Tesis Paula Alvaredo Olmos 2012

TESIS DOCTORAL

Nuevos materiales tipo cermet de matriz Fe: Estudio de la

composicin, microestructura y propiedades.

Autora: Paula Alvaredo Olmos

Directora:

Elena Gordo Odriz

Departamento de Ciencia e Ingeniera de Materiales e Ingeniera Qumica

Instituto de Materiales lvaro Alonso Barba

Legans, Noviembre 2012

TESIS DOCTORAL

Nuevos materiales tipo cermet de matriz Fe: Estudio de la composicin, microestructura y

propiedades.

Autora: Paula Alvaredo Olmos

Directora: Elena Gordo Odriz Firma del Tribunal Calificador:

Firma Presidente: Jos Manuel Torralba Castell

Secretario: Jos Ygnacio Pastor cao

Vocal: Jos Garca

Calificacin:

Legans, 29 de Noviembre de 2012

Agradecimientos.En primer lugar me gustara agradecer al departamento de Ciencia e Ingeniera deMateriales e IngenieraQumica de la Universidad Carlos III deMadrid queme hayaabiertosuspuertasparalarealizacindeestatesisdoctoral.Tambinme gustara dar las gracias al departamento de Ingeniera deMateriales yMetalurgia de la Universidad Catlica de Lovaina (KUL) y a Omer van der Biest poracogerme endosocasiones. En especial aKimVanmeenselporhabermebrindado suamistaddesdeelprimermomento.GraciasaDanieleMariyatodosuequipoporacogermeenlaEscuelaPolitcnicaFederaldeLausanne(EPFL),perosobretodograciasportuamabilidadytusconsejosDaniele.Gracias a Pere Bruna y Daniel Crespo del departamento de Fsica aplicada de laUniversidadPolitcnicadeCataluapor irmsallde la realizacinde lasmedidasdeespectroscopaMssbauer.Trasestoscincoaosdetrabajomedoycuentadequehasidomuchagente laquehaestadoamiladoyestoyagradecidaatodoslosquemehabisacompaadoyayudado.Peromimayoragradecimientoesparamidirectora,Elena.Me sientomuy afortunadadehaber compartido estos cinco aos contigo.Nuncamepodrolvidarde tiporqueme llevo tu impronta,hasdejado tuhuellaenm.Mehasenseadoainvestigaryaanalizar,peroademsmehasenseadoatenermspacienciay serms comprensiva, y todo lo has hecho sin perder la sonrisa. Gracias de todocorazn.Tambin quiero acordarme de los alumnos que han realizado su proyecto de fin decarrerarelacionadoconesta investigacin,JuanCarlos,CarolinayMnica,porquealgode vosotros tambin ha quedado aqu reflejado. Gracias a vosotros y a todos misalumnosdeestoscincoaosporquemehabisayudadoaconfirmarmipasinpor ladocencia.Graciasatodas laspersonasdemidepartamento.GraciasaMariola,SusanayRafaporaconsejarmeenmisprimerosdas,aMariuporsuamabilidad,aJavipornuestraslargasconversaciones,aBlancaporaquellanoche,aJess,aNacho,aNoe,aCarlos,aTeresaGraciasaldespachodeal ladopordejarme ira incordiaros:JJ,Artemia,Mara,Susana,Edwin,Viviana, Claire. En especial aAmaia porque s que nos quedanmuchas cosashacerGraciasa todos losquehanpasadopor lapequea familiadelgrupode tecnologadepolvos. A Chema por conseguir hacerme rer todas lasmaanas, a Pablo por saberescucharme siempre, y a Leandro con el que he compartido viajes, conversaciones ycientosdecafs...ojalnuestroscaminossevuelvanacruzar.GraciasaMaruyElisa.AToiporensearmequesepuedepelearsinperderladulzura.ASophiaporestarsiempredisponibleparaayudar.

AJosManuelporcuidarnosatodos.A Fede,Roberto,Alicia,Mohammad,Nerea,Eloy,Roco,Bea,Digenes, Javi, Sophia...ahorasquemevoyapoderapuntaracualquierplanconvosotros.Graciasporhacerungrupo.AMarapor ser imprescindible,por tupacienciaypordejarnosponer lacalefaccinatope.AElenaB.portodaslasrisasyllantosCmomealegrodehaberteconocido,peroestoessoloelprincipio.A Carolina,mi pequea. Por haberme transmitido tu entusiasmo, tu optimismo, porcuidarmeVasallegarmuylejosporqueerescapazderealizartodoloqueteproponesyesperoestarmuy cercaparanoperdrmelo.Puedes contar conmigo siempre,no loolvides.AMnicaCampos,porqueyodemayorquierosercomot.Despusdetantashorasdeconversacinnoscmodecirte loquesuponesparam,eresesaamigaquesiempretienealgoqueensearme.Graciaspordarmemi9demarzo.ARaquel,portodo lovividoyportodo loquenosquedaporhacer juntasencualquierlugardelmundo.Soloporconocertehavalidolapena.Graciasporsermingel.A Luz yPepepordejarme formarpartedeeste tro.Han sido cincoaos inolvidablesperotodavanosquedamuchoporvivir juntos.Notengopalabrasparaexplicar loquehasupuestovuestraamistad.Graciasamigos.Graciasmisamigosalosquehetenidodesatendidosestosltimosmeses,graciasaEdu,Mara,Anto,Su,Eloy,Carmen,Mario,MercedesGraciasalasVerdes:Patricia,Isa,Julia,Vane, Lydia, Almu y Anais porque habis estado, estis y estaris en todos losacontecimientosdemivida.Graciasporllevar25aossoportndome.AmiPequenia,porqueyalosabes,hastacuandoseayparaloquesea.Amis tos,MarayRamn.Porque tengo lamejor tadelmundo.AmiprimayamigaLauraporquesiempreestconmigo.AmicuadaLauraquesiempremedaelpuntoderealidad.APabloporqueasuladosemeolvidaelmundo.AIlu,Jose,DuniaDavidyHugoporquevosotrostambinsoismifamilia.Amisabuelos:Elena,Pedro,JulioySara.Pordrmelotodo.Amishermanos.AMarioporquemehacesreryalavezmedaslacorduraquenecesito.ALuca,porsermimejoramiga,porquenadiemeconocecomo t.Sois lomejorquetengo.Amispadresporquetodoloquesoyesgraciasavosotros.Amimadre,miincondicional.Graciasporhaberme inculcadotusvalores,ojalalgndayo lohaga igualdebienquet.Amipadre,siempredicesqueloshijoscuandocrecentedejandeadmirar,peroyotesigomirandoconlosmismosojosquecuandotena5aos.AJose,mimedialangosta,porqueatuladosqueTodoesposible.

AmispadresAmishermanos

AJose

ndicedecontenidos

NDICEDECONTENIDOSRESUMEN1CAPTULO1.INTRODUCCINYANTECEDENTES51.1 Materialesparalafabricacindeherramientas...71.1.1. Acerosdeherramientas..81.1.2. Materialescermicosymaterialessuperduros..101.1.3. Carburoscementadosycermets11

1.2 Carburocementado(Metalduro).121.2.1.Descripcinycaractersticasgenerales121.2.2.MatricesalternativasalCo151.2.3.Propiedadesdelcarburocementadoconmatricesalternativas..181.2.4.MetalduroconmatrizbaseFecomercialenlaactualidad241.3 Cermets..261.3.1.Descripcinycaractersticasgenerales...261.3.2.Evolucindeloscermetseneltiempo.271.3.3.Microestructuracore/rimdecermetsbaseTiCN..301.3.4.Propiedadesysurelacinconlamicroestructuracore/rim..311.3.5.Parmetrosqueinfluyenenlamicroestructuracore/rim321.3.6.Elhierrocomomatrizmetlicaencermets..331.4 Bibliografa36CAPTULO2.MOTIVACINYOBJETIVO432.1Motivacin452.2.Objetivos462.3Bibliografa47CAPTULO3.MATERIALES,TCNICASEXPERIMENTALESYMETODOLOGA493.1Esquemadeltrabajoexperimental.513.2Materiales523.3Estudioprevioalprocesado.543.3.1.Clculodediagramasdefase..543.3.2.Estudiodemojabilidad.543.4Procesado.583.4.1.Consolidacindepolvos...603.4.2.Tratamientostrmicos...633.5Caracterizacindepolvos.653.5.1.Anlisisdeltamaodepartcula653.5.2.Anlisisqumico.653.5.3.Medidadedensidad..663.5.4.Microscopaelectrnicadebarrido(SEM)...66

ndicedecontenidos

3.5.6.DifraccinderayosX(DRX)..663.5.7.Anlisistrmico.683.6Caracterizacindepiezassinterizadas..693.6.1Medidadedensidad..693.6.2.Microscopaelectrnicadebarrido(SEM).693.6.3.DifraccinderayosX(DRX)703.6.4.Espectroscopamecnica....703.6.6.EspectroscopaMssbauer.723.6.7.Microscopaelectrnicadetransmisin743.6.8.Caracterizacinmagntica..753.6.8.Medidadedureza..763.6.9. Medidade tenacidad763.7Comportamientoaoxidacin.783.7.1.Horno..783.7.2.Termogravimetra..783.8Bibliografa..79CAPTULO4.INFLUENCIADELACOMPOSICINDELAMATRIZENCERMETSFe/TiCN834.1Diagramadefases.854.2Estudiodemojabilidad..874.2.1.Elementosdealeacin..874.2.2.Contenidodecarbono934.3Microestructuraypropiedadesdecermets(M+X%C)/TiCN.954.4ComposicindeTi(C,N)traslasinterizacin..974.5Conclusionesparciales..994.6Bibliografa...100CAPTULO5.INFLUENCIADELCONTENIDODECENELCERMETM2/TiCN1035.1Estudiomicroestructural1055.1.1.Fasematriz..1075.1.2.Faserefuerzo.1115.2Transformacionesduranteelcalentamiento1175.3Mecanismodesinterizacin.1235.4Propiedadesdecermets(M2+x%C)/TiCN..1275.4.1.Tenacidadafractura.1275.4.2.Propiedadesmagnticas1295.5Conclusionesparciales1315.6Bibliografa..132CAPTULO6.TRATAMIENTOSTRMICOSYCOMPORTAMIENTOAOXIDACIN1376.1Tratamientostrmicos1376.2Comportamientofrenteaoxidacin.1406.2.1.Cinticadeoxidacin..140

ndicedecontenidos

6.2.2.Composicindelasuperficiedeoxidacin.1416.2.3.Mecanismodeoxidacin..1456.2.4.Morfologadelasuperficiedeoxidacin..1476.3Comparacinconmaterialescomerciales.1486.4Conclusionesparciales..1526.5Bibliografa..153CAPTULO7.ESTRATEGIASPARAELAFINODELAMICROESTRUCTURA1577.1SparkplasmaSintering.1577.2Moliendamecnica.1607.2.1.Agentecontroladordelproceso(PCA)1607.2.2.Influenciadelavelocidaddemolienda1617.2.3.Influenciadeltiempodemolienda.1687.3Conclusionesparciales.1747.4Bibliografa...175CAPTULO8.CONCLUSIONESFINALES1777.1SparkplasmaSintering.1797.2Moliendamecnica.182CAPTULO9.LNEASFUTURAS185ANEXOI.ENSAYOSDEMEDIDADENGULODECONTACTO189ANEXOII.ELSISTEMA(430+X%C)/TiCN203

ndicedecontenidos

ResumenyAbstract

1

ResumenEnlaindustriadelafabricacindeherramientasdecorteelmaterialmsutilizadoenlosltimosaoshasidoelcarburocementadoometalduro,WCCo;sinembargo,debidoasualtocosteyasutoxicidad,enlaactualidadexisteunintersporbuscaralternativasasuutilizacin. Los cermetsbaseTiCNpodran serunaopcin competitivadebidoa susuperioridadenpropiedadescomodurezayresistenciaaldesgasteya laoxidacin;noobstante losmetalesque seutilizan convencionalmente comomatriz sonNi yCo, loscualespresentanlosmismosproblemasdecosteytoxicidad.En este trabajo se propone la utilizacin de Fe comomatrizmetlica alternativa encermetsbaseTiCN,ladesventajaquepresentalautilizacindeFeeslabajamojabilidadsobre laspartculasdeTiCNdurante lasinterizacinen fase lquida, loquedificultasuprocesado.En cermets convencionales dematrizNi y Co, adiciones de elementos de aleacin ocompuestoscomoCr,Mo,Mo2CyWCpuedenmejorarelprocesadoypropiedadesdeloscermets debido a cambios en la mojabilidad de la fase lquida. En este trabajo sepropone estudiar si estos elementos o compuestos juegan elmismo papel cuando lamatrizesFe.Paraello sehanelegidodosaceroscomercialescomomatrizbaseFe:elaceroinoxidable(grado430)quecontieneCryelacerorpido(gradoM2)quecontieneW,MoyCr,ysehancomparadoconlamatrizdereferenciadeFe.Paraestudiarelpapelde loselementosdealeacinydel contenidode carbonoen laformacinde fase lquidayen sumojabilidad sobre la fasecermicaelegida (TiCN)sehanutilizadodosherramientasfundamentales:lamedidadelngulodecontactoentrelamatrizmetlicayelrefuerzocermicoysuevolucinconeltiempoylatemperatura,yelclculodelosdiagramasdefasedelossistemasestudiadosenfuncindelcontenidodecarbono.Losresultadosobtenidoshanservidodebaseparaexplicarlaspropiedadesdeloscermetstraslasinterizacin.Debido a los altos valores de densidad y dureza alcanzados por el sistemaM2/TiCN,reflejo de la buena mojabilidad e interaccin entre sus fases, se ha estudiado estesistemaconmayorprofundidad.ElestudiodelsistemaM2/TiCNincluyelainfluenciadelcontenido de carbono en las transformaciones de fase y en los mecanismos desinterizacin, responsablesde los cambiosen lamicroestructura yen laspropiedadesfinalesdeloscermets.Una de las ventajas del uso de Fe comomatriz es la capacidad de ser endurecidomediantetratamientotrmico.Porelloseharealizadounestudiodelascondicionesdetratamiento (austenizacin seguido de temple y doble revenido) para alcanzar unaumentode ladurezade lapieza.Ademssehaestudiadoelcomportamientofrenteaoxidacintantodelcermetenestadosinterizadocomotrassersometidoatratamientotrmico.Laimportanciadeconoceresteaspectoradicaenlapotencialaplicacindeestematerial como herramienta de corte y conformado, operaciones que conllevandisipacindeenergaenformadecalor.ElcomportamientoaoxidacindelcermetbaseFesecomparaconeldedosmaterialescomercialmenteutilizadosparatalfin,unacerorpidoyuncarburocementado.

