Abrasivos de alfa alúmina submicrométrica aglutinados a alta temperatura.

Un abrasivo aglutinado a alta temperatura, que comprende:

gránulos abrasivos de alúmina;

y

una matriz aglutinante vítrea en la cual están distribuidos los gránulos abrasivos de alúmina, teniendo la matrizaglutinante vítrea una temperatura de curado no inferior a 1000°C, en la que los gránulos abrasivos de alúminacomprenden alfa alúmina policristalina que tiene una microestructura cristalina fina caracterizada por un tamañomedio de dominio de alfa alúmina no superior a 500 nm, y en la que los gránulos abrasivos de alúmina comprendenademás un agente de fijación, comprendiendo el agente de fijación una fase dispersada en la alfa alúminapolicristalina.

Abrasivos de alfa alúmina submicrométrica aglutinados a alta temperatura

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a un abrasivo aglutinado a alta temperatura y a un procedimiento para la preparación del mismo, de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 14, respectivamente. Un ejemplo de dicho abrasivo y procedimiento se describen por el documento US 2004/0148869A.

TÉCNICA ANTECEDENTE

Los materiales y componentes abrasivos de alto rendimiento se han usado desde hace tiempo en diversas aplicaciones de mecanizado industrial, incluyendo el pulido/rectificado, en las que se ejecuta la eliminación de material grueso, para ejecutar un pulido fino, en el que se abordan las irregularidades superficiales de tamaño de unos micrómetros a submicrométricas. Materiales típicos que son sometidos a tales operaciones de mecanizado incluyen diversos materiales cerámicos, vidrio-cerámicos, metales y aleaciones metálicas. Los abrasivos pueden adoptar una cualquiera de diversas formas, tales como abrasivos libres como en una suspensión de abrasivo en la que para la mecanización se usan partículas abrasivas sueltas en suspensión. De forma alternativa, los abrasivos pueden adoptar la forma de un abrasivo fijado, tal como un abrasivo revestido o un abrasivo aglutinado. Los abrasivos aglutinados se clasifican en general como componentes abrasivos que tienen un sustrato subyacente, sobre el cual los gránulos o granos están adheridos al mismo a través de una serie de capas de adhesivo intermedias y superiores. De forma típica, los abrasivos aglutinados no tienen un sustrato subyacente y están formados por una estructura integral de gránulos de abrasivo que están aglutinados entre sí por medio del material de matriz aglutinante.

Los abrasivos aglutinados de la técnica anterior aprovechan materiales aglutinantes vítreos, tales como matrices aglutinantes de vidrio a base de sílice. De forma alternativa, abrasivos aglutinados especiales para determinadas aplicaciones incorporan gránulos superabrasivos, tales como carburo de boro cúbico y diamante, pueden estar aglutinados integralmente mediante el uso de una matriz aglutinante de aleación metálica.

Aunque en los últimos años se han continuado desarrollando los abrasivos aglutinados, se ha puesto especial atención en abrasivos aglutinados a alta temperatura que utilizan una matriz aglutinante formada de un material vítreo. Un ejemplo de un componente abrasivo aglutinado a alta temperatura se describe en la patente estadounidense 5.282.875. Aunque los componentes abrasivos aglutinados a alta temperatura han mejorado su rendimiento y durabilidad, continúa existiendo una necesidad en la técnica de otros componentes mejorados.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con un aspecto, se proporciona un abrasivo aglutinado a alta temperatura que incluye gránulos abrasivos de alúmina y una matriz aglutinante vítrea en la que los gránulos abrasivos están distribuidos. La matriz aglutinante vítrea tiene propiedades de alta temperatura, incluyendo una temperatura de curado no menor de aproximadamente 1000°C. Los gránulos abrasivos de alúmina comprenden α-alúmina policristalina que tiene una microestructura cristalina fina caracterizada por un tamaño medio de dominio de la α-alúmina no mayor de 500 nm. Los gránulos abrasivos de alúmina comprenden un agente de fijación, comprendiendo el agente de fijación una fase dispersada en la fase de α-alúmina policristalina.

