Publication:
Optimización de fases líquidas para la sinterización de aceros: efecto en la microestructura y comportamiento dimensional

Loading...
Thumbnail Image
Identifiers
Publication date
2014-11
Defense date
2014-11-27
Tutors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Impact
Google Scholar
Export
Research Projects
Organizational Units
Journal Issue
Abstract
Desde que aparecieron los primeros componentes pulvimetalúrgicos base hierro a principios de la década de los cuarenta, la industria de los aceros sinterizados ha pasado de proporcionar componentes de baja fiabilidad y propiedades mecánicas muy limitadas, a fabricar componentes de altas prestaciones y elevada robustez dimensional, que cubren un amplio espectro de aplicaciones y requerimientos. Las mejoras introducidas en los sistemas de aleación y las rutas de procesado han sido las principales fuerzas motrices de este desarrollo. En la actualidad, los aceros pulvimetalúrgicos se enfrentan al reto de producir componentes con una relación propiedades-costes más favorable, que permita mantener su posición privilegiada en sectores tan competitivos como el del automóvil y, además, favorezca su entrada a nuevos mercados. La introducción de sistemas de aleación más eficientes y la disminución del contenido total de elementos de aleación en el acero son dos de las estrategias más empleadas en el marco del desarrollo de nuevos aceros con mayores prestaciones a menor coste. Este trabajo de investigación propone contribuir a la mejora de los aceros sinterizados en ambas direcciones. En él, se explora la posibilidad de diseñar nuevos sistemas de aleación para la sinterización con fase líquida de aceros de baja aleación que presentan un contenido optimizado en elementos de aleación en su composición. Los elementos de aleación se introducen en el acero en forma de aleación maestra, que se añade al componente mayoritario, un polvo base Fe, para obtener la composición química, microestructura y nivel de propiedades requeridos en el acero tras la sinterización. Las aleaciones maestras contienen Cu y Ni en su composición, elementos de uso extendido en la metalurgia de polvos, en combinación con cantidades optimizadas de Si, elemento que despierta un gran interés en el ámbito de los aceros sinterizados pues posibilita una mejora pronunciada de la resistencia a bajo coste, pero cuya incorporación en forma de polvo se ha visto frenada debido a su elevada afinidad por el oxígeno. Como característica adicional, las aleaciones maestras Cu-Ni-Si presentan un punto de fusión por debajo de las temperaturas típicas de sinterización de aceros, lo que favorece la formación de una fase líquida durante la sinterización. El trabajo abarca una primera etapa de diseño y desarrollo de las composiciones de aleación maestra. Se lleva a cabo una descripción teórica del sistema de aleación Cu-Ni-Si y de la combinación Fe-CuNiSi con herramientas de software de cálculo termodinámico y cinético. La validación experimental de estos resultados junto con un estudio de la interacción entre las fases (interacción líquido-sólido) facilita la caracterización de aspectos determinantes de la sinterización en presencia de fase líquida. En concreto, se determinan de manera precisa propiedades de las fases líquidas como su carácter disolutivo, mojabilidad y capacidad de distribución bajo diferentes condiciones de trabajo. Al incorporar las composiciones de aleación maestra a polvos base Fe, se lleva a cabo una caracterización de la estabilidad dimensional, formación de la microestructura y propiedades de los aceros, manteniendo en todos los casos contenidos mínimos de aleación (por debajo de 4% en peso). En particular, para el estudio se seleccionan dos composiciones de aleación maestra con una capacidad disolutiva bien diferenciada, lo que posibilita el análisis de la influencia de dicha característica en el comportamiento del acero sinterizado. El efecto de otros parámetros como la atmósfera de sinterización, el contenido en aleación o la composición del polvo base se consideran en el estudio. Con la metodología aplicada, se desarrollan fases líquidas con propiedades optimizadas, cuyo diseño es posible adecuar en función los requerimientos de densificación, variación dimensional, microestructura y propiedades del acero sinterizado. Los resultados obtenidos muestran la posibilidad de conocer y anticipar las propiedades de la fase líquida a alta temperatura y su interacción con la fase sólida, que resulta de gran utilidad para el avance de los aceros pulvimetalúrgicos.
Since first Fe base powder metallurgy (PM) components were developed in the 1940s, sintered steels have undergone substantial improvements in terms of performance and dimensional precision. Nowadays, they exhibit an excellent balance of properties and dimensional stability, which allow them to cover a wide variety of applications and requirements. The outstanding progress of this industry has been spurred by the technological developments of the alloying systems and processing routes. However, the main challenge of the current PM steel industry is to provide components with an optimal property-cost relationship that allows to maintain their competitive position in the automotive industry or even favor entering new markets. The introduction of more efficient alloying systems and the reduction of the final alloy levels in the steel are two of the most common strategies employed to develop new steels with improved performance at lower cost. The present research work contributes to the improvement of sintered steels in both directions. The development of new alloying systems for liquid phase sintering of low alloyed sintered steels presenting optimized alloy content is explored. The alloying elements are introduced in the form of a master alloy that is added to an iron base powder in order to get the desired composition, microstructure and the level of properties after sintering. The used master alloys are based in the Cu-Ni-Si system, that combines Cu and Ni, elements of extended use in PM, with optimized levels of Si, which is considered an attractive element since it offers the greatest strength increase at lower cost, but whose implementation in PM steels has been limited due to its high affinity for oxygen. Additionally, the master alloys are designed to have a low melting point below the common sintering temperatures to favor liquid phase formation during sintering. In the first part of the work, the design and characterization of the master alloy (MA) compositions is carried out. A thermodynamic description of the Cu-Ni-Si and the combination of Fe-CuNiSi is performed using thermodynamic and kinetics software tools. The experimental validation of these results together with a study of the interaction between the phases (liquid-solid interaction) enable the characterization of determinant aspect of sintering in the presence of a liquid phase. In particular, the dissolutive character, wettability and distribution capacity of the liquid phases is examined under different working conditions. Atomized MA powder with the selected compositions are added to different Fe base powders to evaluate the effect on dimensional stability and properties of the addition of low contents of MA powder (below 4 wt.%). For this study, two MA compositions with a different dissolutive capacity are used. The effect of the solubility phenomena and other parameters, such as the sintering atmosphere or the alloy and carbon contents are also evaluated in this study. Based on the applied methodology, it is possible to develop liquid phases with optimized properties, which can be accurately tailored depending on the required densification, dimensional variation, microstructure and properties in the sintered steel. The results show the possibility of accurately anticipating the behavior the liquid at high temperatures and its interaction with the solid phase, which is of high technological value for the improvement of low alloyed steels.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Aceros sinterizados, Sinterización en fase líquida, Ensayo de materiales, Pulvimetalurgia
Bibliographic citation
Collections