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Nuevos materiales tipo cermet de matriz Fe: estudio de la composición, microestructura y propiedades

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2012-11
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2012-11-29
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En la industria de la fabricación de herramientas de corte el material más utilizado en los últimos años ha sido el carburo cementado o metal duro, WC‐Co; sin embargo, debido a su alto coste y a su toxicidad, en la actualidad existe un interés por buscar alternativas a su utilización. Los cermets base TiCN podrían ser una opción competitiva debido a su superioridad en propiedades como dureza y resistencia al desgaste y a la oxidación; no obstante los metales que se utilizan convencionalmente como matriz son Ni y Co, los cuales presentan los mismos problemas de coste y toxicidad. En este trabajo se propone la utilización de Fe como matriz metálica alternativa en cermets base TiCN, la desventaja que presenta la utilización de Fe es la baja mojabilidad sobre las partículas de TiCN durante la sinterización en fase líquida, lo que dificulta su procesado. En cermets convencionales de matriz Ni y Co, adiciones de elementos de aleación o compuestos como Cr, Mo, Mo₂C y WC pueden mejorar el procesado y propiedades de los cermets debido a cambios en la mojabilidad de la fase líquida. En este trabajo se propone estudiar si estos elementos o compuestos juegan el mismo papel cuando la matriz es Fe. Para ello se han elegido dos aceros comerciales como matriz base Fe: el acero inoxidable (grado 430) que contiene Cr y el acero rápido (grado M2) que contiene W, Mo y Cr, y se han comparado con la matriz de referencia de Fe. Para estudiar el papel de los elementos de aleación y del contenido de carbono en la formación de fase líquida y en su mojabilidad sobre la fase cerámica elegida (TiCN) se han utilizado dos herramientas fundamentales: la medida del ángulo de contacto entre la matriz metálica y el refuerzo cerámico y su evolución con el tiempo y la temperatura, y el cálculo de los diagramas de fase de los sistemas estudiados en función del contenido de carbono. Los resultados obtenidos han servido de base para explicar las propiedades de los cermets tras la sinterización. Debido a los altos valores de densidad y dureza alcanzados por el sistema M2/TiCN, reflejo de la buena mojabilidad e interacción entre sus fases, se ha estudiado este sistema con mayor profundidad. El estudio del sistema M2/TiCN incluye la influencia del contenido de carbono en las transformaciones de fase y en los mecanismos de sinterización, responsables de los cambios en la microestructura y en las propiedades finales de los cermets. Una de las ventajas del uso de Fe como matriz es la capacidad de ser endurecido mediante tratamiento térmico. Por ello se ha realizado un estudio de las condiciones de tratamiento (austenización seguido de temple y doble revenido) para alcanzar un aumento de la dureza de la pieza. Además se ha estudiado el comportamiento frente a oxidación tanto del cermet en estado sinterizado como tras ser sometido a tratamiento térmico. La importancia de conocer este aspecto radica en la potencial aplicación de este material como herramienta de corte y conformado, operaciones que conllevan disipación de energía en forma de calor. El comportamiento a oxidación del cermet base Fe se compara con el de dos materiales comercialmente utilizados para tal fin, un acero rápido y un carburo cementado. Otro aspecto que se ha que se ha abordado en este estudio es el afino de la microestructura con el fin de alcanzar mejores propiedades mecánicas. Para ello se han utilizado técnicas alternativas como la etapa de mezcla mediante molienda mecánica y la consolidación de polvos mediante Spark Plasma Sintering. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The most commonly used material in the cutting tool industry in the last years has been the cemented carbide or hard metal, WC‐Co. However, there is an interest to look for alternative materials due to its high cost and toxicity. TiCN based cermets could be a competitive option due to their good properties such as hardness, wear and oxidation resistance, nevertheless the metals which are conventionally used as metallic matrix are Ni and Co, which show the same problems of cost and toxicity as cemented carbide. In this work the use of Fe as alternative metallic matrix is proposed. The disadvantage in the use of Fe is its low wettability on TiCN particles during liquid phase sintering, which hinders the processing of the cermet. It is well known that in cermets with Ni and Co as matrixes alloying elements or compounds such as Cr, Mo, Mo₂C and WC can improve the wettability by decreasing the contact angle between the matrix and the reinforcement. The role of these elements and compounds in an iron matrix cermet has been studied in this work. To perform this research two commercial steels have been chosen as metallic matrix: stainless steel (430 grade) which contains Cr and high speed steel (grade M2) which contains W, Mo and Cr. The results obtained are compared with those of the reference cermet with plain Fe as matrix. The influence of alloying elements and carbon content in the liquid phase formation has been investigated. For this purpose two main tools have been used: the measurement of the evolution of the contact angle at high temperature between the metal matrix and the ceramic reinforcement; and the calculation of the phase diagrams of the studied cermets as a function of carbon content. The results have provided a basis for explaining the properties of cermets after sintering. The sintered cermet M2/TiCN shows high density and hardness due to the high wettability and good interaction between both phases. This system has been analyzed in depth. The study includes the influence of carbon content in the transformations during heating which are the responsible for the changes in the microstructure and the final properties of the cermets. One advantage of using Fe as a matrix is the ability to be hardened by heat treatment. Therefore the heat treatment conditions (austenitizing followed by hardening and double tempering) to increase the hardness of the sample have been established. In addition, the oxidation behavior of the cermet as sintered and after heat treatment has been studied. The main reason for investigating the oxidation behavior of these materials is that their potential application is in cutting tools manufacturing. Because of that, its oxidation behavior has been compared to that of two commercial materials, a high speed steel and a cemented carbide. Finally the refinement of the microstructure in order to improve the mechanical properties has been investigated. To obtain a fine and homogeneous microstructure alternative processing methods such as consolidation by Spark Plasma Sintering and mixing by mechanical milling have been chosen.
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Tecnología de fabricación, Herramientas de corte, Cermets
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