DESARROLLO DE MATERIALES COMPUESTOS TIPO CERMET DE MATRIZ FE

DESARROLLO DE MATERIALES COMPUESTOS TIPO CERMET DE MATRIZ FE

1. RESUMEN

En este trabajo se estudia la obtención de un material formado por una matriz de acero con adición de 50 % en masa de carburos de wolframio (WC) y tantalio (TaC). Para ello se han utilizado técnicas de molienda de alta energía que permiten obtener un polvo compuesto con una buena unión metal-cerámica y una distribución homogénea de carburos en la matriz. Después de la caracterización del polvo compuesto se compactaron probetas en matriz uniaxial con objeto de estudiar la sinterabilidad del material. Los compactos fueron sinterizados en vacío a distintas temperaturas y tiempos, y se determinaron propiedades como la densidad, variación dimensional y dureza después de la sinterización. Por último se realizó un análisis por microscopía electrónica de barrido para observar la evolución de la microestructura.

En el mercado existen algunos tipos de materiales base Fe con alto contenido en carburo de titanio. En el presente estudio se han utilizado carburos de wolframio (WC) y de tantalio (TaC), por ser materiales comunes en los carburos cementados, lográndose la obtención de un polvo compuesto con carburos homogéneamente distribuidos en cada partícula, que puede ser procesado mediante técnicas pulvimetalúrgicas convencionales

2. ANTECEDENTES

Los cermets, incluyendo los carburos cementados, constituyen una familia de materiales compuestos metal-cerámica, de amplia utilización industrial especialmente en el sector de las herramientas de corte. Se fabrican por técnicas pulvimetalúrgicas y están constituidos por una fase metálica, compuesta habitualmente por cobalto (Co) o níquel (Ni), que aglomera a una fase cerámica, formada típicamente por carburos o carbonitruros de metales refractarios. Sin embargo, los metales utilizados como matriz, Co y Ni, son escasos, caros, y están considerados como nocivos para la salud y el medioambiente. Por ello, existe un interés creciente en la sustitución de dichos metales por otros aglomerantes de entre los cuales el Fe, o aleaciones base Fe, son muy deseables por su abundancia, reciclabilidad, inocuidad, baja solubilidad con la fase cerámica, etc. En este sentido, estudios realizados para el desarrollo de materiales compuestos base acero rápido indicaban la dificultad de introducir porcentajes de carburos superiores al 15 % en volumen, mediante técnicas pulvimetalúrgicas, debido a los problemas para obtener buenas uniones matriz-refuerzo. Incluso con porcentajes menores existe el riesgo de formación de aglomerados de los carburos añadidos por una mala dispersión en la matriz. Sin embargo, el uso de técnicas de aleación mecánica pueden ayudar a resolver estos problemas ya que permiten la obtención de un polvo compuesto en el que los carburos añadidos se encuentran homogéneamente dispersos en cada partícula del material base. Trabajos realizados combinando el uso de molienda de alta energía para la mezcla y compactación isostática en caliente para el conformado han dado lugar a materiales con comportamiento a desgaste significativamente mejorado. Estos resultados indican que el uso de estas técnicas puede permitir introducir porcentajes mayores de fase cerámica.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

 El cobalto y níquel utilizados en la matriz son considerados como nocivos para la salud y el medio ambiente

 El cobalto y níquel son muy escasos, y a la vez muy caros

4. HIPÓTESIS

 La utilización del fe como aglomerante puede reemplazar al cobalto y niquel ya que el fe presenta abundante, reciclabilidad, inocuidad y baja solubilidad con la fase cerámica y obtener mejores propiedades y menores contos de obtención.

 El compuesto obtenido podría ser tratado térmicamente por ser de matriz de fe

 El compuesto podría poseer mayor resistencia a la corrosión y a la alta temperatura por estar reforzado con materiales cerámicos (WC, TaC)

5. OBJETIVOS

 Desarrollar materiales compuestos de matriz Fe con alto contenido en carburos con propiedades entre los aceros rápidos y los carburos cementados, utilizando técnicas de molienda de alta energía que implican procesos de aleación mecánica ya que estos últimos son más duros y presentan mayor resistencia al desgaste que los primeros pero también menor tenacidad.

 Sustituir el Co o Ni por otros aglomerantes debido a los riesgos medioambientales y para la salud que estos metales representan.

 La utilización de fe o aleación base fe

.

6. PROCEDIMIENTO ESPERIMENTAL

Los materiales utilizados han sido, como material base, polvo de Fe atomizado en agua, tipo ASC100.29, de Höganäs AB, Suecia, y 0,5 % en masa de grafito (>98% masa C, < 53 µm). Como fase cerámica se ha utilizado carburo de wolframio (99,5 % WC, < 1µm) y carburo de tantalio (99,5 % TaC, < 45 µm). Los porcentajes de adición de carburos al material base han 25 % en masa WC y 25 % en masa TaC. La suma de ambos porcentajes en masa representa un porcentaje en volumen del 35 %.

La mezcla se preparó en un molino de alta energía centrífugo, utilizando un ratio bolas/polvo de 10, en masa, y una velocidad de rotación de 500 rpm. Para estudiar la evolución del polvo en el proceso de mezcla se tomaron muestras cada 2 horas y se observaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), tomándose como tiempo final de molienda 10 horas. El polvo compuesto obtenido fue caracterizado, incluyendo un estudio de compresibilidad, utilizando presiones entre 550 MPa y 700 MPa, para determinar la posibilidad de compactar en matriz uniaxial. La densidad en verde obtenida fue del orden de la que presentan los carburos cementados, por lo que se procedió a la preparación de probetas mediante este método, y se realizó un estudio de sinterabilidad, en vacío, variando la temperatura (1230 ºC a 1350 ºC) y el tiempo de sinterización (30 y 60 minutos). En todos los casos la velocidad de calentamiento y de enfriamiento para la sinterización fue de 5ºC/min. Las propiedades evaluadas fueron densidad, densificación, variación dimensional y dureza, además de un estudio microestructural. La densidad se determinó mediante un método basado en el Principio de Arquímedes, de acuerdo a la norma MPIF42; los valores obtenidos se expresan como densidad relativa frente a la densidad teórica (10,08 g/cm3). La dureza se midió en escala Rockwell A, siguiendo la norma MPIF 43. El estudio microestructural de los materiales sinterizados se realizó mediante MEB, utilizando la técnica de electrones retrodispersados (BSE) para identificar las fases por diferencia

...