ES2257803T3

ES2257803T3 - Herramientas de diamante soldado por infiltracion.

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Publication number: ES2257803T3
Application number: ES98912072T
Authority: ES
Inventors: Chien-Min Sung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2006-08-01
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: KR100366465B1; EP1645365A1; CN1120766C; US6193770B1; EP1015182A2; AU6587698A; WO1998045091A3; EP1015182A4; EP1015182B1; US6039641A; JP2000512220A; KR20010006016A; WO1998045091A2; DE69833314D1; ATE316449T1; DE69833314T2; CN1261301A; JP3801215B2; TW414748B

Abstract

Una herramienta abrasiva que comprende: - un material soporte de la matriz (24) configurado para sostener partículas de diamante que son los abrasivos: - Un número de partículas de diamante (20) puestas en el material soporte de la matriz en una disposición predeterminada; y - una aleación (28) infiltrada en el material soporte de la matriz y las partículas de diamante, comprendiendo la aleación unos metales que contienen del 2 al 50 por ciento de un elemento escogido del grupo formado por cromo, manganeso, silicio y aluminio, siendo sustancialmente libre de metales volátiles, como el cinc, el plomo y el estaño.

Description

Herramientas de diamante soldado por infiltración.

La invención presente trata de herramientas que tiene partículas de diamante en su composición, cuyas partículas de diamante se enlazan químicamente en la matriz del material de soporte que sirve para mantener el diamante en su sitio. Más concretamente, la granalla de diamante se liga químicamente con un polvo matriz mediante un broncesoldado que empapa el diamante. Estas herramientas se fabrican por infiltración de la soldadura fundida en una matriz preformada que contiene partículas de diamante, sujetando así el diamante por medio de una ligazón química.

Desde hace mucho tiempo se utilizan herramientas abrasivas en multitud de aplicaciones, como el corte, taladrado, aserrado, trituración, rectificación y pulimiento de materiales. Como el diamante es el material abrasivo más duro, es muy utilizado con fines superabrasivos en sierras, taladros y otros utensilios que precisan abrasivo para cortar, dar forma o pulir otros materiales duros. Se calcula que el valor total de dichas herramientas es más de 5.000 millones de dólares U.S. al año. Más de la mitad del valor de estas herramientas se dedica a aplicaciones de corte de piedras, hormigón, asfalto, etc.

Las herramientas cubiertas de diamante son especialmente indispensables cuando a otras herramientas les falta la dureza y duración para ser sustitutos prácticos. Por ejemplo, en la industria de cantería, en la que hay que cortar, taladrar y aserrar tocas, las herramientas de diamante son casi las únicas con suficiente dureza y duración para que el corte, etc., sea económico. Muchas industrias, sin herramientas de diamante, no serían económicamente viables. Igualmente, en la industria de rectificado de precisión, las herramientas de diamante, por su resistencia superior al desgaste, son singularmente capaces de cumplir las tolerancias estrictas que se exigen, al mismo tiempo que resisten el desgasta lo necesario para ser prácticas.

Pese a la aplicación predominante de las herramientas de diamante, han sufrido de varias limitaciones significativas que imponen recortes innecesarios a la vida útil de estas herramientas. Uno de dichos inconvenientes es que la granalla de diamante no se sujeta al material matriz de soporte con suficiente fuerza para aumentar la vida útil del elemento cortante, taladrador, pulidor, etc. En efecto, en casi todos los casos el diamante pulverizado apenas está embebido mecánicamente en el material matriz de soporte. El resultado es que, durante el trabajo, se arranca prematuramente la granalla de diamante. Además, puede que la matriz no bien ligada, no ofrezca el soporte adecuado a la granalla en condiciones de trabajo. Así, las partículas de diamante, podrían desprenderse por el impacto de la herramienta contra la pieza trabajada a la que se aplica el abrasivo, etc.

Se ha calculado que, en una herramienta de diamante típica, menos de alrededor del diez por ciento de la granalla se consume realmente en la aplicación pretendida; p. ej. en el corte, taladro, pulimiento, etc. El resto del diamante pulverizado se desperdicia bien cuando se agota la vida útil de la herramienta, o cuando se arranca o se rompe por estar mal unido o porque el soporte es inadecuado. La mayoría de estas pérdidas de diamante pueden evitarse si las partículas de diamante se situaran debidamente en la matriz que las rodea o unidas firmemente a la misma.

Además, para que la granalla de diamante quede sujeta con la firmeza suficiente para que permanezca en su sitio, debe estar incrustada profundamente en la matriz para que no se caiga ni se arranque durante el trabajo. En ese caso, las partículas de diamante no sobresaldrían lo suficiente de la superficie de la herramienta. Si sobresalen poco, se reduce la altura de corte para entrar en el material que se corta. Esta limitación a su vez, reduce la velocidad de la herramienta cortante. Si el diamante triturado se pudiera sostener con más fuerza en la matriz, podría sobresalir más de la misma. Teniendo más profundidad de corte se puede aumentar la velocidad consiguiendo mayor vida útil del producto. También se podría reducir la energía necesaria para cortar, taladrar, etc., por la menor fricción entre la pieza trabajada y la matriz de la herramienta.

Para anclar firmemente la granalla de diamante en la matriz, es deseable que la matriz forme un carburo alrededor de la superficie del diamante. La liga química que se crea es mucho más fuerte que la unión mecánica habitual. El carburo se forma por reacción del diamante con un metal de transición adecuado. Algunos ejemplos de metales de transición que forman carburo son: titanio (Ti), vanadio (V), cromo (Cr), Zirconio (Zr), molibdeno (Mo) y tungsteno (W).

La formación de carburo requiere depositar el carburógeno alrededor del diamante y luego hacer reaccionar a los dos para hacer carburo. Además, el carburógeno no reaccionado se debe consolidar por sinterización u otros medios. Todas estas operaciones exigen tratar el material a temperaturas muy altas. Sin embargo, el diamante se pude degradar si se expone a temperaturas mayores de 1.000ºC. La degradación se debe a la reacción con el material matriz o a la formación de microgrietas alrededor de las penetraciones de metal en los cristales. Estas penetraciones son catalizadores atrapados que sirven para sintetizar el diamante.

Casi todos los carburógenos son metales refractarios que no pueden consolidarse a menos de 1.200ºC. Así, los carburógenos refractarios no son adecuados para ser el constituyente principal del material soporte de la matriz.

Sin embargo ha algunos carburógenos que se pueden sinterizar a menor temperatura, tales como el manganeso (Mn), el hierro (Fe), el silicio (Si) y el aluminio (Al). Pero estos carburógenos tienen otras propiedades indeseables que les impiden ser el constituyente principal del material soporte de la matriz. Por ejemplo, el manganeso y el hierro sirven de catalizadores para sintetizar el diamante a alta presión (más de 50 Kb). Por eso pueden catalizar el diamante y reconvertirlo en grafito al sinterizar el polvo de la matriz a menor presión. La reconversión es la mayor causa de la degradación del diamante a alta temperatura.

El aluminio, por otra parte, tiene el punto de fusión bajo (660ºC) por lo que es fácil trabajar con él para sujetar las partículas de diamante. Pero cuando la granalla de diamante hace un corte enérgico puede llegar al punto de fusión del aluminio. Así que el aluminio pude ponerse demasiado blando para sostener la granalla de diamante en la operación de corte. También el aluminio tiende a formar el carburo Al_{4}C_{3} en el contacto con el diamante. El carburo se hidroliza fácilmente, por lo que se puede desintegrar cuando se expone a un refrigerante. De ahí que el aluminio no sea normalmente un carburógeno apropiado para ligar el diamante a la matriz.

Para evitar la alta temperatura de la sinterización, se suelen diluir los carburógenos, como el tungsteno, para formar un constituyente menor de la matriz que se hace primordialmente de cobalto o bronce. Durante el proceso de sinterización, si acaso se forma una fase liquida, es una cantidad mínima. La difusión del carburógeno a través del medio sólido hacia el diamante es muy lenta. Por lo tanto, la formación de carburo en la superficie del diamante es despreciable. Por lo tanto, incorporar un carburógeno como constituyente menor de la matriz, mejora la sujeción del diamante de forma marginal en el mejor de los casos.

