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Diseño de microestructuras complejas metal-cerámica en base hierro por procesamiento coloidal en agua

 

Juan Antonio Escribano Quintana
Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC, 15 de julio de 2014.

 

Directores:
Dra. Begoña Ferrari Fernández
Dr. Antonio Javier Sánchez Herencia


Los metales duros son un tipo de materiales metalocerámicos cuyas altas prestaciones son consecuencia de su adecuado diseño microestructural. Estos materiales contienen una fase dura de naturaleza cerámica (generalmente nitruros y carburos) embebida en una matriz metálica (generalmente de Co y/o Ni). El metal duro más comúnmente empleado en la industria es el WC/Co. Sin embargo, debido a su alto coste y toxicidad es necesario buscar nuevas composiciones que hagan frente a las demandas de la industria. En este sentido los cermets de TiC, TiN y/o su mezcla, Ti(C,N), son unos candidatos con excelentes propiedades que ya se emplean frecuentemente en la fabricación de herramientas de corte de alta velocidad, gracias a su elevada dureza, estabilidad térmica y resistencia al desgaste.

El uso de Fe como material de matriz aporta numerosas ventajas frente a los cermets convencionales, como son su menor densidad, menor coste, capacidad de reciclado, abundancia, disponibilidad y menor riesgo para la salud. Además la posibilidad de ser endurecido mediante tratamientos térmicos permite realizar el mecanizado de las piezas antes del tratamiento térmico y por tanto, en un estado de menor dureza, simplificando el proceso. El procesamiento de estos compuestos basados en Fe por técnicas pulvimetalúrgicas presenta mayores problemas que el de materiales de matriz convencionales (Ni o Co), debido a la menor mojabilidad de la fase líquida formada durante la sinterización y a la tendencia del Fe a reaccionar con los materiales de refuerzo, formando compuestos que fragilizan el material final. En este sentido el estudio coloidal de la dispersión y la granulación a partir de suspensiones homogéneas se plantea como una alternativa que permitirá una correcta compactación, además de nuevos diseños microestructurales.
Las técnicas de procesado en vía líquida parten de una suspensión estable de partículas metálicas y/o cerámicas, con alto contenido en sólidos, para abordar la obtención de piezas en verde con baja población de defectos, elevada densidad y diseño microestructural de sus componentes. Para ello existe un amplio abanico de técnicas denominadas coloidales, las cuales requieren un exhaustivo control reológico de las suspensiones, puesto que la reología permite establecer el límite de los contenidos en sólidos y la optimización de las variables propias de cada proceso.
Una de las dificultades del procesamiento en medio líquido es la generación de fenómenos de aglomeración, los cuales son mayores cuanto menores son los tamaños de las partículas. Para evitar este problema se pueden emplear mecanismos de estabilización (de las suspensiones) basados en el control de la coloidequímica del sistema. Entre las ventajas del procesamiento de materiales a partir de suspensiones se encuentran la obtención de formas complejas, los elevados valores de empaquetamiento y la elevada dispersión de las fases constituyentes. Todas estas ventajas se basan en la relativa libertad de movimiento que tienen las partículas suspendidas en el seno del fluido. En el caso de los óxidos cerámicos, el medio de dispersión más común es el agua, aunque en ocasiones también se utilizan sistemas orgánicos con elevados contenidos en sólidos. Las claras ventajas que han mostrado los métodos coloidales para procesar materiales y microestructuras complejas han impulsado una sistemática para abordar el procesamiento en agua tanto de metales puros (níquel, aceros, titanio, etc.), como de no metales no óxidos (nitruros o carburos metálicos). Para ello es necesario establecer las condiciones de dispersión que minimicen la disolución de los cationes metálicos y permitan la formulación de suspensiones con elevados contenidos en sólidos. En esta tesis se ha validado el método de procesamiento coloidal para obtener materiales compuestos de Ti(C,N)/base Fe con diferentes contenidos de refuerzo cerámico así como materiales con estructuras complejas tipo función gradiente.

Calificación: Sobresaliente Cum Laude
Tribunal:
Prof. David Tudela Moreno, Universidad Autónoma de Madrid (UAM).
Dra. Elena Gordo Odériz, Universidad Carlos III de Madrid (UC3M).
Dr. Raúl Bermejo Moratinos, Montanuniversität Leoben (MUL).
Dr. Miguel Angel Rodríguez Barbero, Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV).
Prof. Luis Miguel Llanes Pitarch, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC).