Densificación de aceros aleados al molibdeno

“Boulama, A., Brunel, G. y cizeron, G. han estudiado la porosidad y densidad

en función del contenido en molibdeno de los aceros. Así, han verificado, que debido al efecto Kirkendall, se consigue una porosidad secundaria, que disminuye para contenidos inferiores al 10 % , comprobando que la densidad final aumenta para un contenido de molibdeno muy alto, llegando a alcanzar el valor máximo para el 20 % de molibdeno, a partir del cual disminuye, debido a la expansión ocurrida a alta temperatura como consecuencia de los procesos de interdifusión (BouLAMA et al. 1990).

A su vez se ha verificado que con aumentos del tamaño de grano, aumenta el tamaño de poros durante la sinterización, y por consiguiente se obtiene una densidad menor, certificando que para obtener una alta densidad relativa del material, es necesario una buena compresibilidad de los polvos de partida

(Doblinger, Danninger 1992).

Los estudios realizados por Danninger,H., sobre aceros de composición Fe - 1,5 % Mo - 0,7 % C de polvos elementales muestran una clara variación del tamaño y forma de los poros, observando al comparar muestras sinterizadas a 1200 º C y 1240 º C, la formación de porosidad secundaria dentro del material, en lugar de partículas de molibdeno, causada por la fase líquida que rodea los poros. Dicho efecto es más pronunciado a 1320 º C que a 1240 º C, al generarse una fase líquida persistente, resultando un excesivo crecimiento de grano y una fusión de los poros (Danninger 1992a).

Respecto a las propiedades del material en estado sinterizado, Danninger observó una disminución de la densidad entre 1200 y 1240 º C, producida por la penetración por contacto entre partículas, debido a la fase líquida. Esta disminución de la densidad origino una expansión, como consecuencia de la presencia de la fase líquida (Danninger 1992a).

Así mismo, sus resultados mostraron que la cantidad de expansión causada por la fase líquida no afecta a la densidad en verde de los compactos, sea cual sea la dirección de compactación (paralela o perpendicular), lo cual indica una estructura isotrópica, incluso antes de formarse la fase líquida, comprobando que las diferencias en la variación dimensional son debidas a los distintas valores de la contracción durante el calentamiento y la sinterización isotérmica, y no debidos a diferentes grados de expansión. Durante los periodos mencionados, primero, la densidad baja resultando más pronunciada la contracción, mientras la expansión causada por la fase líquida es idéntica completamente e insensible a la densidad. Esto es bastante comprensible si consideramos que la expansión es causada por la penetración de la fase líquida por capilaridad entre los granos.

Finalmente, cabe destacar que en base a los resultados obtenidos, comprobó que al disminuir el tiempo de sinterización, aparecen en mayor cant idad poros secundarios en el lugar que ocupaban las partículas de molibdeno, no afectando la presencia de estos poros en las propiedades mecánicas del material sinterizado (Danninger 1992b).”

Figura 5.1. Esquema de sección de probeta acero sinterizado en capas. Acero EXT Acero EXT Acero INT

5 MATERIALES Y MÉTODOS

En el presente capítulo se describen los materiales y el procedimiento experimental que se han diseñado para la fabricación de los aceros sinterizados al molibdeno con gradiente funcional, los cuales hemos denominado FG2S: Functionally Graded 2 Steels.

La versatilidad que ofrece la técnica de metalurgia de polvos en cuanto a composición, densidades y distribución de los polvos ha sido la clave para poder diseñar un procedimiento novedoso de fabricación de aceros con propiedades diferenciadas en la geometría de la pieza.

Por todo lo expuesto en los capítulos anteriores, se ha definido un procedimiento experimental que permita estudiar la viabilidad y las propiedades que se obtienen al fabricar un acero sinterizado con gradiente funcional. Así se ha definido a un acero estructurado, con al menos dos composiciones de acero diferentes situadas en lugares seleccionados. La finalidad de dicha distribución es la optimización de los elementos aleantes en su ciclo de vida, como se comentó en la motivación de este estudio; localizando las composiciones y estructuras más avanzadas en las zonas de mayor exigencia de la pieza, como se describirá posteriormente.

La principal innovación del procedimiento experimental empleado está en la etapa de compactación de polvos, en la fabricación de piezas para la determinación de las propiedades mecánicas de resistencia a tracción y alargamiento. Es decir, se ha decido fabricar probetas para el ensayo a tracción empleando la norma UNE-EN ISO 2740:2010 (AENOR 2010). En esta etapa de conformado de las piezas, hay una alimentación secuenciada de los materiales pulvurulentos como se describe en la Figura 5.2. Proceso de Conformación de probetas FG2S de tres capas. Una de las mayores ventajas de este procedimiento es que sólo se modifica la etapa de compactación; el producto resultante, el compacto en verde, no condiciona las etapas posteriores de la tecnología de fabricación por metalurgia de polvos. De manera que la innovación precisa de ligeras modificaciones en el proceso productivo.

En las piezas obtenidas mediante este procedimiento, en los compactos en verde, se distinguen principalmente dos composiciones como se representa en la Figura 5.1. Esquema de sección de probeta acero sinterizado en capas: una exterior (diseñada para ofrecer altas prestaciones) y una interior (que no requiera de las propiedades solicitadas al material exterior) El material interior, llamado así por su posición en este estudio, tiene la finalidad de aportar otras propiedades por su diferente composición y estructura y, también, reducir la demanda de elementos más costosos.

Otra de las oportunidades que ofrece este procedimiento tiene que ver con el ecodiseño. El empleo de los elementos de aleación de manera concentrada, reduce su dilución en la pieza; característica que puede facilitar el proceso de recuperación y reutilización posterior de estos elementos.

Se ha diseñado un procedimiento experimental para la fabricación de probetas, en laboratorio, con materiales en principio compatibles: acero de 0,3 % de carbono con cobre y acero con un 0,7 % de carbono, al molibdeno con variaciones de cobre y níquel descritas a continuación en el apartado de Materiales.

Además de acotar las composiciones de los materiales, también es conveniente fijar unos parámetros, de la tecnología pulvimetalúrgica, que son muy influyentes en las propiedades finales como son la presión de compactación, la atmósfera, la temperatura y el ciclo de sinterización… parámetros de fabricación que se han fijado para evaluar la influencia de los elementos de aleación en las propiedades resultantes del proceso de fabricación de probetas de acero con gradiente funcional.

Este proceso de fabricación se describe en el Procedimiento experimental y se resumen en el proceso de fabricación por metalurgia de polvos: Mezcla y compactación de materiales, caracterización de las probetas en verde y sinterización de los compactos.

La sinterización se realiza en un horno tubular a la temperatura de 1120 ºC durante 30 minutos en atmósfera de N2-5H2. El enfriamiento de las probetas

se ha producido en el horno, esto es un enfriamiento lento.

En las probetas sinterizadas se procede al estudio de las propiedades resultantes de las probetas fabricadas por metalurgia de polvos mediante los ensayos físicos, mecánicos y metalográficos habituales en la caracterización de las propiedades más importantes de los aleaciones: densidad, variación dimensional, dureza, resistencia mecánica, alargamiento y microestructura.