Nou aliatge base ferro resistent a elevades temperatures
- Autores: Désirée Viladot Gatnau
- Directores de la Tesis: Joaquim Portillo Serra (dir. tes.), Núria Llorca i Isern (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antoni Roca Vallmajor (presid.), Jaume Pons Morro (secret.), Enrico Mugnaioli (voc.)
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
La majoria dels aliatges emprats pel servei a temperatures superiors als 400ºC contenen importants quantitats de níquel i cobalt en la seva composició. Aquests metalls d'una banda són cars i de l'altra estan sotmesos a variacions irregulars del seu preu de mercat. Per tal de cobrir les necessitats del mercat mantenint un equilibri amb els costos del material emprat és necessari el desenvolupament constant de nous aliatges per tal de cobrir de manera més específica les àrees de treball a temperatures elevades.
L¿objectiu d¿aquesta tesi doctoral és el disseny i desenvolupament d¿un aliatge base ferro amb un contingut de níquel menor al 3%, capaç de suportar temperatures de procés i treball per sobre els 800ºC amb una elevada resistència a la corrosió.
Per tal de dur a terme el disseny d¿aquest aliatge, s¿ha realitzat una cerca bibliogràfica per determinar la composició adient per assolir aquestes característiques. Els elements escollits finalment per formar part de la composició han estat: el crom, per sota d¿una concentració del 20% per evitar un encariment excessiu de l¿aliatge, i l¿alumini per sota d¿un 8% perquè no es formin fases del tipus DO3. Aquests dos elements són molt importants dins de la composició per la seva aportació de resistència a la corrosió per formació de capes d¿òxid protectores; el níquel en quantitat suficient perquè millori la ductilitat i tenacitat de l¿aliatge; el silici que passa a formar part de l¿aliatge per la seva funció com a estabilitzador de la ferrita principalment, i altres elements minoritaris, com el ruteni que afavoreix la difusió del crom en la formació de la capa protectora d¿òxid, l¿itri que té un efecte sobre la transformació de fase fins arribar a la ¿-alúmina i millora l¿ancoratge de la capa en el substrat, allargant d¿aquesta manera la vida de la capa i millorant la resistència a la corrosió, i l¿hafni i el lantà que conjuntament fan que la difusió de l¿alumini sigui menor i s'afavoreixi la formació de la capa per entrada d¿oxigen, millorant d¿aquesta manera també l¿adhesió de la capa.
La composició determinada es mostra en la següent taula: Element % en pes Fe 72-73 Cr 16-18 Al 6-8 Ni 2-3 Si 0,2-0,3 Y 0,5-0,7 La 0,07-0,11 Hf 0,07-0,11 Ru 0,9-1,1 Una vegada determinada la composició teòrica, s¿ha procedit a la comprovació del possible comportament d¿aquesta mitjançant el mètode New PHACOMP, que permet establir, de manera moderadament complexa, la semblança de comportament amb aliatges que ja es comercialitzen. Aquest mètode ha permès determinar que l¿aliatge tindrà un comportament similar als acers de tipus ferrític.
Després de determinar la composició es procedeix a escollir el mètode d¿obtenció de les mostres de l¿aliatge, per tal de sotmetre-les a estudi. S¿escull el forn d¿arc elèctric per aconseguir una temperatura suficientment elevada per dur a terme la fusió de tots els elements, sense necessitat d¿afegir escòria per evitar la contaminació ambiental ja que la fusió es duu a terme sota buit.
Per poder veure l¿efecte dels elements minoritaris en la composició final, es proven variacions de la composició escollida. Es duu a terme la fusió de mostres, en diferent composició per tal de determinar la importància experimental d'uns i altres elements. Les mostres es sotmeten a un tractament de condicionament de l¿estructura i de precipitació i s¿estudien abans de tractament i després de cada pas d¿aquest tractament. Es comprova la duresa i la microestructura a cada pas i s¿arriba a la conclusió que és necessari utilitzar tots els elements previstos prèviament en les mostres definitives ja que l¿hafni té influència sobre la formació de precipitats i per aquest motiu també influeix sobre la duresa, el ruteni sembla tenir un efecte beneficiós a l¿hora de protegir les mostres davant de la contaminació per nitrogen, que s¿ha trobat en algunes de les mostres, i l¿itri, que tot i no tenir un efecte perceptible sobre la precipitació i la duresa, es considera necessari per la futura obtenció de la capa d¿òxid protectora que més endavant es forma mitjançant tractament tèrmic.
Un cop elaborades les mostres de l¿aliatge RFT, obtingudes per fusió en forn d¿arc elèctric, es comprova que la composició és la correcta mitjançant espectrometria de masses per descàrrega luminescent. La caracterització d¿aquestes mostres revela una estructura dendrítica, on s¿hi poden trobar tres fases diferenciades: la matriu ferrítica, els precipitats i una fase de solució sòlida acompanyant-los quan aquells es troben en el límit de gra.
