Sinterización de cermets basados en carbonitruros mixtos de titanio y molibdeno

Resumen

Dentro de los materiales compuestos tipo cermet, los basados en carbonitruros de titanio combinan elevados valores de dureza, con suficiente tenacidad a la fractura y densidades en el rango de los 6 g/cm3, por lo que son especialmente adecuados para aplicaciones en las que estén presentes elevadas fuerzas de inercia. En la industria siderúrgica, los rodillos guía utilizados para la fabricación de productos laminados están sometidos a elevadas cargas inerciales. Además requieren de materiales que presenten una elevada resistencia al desgaste, en condiciones severas de corrosión y oxidación a elevadas temperaturas. Hoy en día, gran parte de estos productos se fabrican con aleaciones de metal duro base WC donde la densidad de estos productos oscila entre 14 y 15 g/cm3. La reducción de las fuerzas de inercia durante la aplicación, responsables del desgaste que lleva al fallo final de las piezas, plantea una creciente necesidad de nuevos materiales que presenten una resistencia al desgaste similar a la del metal duro, con menores valores de densidad. La presente tesis doctoral se ha centrado en el estudio de la sinterización de cermets basados en la combinación de distintos carbonitruros de Ti o Ti/Mo con Ni como fase metálica. El principal objetivo de este estudio ha consistido en relacionar las características de los polvos de partida y los parámetros de procesamiento (teniendo en cuenta las etapas de: mezcla-molienda, presinterización y sinterización) con la densificación y la evolución microestructural de los cermets. Inicialmente se estudió la sinterización directa de estos materiales, para posteriormente investigar rutas de procesamiento más próximas a la práctica industrial. Cabe destacar el estudio de la etapa de presinterización, clave en el procesamiento industrial de estos cermets, ya que dota a los compactos en verde de suficiente resistencia mecánica para ser mecanizados en estado poroso. Esta etapa de procesamiento introduce modificaciones en la composición química de estos materiales que se traducen en la aparición de nuevas fases. En este trabajo se ha comprobado que la utilización de atmósferas de presinterización basadas en hidrógeno evita la aparición de fases no deseadas en la microestructura. Por otra parte se ha comprobado que la modificación de la composición química es función de la composición de la mezcla de polvos. Así, las composiciones con mayor número de aditivos, presentan mayor interacción con las atmósferas de tratamiento. Sin embargo, en las composiciones a partir de polvos prealeados el grado de interacción se puede modificar teniendo en cuenta la relación C/N del carbonitruro de partida. La utilización de carbonitruros mixtos (Ti,Mo)(C,N), con un elevado grado de reacción inicial, limita las interacciones entre la composición química del material y los compuestos gaseosos en la atmósfera. Se ha investigado alternativamente la consolidación de estos cermets mediante ciclos de compresión isostática en caliente sobre compactos encapsulados en vidrio. Esta técnica permite densificar las composiciones seleccionadas a temperaturas inferiores a las habituales en ciclos de sinterización en vacío. En estos ciclos la consolidación tiene lugar en estado sólido, lo que limita los procesos de crecimiento de grano. De esta forma se han obtenido microestructuras en las que se retiene una fracción nanométrica de granos de (Ti,Mo)(C,N) que presenta un efecto endurecedor importante pasando de 11 a 14 GPa en algunas composiciones. El último aspecto a destacar en la presente tesis son los trabajos relacionados con la transferencia de los resultados citados a escala industrial. En general, la utilización de ciclos de presinterización en hidrógeno y sinterización mediante sinter-HIP permite obtener densidad completa en las piezas industriales, alcanzando durezas entre 11 y 12 GPa y resistencias a la flexión en el rango de los 2 GPa.