A fin de asegurar la formación de carburo en la superficie del diamante, el diamante se puede cubrir con el carburógeno antes de mezclarlo con el polvo de la matriz. De este modo, aunque el carburógeno sea una parte menor de la matriz, se concentrar alrededor del diamante para formar la ligazón deseada.

El diamante se puede cubrir química o físicamente. En el primer caso, la cubrición de metal se forma por reacción química, por lo general a una temperatura relativamente baja. Por ejemplo, mezclando el diamante con un carburógeno, como el titanio o el cromo y calentando la mezcla al vacío o en una atmósfera protectora, se deposita una capa delgada de carburo sobre el diamante. Se puede aumentar el espesor de la capa subiendo la temperatura. También se puede acelerar el ritmo de deposición añadiendo un gas adecuado (p. ej.: vapor de HCI) que ayuda a transportar el metal. Por ejemplo, Chem and Sung (patente US 5,024,680) describe dicho proceso de cubrimiento.

También el cubrimiento se puede realizar en una sal fundida. Por ejemplo, la patente US 2,746,888 describe un método para cubrir el diamante con una capa fina de titanio en sal fundida de cloruros).

Un método químico utilizado comúnmente para cubrir el diamante es una deposición de vapor químico (CVD). En este caso, el metal depositado se produce por reacción de los gases a gran temperatura. Así, la patente US 3,520,667 describe una técnica para depositar una capa delgada de silíceo (Si) sobre la superficie del diamante. Esta deposición se hace a una temperatura lo bastante alta para que se forme instantáneamente carburo de silíceo en el punto de contacto.

Para impedir la posible degradación del diamante por exposición a altas temperaturas, se produce el cubrimiento a la temperatura más baja posible. No obstante, si el cubrimiento se hace a baja temperatura, a menudo resulta demasiado delgado. Por ejemplo, el espesor del recubrimiento producido por un método químico habitual es de aproximadamente un micrómetro. Hay algunas granallas de diamante comerciales que contienen dicho cubrimiento. Por ejemplo, General Electric Company ofrece una granalla para sierra que se puede cubrir con una capa delgada de titanio o cromo.

Sin embargo, si el recubrimiento delgado se expone a alta temperatura, como la que se encuentra en el proceso de sinterización, se oxida fácilmente en la atmósfera o se disuelve en el metal de la matriz. Así, aunque se asegure que dichos productos recubiertos comerciales tienen ventajas importantes, p. ej. alargamiento de un tercio de la vida útil, es discutible que un recubrimiento delgado tenga capacidad para sobrevivir al proceso de fabricación.

Se puede aplicar varias capas para proteger el recubrimiento fino de metal. Así, las patentes US 5,232,469 y 5,250,086 describen una segunda capa hecha de níquel u otro metal no carburógeno. La segunda capa se puede depositar por un proceso no eléctrico que se realiza a una temperatura más baja. Sobre más capas, veamos Chen y Sung (patentes US 5,024,680 ó 5,062,865) que describen una granalla de diamante con tres capas de cubrimiento. En este caso, la capa interior está hecha de cromo con una capa superpuesta de un metal secundario, como el titanio. Las dos capas van envueltas por una tercera capa de un material tal como el tungsteno. Pero este sistema de cubrimiento es muy complicado y podría ser demasiado caro para que la producción de muchas herramientas de corte, taladro y pulimiento sea económicamente viable.

O bien se puede depositar un recubrimiento químico relativamente grueso por un método de CVD. Por ejemplo, Sung et al (patentes US 4,943,488 ó 5,116,568) describen un sistema de lecho fluido que pude cubrir el diamante con tungsteno de unas pocas decenas de micrómetros. Pero de nuevo, esa capa es cara y su aplicación no se ha extendido.

Al contrario de los métodos químicos, un método físico puede resultar barato. Además se puede depositar una capa gruesa de metal a temperatura muy baja. Por ejemplo, el autor ha evaluado "Cubrimiento de metal de granalla de diamante para sierra en lecho fluido" (ver págs. 267-273 de "Fabricación y caracterización de metales avanzados", publicado por S.W. Kim y J. Park de la Sociedad Coreana de Investigación de Materiales, 1995). El sistema de cubrimiento se funda en el método descrito en la patente US 4,770,907 (un concepto similar se revela en la patente US 5, 143, 523, o en la patente Europea 0 533 443 A1). Sin embargo, tal método, como muchos otros procesos similares, a menudo produce cubrimientos de distinto espesor. Además, sólo los polvos metálicos muy finos (<5 micrómetros) pueden cubrir efectivamente la superficie del diamante. Por eso, aunque los métodos físicos pueden servir para cubrir la granalla de diamante con una aleación que contenga un carburógeno, sus beneficios son escasos.

Cuando se cubre el diamante mecánicamente con un polvo metálico, como se describe en el ejemplo anterior, un aglomerante orgánico (p. ej. PVA ó PEG) mantiene el polvo mecánico suelto. Esa capa se desprende fácilmente por fricción en el tratamiento posterior, p. ej. mezclado o apretado. Pese a que el tratamiento térmico aumenta la resistencia mecánica de la capa, podría no consolidarse a la máxima densidad. Un cubrimiento poroso carece de la fuerza mecánica necesaria para sostener la granalla de diamante que recibe impactos continuos en la operación de corte.

Los carburógenos también se pueden diluir en una aleación. Si la aleación es fundible a menos de 1.100ºC, puede servir para soldar el diamante sin causarle mucha degradación. En el arte se conocen muchos soldantes de diamante. Casi todos se fundan en el grupo de disolventes 1b (cobre, plata y oro) que contengan uno o más carburógenos, p. ej. oro-tantalio (Au-Ta), o plata-cobre-titanio (Ag-Cu-Ti). Estos soldantes, sin embargo suelen ser muy costosos para aplicación comercial. Además son blandos e inestables para ser material de soporte de la matriz de herramientas de diamante.

Hay algunos metales de carga de alta temperatura que pueden servir para soldar el diamante. Estas sueldas han de ser bastante duras para sostener la granalla de diamante en su sitio durante el corte. Por ejemplo, las patentes US 3,894,637 y 4,018,576 describen herramientas de diamante hechas soldando una aleación endurecedora que contenga níquel-cromo (Ni-Cr) como principal constituyente. Sin embargo, las herramientas de diamante con este tipo de suelda, aunque útiles, se reducen generalmente a trabajos de acabado superficial que tienen una sola capa de diamante. Estas herramientas no suelen durar mucho si se dedican a cortar materiales muy abrasivos, como el granito. Además, la soldadura de esta herramientas, no sólo sirve para sostener el diamante, sino también de endurecedor. No siempre es posible congeniar esta doble función, ya que hay que variar la resistencia óptima de la herramienta a cada aplicación concreta.

También se puede recurrir a una aleación que ligue el diamante para infiltrar una gran concentración de partículas de diamante (es decir, más del 40% del volumen). Así, Chen y Sung (patentes US 5,030,276 ó 5,096,485) describen dicho producto y el proceso para hacerlo. No obstante, la infiltración es muy difícil debido a la alta concentración del diamante. Además, estos productos tienen pocas aplicaciones, como la broca de taladrar. No son útiles en la mayoría de las aplicaciones que requieren menor concentración (es decir, menos del 40% del volumen) de diamante, como las hojas de sierra o las ruedas de amolar.

También pueden servir aleaciones duras para el material soporte de la matriz. Por ejemplo, la patente US 4, 378,975 describe un método para cubrir el diamante con una capa muy fina de cromo y luego paletizar la granalla cubierta con una aleación de níquel-cromo. Las partículas paletizadas se consolidan después sinterizando la aleación. No obstante, mientras tiene lugar el proceso de consolidación principalmente en la fase blanda, puede que la liga de la matriz y el diamante no sea suficiente.