Analitzant els precipitats en major profunditat, es pot veure com es presenten en tres morfologies diferents: al¿lotriomorfs, idiomorfs i com a plaques de Widmanstätten. Els precipitats al¿lotriomorfs es troben continguts en el límit de gra, juntament amb la fase sòlida rica en itri i níquel. Els precipitats idiomorfs estan repartits tant per la matriu com en el límit de gra. Pel què fa a les plaques Widmanstätten, es poden trobar en alguns punts de la matriu. L¿anàlisi per EDS i les distribucions d¿intensitat indiquen que la composició del precipitat està formada per hafni i silici. Mitjançant microscòpia electrònica de transmissió, s¿utilitza la difracció en precessió per poder dur a terme la caracterització estructural. Aquesta fase no es troba en la base de dades per la qual cosa s'ha de construir unes dades de referència que permetin seguir el procediment de càlcul de l'estructura. Finalment es determina que el seu grup espacial és el Cmmm (65) i el sistema cristal¿lí en el que s'ordena, que resulta ser l'ortoròmbic. El precipitat d¿estructura ortoròmbica identificat presenta uns paràmetres de cel¿la unitat de a: 11,4 Å; b: 11,8 Å i c: 14,6 Å, i conté 10 àtoms amb una relació atòmica de 1 a 4 entre l'hafni i el silici (HfSi4). Les relacions d¿orientació determinades sobre els precipitats mostren com tots mantenen la mateixa relació d¿orientació entre ells i la matriu.
Una cop s¿ha caracteritzat la microestructura es procedeix a la caracterització química, física i mecànica.
La caracterització química es centra en la resistència de l¿aliatge a la corrosió ja que aquest és un dels objectius que es pretén aconseguir amb aquest nou aliatge. Els resultats obtinguts de les mostres tractades tèrmicament a 1200ºC durant 12 hores, permeten afirmar que el mecanisme de formació de la capa d¿alúmina es duu a terme mitjançant la difusió de l¿alumini cap a la superfície de la mostra i la de l¿oxigen cap a l¿interior de la mostra. La difusió de l¿alumini cap a l¿exterior s¿evidencia clarament per la disminució del percentatge d¿aquest element en la matriu després del tractament tèrmic. L¿energia d¿activació de difusió de l¿alumini i de l¿oxigen disminueixen a temperatures més elevades, tot i que la de l¿oxigen sempre és major i per tant té una velocitat de difusió molt menor que l¿alumini. La presència d¿alúmina en els límits de gra mostra clarament l¿entrada de l¿oxigen en la mostra. Aquesta difusió en el límit de gra pot veure¿s facilitada gràcies a la presència de l¿itri i l¿hafni en la composició de l¿aliatge, Els assajos duts a terme mitjançant Brunauer-Emmett-Teller (BET) confirmen que la capa d'òxid que s¿aconsegueix mitjançant tractament és densa i resistent a la corrosió. La caracterització electroquímica confirma que com a major temperatura i major temps de tractament, millor és la resistència a la corrosió de les capes obtingudes.
La caracterització física es duu a terme mitjançant mesures de densitat, que resulta ser 8,42 g/ml. La susceptibilitat magnètica es mesura mitjançant un dispositiu superconductor d¿interferència quàntica (SQUID), el qual confirma que l¿aliatge és ferromagnètic.
L¿anàlisi tèrmica mitjançant TGA mostra dues temperatures on es donen canvis estructurals en l¿aliatge (a 760ºC i 1060ºC).
Per caracteritzar mecànicament l¿aliatge es mesura la seva duresa, que és de 252 HV/0,3Kp, i el mòdul de Young per mesura d'ultrasons que resulta ser de 200 GPa i el seu coeficient de Poisson de 0,3.
També es va realitzar una anàlisi de comportament a temperatura mitjançant aplicació de càrrega comparant-lo amb un aliatge de referència per aplicacions a temperatures elevades. El resultat indica que l'aliatge RFT presenta menor fluència, de l'ordre del 55% inferior, a temperatura de 1050ºC L¿aliatge obtingut, denominat RFT, compleix les expectatives del disseny realitzat prèviament. Es tracta d¿un aliatge de matriu ferrítica acompanyada d'una fase dura de HfSi4 que donarà lloc a un aliatge de duresa elevada i resistent al treball a elevades temperatures. La formació d'aquesta fase en la matriu i en els límits de gra, permet bloquejar la microestructura per tal de que no hi hagi lliscament entre grans a altes temperatures.