Además, se proporciona un procedimiento para formar un abrasivo aglutinado a alta temperatura. El procedimiento requiere la formación de gránulos abrasivos de α-alúmina de microestructura cristalina mediante el tratamiento térmico de un precursor de α-alúmina que contiene un agente de fijación a una temperatura no inferior a 1350°C. Se forma entonces un cuerpo conformado que contiene los gránulos de α-alúmina y un material de matriz aglutinante vítrea. Además, el tratamiento térmico del cuerpo conformado se lleva a cabo a una temperatura de curado no inferior a 1000°C y por encima de la temperatura de fusión del material de matriz aglutinante vítrea. Los gránulos abrasivos de alúmina tienen un tamaño medio de dominio cristalino no mayor de aproximadamente 300 nm después del tratamiento térmico.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES

De acuerdo con una realización, el abrasivo aglutinado a alta temperatura incluye gránulos abrasivos de alúmina que tienen una microestructura particularmente fina y una matriz aglutinante vítrea en la cual los gránulos abrasivos de alúmina están distribuidos.

Volviendo primero a una descripción de los gránulos abrasivos de alúmina, de forma típica, los gránulos abrasivos de alúmina están formados fundamentalmente de α-alúmina policristalina. La α-alúmina policristalina forma, en general, la fase mayoritaria de los gránulos, es decir, al menos el 50% en peso. Sin embargo, por lo general, los gránulos abrasivos de alúmina son al menos un 60 % en peso, frecuentemente al menos un 80 % en peso, y en ciertas realizaciones, al menos un 90 % en peso α-alúmina policristalina. La α-alúmina policristalina tiene una microestructura cristalina fina que puede estar caracterizada por un tamaño medio de dominio de α-alúmina no

superior a 500 nm. Los dominios cristalinos son regiones cristalinas discretas, identificables de la microestructura que están formadas por una agregación de monocristales, o pueden estar formadas por un monocristal. Sin embargo, de acuerdo con determinadas realizaciones, los dominios cristalinos son monocristales y fácilmente son observados por medio de análisis de microscopía electrónica de barrido. El tamaño del dominio cristalino puede ser incluso más fino, tal como no superior a 400 nm, o no superior a 300 nm. Con el tamaño de dominio cristalino incluso más fino, de forma típica, los dominios son monocristales, como se ha indicado antes. Tales dominios finos pueden ser particularmente pequeños, tal como no superiores a 200 nm, no superiores a 190 nm, o incluso no superiores a 180 nm. Cabe resaltar que el tamaño de dominio cristalino fino está presente en el componente abrasivo aglutinado a alta temperatura, después del procesado. Esto es particularmente resaltable, puesto que a veces el proceso de formación del abrasivo aglutinado a alta temperatura implica el tratamiento a alta temperatura a la cual cura la matriz aglutinante vítrea. Dicho tratamiento a alta temperatura tiene tendencia a provocar el crecimiento del dominio, lo cual es particularmente no deseable. A continuación se proporcionan detalles adicionales.

Como se ha indicado antes, los gránulos abrasivos de alúmina incluyen además un agente de fijación. Un agente de fijación es un material que es ajeno a la microestructura de α-alúmina de los gránulos, y puede ser identificado por una segunda fase dispersada en la fase de matriz de α-alúmina policristalina. El agente de fijación, en general, es eficaz para "fijar" los dominios, evitando de este modo el crecimiento exagerado del dominio durante el sinterizado y/o procesado a alta temperatura de los gránulos para formar el componente abrasivo aglutinado. Ejemplos de agente de fijación incluyen óxidos, carburos, nitruros y boruros, así como productos de reacción de los mismos con la matriz de α-alúmina policristalina. De acuerdo con realizaciones particulares, el agente de fijación comprende un óxido de al menos uno de silicio, boro, titanio, circonio y un elemento de las tierras raras, y productos de reacción de los mismos, con la matriz de α-alúmina policristalina. Un agente de fijación particular es óxido de circonio, en general en la forma de ZrO2 (circonia) . El óxido de circonio es un material particularmente adecuado y, en general, es inerte en la matriz de α-alúmina policristalina, de modo que sufre una reacción limitada con la alúmina, reteniendo de este modo una fase cristalina de óxido de circonio, de forma típica, circonia. El agente de fijación está presente por lo general en los gránulos abrasivos de alúmina en una cantidad no inferior a aproximadamente 0, 1 % en peso, tal como una cantidad no inferior a aproximadamente 0, 5 % en peso, o no inferior a aproximadamente 1, 0 % en peso. El límite inferior del agente de fijación se elige para que sea una cantidad que sea eficaz para prevenir el crecimiento exagerado del dominio.