Además del sinterizado, la infiltración es otra técnica común para hacer herramientas de diamante, en particular, brocas de taladrar y otras herramientas de diamante especiales que contienen diamante triturado de gran granulometría (mayor que el tamiz 30/40 de US). Por ejemplo, la patente US 4,669,522 describe un proceso para infiltrar una broca giratoria con una aleación de cobre a temperatura menor de 850ºC (preferiblemente a 750ºC). Los infiltrantes más comunes para estas herramientas son aleaciones con base de cobre. Estos infiltrantes deben fluir y penetrar en los poros pequeños del polvo de la matriz. El punto de fusión de estos infiltrantes debe ser bajo para evitar la degradación del diamante a alta temperatura. De ahí que el infiltrante contenga a menudo constituyentes de punto de fusión bajo, como el cinc (Zn). Además de reducir el punto de fusión del infiltrante, el constituyente de bajo punto de fusión también reduce la viscosidad de manera que el infiltrante fluya fácilmente. Sin embargo, puesto que casi todos los carburógenos tienden a aumentar el punto de fusión del infiltrante, se excluyen en la mayoría de ellos. El resultado es que estos infiltrantes no pueden mejorar la ligazón del diamante.

Algunos infiltrantes contienen un carburógeno que facilita la ligazón del diamante. La patente US 5,000,273 describe una herramienta abrasiva que se produce infiltrando un polvo matriz con una aleación que contiene los mayores constituyentes de cobre, manganeso y cinc. Sin embargo, como se ha dicho antes, el cinc se añade para aumentar la fluidez del infiltrante y puede no ser útil para hacer ciertos productos que se fabrican en ambientes distintos. Por ejemplo, si se realiza la infiltración al vacío, el cinc se evapora. El resultado es que el resto de la aleación se pone demasiado viscosa para infiltrar completamente el polvo de la matriz.

Por tanto, se necesita un método mejorado para infiltrar el polvo de la matriz y ligar el diamante al mismo. Dicho método deberá poderse efectuar a una temperatura lo bastante baja que evite el posible perjuicio del diamante. Además, dicho método deberá concebirse para mejorar la liga del diamante con el material soporte de la matriz.

Un objeto de la presente invención es ofrecer un método mejorado para hacer herramientas con partículas de diamante en su interior y sobre ellas.

Otro objeto de la invención presente es proporcionar ese método en el cual las partículas de diamante están dispuestas en un material soporte de la matriz y luego el material soporte de la matriz se infiltra como una suelda para ligar las partículas de diamante a los materiales de soporte de la matriz.

Aún otro objeto de la presente invención es proporcionar dicho método en el que se elige especialmente un material soporte de la matriz que ofrezca poros numerosos entre los cuales pueda fluir el material infiltrante facilitando así la soldadura química del diamante y el material soporte de la matriz.

Todavía otro objeto de la presente invención es crear dicho método en el que las partículas de diamante están dispuestas en el material soporte de la matriz con una figura predeterminada por la que se prolongue la vida útil de la herramienta a la que está unido el diamante y el material soporte de la matriz.

Los objetos de la invención antes expuestos, y otros, se alcanzan por medio de las características de las reivindicaciones 1 y 21 respectivamente.

Con arreglo a un aspecto de la invención presente, el material soporte de la matriz puede hacer con polvo metálico común. Son ejemplos de dicho polvo metálico el cobalto, el níquel, el hierro, el bronce o aleaciones o mezclas de los mismos (p. ej. tungsteno o su carburo). Después de formar el material soporte de la matriz, se infiltra con una suelda para diamante, como Nicrobraz L.M. (hecha por Wall Colmonoy Company) bien al vacío, normalmente a unos 10^{-5} torr., o en atmósfera inerte (p. ej. argón (Ar) o nitrógeno (N_{2})) o en atmósfera reducida (p. ej. hidrógeno (H_{2})). Así la suelda facilita la ligazón entre las partículas de diamante y el material soporte de la matriz.

Con arreglo a otro aspecto de la invención presente, el material soporte de la matriz es forma con polvo metálico grueso (p. ej. granulometría mayor del tamiz 400 US o 34 micras. En tanto los métodos convencionales requieren que la densidad del cuerpo en bruto sea lo más alta posible para que proceda rápidamente la sinterización posterior, se ha visto, de acuerdo con la presente invención, que es preferible utilizar un precursor con menor densidad prensado para permitir que la suelda de diamante fluya fácilmente. En ciertas situaciones se puede aumentar intencionalmente la porosidad del cuerpo precursor poniendo en la matriz partículas de forma irregular. Esta preferencia vuelve a ser contraria al conocimiento convencional que requiere que las partículas sean lo más es-
féricas posible para poder aumentar la densidad prensada.

Con arreglo a otro aspecto más de la presente invención, la figura predeterminada puede ser esencialmente plana, es decir, regulando la colocación del diamante con una plantilla, o esencialmente vertical, formando canales en el material soporte de la matriz para recibir las partículas de diamante que luego son infiltradas por la suelda de diamante.

De acuerdo con aún otro aspecto de la presente invención, el material soporte de la matriz puede contener ingredientes menores para mejorar ciertas propiedades. Por ejemplo, la adición de materiales duros, como tungsteno, carburo de tungsteno y carburo de silíceo para aumentar la resistencia al desgaste. También puede añadirse materiales blandos, como el molibdeno el cobre y la plata, como lubricantes sólidos.

El material de soporte se puede preparar por un método convencional. Por ejemplo, mezclar totalmente el polvo y el diamante triturado. Puede añadirse un aglomerante orgánico (p. ej. PVA o PVB) para unir la mezcla. Luego la mezcla se puede prensar en frío para darle la forma deseada) p. ej. hoja de sierra). El precursor está entonces listo para ser infiltrado por una suelda de diamante apropiada.

Como se ha comentado, una matriz de polvo fino en una herramienta convencional dificultaría la infiltración de la suelda para diamante. Además, la reacción con la suelda sería excesiva, aumentando la temperatura de la suelda. Por consiguiente, la infiltración podría no ser completa.

Por ejemplo, la mezcla de polvo del material soporte se puede laminar en frío formando una hoja. Luego la hoja se troquela a la forma deseada (p. ej. un segmento de sierra) (ver Fig. 1). El precursor se forma juntando varios segmentos troquelados para infiltrarlos (ver Figs. 2, 3, 4). Como se explica en la solicitud de patente pendiente, ensamblando segmentos esencialmente bidimensionales para formar un cuerpo tridimensional, se puede graduar positivamente la distribución de la granalla de diamante. Así, es posible hacer que la concentración de diamante sea diferente en distintas partes de la misma herramienta (ver Figs. de 1A a 4). Dirigir la distribución del diamante es muy deseable para mejorar las características del desgaste de la herramienta. Por ejemplo, los costados de una hoja de sierra con diamante se desgastan antes que el centro, por lo que es ventajoso añadir más granalla de diamante a esos costados (ver Fig. 1B).

Las aplicaciones actuales exigen que el material soporte de la matriz sirva dos funciones: proporcionar soporte mecánico a la herramienta y sostener la granalla de diamante en la matriz. Estas dos funciones a menudo demandan propiedades contradictorias. Por ejemplo, en tanto que soporte mecánico, debe ser fuerte y resistir el desgaste (p. ej. cobalto o bronce mezclado con carburo de tungsteno). Pero el material con buena capacidad de soporte mecánico no suele adherir efectivamente el diamante inerte. Por otra parte, una aleación de bronce (p. ej. aleaciones de plata-cobre-titanio) sujetan con firmeza el diamante, pero son demasiado blandas para sostener el cuerpo de la herramienta. Así, lo deseable es separar estas dos funciones del material soporte de la matriz mediante un material compuesto. En este caso, el marco del material compuesto se mejora para realizar el soporte mecánico y el material de carga se destina a sujetar el diamante.

El material compuesto se puede hacer con el diamante ya cubierto que se ha comentado. En este caso, se puede cubrir la granalla de diamante con una suelda para diamante; luego la granalla recubierta se mezcla con el polvo de la matriz. Pero el recubrimiento ocasiona un coste adicional. Además, casi ninguna suelda para diamante viene en polvo. Aunque la hubiera, es muy difícil que estas sueldas cubran uniformemente el diamante triturado. Por tanto, hoy día casi nunca se hacen herramientas de diamante con granalla de diamante recubierta.

La invención presente hace el material compuesto de soporte de la matriz infiltrando una suelda de diamante en el material soporte que contiene el la granalla de diamante. La suelda comprende carburógenos elegidos entre el cromo, manganeso, silicio y aluminio, pero evitando los metales volátiles, como el cinc, el plomo y el estaño.