ResumenyAbstract

2

Otroaspectoquesehaabordadoenesteestudioeselafinodelamicroestructuraconelfin de alcanzar mejores propiedades mecnicas. Para ello se han utilizado tcnicasalternativascomolaetapademezclamediantemoliendamecnicaylaconsolidacindepolvosmedianteSparkPlasmaSintering.

ResumenyAbstract

3

Abstract.Themostcommonlyusedmaterialinthecuttingtoolindustryinthelastyearshasbeenthecementedcarbideorhardmetal,WCCo.However, there isan interest to look foralternativematerialsdue to itshigh cost and toxicity.TiCNbased cermets couldbe acompetitiveoptiondue to theirgoodpropertiessuchashardness,wearandoxidationresistance,neverthelessthemetalswhichareconventionallyusedasmetallicmatrixareNiandCo,whichshowthesameproblemsofcostandtoxicityascementedcarbide.InthisworktheuseofFeasalternativemetallicmatrixisproposed.ThedisadvantageintheuseofFeisitslowwettabilityonTiCNparticlesduringliquidphasesintering,whichhinderstheprocessingofthecermet.It is well known that in cermets with Ni and Co as matrixes alloying elements orcompoundssuchasCr,Mo,Mo2CandWCcanimprovethewettabilitybydecreasingthecontactanglebetweenthematrixandthereinforcement.Theroleoftheseelementsandcompounds in an ironmatrix cermet has been studied in thiswork. To perform thisresearchtwocommercialsteelshavebeenchosenasmetallicmatrix:stainlesssteel(430grade)whichcontainsCrandhighspeedsteel(gradeM2)whichcontainsW,MoandCr.TheresultsobtainedarecomparedwiththoseofthereferencecermetwithplainFeasmatrix.Theinfluenceofalloyingelementsandcarboncontentintheliquidphaseformationhasbeeninvestigated.Forthispurposetwomaintoolshavebeenused:themeasurementoftheevolutionof thecontactangleathigh temperaturebetween themetalmatrixandthe ceramic reinforcement; and the calculation of the phase diagrams of the studiedcermetsasafunctionofcarboncontent.Theresultshaveprovidedabasisforexplainingthepropertiesofcermetsaftersintering.The sintered cermet M2/TiCN shows high density and hardness due to the highwettabilityandgoodinteractionbetweenbothphases.Thissystemhasbeenanalyzedindepth.Thestudyincludestheinfluenceofcarboncontentinthetransformationsduringheatingwhichare the responsible for the changes in themicrostructureand the finalpropertiesofthecermets.OneadvantageofusingFeasamatrix istheabilitytobehardenedbyheattreatment.Therefore the heat treatment conditions (austenitizing followed by hardening anddouble tempering) to increase the hardness of the sample have been established. Inaddition,theoxidationbehaviorofthecermetassinteredandafterheattreatmenthasbeen studied. The main reason for investigating the oxidation behavior of thesematerialsisthattheirpotentialapplicationisincuttingtoolsmanufacturing.Becauseofthat, itsoxidationbehaviorhasbeencomparedtothatoftwocommercialmaterials,ahighspeedsteelandacementedcarbide.Finally the refinement of the microstructure in order to improve the mechanicalproperties has been investigated. To obtain a fine and homogeneousmicrostructurealternative processingmethods such as consolidation by Spark Plasma Sintering andmixingbymechanicalmillinghavebeenchosen.

Captulo1

Introduccinyantecedentes

1.1 Materialesparalafabricacindeherramientas.....................................71.1.1 Acerosdeherramientas........................................................................81.1.2 Materialescermicosymaterialessuperduros..................................101.1.3 Carburoscementadosycermets.........................................................11

1.2 Carburocementado(Metalduro).........................................................121.2.1 Descripcinycaractersticasgenerales...............................................121.2.2 MatricesalternativasalCo..................................................................151.2.3 Propiedadesdelcarburocementadoconmatricesalternativas.........181.2.4 MetalduroconmatrizbaseFecomercialenlaactualidad.................24

1.3 Cermets...............................................................................................261.3.1 Descripcinycaractersticasgenerales...............................................261.3.2 Evolucindeloscermetseneltiempo...............................................271.3.3 Elrefuerzocermico:CarbonitrurodeTitanio....................................291.3.4 Microestructuracore/rimdecermetsbaseTiCN................................301.3.5 Propiedadesysurelacinconlamicroestructuracore/rim...............311.3.6 Parmetrosqueinfluyenenlamicroestructuracore/rim...................321.3.7 Elhierrocomomatrizmetlicaencermets........................................33

1.4 Bibliografa..........................................................................................36

Captulo1.Introduccinyantecedentes

7

1.1 Materialesparalafabricacindeherramientas.Aunque en las ltimas dcadas se han producido avances en nuevas tcnicas deconformado,elmecanizadosiguesiendounaactividadpredominanteenlaindustria.Enelmecanizado lasherramientasdecorte jueganunpapel importante lascualesdebenresistir la abrasin, la reaccin qumica, la deformacin plstica, y el choque trmicodurante su aplicacin. Lo que implica que deben poseer un conjunto de propiedadestales como: dureza, resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia al choque trmico,resistenciaa lacorrosin,Aelloseaadelanecesidaddeunbuencomportamientoaaltatemperatura[1].Elmaterial utilizado para la fabricacin de la herramienta se elegir atendiendo a laaplicacin final de la pieza adems de tener en cuenta consideraciones ecolgicas yeconmicas.La gran variedad de aplicaciones dentro delmecanizado demateriales hace que losmaterialesutilizadosenlafabricacindeherramientasseantambinmuydiversos.Estosmaterialessedividenenlossiguientesgrupos:

Acerosdeherramientas. Materialescermicos. Materialessuperduros. CarburoscementadosoMetalduro. Cermets.

En laFigura1.1semuestra larelacinentre la tenacidad,durezaaaltatemperaturayvelocidaddecortedelosgruposdematerialesmencionados.

Figura1.1:Materialesutilizadosparalafabricacindeherramientasdecorteysurelacin

Dureza/Tenacidad[2].De todos ellos, el que grupo que presenta mayor tenacidad son los aceros deherramientas(enconcretolosacerosrpidos),aunquetambinpresentanbajosvaloresde dureza a alta temperatura y baja velocidad de corte. El caso contrario ocurre enmateriales cermicos y materiales superduros, los cuales presentan altos niveles dedurezaaaltatemperaturayvelocidaddecorteperounamuybajatenacidad.Cadauno

Captulo1.Introduccinyantecedentes.

8

de estos grupos demateriales podr ser utilizado para una aplicacin concreta, sinembargo en carburos cementados y cermets se encuentra unamayor versatilidad deaplicacindebidoaqueabarcanunampliointervalodevaloresparaambaspropiedades.En laFigura1.2 sepuedeobservar la situacindelmercadoglobaldematerialesparaherramientasenelao2011[2].Seobservaqueelmaterialmsutilizadoeselcarburocementadoometalduro,despus losmaterialessuperduros,acontinuacin losacerosde herramientas seguidos de cerca de los materiales cermicos y, por ltimo, losmaterialesconmenorpresenciaenelmercado,losmaterialescompuestostipocermet.

Figura1.2.Mercadoglobaldelosmaterialesparaherramientas[2].

A continuacin se realiza una breve descripcin de cada uno de estos grupos dematerialesdestinadosa la fabricacindeherramientas.Posteriormenteseexponeunarevisinmsdetalladadeloscarburoscementadosycermetsconelobjetodeexponerelcontextodeestetrabajo.

1.1.1 Acerosdeherramientas.SegnAISI, losacerosdeherramientasseclasificanendiferentesgruposatendiendoalos elementos de aleacin presentes, aplicaciones a las que estn destinados o eltratamientotrmicoindicado.Adems de esta clasificacin dentro de cada grupo los aceros se identifican con unnmerodesignadoporelSistemadeNumeracinUnificadoparametalesyaleaciones(UNS,UnifiedNumberingSystem)establecidoen1975entre laSociedadde Ingenierosde Automocin (SAE, Society of Automotive Engineers) y la Sociedad Americana deEnsayosyMateriales(ASTM,AmericanSocietyforTestingandMaterials).Esta clasificacin est ampliamente aceptada, si bien algunos pases como Japn,Alemania,InglaterraoSueciatienenotraclasificacinequivalente.En la Tabla 1.1 se presentan los principales grupos de aceros de herramientas en laclasificacinAISI,laletraconlaqueseidentificaacadaunodeellosysucomposicin[3].


9

Tabla1.1.ClasificacinAISIdeacerosdeherramientas[3].Designacin,composicinycaractersticasprincipales.

W:AcerostemplablesenaguaC0,71,5;Mn


10

1.1.2 Materialescermicosymaterialessuperduros.Los materiales cermicos y materiales superduros utilizados para la fabricacin deherramientassemuestranlaTabla1.2.

Tabla1.2.Materialescermicosymaterialessuperdurosutilizadosenlafabricacindeherramientas[1].

MATERIALESCERMICOS MATERIALESSUPERDUROSAlmina(Al2O3) NitrurodeBoroCbico(CBN)

NitrurodeSilicio(Si3N4)DiamantePolicristalino(PCD)Sialn(SiAlON)

Losmaterialescermicosutilizadosenlafabricacindeherramientassedividenentresgrupos: cermicos base almina, nitruro de silicio y sialn. Losmateriales cermicospresentan excelente resistencia al desgaste a velocidades de corte elevadas. Laaplicacinmshabitualesenoperacionesdetorneadoaaltavelocidad,perotambinseempleanenoperacionesderanuradoy fresado.Entre las limitacionesgeneralesde lascermicasseincluyensuresistenciaaloscambiosbruscosdetemperaturaytenacidadafractura.[4].

- CermicosbaseAlmina(Al2O3).Existenprincipalmentetresgruposdematerialesbasealmina:

o Almina+Circona(Al2O3+25%ZrO2).La circonaaumenta la tenacidada fractura sindisminuir la resistenciaaldesgaste.Sinembargo,debidoasubajaconductividadtrmicaestematerialessusceptiblealchoquetrmico.Sudurezaessimilaraladelcarburocementado.

o Almina+3040%TiCoTiN.Aumenta considerablemente la dureza de la almina tanto a temperatura ambientecomoatemperaturassuperiores(alrededorde200unidadesVickers).Ademsaumentalatenacidadylaconductividadtrmica.

o Almina+25%SiC(whiskers).ElSiCenformadewhiskersactacomorefuerzoyaumentalatenacidaddelaalmina.IdealparamecanizaraleacionesbaseNi.

- NitrurodeSilicio(Si3N4).Tiene cristales alargados que forman unmaterial auto reforzado de alta tenacidad ybuenaresistenciaaldesgasteyalchoquetrmico.Lascalidadesdenitrurodesiliciosonfavorablesenfundicingris,pero lafaltadeestabilidadqumica limitasuutilizacinenotrosmateriales.