De acuerdo con una realización, el agente de fijación está presente en los gránulos abrasivos en una cantidad no superior a 40 % en peso, tal como una cantidad no superior a 30 % en peso, no superior a 20 % en peso o incluso no superior a 10 % en peso. En el abrasivo aglutinado a alta temperatura,... [Seguir leyendo]

1. Un abrasivo aglutinado a alta temperatura, que comprende:

gránulos abrasivos de alúmina; y

una matriz aglutinante vítrea en la cual están distribuidos los gránulos abrasivos de alúmina, teniendo la matriz aglutinante vítrea una temperatura de curado no inferior a 1000°C, en la que los gránulos abrasivos de alúmina comprenden alfa alúmina policristalina que tiene una microestructura cristalina fina caracterizada por un tamaño medio de dominio de alfa alúmina no superior a 500 nm, y en la que los gránulos abrasivos de alúmina comprenden además un agente de fijación, comprendiendo el agente de fijación una fase dispersada en la alfa alúmina policristalina.

2. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que el agente de fijación es un óxido de al menos un elemento del grupo que consiste en silicio, boro, titanio, circonio, tierras raras, productos de reacción de los mismos con la alfa alúmina policristalina, y combinaciones de los mismos.

3. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 2, en el que el agente de fijación comprende óxido de circonio.

4. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que el agente de fijación está presente en los gránulos abrasivos de alúmina en una cantidad no inferior a aproximadamente 0, 1% en peso.

5. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 4, en el que el agente de fijación está presente en los gránulos abrasivos de alúmina en un intervalo de aproximadamente 0, 1 a aproximadamente 20% en peso.

6. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que el agente de fijación tiene un tamaño medio de partículas no superior a aproximadamente 1 micrómetro.

7. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que los gránulos abrasivos de alúmina tienen un tamaño medio de dominio cristalino no superior a 400 nm.

8. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 7, en el que los dominios de la alfa alúmina policristalina son monocristalinos, y tienen un tamaño medio de dominio cristalino no superior a 200 nm.

9. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que los gránulos abrasivos de alúmina tienen un tamaño medio de dominio cristalino no superior a 300 nm y una estabilidad cristalina de al menos 1400°C, donde la estabilidad cristalina es la temperatura a la cual los gránulos abrasivos de alúmina sufren crecimiento del dominio cuantificado por un tamaño medio del dominio no superior a 500 nm, después de 5 minutos de exposición a dicha temperatura.

10. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que los gránulos abrasivos de alúmina tienen un índice de corrosión no superior a 15 μm, donde el índice de corrosión es la profundidad media de penetración de Si después de la exposición de los gránulos abrasivos de alúmina a vidrio de sílice fundida a 1250°C durante 4 horas.

11. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que la matriz aglutinante vítrea tiene una temperatura de curado no inferior a 1100°C.

12. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que la matriz aglutinante vítrea tiene una temperatura de transición vítrea Tg no inferior a aproximadamente 1000°C.

13. El abrasivo aglutinado a alta temperatura de la reivindicación 1, en el que el tamaño medio de dominio no es superior a 300 nm, y el agente de fijación comprende una fase de óxido de circonio dispersada en la alfa alúmina policristalina.

14. Un procedimiento de formación de un abrasivo aglutinado a alta temperatura, que comprende:

formación de gránulos abrasivos de alfa alúmina con microestructura cristalina fina, por tratamiento térmico de un precursor de alfa-alúmina que contiene un agente de fijación a una temperatura no inferior a 1350°C;

formación de un cuerpo conformado que contiene los gránulos de alfa alúmina con un material de matriz aglutinante vítrea; y

tratamiento térmico del cuerpo conformado a una temperatura de curado, siendo la temperatura de curado no inferior a 1000°C y superior a la temperatura de fusión del material de matriz aglutinante vítrea, teniendo los gránulos abrasivos de alúmina un tamaño medio del dominio cristalino no superior a 300 nm después del tratamiento térmico.

15. El procedimiento de la reivindicación 14, en el que el precursor de alfa alúmina se trata térmicamente en presencia de iniciadores.