ausencia de tensión local, siempre que las condiciones de alta temperatura y presión se mantengan. Al refrigerar a temperatura ambiente, sin embargo, las diferencias en el coeficiente de expansión térmica entre las partículas ultraduras y la matriz generarán tensiones locales en la escala de la microestructura de la partícula y la matriz. Se sabe en la bibliografía que la tensión por diferencia de expansión térmica, T dentro de una única partícula esférica en una matriz infinita puede expresarse mediante la fórmula de Selsing, (J. Selsing; "Internal Sresses in Ceramics"; J. Am. Ceram. Soc, 1961, vol. 44, p 419.): en la que que es la diferencia de coeficiente de expansión térmica entre la partícula p y la matriz, m; donde que es la diferencia entre la temperatura de transición plástica, elástica de la matriz, Tpl y temperatura ambiente, Troom; y donde en la que es la relación de Poisson, E es el módulo de Young, y los subíndices m y p indican matriz y partícula, respectivamente. Las distribuciones de tensión tangencial, Ti, y radial,... [Seguir leyendo]

1. Un material compuesto ultraduro que comprende partículas ultraduras de diamante o nitruro de boro cúbico o una combinación de los mismos, dispersadas en un material de matriz de tamaño de grano nanométrico que comprende nitruro de cromo (CrN o Cr2N), nitruro de titanio (TiN), nitruro de tántalo (TaN o Ta3N5), nitruro de niobio (NbN), nitruro de vanadio (VN), nitruro de zirconio (ZrN), nitruro de hafnio (HfN), nitruro de silicio (Si3N4), dióxido de silicio (SiO2), carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC o Ta2C), carburo de niobio (NbC), carburo de vanadio (VC), carburo de zirconio (ZrC), carburo de hafnio (HfC), carburo de silicio (SiC), óxido de aluminio (Al2O3), óxido de zirconio (ZrO2) o combinaciones de los mismos, en el que el tamaño de grano promedio del material de matriz, está en 30 nm del tamaño de grano de desviación de la ley de Hall-Petch para el material de matriz. 2. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el tamaño de grano promedio del material de matriz está preferentemente en 20 nm del tamaño de grano de desviación de la ley de Hall Petch para el material de matriz, preferentemente en 10 nm del tamaño de grano de desviación de la ley de Hall Petch para el material de matriz, más preferentemente en o cerca del tamaño de grano de desviación de la ley de Hall Petch para el material de matriz. 3. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las partículas ultraduras son nitruro de boro cúbico sub-micrométrico y el material de matriz es nitruro de titanio con tamaño de grano nanométrico con un tamaño de grano promedio de entre 20 y 80 nm, preferentemente entre 30 nm y 70 nm, más preferentemente entre 40 nm y 60 nm. 4. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el tamaño de grano promedio es de aproximadamente 40 nm. 5. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las partículas ultraduras son cBN y el material de matriz es óxido de zirconio (ZrO2), incluyendo las fases tetragonal y monocíclica del mismo. 6. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las partículas ultraduras son diamante y el material de matriz es óxido de zirconio (ZrO2), incluyendo las fases tetragonal y monocíclica del mismo. 7. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las partículas ultraduras son cBN y el material de matriz es nitruro de cromo, Cr2N. 8. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las partículas ultraduras son diamante y el material de matriz es óxido de aluminio (Al2O3). 9. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las partículas ultraduras son diamante y el material de matriz es dióxido de silicio (SiO2). 10. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el material de matriz es cuarzo. 11 E07789413 20-10-2011   12 E07789413 20-10-2011