Análisis del contenido de cobalto e inhibidores de crecimiento de grano, en las propiedades mecánicas de los carburos de tungsteno

Abstract

Dentro de siguiente proyecto en el marco de la tesis de Maestría en Investigación en Materiales y Procesos de Manufactura que brinda la Universidad Nacional de Colombia en la sede Bogotá, se llevaron a cabo desarrollos tecnológicos tanto en el campo del proceso productivo de los carburos de tungsteno, así como en las técnicas de fabricación por vía pulvimetalúrgica; producto de la nueva línea en investigación en este tema. Se realizaron aportes al desarrollo tecnológico en el campo de los equipos utilizados en el área de la pulvimetalurgía y en la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones como son los CER cerámico-MET Metálico dentro de los cuales se encuentran los carburos de tungsteno como fase cerámica y como fase metálica por excelencia el cobalto. Para lograr la adecuación de la línea de pulvimetalurgía en el laboratorio de fundición de la Universidad Nacional, se realizó la instalación técnica del horno de vacío incluyendo sus equipos complementarios como sistema de vacío y sistema de enfriamiento adquirido por la universidad en el marco del proyecto de Colciencias FP44842-091-2016 y la readecuación de la máquina de desgaste. Por motivos de infraestructura se adaptó el sistema eléctrico de dicho horno a las condiciones de la infraestructura eléctrica de la Universidad Nacional. Continuando con el acoplamiento de un sistema de monitoreo de vacío en el horno de sinterizado, el cual no se incluye originalmente. En lo relacionado a las pruebas de desgaste se realizó la modificación técnica de un equipo disponible en el laboratorio de fundición destinado a llevar a cabo pruebas ASTM G5, logrando una mayor versatilidad del equipo para ajustarlo a la norma ASTM B-611 bajo la cual se evalúa el desgaste en estos materiales, se incluyó una consola electrónica para monitoreo de las revoluciones de giro, se implementó un control de régimen de giro y cambio del sentido de giro al equipo original para proporcionarle mayor versatilidad. Dentro de esta tesis de maestría en lo referente al diseño fabricación y caracterización mecánica y microestructural de CERMETS se llevó a cabo una investigación sobre los temas más relevantes a los carburos de tungsteno, incluyendo el efecto de adicionar inhibidores de crecimiento. Para lograr este desafío se realizaron las actividades de diseño de los materiales compuestos, y posterior fabricación. Luego se continuó con el análisis de caracterización mecánica y microestructural de los polvos de partida y de las cinco formulaciones que fueron fabricadas. Para los análisis microestructurales se realizaron caracterizaciones de los polvos de partida incluyendo composición, morfología y al tamaño de grano. Para los cermets fabricados, se realizó la caracterización química y microestructural mediante fluorescencia de rayos X microscopía óptica, y electrónica, difracción por rayos X, para la caracterización mecánica se realizaron análisis de densidades, contracción diametral, longitudinal y volumétrica, porosidad, dureza, tenacidad y desgaste. Los resultados obtenidos los resultados obtenidos en el presente estudio, se compararon con el estudio de dureza vs tenacidad para metales duros de WC-Co con grano fino (Schubert, Neumeister, Kinger, and Lux, 1998). En definitiva para cada aplicación específica se requiere de unas características de dureza y tenacidad específicas. Por este motivo no existe una solución específica para todas las necesidades, aunque siempre se pretende alcanzar la máxima dureza, con una elevada tenacidad.

Abstract: Within the following project within the framework of the Master's Thesis in Materials Research and Manufacturing Processes offered by the National University of Colombia at the Bogota headquarters, technological developments were carried out both in the field of the production process of tungsten carbides, as well as in manufacturing techniques by powder metallurgy; product of the new line in research on this topic. Contributions were made to the technological development in the field of equipment used in the area of powder metallurgy and in the manufacture of high-performance composite materials such as metal ceramic CER-MET within which are the tungsten carbides as ceramic phase and as the cobalt metal phase par excellence. To achieve the adequacy of the powder metallurgical line in the foundry laboratory of the National University, the technical installation of the vacuum furnace was made, including its complementary equipment such as the vacuum system and the cooling system acquired by the university within the framework of the project Colciencias FP44842-091-2016 and the readjustment of the wear machine. For reasons of infrastructure, the electrical system of said furnace was adapted to the conditions of the electrical infrastructure of the National University. Continuing with the coupling of a vacuum monitoring system in the sintering furnace, which is not originally included. In relation to the wear tests, the technical modification of equipment available in the foundry laboratory destined to carry out ASTM G5 tests was carried out, achieving a greater versatility of the equipment to adjust it to the ASTM B-611 standard under which It evaluates the wear on these materials, an electronic console was included to monitor the rotation speed, a rotation rate control was implemented and the direction of rotation changed to the original equipment to provide greater versatility. Within this master's thesis in relation to the design, manufacture and mechanical and microstructural characterization of cermets, a research was carried out on the most relevant topics to tungsten carbides, including the effect of adding growth inhibitors. In order to achieve this challenge, the activities of designing the composite materials and subsequent manufacturing were carried out. Then we continued with the analysis of mechanical and microstructural characterization of the starting powders and of the five formulations that were manufactured. For the micro-structural analyzes characterizations of the starting powders were made including composition, morphology and grain size. For the manufactured cermets, the chemical and microstructural characterization was carried out by means of X-ray fluorescence, optical microscopy, and electronic, X-ray diffraction. For mechanical characterization, densities, diametral, longitudinal and volumetric contraction, porosity, hardness, tenacity and wear. The results obtained the results obtained in the present study, were compared with the study of hardness vs. toughness for hard metals of WC-Co with fine grain (Schubert, Neumeister, Kinger, and Lux, 1998). Ultimately, for each specific application, specific hardness and fracture toughness characteristics are required. For this reason there is no specific solution for all needs, although it is always intended to achieve maximum hardness, with a high tenacity.