Diapositiva 1

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Aceros de Baja aleación I
Efecto de los EA sobre las propiedades.
Principales elementos de aleación Difusión de materiales en PM.
Aceros de baja aleación obtenidos por mezcla.
1
¿Cómo se pueden mejorar las propiedades?
Influencia del proceso de fabricación.
Influencia de los elementos de aleación.
2
Ductilidad: Aceros sinterizados
DUCTILIDAD
=
f(elementos de aleación, densidad)
Elem. Al.
Densidad
Elem. Al.
Tenacidad
DUCTILIDAD
?
DUCTILIDAD
3
¿Cómo se pueden mejorar las propiedades?
Influencia del proceso de fabricación.
Altas presiones de compactación.
Altas temperaturas de sinterización.
Dobles prensados/sinterizados.
Prensado de polvos precalentados (‘warm compaction’).
Prensado en caliente, sinterforjado.
Parámetros de procesado
4
¿Cómo se pueden mejorar las propiedades?
Influencia del proceso de fabricación.
Influencia de los elementos de aleación.
Mecla
Predifundido
Prealeado
5
¿Cómo se produce la difusión de los elementos de
aleación?
Difusión Intersticial
Difusión por vacantes
(sustitucional)
6
Difusión en materiales PM
7
Tipos de difusión
Superficie
Borde de grano
Volumen
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Factores que afectan a la sinterizacióndifusión
Temperatura
Tiempo
Atmósfera
Composición del material
Método de aleación
Contenido en lubricante
Velocidades de calentamiento y enfriamiento
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Principales elementos de aleación
C, Cu, P, Ni, Mo,
Cr, Mn
PRINCIPALES SISTEMAS DE ALEACIÓN
Fe
Fe-C
Fe-Cu
Fe-Cu-C
Fe-Mo-C
Fe-Mo-Ni-C
Fe-Cr-Mo-C
Fe-Mo-Ni-Cu-C
Fe-P-C
Fe-P-Cu-C
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Elementos de baja afinidad por el oxígeno:
Buenas tolerancias
dimensionales
Ni
Mo
Cu
P
C
Buenas propiedades
mecánicas
DESVENTAJAS
Clasificado
como
peligroso
por la UE
Caro
Difícil
de
reciclar
Segregaciones
intermetálicas
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Elementos de aleación de elevada afinidad por el O2
Buena sinterabilidad
Níquel
Buenas propiedades mecánicas
Buen comportamiento a fatiga
Directivas UE
Alternativas
Cromo
Manganeso
Buena reciclabilidad
Mejoran la templabilidad
Bajo costo
Oxígeno
desventajas
Actividad del C
12
Principales elementos de aleación
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Principales elementos de aleación
FACTORES a CONSIDERAR para su ELECCIÓN


Activación o inhibición (etapas iniciales).
Homogeneización y formación de la solución sólida (durante la
sinterización).






Formación de fase líquida
Transformaciones de fase (enfriamiento).
Precipitación de carburos (enfriamiento).
Cambios dimensionales .
Actividad por el O2.
Tamaño de partícula
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Aleaciones férreas: Comparativa
1000
900
 sint = 7 ,0 0 1 1 2 0 º C 3 0 min
UTS
YS
800
700
MPa
600
500
400
300
200
100
0
Esponja
Atomizado
Atm+ 0.5%C
Atm+ 2%Cu+ 0.5%C
[Fe-Mo]Cu-Ni+ 0.5%C
Distaloy HP+ 0.5%C
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Principales sistemas de aleación
Efecto de los EA sobre las propiedades.
Principales sistemas de aleación
Difusión de materiales en PM.
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Fe-Cu
JUNTO CON EL C ES EL PRINCIPAL EA EN PM
Metalurgia convencional: Juega un papel secundario y se considera impureza
PM: Solución sólida + endur. Precipitación (TT 900°C enfriamiento a 500 °C
en aceite) + fase líquida (1083 °C )
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Fe-Cu
Hinchamiento del cobre
El sistema Fe-Cu una vez
que alcanza 1083°C se
caracteriza por la dilatación
producida durante el estado
liq. en la zona a-g.
Cuando aparece la fase
líquida y la solubilidad del Cu
en el Fe es máxima las
dimensiones aumentan
rápidamente.
El Ni y el WO3 aumentan la
solubilidad del Cu (8%):
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Variación dimensional en los sistemas Fe-Cu y Fe-Cu-C
19
Mecanismos de hinchamiento en los sistemas Fe - Cu
90%Fe + 10%Cu
1150 °C
20
Fe-Cu
2% Cu, sint 7,05 g/cm3
4% Cu, sint 6,88 g/cm3
21
Variación dimensional en los sistemas Fe-Cu y Fe-Cu-C
La presencia de C compensa el
hinchamiento: el C difunde en la
red de g a T>T transición reduce la
cantidad de Cu s.s.
Cu
Cu + 1%C
22
Fe-Cu-C

