Los materiales con gradiente funcional (FGM), los multimateriales, tratan de satisfacer los numerosos requerimientos demandados a las piezas con una combinación determinada de composiciones y microestructuras. La compatibilidad necesaria entre materiales condiciona el proceso de fabricación y el logro de una interfase, no siempre difusa. La metalurgia de polvos es una de las técnicas empleadas en la fabricación de materiales con gradiente funcional y, en concreto la compactación en matriz una de las posibles técnicas de conformado de estos materiales. En el presente trabajo se propone un proceso de conformado de un acero con gradiente funcional que varía su composición entre un acero con alto contenido en molibdeno y cobre y otro acero con cobre, sin molibdeno, con el objeto de concentrar este elemento en la superficie de la pieza, incrementando las propiedades mecánicas. El estudio se completa con la evaluación de propiedades físicas (densidad y distribución de porosidad), propiedades mecánicas (dureza, resistencia a tracción y alargamiento) y análisis microestructural mediante microscopía óptica y electrónica de barrido.
Los materiales con gradiente funcional, y los materiales multifuncionales, se distinguen por ofrecer un amplio abanico de propiedades correspondientes a la microestructura y composición de las partes que los componen. Son una integración de materiales ligados por una interfase, no siempre difusa, como respuesta a los requerimientos (mecánicos, térmicos, eléctricos, resistencia a la corrosión, etc.) de los componentes en cada punto (Thomazic
Existen numerosos casos de materiales naturales con gradiente funcional como son los huesos, los dientes, el bambú, etc., a diferencia de los materiales compuestos no supone una matriz que envuelva un refuerzo. Cada punto o zona de la pieza tiene unas propiedades diferentes; así, superficies sometidas a desgaste pueden ser materiales resistente a la abrasión como las cerámicas y el interior de la pieza esté fabricado con material con mayor tenacidad como puede ser un metal.
El origen del término
Actualmente, el compromiso de la industria, la sociedad y la ciencia en aumentar la eficiencia de los materiales en todas sus variables, principalmente económica y medioambiental, hace que se continúe investigando y desarrollando materiales con gradiente funcional o multi funcionales a distintas escalas: macro, meso, micro o nanométrica. Este desarrollo supone un análisis del ciclo de vida de los productos mayorando aquellos con menor impacto medioambiental (emisiones, energía, reciclabilidad, etc.) y menor coste económico. La industria, a su vez, reclama materiales multifuncionales que optimicen el proceso de fabricación de los productos.
Existen nuevas técnicas de procesado que abren grandes posibilidades de optimización de recursos: pulvimetalurgia, deposición de vapor física o química, cladding, fabricación aditiva, etc., para la creación de novedosas microestructuras, podríamos llamar multifuncionales, en las que cada punto tenga la respuesta solicitada, es decir, exista una geometría funcional. El estudio del entorno de la interfase de estos materiales es la llave para el diseño de los productos finales; en la cual es importante que coincidan algunas características como expansión térmica, compresibilidad y una buena mojabilidad (Heaney
La compactación de polvos en matriz es una de las técnicas pulvimetalúrgicas empleadas para fabricar materiales con gradiente funcional (Mortensen y Suresh,
Esta técnica pulvimetalúrgica es muy empleada para la fabricación de un gran número de piezas de acero de diversa composición y gran consumo. Las posibilidades y calidades de los aceros sinterizados son muy numerosas, entre estos, destacan aquellos que proporcionan mejores propiedades mecánicas y mejores tolerancias dimensionales, como pueden ser los aceros sinterizados al molibdeno (Tengzelius,
Por ello existe la posibilidad de modificar la distribución de los elementos de los aceros donde puedan tener un mayor requerimiento, aumentando el rendimiento de la aleación; de manera que se tenga la estructuración de microestructuras y un gradiente funcional en las propiedades de los materiales obtenidos.
En este trabajo se ha diseñado la compactación de polvos en matriz de un acero sinterizado al molibdeno junto con un acero al cobre, y caracterizado las propiedades de este material compuesto estructurado. Se discuten las propiedades obtenidas al ordenar la microestructura espacialmente y dedicar las composiciones a los requerimientos.