Los objetos, características y ventajas anteriores de la invención, y otros más, se harán evidentes estudiando la siguiente descripción detallada presentada con las figuras adjuntas, en las que:

La Fig. 1A muestra un segmento de una herramienta superabrasiva formada por varias capas lineales y longitudinales dispuestas una junto a otra para formar un elemento superabrasivo tridimensional.

La Fig. 1B muestra una vista en sección de la configuración tipo del segmento de herramienta de la Fig. 1, en el que una capa formada por un material soporte de la matriz y un superabrasivo relativamente grande están puestos entre dos capas de materiales soporte de la matriz cuyo abrasivo es de menor granulometría y está más concentrado.

La Fig. 2A muestra una vista en sección de una herramienta superabrasiva hecha con varias capas longitudinales arqueadas que están unidas entre sí para formar un elemento superabrasivo tridimensional.

La Fig. 2B muestra una vista en sección de un material soporte de la matriz de varias capas, como pueden ponerse para formar el segmento que muestra la Fig 2A.

La Fig. 3 muestra otra posible composición del segmento de una herramienta de corte, cuyas capas transversales está configuradas con mayor concentración del material abrasivo dispuesto en un extremo cortante delantero del elemento superabrasivo tridimensional.

La Fig. 4 muestra otro arreglo de un segmento en el que elemento superabrasivo tridimensional está formado por capas, la distribución de cuyo abrasivo es progresivamente más densa hacia la superficie superior de una herramienta de capas horizontales.

Las Figs. de la 5A a la 5D muestran un posible método para formar las capas con la distribución del abrasivo graduada dentro de la capa.

Las Figs. de la 6A a la 6C muestran otro método para formar una o más capas con la densidad de distribución del abrasivo graduada.

La Fig. 7A muestra una vista lateral del material soporte de la matriz de la Fig. 7A, en el que varias partículas de diamante están dispuestas en muescas y soldados para ligarlos con el material soporte de la matriz y formando por lo tanto un número de salientes abrasivos en el material soporte de la matriz; y

La Fig. 8 muestra una vista en perspectiva del material soporte de la matriz similar al que muestran las Figs. 7A y 7B, pero con un número de estructuras de agujas abrasivas.

Ahora se hace referencia a las figuras en las que los diversos elementos de la presente invención se señalan con números y en los que la invención se describe de manera que permita hacer y aplicar la invención a quienes sean conocedores del arte. Ha de entenderse que la siguiente descripción es sólo un ejemplo de los principios de la presente invención y no debe verse que estrechen el campo de las reivindicaciones pendientes.

Con referencia a la Fig 1A., presenta una vista en perspectiva de un segmento indicado en general con 10, formado por varias capas 14, 16 y 18. Cada una de las capas 14, 16 y 18 está formada por material soporte de la matriz 24 impregnado con partículas de diamante, indicado por los círculos 20, y que ha sido infiltrado con una suelda 28 elegida para ligar las partículas de diamante y el material soporte de la matriz. Preferiblemente, las partículas de diamante 20 constituyen menos del 50 por ciento del volumen del material soporte de la matriz-mezcla de diamante, y más preferiblemente menos del 40 por ciento del volumen. Mantener la cantidad de partículas de diamante al mínimo ayuda a reducir el coste al mismo tiempo que aumenta la vida útil del producto.

Preferiblemente, la suelda para diamante contiene por lo menos el 3% del peso de un elemento escogido del grupo formado por cromo, manganeso, silicio y aluminio y aleaciones o mezclas de los mismos. Adicionalmente, la suelda para diamante debe tener una temperatura líquida no menor de 1.100ºC para evitar que el diamante sufra daños durante el proceso de soldadura.

Hacer el segmento 10 con varias capas finas permite una graduación notablemente mejorada de la distribución de las partículas de diamante 20. La graduación de la distribución de las partículas de diamante dentro de cada capa y luego combinando las capas, permite hacer un segmento tridimensional en el que la distribución de las partículas de diamante queda regulada en cada dimensión. Esto, a su vez, permite formar segmentos particularmente adaptados a la probable función del segmento, bien para pulir, cortar, rectificar, etc. Haciendo la distribución y concentración de las partículas superabrasivas del segmento 10 según la función, se tiene más dominio sobre el rendimiento de la herramienta en condiciones de trabajo reales.

La presente invención también mejora la técnica anterior al infiltrar el material soporte de la matriz 24 con una suelda 28 escogida para ligar químicamente las partículas de diamante con el material soporte de la matriz. Así, la colocación de las partículas de diamante que vemos en la Fig. 1A es una mejoría notable sobre el arte anterior, y además se consigue un aumento adicional de la vida útil con la ligazón química en vez de confiar meramente en la retención mecánica de las partículas de diamante.

Igualmente, la colocación selectiva de partículas de diamante de distinta granulometría sirve para hacer un segmento cortante que resista el desgaste en los costados del segmento, extendiendo la vida útil del segmento cortante. Con referencia concreta a la Fig. 1B, vemos una vista en sección del segmento cortante 10 de la Fig. 1A. Al contrario de los segmentos del arte anterior, el segmento cortante 10 está formado por tres capas 14, 16 y 18 respectivamente. La capa central 16 tiene un número de partículas superabrasivas 20a que son de una primera granulometría (p. ej. del tamiz 40/50) y de una primera concentración. Las capas exteriores 14 y 18, por el contrario tienen una serie de partículas superabrasivas 20b que son de una segunda granulometría (p. ej. del tamiz 50/60) menor que la primera granulometría y en una segunda concentración mayor que la que está presente en la capa central. Las partículas superabrasivas 20a, distribuidas en mayor densidad, confieren a las capas exteriores 14 y 18 más resistencia al desgaste cuando cortan hormigón, roca, asfalto, etc. Debido a que las capas exteriores 14 y 18 son más resistentes al desgaste, el segmento cortante 10 resiste adquirir forma convexa, como ocurre habitualmente en los elementos de corte. Manteniendo la superficie de corte más plana, el segmento cortante es capaz de seguir un trayecto de corte recto, por lo que puede cortar más eficazmente con una vida útil más larga.

También se consigue el alargamiento de la vida útil infiltrando el material soporte de la matriz 24 con una suelda 28 hecha con cromo, manganeso, silicio y/o aluminio, o una aleación o mezcla de los mismos. Aunque estos metales se pueden añadir en gran variedad de cantidades, se ha visto que es preferible que el cromo, manganeso, silicio o aluminio, o la aleación o mezcla de los mismos en la suelda para diamante 28 constituya por el menos el 3% del peso (y más preferiblemente el 5 por ciento). La suelda 28 llena los poros del material soporte de la matriz 24 que suele ser un polvo elegido del grupo formado por hierro, cobalto, níquel o aleaciones o mezclas de los mismos.

Otra ventaja de que la matriz sea de varias capas con partículas de diamante o de otro superabrasivo dispuestas en su interior, es que es fácil dar a las capas la forma deseable del segmento cortar, taladrar, rectificar, etc. Por ejemplo, la Fig. 1A presenta una perspectiva de un segmento, señalado con un 30 en general, de una herramienta superabrasiva formada por varias capas longitudinales arqueadas unidas entre sí formando un elemento superabrasivo tridimensional. El segmento 30 se forma con la primera, segunda y tercera capas 34, 36 y 38, siendo las tres arqueadas. Cuando se unen las tres, se crea un segmento en arco 30. Dicho segmento, por supuesto, puede ser parte de herramientas de corte que no sean lineales, p. ej. una hoja de sierra circular, y otros tipos de herramienta en las que se desea un segmento superabarsivo no lineal. Debido a que las capas 34, 36 y 38 se han hecho inicialmente de modo independiente, es mucho más fácil adaptarlas a la forma deseada y es posible hacerlo mientras las partículas de diamante 20 que contienen se sueldan y se mantienen en la posición predeterminada.

Refiriéndonos ahora a la Fig. 2B, vemos una sección del grupo de capas 34, 36 y 38 del segmento 30. Desde luego, la configuración de las partículas de diamante en el segmento puede ser como se muestra en la Fig. 1A o en la Fig 2A. Al contrario de la configuración de la Fig. 1B, las partículas de diamante 20 de cada capa tienen la misma granulometría y concentración. Sin embargo, como el espaciamiento es esencialmente uniforme, no hay exceso ni falta de espacio entre las partículas superabrasivas y el desgaste del segmento 30 se menos desigual que los segmentos del arte anterior cuyos espacios entre partículas son aleatorios. El desgaste más igual impide el fallo prematuro del segmento 30, y por lo tanto se prolonga la vida de la herramienta, a la vez que el consumo de superabrasivo se mantiene al mínimo. Además, la suelda 28 que liga las partículas de diamante con la matriz 24, refuerza más aún cada capa e impide que se pierdan partículas de diamante 20.

