Estudio de la retención y la estabilidad de partículas de diamante en materiales compuestos con matrices metálicas base hierro para herramientas diamantadadesarrollo de nuevos recubrimientos multifuncionales

Resumen

En la presente Tesis Doctoral, se ha estudiado en profundidad la estabilidad y retención de diferentes calidades de diamante comercial mezclados con un polvo base hierro atomizado con agua (HMix) y procesadas mediante diferentes técnicas de metalurgia de polvos. Los resultados obtenidos con HMix han sido comparados con un polvo comercial fino base hierro (Mx4885) consolidado mediante sinterización convencional (prensado + sinterización sin presión). Como consecuencia de ese estudio y con objeto de mejorar la retención del diamante en la matriz metálica HMix, se han diseñado y desarrollado recubrimientos multifuncionales empleando diferentes técnicas: encapsulación de diamantes con diversos polvos, recubrimientos multicapa creados mediante tecnología PVD y formación espontánea de recubrimientos multifuncionales añadiendo partículas de polvo submicrométricas. Para ello, se ha analizado en detalle la intercara diamante-recubrimiento-matriz y la retención y estabilidad de los diamantes. En una actividad previa al estudio con diamantes, se ha trabajado solo con los polvos base hierro seleccionados, comenzando por la caracterización de los mismos. HMix y Mx4885 se han densificado mediante sinterización convencional y sólo HMix ha sido, además, sinterizado mediante prensado uniaxial en caliente con objeto de promover una mayor interacción entre el diamante y el ligante. Después se ha evaluado la sinterabilidad, microestructura y propiedades mecánicas de las piezas obtenidas. Se ha encontrado que no existe contracción y densificación en las probetas de HMix en sinterización convencional. HMix es en realidad una mezcla de polvos en la que el componente mayoritario es polvo grueso de base hierro. No obstante, en prensado uniaxial en caliente si se produce la densificación de HMix, ya que la sinterización está promovida además de por la temperatura, por la presión aplicada. Mx4885, sufre una alta densificación y contracción al ser sometido a un ciclo térmico en sinterización convencional, generado por la presencia de partículas finas y Fe/P como aditivo. Los diamantes utilizados son comerciales y han sido caracterizados en ausencia de la fase matriz para conocer el estado inicial de los cristales. Estos diamantes han sido mezclados con las matrices metálicas (HMix y Mx4885) y las diferentes mezclas han sido sinterizadas empleando las mismas condiciones utilizadas únicamente con las matrices metálicas. Las superficies de fractura e intercara matriz-recubrimiento-diamante de las piezas muestran comportamientos diferentes dependiendo del polvo y el método de procesamiento utilizado. Además, se ha evaluado la retención y estabilidad de los diamantes tras los ciclos térmicos. La retención se ha estudiado mediante ensayos de flexión en tres puntos (fuerza de retención HF) y el método de superficies especulares. Mientras que la estabilidad de los diamantes se ha analizado mediante ensayos de friabilidad tras disolver la matriz metálica que los rodea. En un intento por controlar la retención y estabilidad de los diamantes bajo el mismo proceso de sinterización (sinterización convencional) y matriz metálica (HMix) se han desarrollado recubrimientos multifuncionales que interaccionan tanto con la matriz metálica como con el propio diamante. Con este propósito se han empleado tres técnicas diferentes.