11

- Sialn(SiAlON).Lacomposicindeestosmateriales incluye;SiO2,Al2O3,Si3N4yunpequeoporcentajedeY2O3.Estematerialpresentaunbajocoeficientedeexpansintrmicaloquereducelas tensiones en los cambios de temperatura. Combina la resistencia de la red autoreforzadadenitrurodesilicioconunamejoradelaestabilidadqumica.Sonidealesparamecanizarsuperaleacionestermorresistentes.Losmaterialessuperdurosutilizadosen lafabricacindeherramientassonelDiamantePolicristalinoyelNitrurodeBoroCbico:

- DiamantePolicristalino.Eselmaterialconlamayordurezaypresentalamayorresistenciaalaabrasindetodoslos grupos demateriales utilizados en la fabricacin de herramientas. Es ideal paramecanizadodecualquiermaterialnofrreoincluidoelcarburocementado;peronoestindicadoparamecanizadodematerialesferrososdebidoalaafinidadFeC.Seutilizaenla industria automovilstica y aeronaticadebido a laexcelente superficiede acabadotraselcorteaaltavelocidadenaleacionesdealuminio.

- NitrurodeBoroCbico.Presentalasegundadurezamsaltayunagranresistenciaaldesgasteyaltaestabilidadtrmica,quemantiene inclusoencontactoconacerosatemperaturascercanasa ladefusin. Este material es prometedor para un amplio rango de aplicaciones porquepresentaunbajodesgasteyporlotantounalargavidadeherramienta.

1.1.3 Carburoscementadosycermets.Ambos grupos demateriales, carburos cementados y cermets, sonmaterialesmetalcermicosyseencuentrandentrodelgrupodeloshardmaterials(materialesduros).Sudesarrollocomenzprcticamentedemanerasimultnea.En1923sepatentelprimercarburocementado,WCCoypocodespus,en1931,sepatentelprimermaterialdurolibredeWCalquesedenomincermetycuyafasedurafueTiC.EnesenciaambosgruposdematerialessecomponendeunfaseduraycorrespondecondiferentescarburoscomoWC,TiC,NbCoTaC;embebidosenunamatrizmetlicadeNi,Co, Fe.Y adems se aaden otros carburos elementos de transicin comoWC, TaC,NbC,VCMo2Cparamejorarpropiedadesconcretas[59].Sinembargo,enlaindustriadelosmaterialesparaherramientasdecortesedistinguenestosdosgrandesgrupos.Eltrmino carburo cementado, en Europa, o metal duro, en EEUU, engloba aquellosmateriales compuestos cuyo refuerzo mayoritario es WC, mientras que el trminocermethaquedadoreservadoparaaquellosmaterialescompuestosconTiCTiCNcomofaseduraprincipal[10].Dada la importancia de en la industria del carburo cementado y su similitud con elmaterialobjetodeestudioenestetrabajo,losmaterialestipocermet,acontinuacinserealizaunarevisindeambasgruposdemateriales.


12

1.2 Carburocementado(Metalduro).

1.2.1 Descripcinycaractersticasgenerales.Elcarburocementado,tambinconocidocomometalduro,WCCo,eselproductodelaPulvimetalurgiams antiguo y conmayor xito comercial. Como se ha puntualizadopreviamente,el carburo cementadoeselmaterialmsutilizadoen la industriade lasherramientasdecorte.Suconsumomundialfuede58.000toneladas/aoenlaprimeradcada del siglo XXI; disminuy notablemente en el 2009 debido al momento derecesinvividoanivelmundial,yserecuperenelao2010[2].Hoyendael67%delaproduccin mundial de carburo cementado est destinado a la fabricacin deherramientasdecortedemetales;el13%alaindustriaminera,laextraccindepetrleoy laconstruccindetneles;11%atrabajosdemaderayel9%restanteen la industriade la construccin. Hoy en da se estima que los beneficios a nivel mundial en suproduccinsonmsde10billonesdeeuros[11].LosprincipalesconstituyentesdelcarburocementadosonpartculasdeWCdispersasenuna matriz de Co, siendo este el constituyente minoritario. Sin embargo estacomposicinsemodificacon laadicindeotroscarburosyotrosmetalesconelfindealcanzar propiedades concretas. Los carburos que generalmente se adicionan encarburoscementadosseencuentranenlaTabla1.3.

Tabla1.3.Principalescarburosutilizadosencarburoscementados[12].GrupoIV GrupoV GrupoVI

TiC V2C,V3C4;V6C5;V8C7;VC Cr23C6;Cr7C3;Cr3C2ZrC Nb2C;Nb3C2;Nb4C;NbC Mo2C;Mo3C2;MoCHfC Ta2C;Ta3C2;Ta4C3;TaC W2C;WC

El abanico de composiciones en carburos cementados esmuy variado porque ha idoevolucionandoconeltiempodesdeeldescubrimientodelWCCoen1923porpartedeKarl Schrter [13,14].En la Figura1.3 semuestra laevolucinde la composicindelcarburocementadoconeltiempo.


13

Figura1.3.Evolucindelacomposicindelcarburocementadoconeltiempo[12].

Talvariedaddecomposicionesimplicatambinaltavariedaddepropiedades.EnlaTabla1.4 se muestran algunas propiedades del carburo cementado en relacin a sucomposicin.

Tabla1.4.propiedadesdecarburoscementadoscondiferentescomposicin[12].Composicin(%enpeso)

WC 94,0 85,3 75,0 78,5 60,0Otroscarburos 2,7 10,0 31,0

Co 6,0 12,0 25,0 11,5 9,0Propiedades

Densidad(g/cm3) 14,9 14,2 12,9 13,0 10,6Dureza(HV30) 1580 1290 780 1380 1560

Mduloelstico(GPa) 630 580 470 560 520Tenacidadafractura(MPam1/2) 9,6 12,7 14,5 10,9 8,1

Aunquehayantranscurrido90aosdesdesu invencin,elcarburocementado,WCCosesigueutilizandoenlaactualidad.SibienelWCnoeselcarburoconmayordureza,nielCoeselmetalmstenaz,lacombinacindeambosleconfierealmaterialcompuestounaltovalordedurezaquesemantieneaaltatemperatura,altaresistenciaaldesgasteyaltatenacidad[10].Elxitodeestesistemaradicaen: BuenamojabilidaddelCoenWC [15].Caractersticaquecontribuyeaunabuena

sinterabilidaddelmaterialcompuesto. AltasolubilidaddeWCenCo,peronodelCoenWC[16].Esdecir,lafasemetlica

en lugarde serCopuro, se tratadeuna aleacinCoWCdonde elW y elC seencuentrandisueltosenunasolucinslidadebaseCo[17].

Presenciadereaccineutcticaternariaa1275Clacualpermitelasinterizacinatemperaturasinferioresaladefusindelmetal.


14

Sin embargo, el uso de Co como matrizmetlica en carburos cementados tambinpresentaalgunasdesventajas:

Relativas a su transformacin alotrpica. El cobalto puede existirfundamentalmente en dos formas alotrpicas: Co() de estructura hexagonalcompacta(HCP,hexagonalclosepacked),estableatemperaturaspordebajodelos400C,yCo()deestructuracbicacentradasencaras(FCC,facecenteredcubic),estableatemperaturassuperiores.La temperatura a la cual la transformacin alotrpica ocurre depende de lapureza [18] y de la velocidad de enfriamiento [19]. Esta transformacinalotrpicanoes completamente reversibledebidoaque laestructuraFCC seestabiliza por la disolucin de W y C en el Co, de manera que tras lasinterizacinseobtieneunamezcladeCo()HCPyCo()FCC.CuandosesometeadeformacinduranteelservicioelCoFCCsetransformaenCo HCP hecho no deseable debido a que la estructura HCP esms frgil ydisminuyepropiedadescomolatenacidadafractura[20].

Baja resistenciaa lacorrosinya laoxidacinenambientesacuososycidos[21].

ElevadoyfluctuantepreciodelCo(enlaFigura1.4semuestralaevolucindelpreciodelCoenlosltimosaos)[2].

Figura1.4.FluctuacindelcostedelCo[2].

Pero sinduda la raznms importante la cual impulsa la sustitucindelCoporotrasmatricesmetlicaseslatoxicidaddeWCCo.Estecompuestohasidoincluidoenelao2011, tantoen su formadepolvo comoenestado sinterizado,enel 12thReportoncarcinogens,informeanualdesustanciascarcingenasemitidoporelDepartamentodeSaludyServiciosHumanosdeEstadosUnidos[22].En este informe se presenta un estudio epidemiolgico en humanos y estudios delmecanismo de carcinognesis delWCCo; sin embargo, las causas por las cuales estecompuesto causa cncer no estn claras an, pero se presentan algunas evidenciascomo:

(1) WCCodesprendeionesdeCodebidoalacorrosindelCo:2Co+O2+2H2O2Co2++4OH2Co(OH)2


15

(2) Los iones de Co afectan a las vas bioqumicas relacionadas con lacarcinognesis,

(3) SehaprobadoenanimalesqueloscompuestosdeCosoncancergenos.(4) WCCo incrementa laproduccindeespeciesreactivasaloxgeno(EROoROS,

reactiveoxygenspecies)1[23].(5) WCCo provoca efectos clave en la carcinognesis como genotoxicidad,

citotoxicidadyapoptosis(muertecelularprogramada).Este informeconcluyeque lacombinacinde losefectosde los ionesdeCoyelestrsoxidativoenrespuestaa laproduccindeespeciesreactivasaloxgeno(ERO)es loqueprovocalacarcinognesisdelWCCo.EnEuropaelprogramaREACHtambinhalimitadolaconcentracinmximaenlugaresdetrabajo(MWC:Maximunworkplaceconcentration)a0,010,1mg/m3paraelCo[2].En laactualidadunode losprincipalestemasde investigacinenelcampodelcarburocementado es el desarrollo de nuevos materiales con propiedades comparables osuperioresmediante la sustitucin totaloparcialde lamatrizdeCo convencionalporotrosmetalesmsbaratosymenostxicos[2].

1.2.2 MatricesalternativasalCo.Ya durante la SegundaGuerraMundial se intent sustituir el Co por Fe comomatrizmetlicaen carburos cementados Sinembargoestosmaterialesnuncaentraronenelmercadodebidoalasdificultadesencontradasparaproducirmaterialesconpropiedadesestables y aceptables. No fue hasta 1979 cuando L. Prakash realiz la primerainvestigacin completa utilizando comomatriz un amplio rango de composiciones dealeacionesdeFe/Ni/Co[24],ycomprobqueutilizandomatricesbaseFesemejorabanpropiedades como resistencia al desgaste, tenacidad y dureza en relacin al carburocementadoconvencional,WCCo.Unade las razonespor lascualeselCohasido lamatrizmetlicaporexcelenciaenelcarburocementadodesdesuinvencinen1923esladisposicindesudiagramaternarioenelcualexisteunazona llamadaregindedos fasesen laqueslocoexisten la fasecarburoy lafasematriz,evitando laformacindecarburoscomplejosM6C(fase)y laprecipitacindegrafitoquefragilizanelmaterialdisminuyendosutenacidad[11].En laFigura1.5semuestraunesquemadeldiagramaterciarioWCCodondelazonagriseslaregindedosfases(WC+Co).

1ERO:Molculasmuyreactivasque incluyen ionesoxgeno,radicales libresyperxidos.Sugranactividad se debe a que poseen electrones desapareados que reaccionan con otrasmolculasorgnicas en procesos de xidoreduccin. Entre sus efectos perjudiciales se encuentran: daooxidativoa lasprotenas,mutacindelADNyactivacinde los factoresqueprovocan lamuertecelular.


16

Figura1.5.EsquemadeldiagramaterciarioWCCo[11].

Laeleccinde lacomposicinde lamatrizmetlicaalternativanoesfcildebidoaquetanto Fe comoNipresentanuna reginde dos fases estrecha. En la Figura1.6 estnrepresentadoslosdiagramasdefasespseudobinariosdeWCFe(20%peso),WCNi(20%peso)yWCCo (20%peso)con respectoa la temperaturayelporcentajedeC [25].Enestediagramaseobservaque,en lacomposicinestequiomtricadefinidapor la lneavertical en el diagrama WCCo, al disminuir la temperatura slo aparecen la fasecorrespondientealcarburoyalamatriz.EneldiagramadeWCFe,porencimadelos1400Caparecensloelcarburoyelmetal,sinembargoaldisminuirlatemperaturaseforma,adems,elnodeseablecarburoM6C;mientras que, en el diagrama con Ni como metal, al disminuir la temperatura seencuentraelcasoopuesto,precipitagrafito.PorlotantoparaevitarlaformacindeespeciesquefragilizanelmaterialutilizandoFeyNicomomatrizmetlicahabrquetenerenconsideracinelcontenidodeC.En losdiagramaspseudobinarios de la Figura1.6 seobserva tambinque en los tressistemasexisteunareaccineutctica:a1275CenWC20Co;a1143CenWC20Feya1342CenWC20Ni.Esdecir,lostressistemaspermitenlasinterizacinatemperaturasinferioresaladefusindelmetal.