Efecto de la fase líquida en la
porosidad.

Efecto de la homogeneización
(favorecida por la T y t de
sinterización).

Estabilidad dimensional con
adiciones de grafito. La
presencia de C compensa el
hinchamiento: el C difunde en
la red de g a T>T transición
reduce la cantidad de Cu s.s.
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Fe-Cu-C
0,2% C, sint 6,84 g/cm3
0,6% C, sint 6,86 g/cm3
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Fe-P
EL 3º Elemento de Aleación en IMPORTANCIA
Metalurgia convencional:
Produce fragilidad en BG
PM: El P se añade como ferrofósforo (15-20%P). Fe3P
 Solución sólida
 Fase líquida
 Estabilización de la a sobre la que difunde más rápido
 Endurecimiento por precipitación
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Fe-P
La sinterización se realiza en
fase ferrítica, esto supone
una sinterización activada.
Fe- Fe3P forma un eutéctico a
1050°C,
que
al
fundir,
produce
contracción
y
transferencia de masa más
rápida

 Porosidad más pequeña y
redonda  El UTS no va
acompañado de una  % (el
P difunde preferentemente por
los cuellos, deja a la partícula
sin alear)
26
Fe-P-C
0% C, sint 7,13 g/cm3
0,5% C, sint 6,93 g/cm3
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Fe-P-C
El efecto es muy similar a
las adiciones de Cu (2– 4%)
pero la estabilidad
dimensional es mayor
28
Fe-P-C
29
Fe-Ni
Elemento gammagéno
que produce una
austenita de mayor
volumen
Produce una s.s. de una
solubilidad limitada.
La velocidad de
homogeneización es
muy baja.
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Velocidades de difusión de los elementos de aleación
C
 La baja difusividad del Ni hace
que la T sinterización sea
>1100-C
 El efecto sobre la UTS es
menor que en el caso del Cu,
puesto que difunde peor y
forma una martensita blanda.
Sin embargo tienen muy buena
ductilidad y tenacidad.
Mo
Ni
Cu
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Homogeneización del níquel en los aceros
La velocidad de difusión del Fe en el Ni es > que la del Ni en el Fe por ello se
pueden producir inhomogeneidades  Hay que añadirlo muy fino. La
concentración del Ni es mayor en la periferia de las partículas  Martensita
localizada ligeramente más dura que la ferrita.
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Fe-Mo
 Su mayor contribución es su aumento de la templabilidad de los
aceros.
 Estabiliza la fase a
 Formación de la fase líquida con el C
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Fe-Mo-C
¿Dónde está la
fase líquida????
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Fe-Mo-C mezcla
FORMACIÓN DE LA FASE LÍQUIDA:
Durante la sinterización se forman Mo2C
El Fe difunde en el carburo y forma Fe3Mo3C
Se forma una fase líquida entre el Fe3Mo3C y la austenita que se consume
por difusión sólida en la matriz.
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Elementos de elevada afinidad por el oxígeno
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Elementos de aleación con elevada afinidad por el O2
Mn
Cr
Si
Son los elementos de aleación más baratos
Utilizados normalmente en la metalurgia convencional.
PROBLEMA: AFINIDAD POR EL OXÍGENO
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Fe-Cr
El Cromo es uno de los elementos más utilizados en los aceros de
colada. Sin embargo su elevada afinidad por el oxígeno ha relegado su
uso en los materiales PM.
¿Por qué pensar en
aceros al Cromo de
baja aleación?
Mejora la templabilidad
Bajo Coste
Buena reciclabilidad
