Publication: Desarrollo y optimización del proceso de moldeo por inyección de metales (MIM) de aleaciones magnéticas blandas base hierro
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Publication date
2016-12
Defense date
2016-12-16
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Abstract
Las aleaciones magnéticas blandas base hierro se utilizan en una gran
variedad de aplicaciones eléctricas y electrónicas, entre las que destacan los
motores y los generadores. Su uso está muy extendido debido a su buena
combinación de propiedades magnéticas y su relativo bajo coste. El avance
de las tecnologías y la mayor concienciación con el medio ambiente han
derivado en una búsqueda de mejoras en la eficiencia de estas aplicaciones.
Esta búsqueda conlleva la optimización de las aleaciones magnéticas
blandas base hierro.
A principios del siglo XX, el estudio sistemático de las aleaciones
magnéticas blandas condujo al descubrimiento de sus buenas propiedades
magnéticas, y comenzó su utilización en aplicaciones eléctricas y
electrónicas. Desde entonces, el desarrollo de estos materiales continúa
suscitando un gran interés, y abarca el diseño de propiedades específicas
mediante la introducción de nuevos elementos de aleación y la utilización
de métodos de procesamiento alternativos, entre otros.
En la presente Tesis Doctoral se propone el desarrollo y la optimización del
proceso de Moldeo por Inyección de Metales (MIM) de aleaciones
magnéticas blandas base hierro. Esta técnica permite la fabricación de
componentes con morfologías complejas, sin la utilización de operaciones
secundarias, que deterioran la respuesta magnética de estos materiales.
Además, mediante MIM se pueden producir piezas de mayor densidad y
menor contaminación que con respecto a las técnicas de procesado clásicas.
Todo esto lleva a la obtención de componentes finales de propiedades
mejoradas.
Este trabajo comienza con un estudio preliminar de las aleaciones base
hierro Fe-49Ni, Fe-35Co y Fe-3.8Si. En dicho estudio se evalúa la
viabilidad de MIM en la producción de componentes de estas aleaciones, a
partir de polvo prealeado y con la utilización de parámetros
convencionales. El estudio continúa con la optimización de todas las etapas
del proceso MIM para la obtención de componentes magnéticos blandos
de las aleaciones Fe-6Si y Fe-3.8Si de propiedades mecánicas y magnéticas
mejoradas.
La optimización del proceso MIM se inicia con la optimización de la carga
de polvo en el feedstock a través de métodos basados en la reometría de torque y en medidas de la densidad. La segunda etapa consiste en la
selección de los parámetros de inyección que conduzcan a la obtención de
piezas en verde libres de defectos. En la tercera etapa se seleccionan los
parámetros más adecuados para la eliminación gradual y eficiente del
sistema ligante. Por último, se evalúa el efecto de diferentes atmósferas y
ciclos de sinterización en las propiedades mecánicas y magnéticas de las
piezas finales. Dichas propiedades han sido comparadas con las que se
obtienen a través de los métodos clásicos de procesado. Los resultados de
este trabajo muestran que el proceso MIM es una alternativa eficaz en la
producción de componentes magnéticos blandos de las aleaciones Fe-Si.
Iron based soft magnetic alloys are commonly used in electrical and electronic devices, such as engines and generators. These alloys are widely used due to their good combination of magnetic properties and relatively low cost. The challenges of technology and the increasing environment awareness lead to search for applications with increased efficiency. As a consequence, there is a need to improve the properties of the iron based soft magnetic alloys. In the early twentieth century, the systematic study of the iron based alloys led to discover their good magnetic properties. Then, its use in electrical and electronic applications began. Since then, the development of these alloys continues, and it covers the design of specific properties by introducing new alloying elements and the use of alternative processing methods, in order to obtain final parts with improved magnetic and mechanical properties. The main propose of the present PhD Thesis is to obtain improved iron based soft magnetic alloys by Metal Injection Molding (MIM). This technique provides final parts with complex geometries, without using secondary operations, which deteriorates the magnetic performance of the materials. In addition, this technology allows the production of high density materials with low contamination. All this leads to final components with improved properties. This research work starts with a preliminary study about the iron-based alloys Fe-49Ni, Fe-35Co and Fe-3.8Si. In this study, the viability of the MIM process is studied by using pre-alloyed powder and MIM conventional parameters. The study continues with the optimization of all MIM stages for the alloys Fe-6Si and Fe-3.8Si. The first stage of the MIM process is the optimization of the powder loading in the feedstock. In the second stage, the injection parameters are selected in order to obtain defects-free green parts. Then, the thermal debinding parameters are designed with the aim of removing the binder effectively and gradually. Finally, the effect of different atmospheres and sintering cycles on the mechanical and magnetic properties is evaluated. The final properties were compared with those obtained by the conventional methods. The results show that the MIM process is an effective alternative in the production of soft magnetic components of the Fe-Si alloys.
Iron based soft magnetic alloys are commonly used in electrical and electronic devices, such as engines and generators. These alloys are widely used due to their good combination of magnetic properties and relatively low cost. The challenges of technology and the increasing environment awareness lead to search for applications with increased efficiency. As a consequence, there is a need to improve the properties of the iron based soft magnetic alloys. In the early twentieth century, the systematic study of the iron based alloys led to discover their good magnetic properties. Then, its use in electrical and electronic applications began. Since then, the development of these alloys continues, and it covers the design of specific properties by introducing new alloying elements and the use of alternative processing methods, in order to obtain final parts with improved magnetic and mechanical properties. The main propose of the present PhD Thesis is to obtain improved iron based soft magnetic alloys by Metal Injection Molding (MIM). This technique provides final parts with complex geometries, without using secondary operations, which deteriorates the magnetic performance of the materials. In addition, this technology allows the production of high density materials with low contamination. All this leads to final components with improved properties. This research work starts with a preliminary study about the iron-based alloys Fe-49Ni, Fe-35Co and Fe-3.8Si. In this study, the viability of the MIM process is studied by using pre-alloyed powder and MIM conventional parameters. The study continues with the optimization of all MIM stages for the alloys Fe-6Si and Fe-3.8Si. The first stage of the MIM process is the optimization of the powder loading in the feedstock. In the second stage, the injection parameters are selected in order to obtain defects-free green parts. Then, the thermal debinding parameters are designed with the aim of removing the binder effectively and gradually. Finally, the effect of different atmospheres and sintering cycles on the mechanical and magnetic properties is evaluated. The final properties were compared with those obtained by the conventional methods. The results show that the MIM process is an effective alternative in the production of soft magnetic components of the Fe-Si alloys.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Aleaciones magnéticas blandas, Ensayo de materiales, Industria metalúrgica, Moldeo por Inyección de Metales (MIM)