Desarrollo de cermets basados en soluciones sólidas mediante procesos mecanoquímicos.
- Autores: Ernesto Chicardi Augusto
- Directores de la Tesis: José Manuel Córdoba Gallego (dir. tes.), Francisco José Gotor Martínez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Número de páginas: 295
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Dolores Salvador Moyá (presid.), Yadir Torres (secret.), Luis Miguel Llanes Pitarch (voc.), Elena Gordo Odériz (voc.), Mª Dolores Alcalá González (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
Tal como se ha indicado en el capítulo anterior, se ha propuesto que el desarrollo de cermets utilizando como material cerámico de partida (previo al sinterizado) carbonitruros complejos (soluciones sólidas), que contengan en su estructura la totalidad de los metales de transición empleados en su fabricación (exceptuando el empleado como fase cementante), permitiría obtener materiales sin la característica microestructura core-rim, lo que podría mejorar las propiedades mecánicas e, incluso, modularlas mediante la modificación de la composición de dichas soluciones sólidas.
Sin embargo, a pesar de estas ventajas, el uso de estos carbonitruros complejos como materia prima no se ha generalizado tanto como hubiera cabido de esperar. La causa principal ha sido la dificultad de encontrar un método de síntesis que permita un control adecuado de la estequiometría de estas soluciones sólidas. Los métodos utilizados han sido la nitruración de mezclas estequiométricas de carburos binarios y metales refractarios, la calcinación de mezclas de carburos y nitruros en atmósfera inerte y la reducción carbotérmica en atmósfera de nitrógeno de mezclas de los correspondientes óxidos [126, 137, 270-273]. Todos estos métodos requieren altas temperaturas y a menudo presión, así como pasos intermedios de molienda, para acelerar el proceso. Como el material así obtenido presenta un elevado tamaño de partícula, es necesario reducirlo incluyendo nuevos procesos de molienda antes de realizar la mezcla final con la fase cementante, añadiendo complejidad al proceso pulvimetalúrgico de fabricación de los cermets.
En nuestro grupo de investigación, se ha demostrado que el proceso mecanoquímico MSR permite obtener de forma sencilla, no sólo carbonitruros de metales de transición, sino también soluciones sólidas de estos carbonitruros constituidos por más de un metal, con un elevado control de la estequiometría y una gran reproducibilidad [247, 248]. Además, se demostró que el método MSR podía incorporarse con facilidad a la metodología utilizada en el desarrollo de cermets, tomando como base sistemas sencillos formados por una única fase cerámica de composición TiCxN1-x y una fase metálica [274, 275], obteniéndose una excelente dispersión de las partículas cerámicas en la fase cementante tras realizar un procesado isotérmico convencional.
Teniendo en cuenta estos antecedentes, el objetivo fundamental de la presente tesis doctoral consiste en el desarrollo y la caracterización (química, estructural, microestructural y mecánica) de cermets basados en soluciones sólidas de carbonitruros de metales de transición, evitando en la medida de lo posible la formación de la típica microestructura core-rim, gracias a la incorporación del proceso mecanoquímico MSR como parte de la ruta pulvimetalúrgica empleada. Con la finalidad de no complicar en exceso la composición química del cermet y así poder extraer con más facilidad la influencia de la presencia de las soluciones sólidas en el comportamiento mecánico, se ha planteado emplear una única fase cerámica cuaternaria cuya composición es un carbonitruro de Ti y Ta y Co elemental como fase cementante. En concreto, se consideró de gran interés incluir Ta para proporcionar buenas propiedades mecánicas a alta temperatura. Por todo ello, la composición química nominal de los cermets objeto de estudio en la presente tesis doctoral se puede definir como (TixTa1-x)(C0,5N0,5) – Co (20 % en peso) con valores de x = 1; 0,99; 0,95; 0,9 y 0,8.
Los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral se han agrupado en 4 capítulos:
• Capítulo 4: Cermets basados en (TixTa1-x)(C0,5N0,5) – Co: 1 etapa de molienda.
• Capítulo 5: Cermets basados en (TixTa1-x)(C0,5N0,5) – Co: 2 etapas de molienda.
• Capítulo 6: Cermets basados en (TixTa1-x)(C0,5N0,5) – Co: Efecto de la introducción de aditivos.
• Capítulo 7: Cermets basados en (TixTa1-x)(C0,5N0,5) – Co: Resistencia a la oxidación.
Con objeto de simplificar en la medida de lo posible el proceso pulvimetalúrgico, en primer lugar se realizó la síntesis de la fase cerámica carbonitruro por MSR y el mezclado con la fase cementante Co simultáneamente en el mismo proceso de molienda. La caracterización de los cermets desarrollados por esta metodología, que se presenta en el capítulo 4, mostró sin embargo la existencia de una microestructura corerim, aunque, como se verá más adelante, diferente a la generalmente presentada en la bibliografía. Además, la presencia de compuestos intermetálicos en la fase cementante, que se formaban durante el proceso MSR, provocaba en estos cermets un mal comportamiento mecánico.
Por esta razón, en el capítulo 5 se aborda una modificación del proceso de síntesis que consistía en realizar dos procesos consecutivos de molienda independientes, uno para sintetizar exclusivamente la fase cerámica carbonitruro y otro posterior para realizar la mezcla con la fase cementante. Aunque en este caso no se observó la microestructura core-rim, sin embargo la presencia de nuevo de fases intermetálicas volvía a ser perjudicial desde el punto de vista de las propiedades mecánicas.
Los resultados del capítulo 6 muestran los ensayos realizados con el fin de impedir o minimizar la formación de dichas fases intermetálicas durante la ruta pulvimetalúrgica. Como se expondrá en dicho capítulo se obtuvieron muy buenos resultados cuando se añadía grafito como aditivo previo a la sinterización.
Por último, en el capítulo 7 se presenta un estudio exhaustivo de la resistencia a la oxidación de los cermets desarrollados en los capítulos anteriores y como se expondrá, se confirmó el efecto positivo que induce la presencia de Ta en la composición de los cermets. Los resultados obtenidos muestran que estos cermets pueden ser candidatos potenciales para procesos de mecanizado que impliquen soportar altas temperaturas de trabajo.