La Fig. 3 muestra otra posible configuración del segmento 30 hecho con arreglo a la presente invención. La estructura en capas del segmento con diamante también se puede armar transversal u horizontalmente, y aplicar la suelda 28 a todas las capas, o a capas seleccionadas como vemos en la Fig. 3. Así, el segmento 50 de la Fig. 3 está formado con una serie de capas transversales. La primera capa de la serie (la primera capa de cuatro), señalada 56, está dotada de una primera concentración de partículas de diamante 20, que están ligadas por soldadura al material soporte de la matriz 24. Una segunda serie de capas (las 9 restantes), señaladas 58, tienen una concentración distinta, menos que la primera concentración y también están ligadas por soldadura al material soporte de la matriz 24.

Muchas herramientas de corte están configuradas de tal modo que el segmento cortante tenga un borde de ataque que realiza la mayor parte del corte y recibe la mayoría de la fuerza de impacto con la superficie que está cortando. Por ejemplo, una hoja de sierra circular suele tener un número de dientes o segmentos, cada uno de los cuales tiene un borde de ataque que ejerce la fuerza del corte. Puesto que el borde de ataque realiza una parte importante del corte, es mucho más susceptible al desgaste que las partes traseras del diente. Pero cuando el diente está hecho según el arte anterior, a menudo las concentraciones de abrasivo dispuestas en el mismo son relativamente iguales. Con el tiempo, el borde de ataque se desgasta mucho, en tanto que las otras partes cubiertas de partículas de diamante están expuestas a un desgaste mínimo. A la larga, el abrasivo del borde de ataque se acaba, pero quedan cantidades importantes en otras partes de cada diente. Así, cuando se desecha aloja, se desperdicia una cantidad considerable de abrasivo. La configuración de la Fig. 3 está concebida concretamente para superar este inconveniente. Las capas 56 y 58 están configuradas para que el desgaste sea esencialmente uniforme por todo el segmento cortante 50, porque el porcentaje de partículas de diamante 20 es mayor cerca del borde de ataque que en las partes traseras. Además, la soldadura de las partículas de diamante 20 en las capas 56 y 58 prolongan más aún la vida de la herramienta.

La Fig. 4 presente otra disposición de un segmento cuyo elemento tridimensional superabarasivo tiene una distribución progresivamente más densa del abrasivo en la superficie superior de una herramienta con capas horizontales. Igual que en la configuración de la Fig. 3, la distribución gradual de las partículas de diamante 20 forma un segmento abrasivo 70 mejorado, al mismo tiempo que decrece el coste de las herramientas abrasivas reduciendo el consumo innecesario de partículas de diamante. Adicionalmente, algunas capas se pueden soldar mientras que se omite en otras capas, haciendo de este modo el segmento 70 a la medida.

Con la experimentación habitual y la técnica y método de la invención presente, los entendidos en el arte pueden hacer, según sus necesidades, segmentos abrasivos de corte, taladro, rectificación y otros, que incrementen su capacidad abrasiva (es decir, de corte, taladro, rectificación, etc.) a lo largo de su vida útil, y al mismo tiempo reduciendo la cantidad de superabrasivo que se dedica a fabricar la herramienta.

Refiriéndonos ahora a las Figs de la 5A a la 5D, vemos un método para formar las capas con arreglo a los principios de la invención presente. El primer paso del método es hacer una lámina 100 de material soporte de la matriz 104 que se ligará con las partículas de diamante 20. La lámina 100 de material soporte de la matriz se puede hacer con polvos metálicos convencionales, como cobalto, níquel, hierro, cobre o bronce. También, por motivos que se expondrán más adelante, es muy ventajoso que el polvo sea grueso, como los de más de 34 micras de diámetro. Aunque la fabricación con polvos gruesos sea contraria a las enseñanzas del arte anterior según las que son deseables los polvos más finos posible, se logran considerables beneficios combinando polvos gruesos con suelda para sujetar las partículas de diamante en su sitio.

Hay muchos modos de hacer láminas 100 con un polvo de matriz. Por ejemplo, el polvo se puede mezclar primero con un aglomerante adecuado (normalmente orgánico) y un disolvente que disuelva el aglomerante. Luego esta mezcla se une formando un lodo de la viscosidad adecuada. Con el fin de impedir que el polvo se aglomere durante el proceso, se puede incorporar un agente humectante (p. ej.: aceite de menhaden, éster fosfático)... Se vierte el lodo sobre una cinta plástica y se pasa bajo una pala o dispositivo nivelador. Graduando el espacio entre la pala y la cinta, se puede hacer con el lodo una hoja del grosor deseado. El método de moldeo con cinta es muy conocido para hacer láminas finas con materiales pulvurulentos y funciona bien con el método de la invención presente.

O bien, se puede mezclar el polvo con un aglomerante adecuado y el disolvente para hacer una galleta deformable Luego la galleta es extruida por una matriz con una ranura. El tamaño de la ranura determina el espesor de la lámina extruida. O bien, el material se hace pasar entre dos rodillos con separación graduable para hacer láminas del espesor conveniente.

Es deseable que las láminas sean maleables para su tratamiento posterior (p. ej. curvarlas sobre el substrato de la herramienta. También se puede añadir un plastificante orgánico que confiera las características deseadas.

La incorporación de agentes orgánicos al polvo (de metal, plástico o cerámico) para procesarlo está documentado en muchos libros de texto y lo conocen bien los entendidos en el arte. Los aglomerantes más comunes son alcohol de polivinilo (PVA), butiral de polivinilo (PVB)m glicol de polietileno (PEG), parafina, resina fenólica, emulsiones de cera y resinas acrílicas. Los disolventes comunes del aglomerante son metanol, etanol, tricloroetileno, acetona, tolueno, etc. Los plastificantes usuales son glicol de polietileno, oxalato dietílico, glicol de trietileno dihidrobiatato, glicerina, octilftalato. Los agentes orgánicos se introducen para facilitar la fabricación de láminas metálicas. Deben extraerse antes de que los polvos metálicos se consoliden. El proceso de extracción del aglomerante (p. ej. calentamiento en un horno con atmósfera regulada) es también muy conocido por los expertos en el arte.

Una vez hecha la lámina 100 de material soporte de la matriz 104, se pone una plantilla sobre la lámina 110. La plantilla tiene orificios 114 que son mayores que una partícula abrasivas 20, pero menores que dos partículas abrasivas, por lo que colocan una sola partícula de abrasivo en cada punto determinado.

El grosor de la plantilla es preferiblemente de 1/3 a 2/3 de la altura media de la partícula adhesiva 20. Sin embargo, puede ser de otros espesores si se toman las disposiciones convenientes para asentar las partículas abrasivas en el punto deseado.

Una vez bien puesta debidamente la plantilla, se esparce sobre ella una capa de partículas abrasivas 20 de modo que pase una por cada orificio 114. Las partículas que no pasen por los orificios 114 de la plantilla 110 se quitan inclinando el sustrato, barriendo la plantilla con una escoba, o cualquier otro método.

Como se ve en la Fig. 5B, se pone un objeto plano 120, como una chapa de acero, sobre las partículas que están en los orificios 114 de la plantilla 110. El objeto plano prensa las partículas abrasivas 20 contra la lámina maleable 100 de material soporte de la matriz 104 y las incrusta al menos en parte.

Después de quitar la plantilla 110, se pone otra vez el objeto plano 120 para apretar las partículas abrasivas 20 firmemente en la lámina 10 de material soporte de la matriz 104, como se ve en la Fig. 5C. Aunque es preferible que el objeto sea plano, los conocedores del arte entenderán que puede haber casos en que sea deseable que algunas partículas abrasivas 20 sobresalgan más que otras de la lámina 100 de material soporte de la matriz. En tales casos, puede utilizarse una superficie rugosa o de otra forma para asentar unas partículas abrasivas 20 más profundamente que otras en la lámina 100 de material soporte de la matriz.

