Sintering and mechanical properties of cemented carbides based on tungsten carbide and multicomponent metallic alloys

Resumen

Los carburos cementados son materiales compuestos utilizados en una amplia variedad de aplicaciones que requieren la combinación correcta de resistencia mecánica y resistencia al desgaste en entornos hostiles (es decir, corte y conformado de metales, ingeniería civil, minería, válvulas para la industria química, etc). Las composiciones más comunes comprenden granos de carburo de tungsteno unidos con una matriz metálica de cobalto. La razón es doble. Por un lado, los materiales WC-Co son relativamente fáciles de sinterizar a un estado de densidad completa con la metodología de procesamiento adecuada y, por otro lado, una amplia variedad de propiedades útiles se pueden obtener variando el tamaño de grano de WC y la relación WC/Co. Sin embargo, el uso y la disponibilidad de cobalto está actualmente en peligro tanto por su nueva clasificación como sustancia tóxica (normativa REACH) como por la creciente demanda de este metal para la fabricación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. La presente tesis se centra en el estudio de la sinterización y las propiedades mecánicas de sistemas WC-metal en los que el cobalto puro es reemplazado por diferentes combinaciones de metales. Se han encontrado dos candidatos prometedores: Carburos cementados WC-NiCoCrTiAl Estos materiales fueron diseñados a partir de composiciones WC-NiCoCr con una relación Ni/Co igual a uno. El principal reto fue aumentar la dureza de estas composiciones ya que es muy baja en comparación con los grados WC-Co. Esto se logró en primer lugar mediante la aleación de la fase ligante con aluminio y, posteriormente, induciendo la precipitación gamma prima mediante tratamientos de envejecimiento. Se investigaron dos fuentes de aluminio distintas para evitar una oxidación catastrófica del aluminio durante el procesamiento PM: AlN y TiAl3. Este último produjo los mejores resultados en cuanto a la sinterabilidad y los efectos de endurecimiento por precipitación. Los materiales WC-Ni-Co-Cr-Ti-Al fueron obtenidos en forma totalmente densa mediante el uso de HIP después de la sinterización, un proceso compatible con tecnologías de procesamiento industrial como Sinter HIP. Los experimentos de envejecimiento muestran que la dureza alcanza su punto máximo a temperaturas más bajas a medida que aumenta el contenido de Al de la fase ligante.Además de la dureza, la resistencia a la ruptura transversal (TRS) también se midió en composiciones seleccionadas de WC-NiCoCrTiAl tanto en condiciones de HIPed como de envejecimiento en solución. Los resultados son solo el 15% más bajos que los reportados para materiales WC-Co con tamaños de grano de WC y proporciones WC/metal similares. Estos resultados sugieren también que, al igual que en las superaleaciones base Ni, las propiedades de la fase ligante se mantendrían a temperaturas inferiores a las utilizadas en los tratamientos de envejecimiento. Carburos cementados WC-FeNiCoCr Las composiciones WC-Fe-Ni-Co-Cr fueron diseñadas siguiendo un enfoque alternativo. En este caso, el objetivo era obtener un ligante metálico sin precipitación de carbono libre ni ningún carburo secundario (incluidos los de cromo). Esto se logró partiendo de mezclas en polvo WC- Fe-Ni-Co-Cr3C2 con una proporción constante entre Fe, Ni y Co igual a 40/40/20. Los contenidos en cromo y carbono han sido modificados para encontrar los límites superior e inferior que definen "las llamadas" ventanas de carbono. Además, la cinética de contracción se ha estudiado a fondo para definir un proceso robusto de sinterización para polvos de WC gruesos y submicra. Los resultados de los experimentos calorimétricos se han utilizado para mejorar la descripción del sistema quinario W-C-Fe-Ni-Co para la composición 40Fe-40Ni-20Co mediante el software ThermoCalc®. En este caso, las pruebas mecánicas confirmaron que los valores de dureza y de resistencia a la ruptura transversal están dentro de las tolerancias reportadas para los grados WC-Co con contenidos de ligante y tamaños de grano de WC similares, siempre que se evite la precipitación de fases no deseadas.