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PhD Thesis, Cristina Bilbao

Cristina Bilbao

Cristina Bilbao

Title: SINTERIZACIÓN Y DILATOMETRÍA DE ACEROS PULVIMETALÚRGICOS PARA PIEZAS DE AMORTIGUADOR

Defense Date: 28/09/2017

Director: Francisco Castro

Abstract

El principal atractivo de los aceros PM dirigidos al sector de la automoción es la fabricación de piezas de geometría compleja de forma casi final con tolerancias dimensionales acotadas, evitando operaciones secundarias que encarezcan el proceso y aprovechando la mayor parte de la materia prima. La fabricación de piezas por esta tecnología requiere, por lo tanto, conocer las causas que producen los cambios dimensionales durante la sinterización, así como el desarrollo microestructural que finalmente confiere al material sinterizado las propiedades necesarias para su fabricación. Dentro de este marco, los utillajes tienen un papel muy importante a la hora de su diseño para la obtención de piezas compactadas en una sola operación de prensado, ya que pudiendo constar de múltiples elementos, son susceptibles de dañarse en funcionamiento. Con objeto de minimizar daños y evitar fracturas, generalmente se utilizan a bajas presiones, produciendo consecuentemente compactos en verde, que para el caso de elementos de amortiguador tienen densidades entre 6.1 y 6.8 g/cm3.

Este trabajo recoge un estudio detallado del comportamiento de aceros pulvimetalúrgicos dentro del sistema de aleación Fe-Cu-C elaborados a partir de mezclas elementales. Para ello y debido a que típicamente los aceros PM, particularmente aquellos elaborados a partir de mezclas de polvos elementales, desarrollan su microestructura, y por consecuencia sus propiedades, durante la sinterización, el estudio considera no sólo la influencia de la composición química de la mezcla (concentraciones de Cu y C) sino también diferentes grados de grafito (natural y sintético) cuya temperatura de disolución en el Fe es diferente y dos tipos de Fe base (esponja y atomizado) que también influirán en el desarrollo microestructural.

Adicionalmente, una vez comprendidos los mecanismos y el papel que desempeñan tanto el Cu como el C en el desarrollo de la microsestructura, se amplía el sistema de aleación al Fe-Cu-Ni-C con la intención de estudiar el papel del Ni dentro del sistema. Para ello, se obtienen resultados sobre la influencia del Ni tanto en el hinchamiento causado por el Cu como en la redistribución del Cu y C. Se analizan también los fenómenos que ocurren durante la interacción entre el Ni, Cu y C.

El objetivo de esta tesis es contribuir al estudio de los micromecanismos involucrados en el desarrollo microestructural de los aceros dentro del sistema Fe-Cu-C. Se persigue determinar la influencia que ejercen tanto las variables del ciclo de sinterización (temperatura y tiempo) como aquellas relativas a la elaboración de los compactos (densidad, gradiente de densidad en verde, tamaño de partícula, concentración de Cu, tipo y cantidad de C y tipo de Fe base) sobre el control dimensional de estos.

Los resultados se organizan recogiendo en primer lugar ciclos de dilatometría para diferentes combinaciones Fe-Cu-Ni-C con contenidos de Cu/C/Ni comprendidos en los rangos 0.5-3.5%Cu, 0.3-0.9%C y 0,1,4,10 y 28%Ni, no con el fin de cuantificar la variación dimensional exacta sino para identificar los principales cambios que se dan en el sistema de aleación y relacionarlos con los micromecanismos que los producen. Además, las trazas de dilatometría sirven de gran ayuda para seleccionar las temperaturas clave donde se producen los micromecanismos más relevantes y, en segundo lugar, realizar ciclos de sinterización interrumpidos a esas temperaturas para observar su desarrollo microestructural. Se complementa el trabajo con ensayos de tracción y mediciones de dureza de todas las composiciones con el fin de determinar las propiedades mecánicas del material, así como los cambios dimensionales que se cuantifican utilizando un equipo de metrología tridimensional.

Paralelamente, se realizó otro estudio en colaboración con la empresa PMG Polmetasa, cuya actividad se centra en la fabricación de componentes sinterizados para los amortiguadores de automóvil. En esta línea, el trabajo considera datos obtenidos de piezas fabricadas en las instalaciones industriales. Desde este punto de vista, en una primera etapa, se realizó un estudio comparativo entre sinterización en condiciones de laboratorio (condiciones más controladas al trabajar con un número reducido de probetas, hornos muy estables y atmósferas controladas) e industriales (elevada productividad, cambios de masa térmica en los hornos constantemente...etc.). A partir de aquí, se pasa a una segunda etapa con los conceptos obtenidos en el laboratorio para implementarlos el proceso industrial. Para ello, se seleccionó el pistón como componente representativo, que a modo de prototipo se empleó para verificar la aplicabilidad de los resultados en la práctica industrial.

Tendente a la optimización del proceso, se hizo un análisis detallado de la sinterización en condiciones industriales manteniendo un adecuado desarrollo microestructural, un buen control sobre los cambios dimensionales y apropiadas propiedades mecánicas en el material. Los ciclos se realizaron a temperaturas entre 1100 °C y 1120 °C con incrementos de 5 °C y tiempos entre 0 y 15 minutos en intervalos menores a 5 minutos.

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