17

Figura1.6.DiagramaspseudobinariosdeWCFe;WCNiyWCCo[25]

Comosehaapuntadopreviamente,otradelasrazonesporlacualelCohatenidotantoxito comomatrizmetlica del carburo cementado es la solubilidad delW en Co. LasolubilidaddelWenlamatrizmetlicaesimportantedebidoaquelasolucinslidaqueformaconelCoeslaresponsabledelosaltosvaloresdedurezaalelevarlatemperatura.Adems cuando lamatriz es Fe elW cobra un papel importante porque induce a latransformacin martenstica durante el enfriamiento especialmente cuando existenotroselementosgammgenoscomoNiyMn[11].En la Tabla 1.5 estn reflejados los valores de solubilidad delW en Co, Fe y Ni adiferentestemperaturas.SehadetenerencuentaladependenciadelasolubilidaddeWenCo con la temperatura,quealcanzaaltosvalores,hastaun15%,a1250C [26,27]MientrasquelosvaloresdesolubilidaddeWenFeyNisonmsdiscretosydependenenmenormedidadelatemperatura.


18

Tabla1.5.SolubilidaddeWenCo,FeyNiadiferentestemperaturas[26,27]Solubilidadde

Wen:Tambiente 700C 1250C 1350C

Co 3,5%[28] 215%[26,27] Fe 4,5%[29] 5%[30] 9%[31]Ni 5,4%[28] 5%[31]

La solubilidaddelW en Co est inversamente relacionada con el porcentaje de C, esdecir,lasolubilidaddelWdisminuyealaumentarelcontenidodeCenlamatriz[32].LasolubilidaddeWyCen lamatrizmetlicatambinesun factordeterminanteenelcrecimiento de grano deWC durante la sinterizacin. En la Figura 1.7 semuestra lamicroestructuradepiezassinterizadasdeWCM(10%peso),siendoM:Co,FeyNi.El crecimientode granodeWCocurreenmenormedidaenelmaterial con Fe comomatriz y elmayor crecimiento de grano ocurre cuando lamatrizmetlica esNi. Estehechoest relacionadocon laafinidaddelmetalporelC, lacualesmayorenelFeymenorenelNi.EstaafinidadpuedeinterpretarsecomolahabilidadparaformarenlacesconelC,aselFeenmascaraalCeimpidesutransporteyelcrecimientodeWC.As,lanaturaleza de lamatrizmetlica y su afinidad por el Cdetermina el comportamientocrecimientodegrano.

WC10CoC1395HV30Sinterizacin1400C1hora

WC10FeC1812HV30Sinterizacin1350C1hora

WC10NiC1000HV30Sinterizacin1480C1hora

Figura1.7.MicroestructurasdemetaldurosinterizadocondiferentesmatricesmetlicasWCCo,

WCFeyWCNi[33].

1.2.3 Propiedadesdelcarburocementadoconmatricesalternativas.Se denominamatriz alternativa en el carburo cementado a aquellas aleaciones quepresentanunnuloomuybajocontenidodeCo.Lasmscomunes sonFeCoNi,FeNiyCoNi,aunquetambinexistenotrasquesonutilizadasenmenormedidacomoCoNiCr,FeNiCr,NiCr,FeMn,NiAlyFeAl[2].En las primeras etapas del carburo cementado se intent producir utilizado Fe comomatrizmetlica. Estos trabajos iniciales fallaron porque no se tuvo en cuenta la graninfluenciaqueelcontenidodecarbonoejerceenlaspropiedadesdelmaterial.


19

Ms tarde, se public un trabajo en el que se demostraba el requerimiento de unacantidad sobreestequiomtrica de carbono para obtener carburo cementado conaleacionesdehierrocomomatrizconbuenaspropiedades[34].Aprincipiosdelosaos70,Moskovitzetal[35,36]publicarontrabajosdecarburocementadoconmatricesFeNiyFeCoNiconpropiedadessuperioresa lasdelcarburocementadoconvencionaldematrizCo.Enlapatenteexplicaronlanecesidaddecontrolarelcontenidodecarbononosloparaevitar la formacinde faseo laprecipitacindegrafito,sinoadems,paraprovocar la formacindemartensita lacual incrementabaanms laspropiedadesdeestenuevomaterial.Fue en1979 cuandoPrakash [24] realizuna investigacin sistemticadeun carburocementadoconun20%pesodealeacinFeNiCoyestudisuestructuraenrelacinasucomposicin.Eneste trabajo tambin seestudi lavariacinde ladurezadel carburocementadoconelcontenidodecadaunodelosmetalesyseconcluyquelosmayoresvaloresdedurezaseobtenanparaunacomposicindelamatriz:15%Ni1520%CoFeBalance.Apartirde ese estudio sehan seguido investigando laspropiedadesde estesistemaysuviabilidadcomoalternativaalconvencionalCo.Acontinuacinseexponenlosresultadosencontradosendiversasinvestigacionesenlascuales se ha comparado el comportamiento de carburo cementado convencional conmatrizdeCoconlasdecarburoscementadosconmatrizdealeacinbaseFe.

- Densificacin.Los carburos cementados se procesan mediante sinterizacin en fase lquida, sinembargo,lasinterizacincomienzadurantelaetapadeestadoslido:elCoactacomocementoyaglomera laspartculasvecinasdeWCy laspartculasaglomeradas formanpartculasmayores [37]. En la sinterizacin en fase lquida lamatrizmetlica juega elpapelimportantedebidoaqueeslaresponsabledeladensificacinatravsdelmojado.Mientras que las partculas deWC juegan un papel pasivo y son aglomeradas por lamatriz[38].EneltrabajodeEillingetal.[39]secomparaladensificacinduranteelcalentamientodeWCCo (12%)yWCFeNi (10,65%).En laFigura1.8seobserva losresultadosobtenidosparaestosdosmaterialescondiferentetamaodepartculadeWC.LatemperaturadeleutcticoseveclaramenteinferiorenelmaterialconmatrizaleacindeFe(comosehavisto en la Figura 1.6), sin embargo la densificacin en ambos materiales tras lasinterizacinessimilar.


20

Figura1.8.Comparacindeladensificacinenrelacinalatemperaturademetaldurocon

matrizaleacindeFeymetalduroconvencionaldematrizCo[39].

- Durezaytenacidad.EnunrecienteestudiorealizadoporB.GriesyL.Prakash[40]sehacomparadoladurezaylatenacidaddeuncarburocementadomatrizaleacindeFe,WCFeNi(10,65%)conlosvaloresdeuncarburocementadoconvencional,WCCo(10%).Los resultadosmuestranqueambosmaterialesalcanzanvalores similaresdedurezaytenacidad inclusoaquellosconmatrizaleacindeFemuestranuna ligerasuperioridad,losresultadosseexponenenlaTabla1.6.Tabla1.6.Comparacindevaloresdedurezaytenacidadalcanzadosporunmetalduromatriz

aleacindeFeyunmetalduroconvencionaldematrizCo[40]. WC10%Co WC10,65%FeNi(85/15)

DurezaHV30(Kg/mm2) 1626 1661DurezaHRA 92 92,2

TenacidadK1C(MPam1/2) 10,6 11

- Resistenciaafatigayductilidad.La resistencia a fatiga es una propiedad crtica enmuchas aplicaciones de carburoscementados.La fatigaapareceen lamatrizy laresistenciadelmaterialdependedesucomposicinypropiedades.EneltrabajodeSailer[41]seevala laresistenciaa lafatigadeuncarburocementadocon10%pesodematrizaleacindeFe(WCFeCoNi)con ladeuncarburocementadoconvencional(WCCo)condiferentesporcentajesdematrizmetlica,3%,10%y25%.Los resultados semuestranen la Figura1.9. Se encuentraunamenor resistencia a lafatiga en losmateriales conmatriz Co debido a que elmaterial sinterizado presentamezcladeestructuraHCP,Co(),yFCC,Co()ylaaplicacindecargascclicasprovocalatransformacinde fasedeFCCaHCP, lo cual fragilizaelmaterial.As,elmaterial conmatrizdealeacindeFemuestraunamayorresistenciaalafatiga.


21

Figura1.9.ComparacindelaresistenciaafatigadeunmetalduromatrizaleacindeFeyun

metalduroconvencionalcondiferentesporcentajesdematrizCo[41].

- Resistenciaalaoxidacinyalacorrosin.Elcarburocementadoconvencional,WCCo,presentaunabajaresistenciaalaoxidacinyalacorrosin.Wittmann[42]hareportadoqueloscarburoscementadosconmatricesde aleacin de Fe, WCFeCoNi y WCFeNi, muestran una excelente resistencia a lacorrosinencidontrico,bajocondicionesoxidantesycidas,sinembargo,muestranunamenorresistenciaalacorrosinenambientescidosreductores(HClyH2SO4)Tabla1.7.

Tabla1.7.ResistenciaalacorrosindemetalduromatrizaleacindeFeymetalduroconvencionalmatrizCofrenteadiferentescidos[42]

WC9,5%Co WC9,5%CoNiFecidofrmico 245 109cidoactico 178 125cidomaleico 297 125

EnlaTabla1.8tambinseaprecialamayorgananciademasaduranteoxidacina700CdelmaterialconmatrizCo,esdecir,unamayorresistenciaalaoxidacinparaelcarburocementadomatrizbaseFe.

Tabla1.8.GananciademasadeunmetalduromatrizaleacindeFeyunmetalduroconvencionaldematrizCotrasdiferentestiemposdeexposicina700C[42]

Tiempodeexposicin 10h 20h 30hWC7,5%(TiTaNb)C6%Co 90 150 175

WC7,5%(TiTaNb)C6%(CoNiFe) 37 75 100

- Durezaaaltatemperatura.Ladurezaaaltatemperaturadebeserunapropiedadintrnsecadelmaterial,esdecir,nopuede sermejorada con la aplicacinde recubrimientos.Gries [43] recientementeharealizado un estudio en el que se compara la dureza a alta temperatura de carburoscementadosconmatrizCo,yconmatrizaleacindeFeNicondiferentesporcentajesdeC; la conclusinque seobtiene trasesteestudioesque todos losmateriales a800C


22

presentanunadurezasimilar,yentodos loscasos lacadaen losvaloresdedurezasesucedeapartirdelos400C(Figura1.10).

Figura1.10.ComparacindeladurezaalcanzadaporuncarburocementadoconmatrizaleacindeFeNiconaltoybajocontenidodeCyuncarburocementadoconvencionaldematrizcon

respectoalatemperatura[43].

- Toxicidad.Ha sidopublicadounestudio [44] sobre la toxicidadpor inhalacindedosmaterialestipometalduro,WC10%FeNiyWC10%Coenratas.En losexperimentosconelprimermaterial las ratasestuvieronenpresenciadealtas concentracionesdelmetaldurodematrizFeNi,0,55mg/ml,durante4horasynodieronsignosdetoxicidadporinhalacin,mientrasqueelmismoexperimento realizado conmetalduro convencionalmatrizCoprovocmortalidadenel100%deloscasosaunaconcentracinde0,25mg/l.Ambosmaterialeshan sido testadosmedianteResonanciade Spinpara comprobar laconcentracin de Especies Reactivas de Oxgeno (ERO) y el espectro resultante,mostrado en la Figura 1.11,muestra una presencia de estas especies en elmaterialmatrizCo,mientrasquenoseobservanenelmateriallibredeCo.

Figura1.11.Espectroobtenidotrasensayoderesonanciadespinrealizadaaunmetalduro

matrizaleacindeFeyunmetalduroconvencionaldematrizCo[44].


23

- Propiedadesmagnticas.En la industriadelcarburocementado laspropiedadesmagnticassonutilizadascomoensayo no destructivo en el control de calidad del procesado. Las variables que seanalizanson:lasaturacinmagnticaylafuerzacoercitiva[12].

o La saturacin magntica se determina por magnetizacin de la muestraaplicando un campo magntico fuerte, al retirar el campo se mide la saturacinmagnticaenemu(electromotiveunits)ysedivideporelpesodelamuestra.Elvalordelasaturacinmagnticaesun indicadorde lacantidaddeCo.LasaturacinmagnticadelCopuroes160emu/g,asque,teniendoencuentaqueelWCesnomagntico,enelcarburocementadoconun10%deColasaturacinmagnticaser:16emu/g.

o La fuerzacoercitivaes la fuerzanecesariaparadesmagnetizar lamuestraEstevaloresindependientedeltamaoopesodelamuestra.Estrelacionadoconeltamaodeloscarburosylaporosidaddelapieza.Lafuerzacoercitivaaumentacuando laporosidadesbajay loscarburossonpequeos,mientras que si los carburos son demayor tamao y hay poros la fuerza coercitivadisminuye[45].Aldisminuireltamaode loscarburosWCestarnmsdispersosen lamatrizCoy se requerirmayor fuerzaparaanular todos losnodosmagnticos.Por logeneral un mayor valor de fuerza coercitiva corresponde con una mejora en suspropiedadesmecnicas.De estamanera se realiza el control de calidad de las piezas de carburo cementadoconvencionalen la industria.Es importanteconocerenuncarburoconmatrizmetlicaalternativasisepuedeemplearlamismatcnicacomoensayonodestructivo.En la Figura 1.12 semuestra la variacin de ladureza y la tenacidad, as comode lasaturacinmagnticay la fuerzacoercitiva,conelporcentajedeCenunmaterial tipometal duro:WC10%FeNi de matriz martenstica [44]. En el centro de la grfica seencuentra laregindedosfases(reginverde)situadaenporcentajesdeCentre5,5y5,62%deC.Paracomposicionesconunporcentaje inferiordeCseformar lafaseyconporcentajessuperioresprecipitargrafito(regionesrojas).

