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Diseño de matrices alternativas para cermets de Ti(C,N) como sustitutos de WC-Co

El Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid ha desarrollado una metodología para el diseño y desarrollo de nuevos materiales para herramientas de corte.

En los últimos años ha surgido el interés de las comunidades científica e industrial por sustituir el material tradicionalmente empleado para esta aplicación: El carburo cementado (WC-Co). Las principales razones para tal efecto son la toxicidad del cobalto y de su combinación con el carburo de wolframio, la inclusión del cobalto y el wolframio en el listado europeo de materias primas críticas, y el fluctuante y creciente precio de este metal.
El carbonitruro de titanio, Ti(C,N), surge como un claro candidato para sustituir al tradicional WC, gracias a su excelente resistencia a desgaste a altas velocidades de corte, durabilidad y estabilidad química, entre otras propiedades. Respecto a la sustitución de la fase metálica, las aleaciones base hierro suponen una buena alternativa al Co. El Fe, además de ser una materia prima abundante y con un precio relativamente bajo, presenta otras ventajas, como la posibilidad de ser endurecido por tratamiento térmico.

Figura 1. Imagen FESEM y aumento de la sección transversal del ángulo de contacto FeNiCr-Ti(C,N).

Figura 1. Imagen FESEM y aumento de la sección transversal del ángulo de contacto FeNiCr-Ti(C,N).

Siguiendo la metodología de GTP, actualmente se está desarrollando una tesis doctoral, en colaboración con la Universidad Politécnica de Cataluña, centrada en el diseño de una aleación alternativa base hierro combinada con Ti(C,N) y WC, para la comparación de los dos tipos de compuestos. Para ello se ha utilizado el software ThermoCalc®, con el que se han simulado los diagramas de fases.

Se seleccionaron dos aleaciones: FeNiCr y FeCrAl. La simulación termodinámica se ha contrastado con ensayos de DTA-TG y ángulo de contacto (Figura 1), con el objetivo de comprobar el comportamiento a alta temperatura y mojabilidad entre las fases cerámica y metálica. En la actualidad se está trabajando en el procesado de los nuevos materiales compuestos por pulvimetalurgia convencional. Las piezas finales obtenidas se caracterizarán en relación a su composición, microestructura y propiedades mecánicas.

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Influence of the composition, sintering cycle and processing method in the nanomechanical properties of Ti(C,N)-feni cermets

El pasado 27-29 de junio de 2018 se celebró el Workshop on Micromechanical properties of Hard Materials en la Universitat Politècnica de Catalunya. María de Nicolás, miembro del GTP(UC3M) participó con el poster “Influence of the composition, sintering cycle and processing method in the nanomechanical properties of Ti(C,N)-feni cermets”

Influence of the composition, sintering cycle and processing method in the nanomechanical properties of ti(c,n)-feni cermets

Influence of the composition, sintering cycle and processing method in the nanomechanical properties of ti(c,n)-feni cermets

Autores: M. de Nicolás1*, H. Besharatloo2, J. J. Roa2, M. Dios1, P. Alvaredo1, B. Ferrari3, E. Gordo1, L. Llanes2

1 Department of Materials Science and Engineering, University Carlos III of Madrid, Avda. Universidad, 30, 28911 Leganés, Madrid, Spain *mnicolas@ing.uc3m.es
2 Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), Universitat Politècnica de Catalunya. Campus Diagonal Besòs, Eduard Maristany, 10-14, 08019 Barcelona
3 Institute of Ceramic and Glass, CSIC, Kelsen, 5, 28049 Madrid, Spain

Keywords: Cermets, FeNi, liquid phase sintering, nanoindentation, nanoscratch

Abstract: Influence of the composition, sintering cycle and processing method in the nanomechanical properties of ti(c,n)-feni cermets[/caption] The fluctuating price and toxicity of Co and the classification of cemented carbides (WC-Co) as hazardous materials for human health are encouraging the investigation of alternative materials. In this work, a Ti(C,N)-based cermet with an iron alloy (Fe-15 wt% Ni) as metal matrix has been processed. Two different processing routes were employed: colloidal and conventional powder metallurgy, corresponding to low-energy ball milling. Several parameters were varied in the manufactured materials for study: (i) ceramic-metal volumetric ratio (70/30, 80/20 and 85/15); (ii) carbon addition, from 0 to 1 wt. % with respect to the metal matrix, to learn the effect of this element on the material; (iii) sintering cycle, maintaining the same sintering temperature and time (1450 °C, 2 h) and adding an additional step of 30 min at 1000 °C. Regarding the conventional route, two pressing methods were used for the first sintering cycle: uniaxial and cold isostatic pressing (CIP). The final sintered materials were characterized in terms of their hardness and elastic modulus. Nanoindentation tests were performed on the composite materials and their constituent phases, ceramic reinforcement and metal matrix, following Ulm and Constantinides statistical analysis. AFM (Atomic Force Microscopy) and FIB (Focused Ion Beam) were used to evaluate the plastic deformation mechanisms of the material. Moreover, cross-section nanoscratches were performed at the ceramic-metal contact areas to evaluate the sliding contact at the interface.

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