Los materiales seleccionados para este trabajo de investigación son dos aceros con características bien diferenciadas, aunque se ha tratado que sean lo más compatibles posible en cuanto temperatura de sinterización y variación dimensional. Se trata de un acero con molibdeno, (polvo de Fe-3,5% Mo), aleado con cobre y grafito como material base con mayores propiedades mecánicas, al cual llamaremos material exterior (EXT). El otro acero empleado es un hierro con cobre y grafito, sin molibdeno, denominado material interior (INT). Con estos materiales se ha fabricado, según se detallará en el procedimiento experimental, un tercer acero sinterizado, 50% de EXT + 50 % de INT, con gradiente de propiedades que hemos llamado FG2S. Las composiciones de estos aceros se pueden ver en la
Composición química de los aceros sinterizados resultantes (% peso)
Material | C | Cu | Mo | Fe |
---|---|---|---|---|
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0,7 | 3 | 3,5 | resto |
|
0,5 | 2,5 | 1,75 | resto |
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0,3 | 2 | - | resto |
Existen referencias de las propiedades obtenidas para estas composiciones. Para el Acero con Mo EXT (Candela
Con los materiales citados en el punto anterior se han fabricado las probetas por la vía pulvime-talúrgica convencional: mezcla y homogeneización de polvos, compactación en matriz flotante y sinterización en atmósfera de nitrógeno-hidrógeno.
En la primera etapa se hace la mezcla y homogeneización de los polvos metálicos en las composiciones INT y EXT que servirán para fabricar los tres tipos de materiales descritos anteriormente. La compactación de los polvos se realiza en matriz uniaxial de doble punzón a la presión de 700MPa (Torralba
Proceso de conformación FG2S de tres capas.
Se trata de una técnica de fabricación de materiales con gradiente funcional escalonado mediante compactación de polvos en matriz (Kieback
Se caracterizan las probetas en verde y se procede a la sinterización de los compactos. La sinterización se realiza en un horno tubular a la temperatura de 1120 °C durante 30 min en atmósfera de N2-5H2.
El análisis químico que se ha realizado se ha centrado en constatar el gradiente de composición de las piezas. El elemento que demuestra el gradiente funcional en este estudio es el molibdeno y en él se ha realizado el análisis mediante rayos X con un detector incorporado en un equipo de microscopía de electrones de barrido.
Para la cuantificación de la densidad en verde, y posteriormente de la densidad del sinterizado, se procedió a la medición del espesor y anchura, con un pie de rey de 0,001 mm de precisión. La determinación de la masa de las probetas en verde y sinterizadas se realizó con una balanza Mettler H33AR de 0,001 g de precisión, para determinar las densidades de los materiales.
La determinación de la variación dimensional longitudinal (F) de las distintas probetas, se realizó mediante la aplicación de la
siendo L1 la longitud inicial de la probeta, en estado compactado (mm) y L2 la longitud final de la probeta, en estado sinterizado. La medida de esta dimensión se realizó con un calibre de 0,001 mm de precisión.
Los ensayos mecánicos realizados en este trabajo de investigación de los aceros al molibdeno, comprenden a los ensayos de dureza y microdureza, resistencia a tracción y alargamiento.
En el primero de ellos, la dureza, se han efectuado medidas de dureza Rockwell HRA, con un valor de la carga de 60 kg en todos los materiales, empleando un durómetro de la casa Hoytom. El ensayo de microdureza Vickers MHV0.1, se llevó a cabo utilizando un microdurómetro Akashi modelo MVK-E3 con cargas entre 1 - 1000 g
El segundo de los ensayos mecánicos realizados fue el ensayo de tracción, que permite conocer la resistencia, límite de elasticidad, alargamiento y estricción, características básicas para evaluar la calidad de los aceros con gradiente funcional fabricados. Para el ensayo de tracción se prepararon probetas según norma ASTM B925-15 (
Finalmente se determinan las propiedades resultantes del proceso de fabricación: densidad, variación dimensional, durezas, resistencia a tracción, alargamiento y metalografía: óptica (LOM) y electrónica de barrido de electrones (SEM).
Los resultados obtenidos de los materiales con fase homogénea se corresponden con los presentados en estudios previos (Höganäs,
Gradiente de composición de la interfase FG2S.
El material FG2S presenta una buena densificación debida a la sinterización en fase líquida que proporciona el cobre. Las densidades de la
Densidad de los materiales.