Figura1.12.a)VariacindeladurezaylatenacidadconelporcentajedeC.b)VariacindelasaturacinmagnticaylafuerzacoercitivaconelporcentajedeCdeuncarburocementado

matrizaleacindeFeMartenstica[44].


24

Elvalormayordedurezaseencuentradentrodelaregindedosfasescercadelbordede lafase,y losmayoresvaloresdetenacidadtambinseencuentrandentrodeestaregin.AmedidaqueaumentaelporcentajedeCdisminuyelasaturacinmagntica.Elmayorvalorde lafuerzacoercitivaseencuentradentrode laregindedosfasescercadelbordedelafase,enelmismopuntoenelquesealcanzaelmayorvalordedureza.Esto hace que la medida de las propiedades magnticas se pueda utilizar comoparmetro de control de calidad a nivel industrial en este carburo cementadomatrizbase Fe martenstica. Sin embargo, no ocurre lo mismo cuando la matriz no esmartenstica.EnlaFigura1.13semuestralavariacindedurezaytenacidad,ascomodelasaturacinmagntica y la fuerza coercitiva, con el porcentaje de C en unmetal duro tipoWC7,5%FeCoNi (40/20/40)matriz austentica (BCC) [46]. En ella tambin se aprecia unavariacinde ladurezaconelporcentajedeC,encontrandoelmayorvalor fuerade laregindedosfases,enlareginenlaqueprecipitaelgrafito;igualmenteelmayorvalordelatenacidadtampocoseencuentradentrodelaregindedosfases,sinoenlazonaenlaqueseformalafase.La saturacinmagntica aumenta al aumentar el porcentaje de C, es decir, vara demanera opuesta a como lohaca enunamatrizmartenstica, y sumayor valor no seencuentradentrodelaregindedosfases.Ademsnoseapreciauncambiosignificativoen la fuerza coercitiva al variar el porcentaje de C por lo cual no sera posible unainspeccinmediantemedidadepropiedadesmagnticasanivelindustrial.

Figura1.13.a)VariacindeladurezaylatenacidadconelporcentajedeC.b)VariacindelasaturacinmagnticaylafuerzacoercitivaconelporcentajedeCdeuncarburocementado

matrizaleacindeFeAustentica[46].

1.2.4 MetalduroconmatrizbaseFecomercialenlaactualidad.LaFigura1.14muestralasdiferentespatentescomercialessegnsucomposicindeCo,FeyNi.LaprimerapatentedeKennametalen1997[47]presentaunacomposicinconunporcentajedeCoentre40%y90%,mientrasquelasiguientepatentedelao2000delacompaaH.C.Starck[48]muestraunacomposicindeFeyNisinlapresenciadeCo.AdemsexistenotroscarburoscementadosmatrizaleacindeFecomoladeWidiaqueabarcaunamplio intervalodecomposicin:1090Co;1090Fe;1090Ni,[49];ydeStark,


25

[50] y [51], de composiciones: 030Co; 1030Fe; 7080Ni y 090Co; 070Fe; 30100NI,respectivamente.

Figura1.14.PatentescomercialesdecarburocementadomatrizaleacindeFeenrelacinala

composicinFeNiCo[2].Hastaahorasehapresentadoejemplosdepropiedades,precioytoxicidaddematerialestipocarburocementadoconmatricesbaseFecompetitivasconelconvencionalcarburocementado,WCCo. Adems se han presentado algunosmateriales comerciales tipometalduroconmatrizFe.Sinembargo,unapreguntasequedaenelaire:PorquelmetalduroconmatrizbaseFenosehaextendidoenmayormedidaparareemplazaralcarburo cementado convencional? Las razones pueden estar relacionadas con lossiguientesaspectos:

o Sistemasmultifase:El Feproporciona,dependiendode las condicionesdeprocesado y composicin,diferentes fases, ferrita, austenita o martensita. Esto supone un inconvenientedebidoaqueelmaterialpuedesufrirunatransformacindefaseenservicio.o Sistemasmulticomponente:Lasmatricesalternativasque sehanpropuestohastaahorapresentandoso tresmetalesensucomposicin,adems,enalgunoscasosseaadenotroscompuestospara inhibirelcrecimientodegrano.Estossistemasmulticomponentedificultanelprocesado.o Controldecalidad:Un material alternativo se debe ajustar a las condiciones de procesado delconvencional carburo cementado. En la produccin del carburo cementado seutiliza lamedidade laspropiedadesmagnticascomoensayonodestructivoenelcontroldecalidad.Enelcasode loscarburoscementadosmatrizbaseFeestecontroldecalidadnopodr realizarse demanera universal debido a que solo presentanmagnetismoaquellosconencuyamicroestructurapresentenfaseferromagntica.


26

1.3 Cermets.

1.3.1 Descripcinycaractersticasgenerales.Los cermets son materiales compuestos metalcermica que presentan como fasecermicaprincipalmenteTiCoTiCNylasmatricesmetlicasmsutilizadassonNiy/oCo;adems,seaadencarburosdeelementosdetransicincomoWC,TaC,NbC,VCMo2Cparamejorarpropiedadesconcretas.Hoyendaexistenprincipalmentedostiposdecermets:cermetsbaseTiCycermetsbaseTiCN. Los cermets base TiCN presentan superior dureza a alta temperatura, mayorresistencia a rotura, superior resistencia a la oxidacin, y superior resistencia a laoxidacinqueloscermetsbaseTiC(Tabla1.9)[52].

Tabla1.9.ComparacindepropiedadesdecermetsbaseTiCycermetsbaseTiCNaaltatemperatura[52].

CermetMicrodureza(1000C)(kgmm2)

Resistenciaarotura(900C)

(MPa)Gananciade

masa(1000C)(mgcm2h1)

Conductividadtrmica(1000C)

(Wm1K1)BaseTiC 500 1050 11,8 24,7BaseTiCN 600 1360 1,6 42,3

AdemsduranteelmecanizadoconherramientasdecermetsbaseTiCNesmsdifcillaformacin de capas de oxidacin, formacin de crteres o rotura de bordes encomparacin con los cermetsbaseTiC.Asgradualmente los cermetsbaseTiCNestnsustituyendoaloscermetsbaseTiC[53].LoscermetsbaseTiCNpresentanmenordensidadycostequeelcarburocementado.Sepresentan como unmaterial prometedor dentro de la industria de la fabricacin deherramientas de corte debido a su alta dureza que mantiene al aumentar latemperatura, baja reactividad con aceros y otros metales, resistencia al desgaste oresistencia a la oxidacin y, especialmente, por su alta conductividad trmica. (Estaltimapropiedades importantedebidoaqueunabajaconductividad trmicaprovocagradientesdetemperaturaen laherramientaquedan lugaragrietasproducidasporelchoquetrmico[52].Lacombinacindeestaspropiedadesconfierealcermetunamayorvelocidaddecorte,unamejoraenlasuperficiedeacabado,unexcelentecontroldelavirutaylatoleranciayuna gran precisin dimensional en las piezas de trabajo [54, 55]. Sin embargo, loscermetsmuestranbajosvaloresdetenacidadcomparadoscon losvaloresdetenacidaddelmetalduro[52,5658].EnlaTabla1.10secomparanlosvaloresmediosdedurezaytenacidaddecermetsycarburoscementados.

Tabla1.10.ValoresdedurezaytenacidadenmetalduroycermetbaseTiCN[59] Carburocementado(WCCo) CermetsbaseTiCN

Dureza(GPa) 1314 1617Tenacidad(MPam1/2) 916 613


27

1.3.2 Evolucindeloscermetseneltiempo.Loscermetssurgieronderivadosdelcarburocementadopor lanecesidaddemejorar laresistenciadelasherramientasypoderserempleadosenlaindustriadelacero[60].Laprimerapatentedematerialestipocermet[61]datadelao1931,pocodespusde lapatentedeSchrterde1923delcarburocementado,WCCo[14].EsteprimercermetpresentabaensucomposicinTiCMo2CymatrizmetlicadeNi(1015%enpeso).Fueelpuntodepartidaparaeldesarrollodesistemasmulticarburoyapartirdeesteprimer cermet sehandesarrolladodiversas composiciones.En laFigura1.15semuestralaevolucindeloscermetseneltiempo[6062]

Figura1.15.Evolucindecermetsdesde1923hastalaactualidad[60].

En 1937 apareci la segunda patente de cermets, estematerial fue llamado Ramet,estaba formado por TaC y comometal Ni en proporcin 315%en peso [63]. En lapatentetambinseespecificlaposibilidaddeutilizarotrosmetales,talescomoFe,Co,Mn,Cr,Pd,PtPoco despus la empresa Siemens AG produjo el material TiCTaCNi. La empresaPlansee entre los aos 19381945 introdujo junto con TiCunnuevo carburo,VC, condiferentesmetales,Fe,NiyCo.Afinalesdelosaos50queMoskovitzyHumenikdeFordMotorCompanyintrodujeronenlosEEUUmaterialesbaseTiCutilizandocomometalesNiyMo,NiyMo2C[64].Estosmaterialessediferenciabande lospatentadosporSchwarzkopfenqueutilizabancomomaterialdepartidaTiCyMo, loscualesduranteelprocesadoforman lasolucinslida(Ti,Mo)C alrededor de las partculas de TiC, de estamanera consiguieronmejorar la


28

mojabilidad del TiC y, por lo tanto sus propiedades. La resistenciamecnica de estageneracinfuemuysuperioraladelosprimeroscermets,peroinclusopasadoslosaos,la fiabilidad de la herramienta todava segua siendo un problema debido a que lafragilidaddelasaleacioneslimitabasuaplicacin.Hastaelfinaldelosaos60losnitrurosycarbonitrurosdelosmetalesdetransicinnoeranconsideradosenlosmetalesdurosconvencionalesyenloscermetsdebidoasubajamojabilidadconmetales.Sinembargo,en19681970Kiefferetal.[65]demostraronquelos nitruros y carbonitruros se podan utilizar como fase dura en la fabricacin decermets.SutrabajomostrquelamojabilidadpodasermejoradaconlaadicindeMoy/oMo2CalamatrizmetlicaigualqueencermetsconTiC.Enestecaso,losresultadosde tenacidad y dureza fueron comparables a los de losmateriales para herramientascomerciales de TiCMo2CMoNi. Su comportamiento de corte, respecto a desgaste yresistenciaalaformacindecrteres,seconsiderprometedor,aunquelaresistenciaaladeformacintrmicaenlasuperficiedecorteeraligeramenteinferior.PocodespusdeltrabajodeKieffer,en1974,RudypublicunestudioenelqueconcluyquelamejoradelamojabilidadporlaadicindeMoy/oMo2CentreTiCNylamatrizdeNiseproducaporlaformacindelasolucinslidaalrededordelaspartculasdeTiCN.(Ti,Mo)(C,N).TraslainvestigacindeRudysepatentarondiferentessistemasmulticomponentecomoporejemplo.TiCTiNWCMo2CVC(Ni,Co)en1975porlacompaaKyocera;TiCMo2C(Ni,Mo,Al)en197780porlacompaaFordMotor;(Ti,Mo,W)(C,N)(Ni,Mo,Al)enlosaos198083por lacompaaMitsubishiy (Ti,Ta,Nb,V,Mo,W)(C,N)(Ni,Co)Ti2AlN[60].Apartirdeladcadadelos80debidoaldesarrolloindustrialaumentlaproduccindecermetanivelmundial,especialmenteenJapn.Hastalafechasehanrealizadograndesavances yampliadoel rangodeaplicaciones.En losaos siguientes seha continuadoestudiando estos materiales e investigando diferentes combinaciones de refuerzoscermicosymatricesmetlicasconel findemejorar laspropiedadesde losmaterialesparalafabricacindeherramientasdecorte.HoyendaloscermetsbaseTiCNseutilizanprincipalmentecomoherramientasdecorte.Se aplican enoperaciones de acabado y semiacabadode alta velocidadde aceros alcarbonoyaceros inoxidables.TambinsepuedeutilizarenelmecanizadodeacerosyaleacionesdeFefundido.Debidoasusexcelentespropiedadesatemperaturaselevadasyasubajadensidadtambinhansidoaplicadoscomopiezasrefractariasdemotoresdeaviones,motoresdeturbinasylosmotoresdieselAdems,enelcampodepetrleoylaminera seutilizan,no soloenherramientasdeexcavacin, sino tambinboquillasdeoleoductosyaceleradores.En la actualidad las investigaciones se centran en eldesarrollodenuevas tcnicasdeprocesadoconel findeminimizarcostesymejorarpropiedades,en ladisminucindeltamaodepartculayen labsquedadenuevascomposicionesquepermitandisearmaterialesespecficosparacadaaplicacin.


