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

• Autores: Elena Bernardo Quejido
• Directores de la Tesis: José Manuel Torralba Castelló (dir. tes.), Mónica Campos Gómez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Roberto Molinari (presid.), Elena Gordo Odériz (secret.), Dimitris Chasoglou (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología metalúrgica
      • Pulvimetalurgia
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • 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.