Si se desea, se puede repetir el proceso que muestran las Figs. de la 5A a la 5C en la otra cara de la lámina 100 de material soporte de la. matriz 104 (como se ve en la Fig. 5D) para formar una capa con las partículas de diamante 20 impregnadas repartidas por toda la capa formando el dibujo predeterminado que se desee. Normalmente, el proceso se repite varias veces para hacer un número de capas delgadas de hojas 100 impregnadas con partículas de diamante 20. Por supuesto, no es preciso que cada lámina 100 tenga las partículas de diamante 20 distribuidas del mismo modo, y tampoco la concentración de partículas abrasivas debe ser igual en todas las láminas.

Las láminas 100 impregnadas con abrasivos se infiltran con una suelda hecha con cromo, manganeso, silicio, aluminio o aleaciones o mezclas de los mismos. Aunque las sueldas del arte anterior contienen normalmente metales destinados a facilitar la fluidez del material de la suelda, tales como cinc, plomo o estaño, se ha visto que, de acuerdo con la invención presente, dichos materiales en realidad perjudican el proceso de soldado. Esos materiales son en general más volátiles y tienden a contaminar el vació o la atmósfera inerte en que se hace la infiltración. Aunque los metales volátiles en cantidades muy pequeñas no dificultan significativamente la infiltración, son indeseables si superan el 1 ó 2 por ciento. En este contexto, esencialmente libre de metales volátiles o esencialmente libre de cinc, caracteriza una situación en la que el metal volátil está presente en una cantidad tan pequeña que no sea un impedimento en el proceso de infiltración en vacío.

Es importante que la temperatura de la infiltración esté por debajo del punto de fusión del polvo de la matriz para que el cuerpo de la herramienta mantenga la forma durante la infiltración de la suela del diamante. Tampoco la temperatura del soldado no debe ser tan alta que el diamante se degrade. Además de regular la temperatura del soldado, el tiempo de soldado ha de ser corto para que la suelda no reaccione en exceso con el diamante y el polvo de la matriz. En el primer caso, también el diamante podría degradarse. En el último caso, la aleación del polvo de la matriz puede subir el punto de fusión de la suela del diamante. El resultado sería que la suelda del diamante se solidificara y a la larga dejase de fluir.

También hay que regular el ambiente de la infiltración para que el efecto sea superior. Por ejemplo, si el material de soldar contienen un elemento que atraiga con fuerza el oxígeno o el nitrógeno, como el titanio, debe mantenerse un grado de vacío (p. ej. máximo 10^{-6} torr) durante la infiltración de la suelda. Por otro lado, si el material de soldar contiene un elemento menos fuerte, como el cromo o el manganeso, puede ser adecuado para infiltrar un grado menor de vacío (p. ej. mínimo 10^{-5} torr) o una atmósfera de hidrógeno.

Tras la infiltración, la pieza producida (p. ej. segmento de sierra) se puede recortar (p. ej. rectificandola) para dejarla a la medida deseada. Luego se monta (p. ej. por broncesoldadura) en el cuerpo de herramienta (p. ej. una hoja de acero circular) para hacer el producto final.

Como se ha dicho antes, el infiltrante de la invención es una suelda para diamante que penetra el polvo de la matriz de una herramienta de diamante. La mayoría de las sueldas para diamante empapan fácilmente los polvos comunes para matrices cuyos componentes principales son cobalto, níquel, hierro, cobre o bronce, así que la infiltración se produce sin tropiezos.

Al contrario que en el proceso de sinterización, que elimina los poros del polvo de la matriz por consolidación, en la infiltración la suelda rellena los poros. La sinterización se efectúa por difusión de los átomos, sobre todo por las superficies. Para facilitar el proceso de sinterizado, el polvo de la matriz ha de tener superficies de gran área. De ahí, que para sinterizar se prefieran polvos finos. El polvo fino permite que el proceso de sinterización se efectúe a temperatura más baja.

El polvo de matriz más ampliamente utilizado para fabricar herramientas de diamante (p. ej.: segmentos de sierra) es el de cobalto. La granulometría del polvo de cobalto para hacer herramientas de diamante convencionales es menor de 2 micrómetros. En el último decenio, los fabricantes de herramientas de diamante demandan cada vez polvos más finos para matrices. Por lo tanto, los suministradores comerciales (p. ej.: Eurotungsten Co,) están haciendo polvos ultrafinos (un micrómetro) o incluso ultra-ultrafinos (menos de una micra). Dada esta tendencia, la temperatura del sinterizado está decreciendo continuamente. La menor temperatura de sinterización reducir la degradación del diamante, y además reduce el coste de fabricación. Por ejemplo, se reduce el consumo de energía eléctrica para producir calor. Además, también disminuye la pérdida de grafito del molde por oxidación.

No obstante, la invención presente se sirve de una suelda para diamante para llenar los poros del polvo de la matriz. Por eso, al contrario que en el proceso de sinterización convencional, se prefieren polvos más gruesos, o sea, de más del tamiz US 400, o 34 micras. Además, en tanto que los métodos convencionales exigen que la densidad prensada sea la mayor posible, para que la sinterización proceda con rapidez, la invención presente prefiere poner un precursor con menos densidad prensada para que la suelda del diamante fluya más fácilmente. En efecto, algunas veces, se aumenta intencionalmente la porosidad del cuerpo precursor con partículas para la matriz de forma irregular. Esta preferencia, repetimos, es contraria al conocimiento convencional que requiere que las partículas sean lo más esféricas posible para incrementar la densidad prensada.

Como se ha explicado, el polvo fino para la matriz con que se hacen las herramientas convencionales, pueden dificultar la infiltración de la suelda del diamante. Además, la reacción con la suelda es excesiva y hace subir la temperatura de fusión. El resultado es que la infiltración podría ser incompleta.

El polvo grueso para la matriz tiene otras ventajas. Por ejemplo, el polvo fino se mezcla mejor con distintas composiciones. Por eso la granalla de diamante se distribuye más uniformemente en la matriz. Además el área de la superficie del polvo grueso es menor y por ello, menos fuerza de fricción para infiltrarse. Por lo tanto, fluye con más facilidad en el molde. Desde luego, un polvo grueso para matrices es también mucho más barato, así que se reduce el coste de producción.

Es importante observar que la invención se vale de la matriz meramente como una red para sostener la granalla de diamante en su sitio. Por eso la matriz puede no hacerse con polvo. Por ejemplo, el cuerpo de la matriz podría hacerse con una pieza de acero con huecos para contener las granallas de diamante o cuerpos de PCD, como el que se comenta más adelante respecto a las Figs. 7A y 7B.

La parte más crítica de esta invención es la elección de una suelda para diamante. Aunque hay numerosas clases de suela para diamantes, sólo son válidas las que reúnen los siguientes requisitos. Primero, la temperatura de infiltración de la suelda no debe ser tan alta que cause una degradación seria del diamante. El límite de temperatura es, en general, de alrededor de 1.100ºC. La temperatura de infiltración puede ser de 50ºC por encima de la fase líquida de la suelda. El polvo grueso para la matriz y la vía de infiltración más corta no necesitan una temperatura que suba por encima del punto de fusión de la suelda.

La suelda debe empapar el diamante y ligarlo químicamente. Como se dijo antes, un carburógeno disuelto en un disolvente apropiado, cumple este requisito. No obstante, la reactividad del carburógeno ha de ser equilibrada entre el oxígeno u otros gases, como el nitrógeno o el hidrógeno. Es un dilema que un carburógeno fuerte, como el titanio o el zirconio, que ligan bien el diamante, sean también un captor de gases. Reaccionan rápidamente con los gases dañinos en la atmósfera ambiente antes de hacer el carburo con el diamante.

Casi todas las herramientas de diamante se fabrican en moldes de grafito en el aire o en un gas inerte. La mínima cantidad de oxígeno o humedad que haya en la atmósfera oxida el carburógeno de modo que no pueda ligar el diamante. Esto pasa, incluso efectuando la soldadura en vacío o en una atm. de hidrógeno, a menos que el vacío sea inferior a 10^{-6} torr, o el punto de rocío del gas esté a menos de -60ºC. Esta condición estricta del vacío o del punto de rocío aumenta innecesariamente el coste de fabricación.