Se añade como ferrocromo, carburos, o prealeado.
EL PROBLEMA: Reducir los óxidos de Cromo, su elevada estabilidad hace
que la mejor T sinterización este >1200ºC.
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Cromo
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Fe-Cr-C
Según aumenta el contenido en Cr, el campo gammageno se hace
más pequeño.
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Manganeso
El elemento de aleación más barato.
Se puede sinterizar a 1120ºC.
Confiere una gran templabilidad
Es uno de los elementos que más aumenta la UTS.
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Manganeso
%Te
%Ce
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Presión de Vapor
La energía media de las partículas en un sólido está gobernada por la T  a mayor
T mayor Energía.
Sin embargo, algunas partículas pueden superar esa media, si se encuentran en la
superficie del material, estas pueden llegar a moverse y escapar de las F atractivas
y entrar en fase vapor  LA SUBLIMACIÓN, COMO LA EVAPORACIÓN SÓLO
TIENEN LUGAR EN LA SUPERFICIE DEL LÍQUIDO
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Presión de Vapor
¿QUÉ OCURRE SI CONSIDERAMOS UN SISTEMA CERRADO?
Equilibrio
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Fe-Mn: Difusión en estado gaseoso.
Presión de vapor de varios elementos a distintas temperaturas
Elemento
Presión (Pa)
900ºC
1000ºC
1100ºC
1200ºC
Si
2.25 ·10-7
5.40 ·10-6
8.13 ·10-5
8.44·10-4
Fe
2.99 ·10-6
6.47 ·10-5
8.85 ·10-4
8.40 ·10-3
Cr
1.08 ·10-5
2.36 ·10-4
3.26 ·10-3
3.13 ·10-2
Cu
4.23 ·10-4
6.10 ·10-3
5.94 ·10-2
4.23 ·10-1
Mn
0.38
3.23
19.88
94.69
La baja Presión de vapor favorece la sublimación del Mn  Sinterización sólido-gas
Tecnología de Polvos - Aceros de baja aleación I
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Fe-Mn
EFECTO DE LA SUBLIMACIÓN DEL MANGANESO
 Los vapores de Mn llenan los poros del compacto
 El vapor condensa en la superficie de los poros antes de la formación
de los cuellos.
 Mn reduce la capa superficial de óxido
 Mn difunde hacia el interior de la partícula
 “Efecto limpieza” de la atmósfera. El Mn escapa de la pieza y
perdemos %EA.
Ventaja: Limpia la atmósfera al reaccionar con el O2.
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Cuestionario













¿Cuales son los principales efectos de las adiciones de Cu en el sistema Fe-Cu? ¿por
qué produce hinchamiento?
¿Por qué el efecto combinado Cu-C reduce el fenómeno del hinchamiento?
¿Porqué se introduce el Cu como elemento de aleación en los aceros sinterizados?.
¿Qué dos fenómenos contribuyen a que el P mejore las propiedades de los aceros?
¿Porqué las microestructuras de aceros con P presentan una porosidad redondeada?
¿Porqué en los aceros al P una mejora de dureza no viene acompañada de una pérdida
de ductilidad?.
¿Qué ventajas y desventajas presenta un polvo ‘predifundido’ frente a un polvo
‘mezclado’ o ‘unido por aglomerantes orgánicos’?.
¿Por qué se producen zonas de austenita retenida en los sistemas Fe-Ni?
¿Cuál es la principal aportación del Mo como elemento de aleación?
¿Por qué el Mn supone una sinterización en fase sólido-gas?
¿Qué efectos tiene sobre la evolución de la sinterización las adiciones de Mn?
¿Por qué se produce la sublimación del Mn?
¿Por qué no se introduce el Cr en los aceros sinterizados hasta los años 90?. ¿Qué
mejoras tecnológicas han permitido su comercialización?.
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