29

1.3.3 Elrefuerzocermico:CarbonitrurodeTitanioEl Carbonitruro de Titanio es una solucin slida de TiC y TiN. Estosdos compuestosbinariospresentanunasolubilidadcompletaysecombinanformandolasolucinslidasubestequiomtrica: Ti (C1xNx),donde0 x 1. Suestructura esCbicaCentradaenCaras (FCC) tipoNaClypertenecealgrupoespacialFm3m.ElTiocupa lasposicionesFCC;yelCyelNsesitandemaneraarbitrariaen lasposicionesoctadricascomoseobservaenlaFigura1.16[66].

Figura1.16:EstructuraFCCtipoNaCldelCarbonitrurodeTitanio[66]

Laspropiedadestrmicas,elctricasymecnicasdelCarbonitrurodeTitanio,Ti(C1xNx),se encuentran en valores intermedios entre las del TiC y las del TiN; demanera quevaran con laestequiometradel compuesto.Algunasde laspropiedadesdeestosdoscompuestosbinariossepuedenobservarenlaTabla1.11.

Tabla1.11.Propiedadestrmicas,elctricasymecnicasdeTiCyTiN[67,68] TiC TiN

Pesomolecular(g/mol) 59,9 61,9Parmetrodered() 4,32 4,24Densidad(g/cm3) 4,91 5,39

Entalpadedisociacin(KJ/mol) 423 476Puntodefusin(C) 3067 2950

Conductividadtrmica(W/mK) 1724 29Coeficientedeexpansintrmica(106/C) 7,4 9,3

Resistividadelctrica(cm) 68 20Susceptibilidadmagntica(emu/mol) 7,5 38

DurezaVickers(GPa) 2835 1821MdulodeYoung(GPa) 414510 250

Enconclusin,elTiCNposeelaspropiedadesdeambos,TiCyTiN:altadureza,altopuntode fusin, alta resistencia a la corrosin, excelente resistencia al desgaste, buenaestabilidadqumica,altaconductividadtrmicayelctrica.


30

1.3.4 Microestructuracore/rimdecermetsbaseTiCN.LoscermetsbaseTiCNpresentanreaccionesdurantelasinterizacinquereflejanenunacomplejamicroestructura, en la cual las partculas de TiCNmuestran una estructuraconocidacomocore/rim.ElncleodelaspartculasdeTiCN(core)consisteenTiCNsindisolveryalrededordeestencleo crece la llamada zona rim, la cual consiste en la solucin slida (Ti,M)(C,N)formadaporlosmetalespresentesenlamatriz(W,Mo,V,Ta,Nb)conelTiCN.Enalgunoscasos la zona rimpresentados subzonas,una interiorms ricaenmetalespesados yotra exterior. Este tipodemicroestructura sedenomina core/rimdegranoregular, mientras que si la zona exterior slo presenta una composicin lamicroestructurase llamacore/rimdegrano inverso,ambasmicroestructurassepuedenobservarenlaFigura1.17[69].

Figura1.17.Microestructuracore/rimdegranoinverso(a)ygranoregular(b)tpicadelas

partculasderefuerzoencermetbaseTiCN[69].La formacin de la microestructura core/rim ha sido ampliamente estudiada y estaceptadoqueelmecanismodeformacinesunmecanismodedisolucinprecipitacinde laspartculasde refuerzoen lamatrizmetlica [70,71], ynounadescomposicincomopropusoRudy [72]o formadapor ladifusinde loselementosde lamatriza laspartculasderefuerzocomopropusieronMoskowitzetal.[36].Durante lasinterizacinenestadoslido(SSS)seforma lafaserim interiormedianteladisolucinparcialde laspartculasderefuerzoen lamatrizslida.Lostomosdisueltosson transportados a travs de lamatriz y reprecipitan alrededor de las partculas derefuerzo no disueltas. En este punto de la sinterizacin en estado slido todava hayporosidady seasumeque laactividaddelnitrgenoesmuybajapor loqueesta faseestenriquecidaenmetalesdurosyempobrecidaenN[73].Durante la sinterizacin en fase lquida (LPS), de nuevo ocurre una disolucinprecipitacin alrededor de las partculas de refuerzo, y en esta etapa ya no hayporosidad,por lotantoaumenta laactividaddenitrgeno,enriqueciendoestafaserimexteriordeN y empobrecindolademetalespesados e inhibiendo el crecimientodeltamaodegrano[71].


31

Lamicroestructuradegranoinversoseformacuandonohaydisolucindelaspartculasderefuerzoporpartedelamatrizdurantelasinterizacinenestadoslidoysloocurreelmecanismodedisolucinprecipitacinenfaselquida.

1.3.5 Propiedadesysurelacinconlamicroestructuracore/rim.ExistenungrannmerodetrabajosenlosqueestudialainfluenciadelamicroestructuracorerimenlaspropiedadesdeloscermetsbaseTiCN.Lamayoradeellosconcluyenquelaformacindelasolucinslida(Ti,M)(C,N)alrededordelaspartculasdeTICNmejoralamojabilidad entre la fase cermica y lamatrizmetlicamejorando la unin entreambas fases, y, adems, inhibe el crecimientode laspartculasde refuerzo y evita laaglomeracindelasmismas.La consecuencia de la obtencin demicroestructurasms finas con unamejor uninentrematriz y refuerzo es el aumento de la dureza y de la tenacidad. Sin embargo,cuandoelespesordelafaserimessuperiora0,5mlatenacidaddisminuyedemanerabrusca[74].Estosedebeaquedurantelaaplicacinenserviciodelmaterialsecreaunatensin entre el ncleo (coreTiCN) y el exterior (rim(Ti,M)(C,N)) de la partculas derefuerzo,loqueprovocalainiciacinypropagacindelagrietadurantelasoperacionesdecortedeteriorandoelcomportamientodelmaterial[75,76].En los ltimos aos algunos investigadores han buscado la manera de evitar estedeterioroenelcomportamientoprovocadopor lamicroestructuracore/rimsinperderlos altos valoresdedureza. Lamaneraquehan encontrado es elprocesadode estosmaterialesapartirdepolvosprealeadosde(Ti,M)(C,N),debidoaque laspartculasdeestos polvos prealeados y las partculas de lamatrizmetlica presentarn unmenorgradientedeconcentracindemetalesy,por lotanto,sereducireltransportede lostomospara formar la solucin slida [77,78].Otramaneradeprocesar cermets conrefuerzo (Ti,M)(C,N)esutilizandotcnicasquepermitan la formacinde laspartculasde refuerzo insitucomoporejemplo la tcnica inducedselfsustaining reaction (MSR)[79]Aestosmateriales se lesha llamado cermetsde solucin slida completa (CompletedSolidSolution,CSS).Suparticularidadradicaenquemientrasqueloscarburos,nitrurosycarbonitrurospurostienenvariossistemasdedeslizamiento(Figura1.18),lasestructurasdesolucinslidacompleta (CSS)sonmscomplejasypresentanmuypocosoningnsistemadedeslizamiento[59].


32

Figura1.18.SistemasdedeslizamientoenestructurasFCC.

Sinembargo,algunosestudioscomo losdePark [80,81]en losquesehansinterizadocermetsdesolucinslidacompleta,sinmicroestructuracore/rim,estoshanalcanzadovalores superiores de tenacidad, 1213 MPa m1/2, pero se han alcanzado valoresinferioresdedureza,1112GPa,comparadocon losvalores tpicosde loscermets,69MPam1/2y1417GPa,respectivamente.

1.3.6 Parmetrosqueinfluyenenlamicroestructuracore/rim.a) Influenciadelcontenidodecarbono.

ElcontenidodecarbonoenlamatrizdecermetsbaseTiCNjuegaunpapelimportanteenlamicroestructuraypropiedadesdeloscermetsyaquerigediversosparmetroscomo:

Favoreceladisolucindeelementospesadosenlamatrizmetlica[82]. Promueve elmecanismo disolucinprecipitacin durante la sinterizacin, es

decir,facilitalaformacindefasesslidas(Ti,M)(C,N)[83,84]. InfluyeenlaestequiometradelTi(CxNx1).

LaestequiometradelTi(C,N)essensibleacambiosdepresiny temperatura [68]demanera que durante la sinterizacin se produce la prdida de C o N dejando unaestructura subestequiomtrica. Es importante conocer la variacinde la composicindelTiCNdebidoaqueelratioC/Ntieneunagran influenciaen laspropiedadesfinalesdelcermet[8588].UnaumentoenelporcentajetotaldeCenelcermetcorrespondeconunaumentodelratioC/NenelTiCNyunamenorcantidadrelativadenitrgenoy,comosehaexplicadoantes,elnitrgeno inhibeelcrecimientodegranode laspartculasderefuerzoporqueevitaladifusindeloselementospresentesenlamatrizparaformarlafaserim,porlotantoinhibeelcrecimientodegrano[89].


33

b) Influenciadeloscarburossecundarios.Por logenerallaadicindecarburossecundariosserealizaparamejorar lamojabilidadentrematriz y refuerzomejorando as la unin entre estas dos fases. Los carburossecundariosmscomunessonWC,VC,NbC,Cr3C2,TaC,Mo2CTodos estos carburos comparten la caracterstica de presentar una baja entalpa deformacin (Tabla 1.12) [52]; esta baja estabilidad permite su disolucin durante lasinterizacin.

Tabla1.12.Entalpadeformacindeloscarburossecundariosutilizadosencermets[52].Carburos TaC NbC VC Cr3C2 TaC Mo2C

Entalpadeformacin(KJ/mol) 183,.7 142,3 126,4 89,7 35,1 17,6

o WCyMo2C:Mejoran lamojabilidadentre las fasesporque forman lasolucinslida (Ti, M)(C, N) alrededor de las partculas de TiCN, dando lugar a laestructura corerim, as se obtienenmicroestructuras finas con buena uninentrematrizyrefuerzo.Estossetraduceenunaumentodelatenacidad,delaresistenciaydeladureza.PerosielporcentajedeWCessuperior20%oeldeMo2C a 15 %, se forma un anillo (rim) de mayor espesor y empeoran laspropiedadesdelcermet[9092].

o TaCyNbC:TambinformansolucinslidaalrededordeTiCNperoalpresentarestructuracubicaaligualqueelTiCNlafraccinenvolumenenelanillopuedesersuperior.Laadicindeestoscarburosaumentaladeformacinplsticayladurezaaaltatemperaturadelcermet.Peroporcentajessuperioresal10%enpesoaumentanlaporosidaddelapiezadisminuyendoladurezaytenacidaddelcermet.

o VCyCr3C2:lasolubilidaddeestoscarburosessuperiorenlamatrizmetlicaqueelTiCN.Alestardisueltosen lamatriz inhibenelcrecimientodelncleode laspartculasderefuerzo[93,94].

1.3.7 Elhierrocomomatrizmetlicaencermets.Lasmatrices convencionalmenteutilizadasen cermets sonNiy/oCo,hastaahora, loscermetsmatrizFenohantenidounagran incursinen la industria, losnicoscermetsmatriz Fe que se comercializan en la actualidad tienen como refuerzo TiC y,consecuentemente, es de este cermet del que se han realizado mayor nmero deinvestigacionesdesdesuprimeraaplicacinenladcadade1950.En un principio este material se denomin FerroTiC, y en la actualidad la marcacomercialdeestoscermetsmatrizFeesFerroTitanit.Lacomposicindelosdiferentesgradoscomerciales,microestructuraypropiedadesestnreflejadosen lasTabla1.13yTabla1.14 [95].Dependiendode lacomposicinde lamatriz frreasepuedendisearmaterialesparadiferentesaplicaciones.Por logeneral todos losgradospresentanunabuena,enalgunosgradosexcelente,resistenciaa lacorrosin,ademsdeunaelevadaresistenciaaldesgasteyunaaltadurezaenservicio(trassertratadostrmicamente).


34

Tabla1.13.ComposicindelosdiferentesgradoscomercialesdeFerrotitanit[95].Grado Composicin(%enpeso)

TiC Cr Mo Ni Co C FeCSpezial 33 3,0 3,0 0,65 BalanceCromoni 22 20 15,5 Balance Nikro128 30 13,5 5,0 4,0 9,0 BalanceNikro143 30 6,0 15 9,0 BalanceTitanitU 34 18 2,0 12 BalanceTitanitS 32 19,5 2,0 0,5 BalanceWFN 33 13,5 3,0 0,75 Balance

Tabla1.14.MicroestructuraypropiedadesdelosdiferentesgradosdeFerrotitanit[95].

