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.

¿Cómo se pueden mejorar las propiedades? Influencia del proceso de fabricación. Influencia de los elementos de aleación.

Ductilidad: Aceros sinterizados = f(elementos de aleación, densidad) Elem. Al. Densidad DUCTILIDAD ? Elem. Al. Tenacidad DUCTILIDAD

¿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

¿Cómo se pueden mejorar las propiedades? Influencia del proceso de fabricación. Influencia de los elementos de aleación. Mecla Predifundido Prealeado

¿Cómo se produce la difusión de los elementos de aleación? Difusión Intersticial Difusión por vacantes (sustitucional)

Difusión en materiales PM

Tipos de difusión Superficie Borde de grano Volumen

Factores que afectan a la sinterizacióndifusión Temperatura Tiempo Atmósfera Composición del material Método de aleación Contenido en lubricante Velocidades de calentamiento y enfriamiento

Principales elementos de aleación C, Cu, P, Ni, Mo, Cr, Mn PRINCIPALES SISTEMAS DE ALEACIÓN Fe Fe-C Fe-Mo-C Fe-Mo-Ni-C Fe-Cr-Mo-C Fe-Mo-Ni-Cu-C Fe-Cu Fe-Cu-C Fe-P-C Fe-P-Cu-C

Elementos de baja afinidad por el oxígeno: Buenas tolerancias dimensionales Ni C Cu P Mo Buenas propiedades mecánicas Clasificado como peligroso por la UE Caro Difícil de reciclar Segregaciones intermetálicas DESVENTAJAS

Elementos de aleación de elevada afinidad por el O2 Directivas UE Buena sinterabilidad Buenas propiedades mecánicas Buen comportamiento a fatiga Níquel Alternativas Manganeso Cromo Buena reciclabilidad Mejoran la templabilidad Bajo costo desventajas Oxígeno Actividad del C

Principales elementos de aleación

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

Aleaciones férreas: Comparativa

Principales sistemas de aleación Efecto de los EA sobre las propiedades. Principales sistemas de aleación Difusión de materiales en PM.

JUNTO CON EL C ES EL PRINCIPAL EA EN PM 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 )

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%): El cu según se calienta difunde en Fe, se forma una ferrita cada vez más rica en Cu,

Variación dimensional en los sistemas Fe-Cu y Fe-Cu-C

Mecanismos de hinchamiento en los sistemas Fe - Cu

Fe-Cu 2% Cu, rsint 7,05 g/cm3 4% Cu, rsint 6,88 g/cm3

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

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.

Fe-Cu-C 0,2% C, rsint 6,84 g/cm3 0,6% C, rsint 6,86 g/cm3

EL 3º Elemento de Aleación en IMPORTANCIA 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

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)

Fe-P-C 0% C, rsint 7,13 g/cm3 0,5% C, rsint 6,93 g/cm3

Fe-P-C El efecto es muy similar a las adiciones de Cu (2– 4%) pero la estabilidad dimensional es mayor

Fe-P-C

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.

Velocidades de difusión de los elementos de aleación Mo Cu Ni 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.

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.

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

¿Dónde está la fase líquida???? Fe-Mo-C ¿Dónde está la fase líquida????

FORMACIÓN DE LA FASE LÍQUIDA: 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.

Elementos de elevada afinidad por el oxígeno

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

¿Por qué pensar en aceros al Cromo de baja aleación? 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. Mejora la templabilidad Bajo Coste Buena reciclabilidad ¿Por qué pensar en aceros al Cromo de baja aleación? 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.

Cromo

Fe-Cr-C Según aumenta el contenido en Cr, el campo gammageno se hace más pequeño.

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.

Manganeso %Te %Ce

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

Presión de Vapor ¿QUÉ OCURRE SI CONSIDERAMOS UN SISTEMA CERRADO? Equilibrio

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 1mbar=100Pa Fe-Mn: la presión de vapor del Mn es varios ordenes de magnitud más baja que en otros elementos Se empieza a detectar la sublimación del Mn a aprox 700ºC, condensa en las superficies del polvo y de nuevo cambia su estado a sólido. Presión de vapor: Presión a la que se encuentran en equilibrio el liq-gas. In most cases, at ordinary temperatures, the saturated vapour pressures of solids range from low to very, very, very low. The forces of attraction in many solids are too high to allow much loss of particles from the surface. However, there are some which do easily form vapours. For example, naphthalene (used in old-fashioned "moth balls" to deter clothes moths) has quite a strong smell. Molecules must be breaking away from the surface as a vapour, because otherwise you wouldn't be able to smell it. Another fairly common example (discussed in detail on another page) is solid carbon dioxide - "dry ice". This never forms a liquid at atmospheric pressure and always converts directly from solid to vapour. That's why it is known as dry ice Tecnología de Polvos - Aceros de baja aleación I

Fe-Mn Los vapores de Mn llenan los poros del compacto 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.

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?.

Peritéctico P +L +  +L 

Eutéctico-Eutectoide  E +L +L +  L    +  +   +  Ee