Densificación, propiedades mecánicas y microestructura de un polvo de fe-cu-sn procesado mediante sinterización sin presión

Resumen

En la presente Tesis Doctoral, se ha estudiado en profundidad el efecto de las condiciones de procesamiento sobre la densificación, microestructura y propiedades mecánicas de un polvo prealeado comercial basado en el sistema Fe-Cu-Sn. La principal aplicación de este polvo es como aglomerante para la fabricación de herramientas diamantadas. Además, se ha modificado la composición química del polvo prealeado a través de la incorporación de diferentes aditivos (C y Fe/P) con la finalidad de mejorar sus propiedades mecánicas y hacer más robusto el procesamiento. Las mezclas con estos aditivos han sido también caracterizadas en los mismos términos que el material base. La caracterización ha comenzado observando los polvos, se han determinado las reacciones que ocurren durante el calentamiento, tanto mediante DSC como por cálculos termodinámicos. Se han obtenido las curvas de compresibilidad y mediante dilatometría se ha estudiado la contracción de las diferentes mezclas y el rango de temperaturas en el que se da la máxima velocidad de contracción. Los materiales se han densificado mediante sinterización convencional en atmósfera reductora con diferentes condiciones y se han evaluado sus propiedades mecánicas. Se ha encontrado que la mayor parte de la sinterización ha tenido lugar durante el calentamiento de los compactos, mediante mecanismos de sinterización en estado sólido, en los que la presencia de bronce ha demostrado tener gran importancia. Los aditivos utilizados tienen un efecto limitado sobre la sinterabilidad del polvo base pero muy marcada sobre la microestructura y las propiedades mecánicas. En el caso del material base, las propiedades mecánicas están influenciadas tanto por la temperatura de sinterización (900, 980 °C) como por la velocidad de enfriamiento. Para explicar estos efectos, se ha caracterizado la microestructura tanto mediante SEM, como por TEM. La combinación de ambas técnicas ha permitido descubrir el fenómeno de la precipitación del Cu en la ferrita durante el enfriamiento desde la temperatura de ¿sinter¿. Esta precipitación junto con la solución sólida recíproca de los principales componentes del Cobalite CNF determina en gran medida las propiedades mecánicas, causando un efecto endurecedor, más claro para las mayores velocidades de enfriamiento. Por otra parte, en presencia del grafito, es necesario alcanzar la temperatura de austenización para conseguir una completa disolución de este aditivo, y que durante el enfriamiento se modifique la microestructura, dando lugar a importantes mejoras en las propiedades mecánicas por la formación de perlita a las velocidades de enfriamiento habituales en el interior del horno de sintetizado. Alternativamente, las adiciones de ferrofósforo tienen también un efecto endurecedor en el material principalmente por la difusión del fósforo en la ferrita y el consiguiente endurecimiento de ésta por solución sólida. La disolución del fósforo afecta el mojado del Fe/W por el bronce, disminuyéndolo. Se pierde no solo la continuidad del bronce, aumentando el contacto ferrita-ferrita si no también la fracción volumétrica de bronce por su exudación parcial hacia la superficie de la probeta. Además, el P disuelto en el Fe inhibe la precipitación de cobre en el material en las condiciones ensayadas. Con las adiciones simultáneas de C-Fe/P, al igual que en las adiciones de solo grafito, se debe alcanzar la temperatura de austenización para producir un efecto en el polvo, aunque dicha influencia es menor debido a que el carácter gammágeno del fósforo evita la total disolución del grafito. Por último, hay que destacar que los resultados obtenidos en la presente Tesis han dado lugar a la utilización industrial del Cobalite CNF en la empresa WDiamant. Como consecuencia de dicha utilización se producen cada año, mediante sinterización sin presión miles de segmentos y perlinas diamantadas para el corte de granito.