Grado Microestructura DurezaenservicioResistenciaaFlexin(MPa)

MduloYoungE(GPa)

C TiC+Martensita 69 1800 303Cromoni TiC+Austenita 54 1300 284Nikro TiC+Ni 62 1200 298Nikro TiC+Ni 63 1600 284

TitanitU TiC+Austenita 51 1400 296TitanitS TiC+Martensita 67 1300 302WFN TiC+Martensita 69 1600 299

ElTiChasidoelcarburoelegidocomorefuerzoencermetsmatrizFeporsuspropiedadescomoaltadureza,estabilidad trmica,estabilidadqumicacon lamatrizdeFey sobretodoporlabuenamojabilidaddelFesobrelaspartculasdeTiClacualsereflejaenunabuenauninentrelamatrizmetlicaylaspartculasderefuerzo.Aunque el TiCN muestra superioridad en cuanto a dureza, resistencia a la rotura,resistenciaalaoxidacinysuperiorconductividadtrmicafrentealTiC,estematerialseutilizacomorefuerzodecermetsmatrizFeenmuypocasinvestigaciones[9698].La razn principal por la que el TiCN no se utiliza en cermetsmatriz Fe es la bajamojabilidad que presenta el Fe sobre las partculas de TiCN [99] la cual dificulta suprocesadoy ladispersinhomogneade laspartculasderefuerzo.ParasolventarestalimitacinenlostrabajospreviosdeFe/TiCNseutilizandosestrategias:

- ProcesadodeloscermetsporreaccindirectadeFeTiconCyN[99].- Adicin de carburos secundarios paramejorar lamojabilidad al igual que en

cermetsconmatrizconvencional.Estasegundaestrategiaeslamsutilizada,laadicindecarburoscomoelMo2Cmejoralasinterabilidaddelcermetysuspropiedades.EnlaTabla1.15seencuentraunejemplodecmoloscarburossecundariosmejoranlaspropiedadesdelcermet[98].LaadicindeMo2Cmejoranotablementeladensidadydurezadelcermet,yproduceunligeroaumentoenlaresistenciaafractura.Ademsdisminuyelasaturacinmagnticalo


35

cualindicaelmayorporcentajedefaseduraenelcermet.Elcermetalqueseleaadecarburosecundariopresentaunamayor fuerzacoercitiva,esdecir,presentaunmenorengrosamientodelaspartculasderefuerzoyunadispersinmshomognea.

Tabla1.15.EfectodelaadicindecarburossecundariosencermetsFe/TiCN.TiCN20Fe TiCN15Mo2C20Fe

Densidadrelativa(%) 96,4 98,8Fuerzacoercitiva(kA/m) 9,4 22,4

Saturacinmagntica(emu/g) 26,9 18,3Dureza(HRA) 90,1 91,4

Resistenciaafractura(MPa) 1020 1560


36

1.4 Bibliografa.1. Edwards,R.,ed.Cuttingtools.1993,TheInstituteofMaterials:London.2. Brookes,K.,There'smoretohardmaterialsthantungstencarbidealone.Metal

PowderReport,2011.66(2):p.3645.3. Roberts G. A., K.G., Kennedy R. L. , ed. Tool Steels. 5th ed. 1998, ASM

International4. http://www.sandvik.coromant.com.2012.5. Sani,M.F.,etal.,Microstructureandcuttingperformance investigationofTi(C,

N)basedcermetscontainingvarioustypesofsecondarycarbides. InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2007.47(5):p.768772772.

6. Conforto,E.,D.Mari,andT.Cutard,Theroleofmolybdenuminthehardphasegrains of (Ti,Mo)(C,N)Co cermets. PhilosophicalMagazine, 2004. 84(17): p.17171733.

7. Li, Y., et al., Effect of WC content on the microstructure and mechanicalpropertiesof(Ti,W)(C,N)Cocermets.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2008.26(1):p.3340.

8. Li, Y., et al., Effect of Mo addition on the microstructure and mechanicalproperties of ultrafine grade TiCTiNWCMo2CCo cermets. InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2008.26(3):p.190196.

9. Feng, P., et al., Effect of VC addition on sinterability and microstructure ofultrafineTi(C,N)basedcermetsinsparkplasmasintering.JournalofAlloysandCompounds,2008.460(12):p.453459.

10. Ettmayer, P., Hardmetals and cermets. Annual Review ofMaterials Science,1989.19:p.145164.

11. Fernandes, C.M. and A.M.R. Senos, Cemented carbide phase diagrams: Areview. International Journal of RefractoryMetals andHardMaterials, 2011.29(4):p.405418.

12. Upadhyaya, G.S., Materials science of cemented carbides an overview.Materials&Design,2001.22(6):p.483489.

13. Cornwall R.G.,G.R.M.,WCCo enjoys proud history and bright future.MetalPowderReport,1998.53(2):p.3236.

14. Schrter.,K.,GermanPatent.1923.15. GoretzkiH.,E.H.E.,ScheuermannW.,Electronicstructureofrefractorycarbides

anditsrelationtowetting.Moderndevelopmentsinpowdermetallurgy,1971.4:p.327337.


37

16. Upadhyaya,G.S.andS.K.Bhaumik,Sinteringof submicronWC10wt.%Cohardmetalscontainingnickeland iron.MaterialsScienceandEngineering:A,1988.105106,Part1(0):p.249256.

17. Roebuck B., A.E.A., Deformation and fracture processes and the physicalmetallurgyofWCCohardmetals. InternationalMaterialsReviews1988.33(2):p.90112.

18. Ho Yi H. L., J.Y.,Modern development in Powder Metallurgy, ed. D.A.G. U.Gummerson.Vol.19.1988,NewYork:USAMetalPowderIndustriesFederation

19. Betteridge,W.,ed.Cobaltanditsalloys.1982,JohnWiley&Sons:NewYork.20. Cha,S.I.,etal.,MechanicalpropertiesofWC10Cocementedcarbidessintered

fromnanocrystallinesprayconversionprocessedpowders.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2001.19(46):p.397403.

21. Gille,G., et al., Advanced and new grades ofWC and binder powder theirproperties and application. International JournalofRefractoryMetals&HardMaterials,2000.18(23):p.87102.

22. National Toxicology Program. Department of health and human services.http://ntp.niehs.nih.gov/?objectid=03C9AF75E1BFFF40DBA9EC0928DF8B15.[cited2012.

23. Buonocore,G.,S.Perrone,andM.L.Tataranno,Oxygentoxicity:chemistryandbiology of reactive oxygen species. Seminars in Fetal andNeonatalMedicine,2010.15(4):p.186190.

24. Prakash, L., Weiterentwicklung von Wolframcarbid Hartmetallen unterVerwendung von EisenBasisBindelegierungen. 1979, Technical UniversityKarlsruhe.

25. Uhrenius,B.,H.Pastor,andE.Pauty,OnthecompositionofFeNiCoWCbasedcemented carbides. International Journal of Refractory Metals and HardMaterials,1997.15(13):p.139149.

26. Chaporova I. N., S.Y.A., Investigation of the carburizing process in tungstencarbidehardalloyswith cobaltandnickel.Hardmetalproduction technologyandresearchUSSR,1964:p.196211.

27. Jia,K.,T.E. Fischer,andB.Gallois,Microstructure,hardnessand toughnessofnanostructuredandconventionalWCCocomposites.NanostructuredMaterials,1998.10(5):p.875891.

28. Tracey, V.A.,Nickel in hardmetals. International Journal of RefractoryMetalsandHardMaterials,1992.11(3):p.137149.

29. Bergstrm,M., The Etacarbides in the ternary system FeWC at 1250 C.MaterialsScienceandEngineering,1977.27(3):p.257269.


38

30. DaviesT.J.,O.A.A.Developingmatrixesforhardmetals.inHMP92InternationalConferenceofadvances inhardmaterialsproduction.1992.Shrewsbury:MPRPublishingservices.

31. Uhrenius, B., et al., Phase equilibria and phase diagrams in carbide systems.JournalofPhaseEquilibria,1995.16(5):p.430440.

32. SiglL.S.,S.K.A.,TiB2basedcementedboridesAnewgenerationofhardmetals.PowderMetallurgyInternational,1991.23(4):p.221224.

33. Wittmann,B.,W.D.Schubert,andB.Lux,WCgraingrowthandgraingrowthinhibition in nickel and iron binder hardmetals. International Journal ofRefractoryMetalsandHardMaterials,2002.20(1):p.5160.

34. Agte,C.,NeueHtte,1956.1:p.333.35. Moskowit.D, M.J. Ford, and M. Humenik, Highstrength tungsten carbides.

InternationalJournalofPowderMetallurgy,1970.6(4):p.55&.36. Moskowitz D, H.M., Cemented titanium carbide cutting tools. Modern

developmentsinpowdermetallurgy,1966.3.37. Meredith, B. and D.R.Milner, Densification mechanism in tungsten carbide

cobaltsystem.PowderMetallurgy,1976.19(1):p.3845.38. da Silva A. G., S.W.D., Lux B., The role of the binder phase in the WCCo

Sintering.MaterialsResearch,2001.4(2):p.5962.39. EillingA.,C.B.,GilleG.,GriesB.. ,Pulvermetallurgie inWissenschaftundPraxis

(Nanoskalige Hartmetalle mit Febasierten Bindern), ed. H. Kolaska. Vol. 24.2008:Hagen.91106.

40. GriesB,P.L.Cobaltfreebinderalloysforhardmetals:Consolidationofreadytopresspowderandsinteredproperties.inProceedingsInternationalconferenceoftungsten,refractoryand&hardmaterialsVII,MPIF&APMI.2008.Washington.

41. Sailer,T.,etal.,Microstructureandmechanicalpropertiesofultrafinegrainedhardmetals. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2001.19(46):p.553559.

42. Wittmann,B.,Hardmetalsbasedonalternativebinders.2002,TUWien:Viena.43. Gries,B.SelectioncriteriaofFecontaininghardmetalbindersformetalcutting

tools.inProceedingsEuroPM2009.2009.Copenhague:EPMA.44. GriesB.,P.L.AcuteinhalationtoxicitybycontactcorrosionthecaseofWCCo.

inProceedingsEUROPM20072007.Shrewsbury.45. Daoush,W.M.,etal.,Effectofbindercompositionsonmicrostructure,hardness

andmagnetic properties of (Ta,Nb)CCo and (Ta,Nb)CNi cemented carbides.International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2009.27(4):p.669675.


39

46. PrakashL.,G.B.WChardmetalswithIronbasedbinders.inProceedingsof17thPlanseeSeminar.2009.Reutte(Austria).

47. Heinrich HW,W.M., Schmidt D., Schlainkofer U., EP 1007751 B1 A cermethaving a binderwith improved plasticity, amethod for themanufacture anduse.,K.Inc.,Editor.1997.

48. SandbergA.,K.O.,GriesB.,EP1346074B1Coatedcuttingtoolinsertwithironnickelbasedbinderphase,H.C.Starck,Editor.2000.

49. WernerD.H.,K.D.,DieterK.,LengauerW.,KlausR.,EP1488020B1Hardmetalorcermetcuttingmaterialandtheuse,inWidiaGMBH.2003.

50. Starck,H.C.,DE102006045339B3.2006.51. Stark,H.C.,DE102007017306A1.2007.52. Zhang, S., Titanium carbonitridebased cermets: processes and properties.

MaterialsScienceandEngineering:A,1993.163(1):p.141148.53. Pastor, H., Present status and development of toolmaterials: part I. Cutting

tools.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,1987.6:p.196209.

54. Cardinal,S.,etal.,MicrostructureandmechanicalpropertiesofTiCTiNbasedcermets for tools application. International Journal of RefractoryMetals andHardMaterials,2009.27(3):p.521527.

55. Ettmayer,P.,etal.,Ti(C,N)cermets Metallurgyandproperties. InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,1995.13(6):p.343351.

56. Mari, D., et al., TiMoCN based cermets Part II. Microstructure and roomtemperaturemechanicalproperties. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2003.21(12):p.4753.

57. Liu,N., S.Chao,andH.Yang,Cuttingperformances,mechanicalpropertyandmicrostructureofultrafinegradeTi(C,N)basedcermets. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2006.24(6):p.445452.

58. Joardar, J., S.W. Kim, and S. Kang, Effect of nanocrystalline binder on themicrostructureandmechanicalpropertiesofultrafineTi(CN)cermets.MaterialsScienceandEngineering:A,2003.360(12):p.385389.

59. Kang, S. Recent Advances in CermetMaterials and Industrial Applications. inWorld congress PM2010. Special Interest Seminar: Hard materials beyondtraditionaltungstencarbidehardmetals.2010.Florencia.

60. EttmayerP.,L.W.,Storyofcermets.PowderMetallurgyInternational,1989.21:p.3738.

61. SchwarzkopfP.,H.I.,160172Austrianpatent.1931.


40

62. Peng,Y.,H.Miao,andZ.Peng,DevelopmentofTiCNbasedcermets:Mechanicalpropertiesandwearmechanism.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,(0).

63. Balke,C.W.,USpatent2067166.1937.64. HumenikM.,M.D.,2967349USpatent1961.65. KiefferR.,E.P.,FreudhofmeierM.,Aboutnitridesandcarbonitridesandnitrides

basedhardalloys.ProgressinPowderMetallurgy,1971.5:p.201214.66. Levi, G., W.D. Kaplan, andM. Bamberger, Structure refinement of titanium

carbonitride(TiCN).MaterialsLetters,1998.35(56):p.344350.67. Pierson, H.O., ed. Handbook of refractory carbides and nitrides (Properties,

characteristics,processingandapplications).1996,Noyespublications.68. Kang,S.,StabilityofN inTi(CN)solidsolutionsforcermetapplications.Powder

Metallurgy,1997.40(2):p.139142.69. Demoly, A., et al., Effect of submicron Ti(C,N) on themicrostructure and the

mechanical properties of Ti(C,N)based cermets. International Journal ofRefractoryMetalsandHardMaterials,2011.29(6):p.716723.