Gradiente de porosidad y densidad correlacionada.
Una de las variables fundamentales en este proceso de fabricación es la variación dimensional que se produce en los materiales durante su sinterización. Hay que recordar que en este proceso, estamos sinterizando un material que tiene diferentes composiciones químicas en distintas áreas. Eso provocará una situación compleja, ya que la variación dimensional que experimentará será diferente en cada una de esas zonas.
La variación dimensional de los materiales responde a las composiciones de los materiales homogéneos: mayor variación para el hierro con cobre debido al fenómeno de hinchamiento que produce este elemento y menor variación del acero con Mo y Cu dado que la mayor presencia de C, junto con el Mo aumenta el ángulo de diedro y facilita la difusión de cobre. Para el material graduado FG2S la variación dimensional es intermedia entre los valoras obtenidos con los dos materiales homogéneos, resultando próxima al 0,5% (
Variación dimensional tras sinterización.
Los valores de la dureza que se pueden ver en la
Dureza de los aceros sinterizados con gradiente funcional y homogéneo.
En el material FG2S, se mantiene la dureza del material EXT. Esta es una de las principales aplicaciones de los materiales con gradiente funcional (Bever y Duwez,
Gradiente de microdurezas en la sección del acero FG2S.
Las resistencias de los aceros sinterizados homogéneos estudiados coinciden con los resultados recogidos en la literatura para las composiciones resultantes de los materiales (Torralba
Se puede ver en la
Resistencia a tracción y límite elástico de los aceros sinterizados.
El alargamiento del material EXT coincide con el de FG2S (1,4%), menor que el alargamiento del material INT de la
Curvas de tensión-deformación de los aceros sinterizados.
En cuanto al análisis metalográfico del acero con gradiente funcional fabricado FG2S, se puede observar que se consigue el efecto buscado de tener perfectamente diferenciadas las zonas con diferente estructura. En la
Microestructura del material FG2S: a) Zona exterior: bainitas y perlitas finas con áreas de Cu, b) Zona interior: Ferritas ricas en Cu, perlita y áreas de Cu. Atacada con nital. 250X.
Si analizamos en la fractura del acero sinterizado FG2S se puede apreciar que muestra comportamientos diferenciados en las zonas de distinta composición: rotura frágil en la zona correspondiente al exterior donde se concentran el Mo y el C y por tanto es la zona de mayor dureza y fractura dúctil en la zona de menor contenido en C y Cu correspondiente al interior.
En la
a) fractura dúctil con cuellos en la zona del acero INT., b) fractura dúctil - frágil en la interfase del acero con gradiente funcional FG2S y c) fractura frágil transgranular en la zona de composición EXT.
Interfase de FG2S: a) 100X aumentos, b) 500X aumentos.
La combinación FG2S de dos composiciones de acero en una geometría definida ofrece propiedades con gradiente funcional. Por tanto podemos concluir que el proceso de compactación en matriz diseñado es válido para la fabricación de aceros sinterizados con gradiente funcional en una geometría definida. Estudiando la compatibilidad de las composiciones se pueden producir piezas con propiedades que satisfagan múltiples requerimientos.
En este estudio, la combinación de los materiales dedicados es viable y destaca porque:
La unión metalúrgica de las composiciones de acero empleadas en las distintas capas INT y EXT (al molibdeno) con cobre es buena, sin fisuras durante el proceso de sinterización debido a diferencias en la variación dimensional.
Las piezas no presentan distorsión o deformación tras la sinterización. El diseño de tres capas proporciona simetría en el plano con mayor área. Aunque sí se puede entender que existen tensiones residuales derivadas de las diferencia de variación dimensional durante la sinterización.
Se observa una variación gradual de la resistencia mecánica a lo largo del material. La composición más resistente resulta menos densa que la composición más blanda que se compacta y se densifica en mayor medida.
Se alcanzan durezas, que ofrece el material estructurado, un 25 % mayores que la misma composición global equivalente, es decir, comparado con los materiales que emplean los mismos aleantes sin estructurar la pieza.
Los resultados de resistencia del material ordenado ofrecen una mayor resistencia y rigidez similar a la que se obtiene de la regla de mezclas de los materiales compuestos. Y aumenta el límite elástico en relación a la resistencia a tracción.