Por otra parte, si la reactividad es baja, como la del cobalto o el níquel, se puede procesar el metal en moldes de grafito sin que se oxide. Pero tampoco puede ligar el diamante. De ahí que haya que encontrar un carburógeno que pueda ligar el diamante sin tener tendencia a oxidarse.

Con arreglo a la presente invención, se ha visto que los carburógenos más convenientes para la suelda de diamante son el cromo, el manganeso, el silicio, el aluminio o sus aleaciones. El contenido total preferible de dichos carburógenos es de por lo menos el 3 por ciento, y más preferiblemente un mínimo del 5 por ciento al peso. Son ejemplos de estas sueldas el NICRO-BRAZ LM (Ni-Cr-B-Si-Fe) fabricado por Wall Colmonoy Company (U.S.A.) cuyo punto de fusión es de 970 a 1.000ºC, y el 21/80 (Cu-Mn-Ni) fabricado por Degussa (Alemania) con un punto de fusión de 970-990ºC. Otras posibles sueldas son una aleación Cu-Mn de composición casi eutéctica (alrededor de 25% Mn al peso) con punto de fusión de unos 880ºC; la aleación Ni-Si, cuya composición es cercana a la eutéctica (alrededor del 50% Si al peso) y un punto de fusión de unos 970ºC; la aleación Cu-Si, de composición próxima a la eutéctica (alrededor del 30% Si al peso) con punto de fusión de unos 810ºC; la aleación Al-Si cerca de la composición eutéctica (alrededor del 15% Si al peso) cuyo punto de fusión ronda los 600ºC.

Los ejemplos anteriores de sueldas infiltrables en el diamante abarcan una gran variedad de propiedades mecánicas y temperaturas de infiltración (es decir, unos 50ºC por encima de la fase líquida). Con las aleaciones de ellas también se pueden ajustar más la temperatura de infiltración y las propiedades mecánicas. La elección de la suelda del diamante depende de la aplicación a la que se destina. En general, las aplicaciones más difíciles, como el serrado de granito, hormigón o asfalto, requieren una granalla de diamante más fuerte que pueda tolerar una temperatura de soldado más alta. Las sueldas que se funden a temperaturas más altas son en general más resistentes al desgaste. Por otra parte, las aplicaciones menos estrictas, como el corte de piedra caliza o mármol, no requieren una granalla de diamante tan fuerte. Este diamante se degrada fácilmente por lo que ha de soldarse a menor temperatura. Las sueldas de este tipo suelen ser menos resistentes al desgaste.

Las láminas 100 se pueden ensamblar antes para hacer el precursor del segmento de herramienta, y luego infiltrarlas con la suelda de diamante; o bien se infiltran primero con la suelda y después se ensamblan para formar el segmento de herramienta o todo el cuerpo de la herramienta, si se prefiere. En tanto que el método descrito en las Figs. de la 5A a la 5D es el preferido para muchas aplicaciones, hay casos en los que es deseable que las partículas de abrasivo 20 sobresalgan de la lámina 100 de material soporte de la matriz. Por ejemplo, en las herramientas con una sola capa de abrasivo. Esto se logra sencillamente dejando la plantilla 110 en su sitio cuando se ejecutan los pasos que muestran las Figs. 5A y 5B y sin volver a prensar las partículas 20 contra el material soporte de la matriz una vez quitada la plantilla.

En otra posibilidad, las Figs. de 6A a 6C muestran una vista lateral de un método alterno al presentado en las Figs. de 5A a 5D. La lámina 130 de material soporte de la matriz en las Figs. de 6A a 6C tiene menos espesor que la sección transversal o el diámetro de las partículas de superabrasivo 20. Al prensar las partículas en la lámina 130, por el menor espesor de la lámina las partículas resaltan del material soporte de la matriz 134. Entonces la lámina se infiltra con la suelda de diamante de la manera que ya se ha explicado.

Aunque se ha hablado ya de la aplicación de la suelda de diamante 28 respecto al dibujo preferido para distribuir de las partículas de diamante, es igualmente aplicable a la distribución aleatoria de las partículas de diamante en el material soporte de la matriz. Una vez que las partículas de diamante están colocadas en el material soporte de la matriz, se funde y se vierte sobre el material soporte de la matriz una suelda de diamante compuesta de cromo, manganeso, aluminio o silicio y esencialmente libre de metales volátiles. La fase líquida de la suelda infiltra el material soporte de la matriz y liga las partículas de diamante al material soporte de la matriz.

La suelda de diamante, además de servir para materiales soporte de la matriz convencionales, como los polvos metálicos, también facilita la aplicación de materiales de soporte nuevos, como los que muestran las Figs 7A y 7B. Refiriéndonos concretamente a la figura 7A, en ella se muestra el material soporte de la matriz 200 de un segmento de sierra, señalado en general con 210. El material soporte de la matriz 200 tiene un número de muescas 214 hechas a intervalos determinados.

Para hacer un segmento de corte acabado, el material soporte de la matriz 200 se pone en un molde (p. ej. de grafito o metal). Las partículas de diamante 20 (Fig. 7B) se vierten en las muescas 214 para llenarlas. La suelda de diamante se añade sobre estas muescas. Después de infiltrada, la suelda llena las muescas y liga las partículas de diamante 20, y forma con el material soporte de la matriz un segmento de sierra 210 completo. Con esta geometría, las partículas de diamante forman las hojas del segmento de sierra (Fig. 7B) en vez de repartirse por todo el cuerpo de la matriz, como en el caso de una herramienta convencional. Los entendidos en el arte comprenderán que dicha configuración sería casi imposible según las enseñanzas del arte anterior, porque el material soporte de la matriz 200 debería sostener mecánicamente las partículas de diamante. Por el contrario, el recurso a la suelda de diamante permite poner las columnas de partículas de diamante en una muesca, orificio, etc., porque la suelda se liga con el diamante y con el material soporte y sujeta el diamante en su sitio. Aunque la configuración que muestra las Figs. 7A y 7B forma "aletas" de diamante, también puede formar columnas de agujas de diamante (Fig. 8). Además, pueden hacerse las muescas, orificios, etc., de modo que formen dichas columnas sean lineales o curvas, en cualquier dirección que se desee. Así, con experimentación continua, los conocedores del arte puede hacer a su medida segmentos de corte, taladro, pulimentación, etc. adaptados a cada necesidad particular. Las partículas pueden ser de granalla de diamante o de diamante policristalino térmicamente estable (PCD). La infiltración, además de consolidar el polvo de la matriz, liga firmemente el diamante, y se forma una herramienta con el diamante integrado.

Ejemplo 1

La granalla de diamante 40/50 (SDA-85+ hecha por De Brees Company) se ha mezclado con polvos de hierro más gruesos que el tamiz US y un aglomerante orgánico en concentración de 20 (5% del volumen total). La mezcla se prensa en frío para darle forma de un segmento de sierra. El precursor se ha colocado en un molde de acero y encima se ha puesto polvo de Nicrobraz LM. El molde se ha calentado al vacío a unos 1.050ºC durante 20 minutos. La suelda infiltrada ha ligado entre sí la suelda y el polvo de la matriz para formar un segmento. Se han fabricado veinticuatro de dichos segmentos y se recortan para dejarlos dentro de las tolerancias deseadas. Estos segmentos se han soldado para hacer una hoja de sierra circular de acero de 355 mm. Con la hoja se ha cortado granito a mayor velocidad de la que era posible con hojas de sierra de diamante convencionales. Además, las hojas de sierra soldadas tienen una vida útil más larga que las hojas de sierra de diamante convencionales.

Una clara ventaja de las herramientas de corte de la invención presente sobre las del arte anterior está en la manera de trabajar con la sierra. Las sierras de diamante se hacen normalmente en forma de hoja circular que corta la pieza por rotación, girando siempre en la misma dirección. El movimiento unidireccional hace que se forme una "cola" en la que el material de la matriz que va delante en el giro de la partícula de diamante, se desgasta, pero el material de la matriz detrás de la partícula de diamante es protegido por la misma partícula de diamante. Así el material de la matriz que va detrás del diamante sigue manteniendo la partícula en su lugar. Si se invirtiera el giro de la sierra, la partícula de diamante se arrancaría fácilmente de la matriz.