70. Suzuki H., H., Terada O.,Mechanisms of surrounding structure formation insinteredTiCMo2CNialloys. Journalof japanese instituteofmetallurgy1981.35(9):p.245273.

71. Andrn,H.O.,Microstructuredevelopmentduringsinteringandheattreatmentofcementedcarbidesandcermets.MaterialsChemistryandPhysics,2001.67(13):p.209213.

72. Rudy,E.,Constitutionofternarytitaniumtungstencarbonalloys.JournaloftheLessCommonMetals,1973.33(2):p.245273.

73. Lindahl,P.,etal.,MicrostructureofmodelcermetswithhighMoorWcontent.International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,1999.17(6):p.411421.

74. Zhang, H., et al., Properties of titanium carbonitride matrix cermets.International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2006.24(3):p.236239.

75. Jung,J.andS.Kang,EffectofultrafinepowdersonthemicrostructureofTi(CN)xWCNicermets.ActaMaterialia,2004.52(6):p.13791386.

76. Laoui, T.,H. Zou, andO.VanderBiest,Analytical electronmicroscopy of thecore/rim structure in titanium carbonitride cermets. International Journal ofRefractoryMetalsandHardMaterials,1992.11(4):p.207212.

77. Jing,W.,W. Yisan, and D. Yichao, Production of (Ti,V)C reinforced Fematrixcomposites.MaterialsScienceandEngineering:A,2007.454455(0):p.7579.


41

78. Kim, Y.K., et al., Mechanochemical synthesis of nanocomposite powder forultrafine (Ti,Mo)CNi cermetwithout corerim structure. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2004.22(45):p.193196.

79. Chicardi,E.,etal.,Inversecorerimmicrostructurein(Ti,Ta)(C,N)basedcermetsdeveloped by a mechanically induced selfsustaining reaction. InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2012.31(0):p.3946.

80. Park, S. and S. Kang, Toughened ultrafine (Ti,W)(CN)Ni cermets. ScriptaMaterialia,2005.52(2):p.129133.

81. Park, S., et al., Synthesis of (Ti,M1,M2)(CN)Ni nanocrystallinepowders. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2006.24(12):p.115121.

82. Liu,N., et al.,Effectof carbon contenton themicrostructureandmechanicalpropertiesofsuperfineTi(C,N)basedcermets.MaterialsCharacterization,2008.59(10):p.14401446.

83. Li, Y., et al., Effect of carbon content on themicrostructure andmechanicalproperties of ultrafine grade (Ti,W) (C,N)Co cermets. Journal of MaterialsProcessingTechnology,2008.206(13):p.365373.

84. Zackrisson, J.andH.O.Andrn,Effectofcarboncontenton themicrostructureand mechanical properties of (Ti, W, Ta, Mo)(C, N)(Co, Ni) cermets.International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,1999.17(4):p.265273.

85. Chen,L.,W.Lengauer,andK.Dreyer,Advances inmodernnitrogencontaininghardmetalsand cermets. International JournalofRefractoryMetals andHardMaterials,2000.18(23):p.153161.

86. Shangzhi, X., W. Huiping, and Z. Shuzhu, The influence of TiN content onpropertiesofTi(CN) solid solution.MaterialsScienceandEngineeringA,1996.209(12):p.294297.

87. Yang,Q.,etal.,HardnessandelasticpropertiesofTi(CxN1x),Zr(CxN1x)andHf(CxN1x).JournalofAlloysandCompounds,2000.309(12):p.L5L9.

88. Lengauer,W.,etal.,SolidstatepropertiesofgroupIVbcarbonitrides.JournalofAlloysandCompounds,1995.217(1):p.137147.

89. Jonsson,S.,Phaserelations inquaternaryhardmaterials.1993,Royal InstituteofTechnologyStockholm(Sweden).

90. Jun,W.,etal.,EffectofWConthemicrostructureandmechanicalpropertiesinthe Ti(C0.7N0.3)xWCMo2C(Co,Ni) system. International Journal ofRefractoryMetalsandHardMaterials,2009.27(1):p.913.

91. JinZ.B.,L.N.,ZhangB.,LiQ.L.,,InfluenceofWCcontentonmicrostructureandmechanical properties of ultrafine TiCNbased cermets. . Cemented carbide,2010.27:p.269273.


42

92. Zhou,S.Q.,etal.,EffectofMoandMo2Conthemicrostructureandpropertiesofthe cermetsbasedonTi(C,N).ActaMetallurgicaSinica (English Letters),2008.21(3):p.211219.

93. Wan,W.,etal.,EffectsofCr3C2additiononthecorrosionbehaviorofTi(C,N)basedcermets. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2012.31(0):p.179186.

94. Zhan,B.,etal.,EffectofVC/Cr3C2onmicrostructureandmechanicalpropertiesofTi(C,N)based cermets.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2012.22(5):p.10961105.

95. www.ferrotitanit.com.96. Gordo, E., Gmez, B., RuizNavas, E.M., Torralba, J.M., Influence of milling

parameters on themanufacturing of FeTiCN composite powders. Journal ofMaterialsProcessingTechnology

2005.162163:p.5964.97. Gmez, B., A. JimnezSuarez, and E. Gordo, Oxidation and tribological

behaviour of an Febased MMC reinforced with TiCN particles. InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2009.27(2):p.360366.

98. Guo, Z., et al., Microstructure and properties of Ti(C,N)Mo2CFe cermets.International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2009.27(4):p.781783.

99. Umanskii, A.P., Titanium carbonitride composite with iron chromium binder.PowderMetallurgyandMetalCeramics,2001.40(1112):p.637640.

Captulo2Motivacinyobjetivos

2.1. Motivacin.........................................................................................452.2. Objetivos............................................................................................462.3. Bibliografa.........................................................................................47

Captulo2.Motivacinyobjetivos

45

2.1. Motivacin.Elmaterial utilizado por excelencia en la fabricacin de herramientas de corte es elcarburo cementadoometalduro,genricamenteWCCo.Sinembargo,en losltimosaosexisteungran interspor labsquedadealternativaspara lasustitucindeestematerial, impulsadopor el elevado y fluctuante costedelCo reflejode su escasezderecursos (representa el 0,003% de la corteza terrestre), aunque, sin duda, lamayorpreocupacindelaindustriaeslatoxicidaddelcarburocementado.Enelao2011elDepartamentode Salud y ServiciosHumanosdeestadosUnidoshaincluidoensuinformeanualdesustanciascarcingenasalcarburocementado(tantoenpolvocomoenestadosinterizado)[1];enEuropasusnivelesmximosdeconcentracineneltrabajohansidorestringidosa5mg/m3paraelWya0,010,1mg/m3paraelCo[2];enEspaaelInstitutoNacionaldeSeguridadeHigieneeneltrabajo(INSHT)tambinharestringidolosvaloreslmitedeexposicin(VLE)a5mg/m3paraelWy0,02mg/m3paraelCo[3].Losmateriales tipo cermet reforzados con TiCN sepresentan comouna alternativa alconvencionalcarburocementadodebidoasumenordensidadycoste.Soncompetitivosencuantoapropiedadesmecnicasporque,aunquemuestranunamenortenacidadquelos carburos cementados, presentan superioridad en dureza, resistencia al desgaste yresistenciaalaoxidacin,propiedadesquesereflejanenunamayorvelocidaddecorte,unamejora en la superficiede acabado,un excelente controlde la viruta yuna granprecisindimensionalenlaspiezasdetrabajo[47].Lasmatricesmetlicas convencionalmente utilizadas en cermets son Ni y Co, lo quesuponetambinunproblemaencuantoacosteytoxicidad,nosoloporlatoxicidaddelCo, sino que tambin la legislacin europea REACH clasifica al Ni como elementopotencialmentecancergenoyprohbesuusoenformadepartculas[8,9].PorsimilitudennmeroatmicoseproponealFecomomatrizmetlicaalternativaalasconvencionales Ni y/o Co presentes en cermets y carburo cementado. El Fe es unmaterialmsbarato,menostxicoyconmayorcantidadderecursosy,adems,puedeserendurecidomediantetratamientotrmico.LadesventajaquepresentaelusodeFecomomatrizmetlicaencermetsreforzadosconTiCNeslapocamojabilidadentrefasesdurante lasinterizacinen fase lquida, loquenosolodificultasuprocesado,sinoquetieneunaclarainfluenciaenlaspropiedadesfinalesdelmaterial.ExistentrabajosenlosqueseafirmaqueencermetsbaseTiCN,conNiyCocomomatriz,algunoselementosocompuestoscomoMo,Cr,Mo2CoWCmejoranlamojabilidadentrematrizyrefuerzo[10,11].Noobstante,noexisteningntrabajoqueestudiedemanerasistemtica la influencia de estos elementos y compuestos en la mojabilidad, y enparticularutilizandoFecomomatriz.OtrodelosaspectosquepuedeinfluirenlamojabilidadentrefasesdelcermetFe/TiCNeselcontenidodecarbono,perosuinfluenciavamsalldelamojabilidad.Elcontenidodecarbono,tantoencarburoscementadoscomoencermets,tieneunafuerteinfluenciaen la solubilidad de los elementos presentes en elmaterial y, adems, si lamatrizmetlicaesFelainfluenciadelcontenidodecarbonoesanmayor.


46

Todas estas variaciones en la composicin influirn en las propiedades finales de losmateriales lo que hace necesario un estudio en profundidad de la influencia de lacomposicinenlamicroestructuraypropiedadesdelosmaterialessinterizados.2.2. Objetivos.

EsteestudiopretendeserunabaseparaconocerlaviabilidaddematerialescompuestosdematrizfrreayrefuerzodeTiCNparaserutilizadosenlafabricacindeherramientasdecorteyconformadoencomparacinconotrosmaterialescomercialesutilizadosparatalfin.Paraalcanzaresteobjetivoseplantea:

1. Conocer la influenciade lacomposicinde lamatrizencuantoaelementosdealeacin y contenido de carbono en la microestructura y propiedades delmaterial final.Siendoelprocesadodeestosmaterialesmediantesinterizacinen fase lquida es importante entender la influencia de la composicin en latemperaturade formacinde fase lquidaascomoen lamojabilidadentre lafasemetlicaylafasecermica.

2. Entender losmecanismosdesinterizacinde loscermetsy la formacinde lasmicroestructurasquepermitanrelacionarlacomposicinymicroestructuraconlaspropiedadesfinalesdelmaterial.

3. Conocerelcomportamientoaoxidacindelmaterialtantoenestadosinterizadocomotratadotrmicamente,ycompararconmaterialescomercialesutilizadosenlaindustriadelafabricacindeherramientasdecorte.

4. Conseguirmicroestructuras finas y homogneas con buena dispersin de laspartculascermicas.


47

2.3. Bibliografa.1. USA,12thReportoncarcinogens.2011,Healthandhumanservicesdepartment2. W. Lengauer,R.K., S.Wagner,Alternative bindermaterials for hardmetals, in

World congress PM2010. Special Interest Seminar: Hard materials beyondtraditionaltungstencarbidehardmetals.2010:Florencia.

3. Informe sobre el lmite de exposicin profesional para agentes qumicos enEspaa.2011, InstitutoNacionaldeSeguridadeHigieneenelTrabajo(INSHT).MinisteriodeTrabajoeInmigracin.

4. Cardinal,S.,etal.,MicrostructureandmechanicalpropertiesofTiCTiNbasedcermets for tools application. International Journal of RefractoryMetals andHardMaterials,2009.27(3):p.521527.

5. Ettmayer,P.,etal.,Ti(C,N)cermets Metallurgyandproperties. InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,1995.13(6):p.343351.

6. Mari, D., et al., TiMoCN based cermets Part II. Microstructure and roomtemperaturemechanicalproperties. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2003.21(12):p.4753.

7. Liu,N., S.Chao,andH.Yang,Cuttingperformances,mechanicalpropertyandmicrostructureofultrafinegradeTi(C,N)basedcermets. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2006.24(6):p.445452.

8. EUCarcinogendirectives90/394/EECand91/322/EEC.EUOfficialJournaloftheEuropeanUnion.

9. Henderson, R.G., et al., Acute oral toxicity of nickel compounds. RegulatoryToxicologyandPharmacology,2012.62(3):p.425432.

10. Mari, D., et al., TiMoCN based cermets: Part I. Morphology and phasecomposition. International Journal of RefractoryMetals and HardMaterials,2003.21(12):p.3746.

11. Umanskii, A.P., Titanium carbonitride composite with iron chromium binder.PowderMetallurgyandMetalCeramics,2001.40(1112):p.637640.

Captulo3 Materiales,tcnicasexperimentalesy

metodologa

3.1 Esquemadeltrabajoexperimental........................................................513.2 Materiales............................................................................................523.3 Estudioprevioalprocesado..................................................................543.3.1 Clculodediagramasdefas

Documents

Tesis Paula Alvaredo Olmos 2012