Sin embargo, las sierras circulares sólo pueden cortar una pieza hasta una profundidad de la mitad del diámetro de la sierra. Normalmente se pone una sierra de hojas múltiples para cortar piezas de más grosor. Debido a que el movimiento de estas sierras es recíproco, las partículas de diamante han de estar bien sujetas en cada lado. Por consiguiente, no se pueden mantener las coalas de diamante de la matriz para sostener las partículas de diamante. Por esta razón se han dejado de cortar rocas duras, como el granito, con sierra de diamante recíprocas. Más bien se utilizan para cortar materiales más blandos, como el mármol.

Esta invención hace que la suelde sujete químicamente el diamante. Por lo tanto, no se necesitan las colas de la matriz para sujetar el diamante. Así que, las herramientas hechas de acuerdo con la invención pueden cortar materiales duros con sierras recíprocas. Este adelanto amplía la aplicación del diamante a los mercados que antes no lo utilizaban por las limitaciones del arte anterior.

Así se revela un método perfeccionado para hacer hojas de sierra de diamante. La descripción y los ejemplos anteriores sólo pretenden ilustrar ciertas aplicaciones posibles de esta invención. Las personas expertas en el arte comprenderán fácilmente que la invención presente es susceptible de más amplia utilidad y aplicaciones. Muchas configuraciones y adaptaciones de la presente invención, además de las aquí descritas, así como muchas variaciones, modificaciones o arreglos equivalentes se harán evidentes o serán sugeridas razonablemente por la invención presente y la descripción que se ha hecho de la misma, sin apartarse en lo sustancial del alcance de la presente invención. Por consiguiente, aunque la presente invención se ha descrito aquí con detalle respecto a la configuración preferente, ha de entenderse que lo que se ha revelado es sólo un ejemplo ilustrativo de la invención presente con el mero propósito de ofrecer una revelación completa y ejecutable de la invención. No se pretende que la revelación anterior se interprete como una limitación de la presente invención, o que de otro modo excluya cualquier otra configuración, adaptación, variaciones, modificaciones y disposiciones equivalentes, siendo el único límite de la presente invención el que marcan las reivindicaciones aquí anexadas.

Claims

1. Una herramienta abrasiva que comprende:

-: un material soporte de la matriz (24) configurado para sostener partículas de diamante que son los abrasivos:

-: Un número de partículas de diamante (20) puestas en el material soporte de la matriz en una disposición predeterminada; y

-: una aleación (28) infiltrada en el material soporte de la matriz y las partículas de diamante, comprendiendo la aleación unos metales que contienen del 2 al 50 por ciento de un elemento escogido del grupo formado por cromo, manganeso, silicio y aluminio, siendo sustancialmente libre de metales volátiles, como el cinc, el plomo y el estaño.

2. Una herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 1 en la que dicho material soporte de la matriz está formado por varias láminas impregnadas de diamante.

3. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 1 ó 2 en la que el material soporte de la matriz contiene más del 50 por ciento al peso de un material elegido del grupo formado por cobalto, níquel, hierro, cobre y bronce y mezclas y aleaciones de los mismos.

4. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 1 ó 2 en la que el material soporte de la matriz ocupa más volumen que las partículas de diamante.

5. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 1 ó 2 en la que las partículas de diamante son menos del 40 por ciento del volumen combinado del material soporte de la matriz y de las partículas de diamante.

6. La herramienta abrasiva según la reivindicación 1 ó 2 en la que el material soporte de la matriz se hace con polvos de granulometría gruesa mayor que el tamiz 400 US.

7. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 2 cuyas láminas impregnadas con diamante se hacen laminando, extruyendo o fundiendo en cinta una mezcla de polvo metálico y granalla de diamante.

8. La herramienta abrasiva según la reivindicación 2 cuyas láminas impregnadas de diamante se hacen prensando mecánicamente la granalla de diamante en la lámina metálica.

9. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 8 cuya lámina metálica se hace con el grupo consistente en la laminación de un lingote preparado con polvo metálico.

10. La herramienta abrasiva de la reivindicación 7, en la que por lo menos una de las láminas impregnada con diamante ha sido infiltrada con una aleación.

11. La herramienta abrasiva de la reivindicación 1 ó 2 en la que la aleación comprende por lo menos 3 por ciento al peso de un material elegido del grupo formado esencialmente por cromo, manganeso, silicio y aluminio y mezclas y aleaciones de los mismos.

12. La herramienta abrasiva según la reivindicación 1 ó 2 caracterizada además porque la aleación se escoge entre el grupo formado por NICROBRAZ LM, aleación de cobre-manganeso, de cobre-silicio y de aluminio-silicio.

13. La herramienta abrasiva de la reivindicación 1 ó 2 en la que la aleación, en su fase líquida, tiene una temperatura inferior a 1.100ºC.

14. La herramienta abrasiva de la reivindicación 1 ó 2 en la que el material soporte de la matriz tiene un número de muescas hechas en el mismo, y en las que las partículas de diamante se introducen en las muescas.

15. La herramienta abrasiva de la reivindicación 14 en la que las muescas se rellenan con una aleación para ligar el diamante depositado en las muescas con el material soporte de la matriz que define las muescas.

16. La herramienta abrasiva de reivindicación 1 en la que las partículas de diamante están dispuestas en columnas que cubren el material soporte de la matriz, y en la que la aleación sostiene el diamante en su lugar.

17. La herramienta abrasiva de la reivindicación 16 en la que la columna es esencialmente lineal.

18. La herramienta abrasiva de la reivindicación 16 en la que la columna es curva.

19. La herramienta abrasiva de la reivindicación ó 2 cuya hoja es de sierra circular.

20. La herramienta abrasiva de la reivindicación 1 ó 2 cuya hoja es de sierra lineal.

21. Un método para formar herramientas impregnadas con diamante, que consiste en:

- (a) formar un material soporte de la matriz (24) preparado para sostener partículas de diamante que será el abrasivo;

- (b) distribuir las partículas de diamante (20) en el material soporte de la matriz en un dibujo predeterminado;

- (c) infiltrar el material soporte de la matriz con una aleación (28) que contenga entre el 2 y el 50 por ciento de un elemento escogido del grupo formado esencialmente por cromo, manganeso, sílice y aluminio, y esencialmente libre de metales volátiles como el cinc, el plomo y el estaño.

22. Un método para hacer una herramienta impregnada con diamante con arreglo a la reivindicación 21, que además comprende: (a) formar dicho material soporte de la matriz con una serie de láminas impregnadas con diamante (14, 16, 18) configuradas para sostener partículas de diamante que serán el abrasivo, y (b) distribuir las partículas de diamante en el material soporte de la matriz que está formado por dichas láminas impregnadas de diamante.

23. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 cuyo paso (a) comprende, más concretamente, hacer el material soporte de la matriz con un polvo de granulometría mayor que el tamiz 400.

24. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 cuyo paso (a) comprende, más concretamente, hacer un número de muescas en el material soporte de la matriz con un dibujo de forma irregular.

25. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 cuyo método comprende, más concretamente, hacer un número de muescas en el material soporte de la matriz y distribuir partículas de diamante en las muescas.

26. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 cuyo método comprende además infiltrar las muescas con aleación de soldar para ligar el diamante con el material soporte de la matriz.

27. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 cuyo método comprende además someter el material soporte de la matriz a un vacío de por lo menos 10^{-3} torr durante la infiltración.

28. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 cuyo método comprende, más concretamente, infiltrar el material soporte de la matriz y las partículas de diamante con una aleación que tenga por lo menos el 5 por ciento al peso de un carburógeno elegido del grupo formado esencialmente por cromo, manganeso, aluminio y silicio y mezclas o aleaciones de los mismos.

29. El método con arreglo a la reivindicación 21 ó 22 en el que la aleación, se escoge del grupo formado por NICROBRAZ LM; una aleación que contenga cubre y manganeso, una aleación que contenga cobre y silicio, una aleación que contenga aluminio y silicio y una aleación que contenga níquel y silicio.

30. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 1 en la que la herramienta es una sierra de pelo.

31. La herramienta abrasiva según la reivindicación 30 en la que la herramienta es una sierra de pelo con diamante.

32. La herramienta abrasiva con arreglo a la reivindicación 31, en la que la herramienta es una sierra de pelo que contiene cuentas puestas en un cable de acero.