Desarrollo y optimización de nuevos componentes lubricante y ligante para el procesado de aceros pm
- Autores: Cristina Artieda Guzmán
- Directores de la Tesis: Núria Llorca i Isern (dir. tes.), José Antonio Calero Martínez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Torralba Castelló (presid.), Antoni Roca Vallmajor (secret.), Vicente Amigó Borrás (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Uno de los principales objetivos perseguidos en el progreso en la industria pulvimetalúrgica en la última década ha estado marcado no sólo por el desarrollo y avance en la producción de polvos metálicos y de los procesos empleados para convertirlos en componentes sinterizados idóneos para su aplicación sino también por los esfuerzos dedicados en la investigación de nuevos productos orgánicos incorporados a la mezcla tanto en forma de ligantes como de lubricantes. Teniendo en cuenta que los primeros componentes pulvimetalúrgicos base hierro aparecieron en la década de los cuarenta, el desarrollo de los productos orgánicos óptimos para el procesado de piezas sinterizadas se remonta a los últimos años. Además dicha investigación presenta el hándicap de que las formulaciones de los nuevos componentes que salen al mercado están protegidas mediante patentes y son propiedad intelectual de las empresas productoras de polvo, hecho que dificulta el conocimiento extendido sobre la materia.
En la actualidad, los aceros pulvimetalúrgicos se enfrentan al reto de producir componentes cada vez más complejos y con una elevada exigencia en cuanto a la precisión y su coste de fabricación, que permita a las empresas pulvimetalúrgicas mantener una alta competitividad en sectores tan exigentes como es el de la automoción. En este sentido se ha realizado una investigación cuyo ulterior propósito ha sido obtener sistemas orgánicos optimizados en sus dos funcionalidades, la de ligante y la de lubricante. La función principal de los ligantes es la de mantener los elementos de aleación unidos de manera homogénea a la superficie del polvo de hierro base tras la mezcla, evitando así la pérdida o segregación de estos durante el transporte y el procesado de la misma. La función de los lubricantes, por su parte, es la de minimizar la fricción ocasionada durante la compactación de los polvos y ayudar en la extracción de los componentes en verde y de esta manera generar procesos más robustos y productivos. Se trata pues de una tarea ardua considerando que la cantidad añadida en mezcla de ambos materiales no supera el 1% en peso y por lo tanto la distinción entre las correctas capacidades que muestran diferentes productos orgánicos entre sí resulta complicada. Asimismo se les exige que mejoren (o por lo menos no empeoren) el conjunto de propiedades del sistema metálico en todas las etapas del proceso tales como la fluidez, la densidad aparente, la resistencia en verde y la compresibilidad entre otras, y sobretodo han de ofrecer una eliminación térmica adecuada en la etapa previa a la sinterización (delubricación) con el fin de evitar efectos adversos en las propiedades de las piezas finales. Este trabajo de investigación contribuye a la determinación de las características y las propiedades de diferentes componentes orgánicos necesarios para su implementación eficaz como lubricantes y ligantes en la producción de aceros sinterizados. En él, se explora la posibilidad de seleccionar, optimizar e incluso sintetizar compuestos orgánicos que según sus propiedades fisicoquímicas, minuciosamente estudiadas, puedan cumplir adecuadamente los requisitos y funciones para lo que han sido seleccionados o diseñados.
La investigación llevada a cabo abarca una primera etapa de búsqueda y evaluación de los requerimientos y criterios de selección de ambas tipologías de productos orgánicos (ligante y lubricante) siguiendo una metodología de estudio que permita seleccionar la estrategia de incorporación de ambos materiales en mezcla, la sinergia que presentan en cada una de las propiedades relacionadas con la mezcla metálica y la pieza en verde, así como las interacciones que ofrecen con otros aditivos comúnmente usados, como es el sulfuro de manganeso (aditivo de mecanizado por excelencia) durante la etapa de descomposición térmica de dichos productos orgánicos.
El amplio conocimiento obtenido en la primera etapa de la investigación ha permitido realizar la selección, la síntesis a nivel de laboratorio y la caracterización de un ligante propio diseñado especialmente para su posterior uso en el proceso PM global. Este hecho que permitirá adecuar las propiedades del ligante en función de las demandas exigidas en cada una de las piezas de acero sinterizado producidas, tales como el valor de acidez del producto, la formulación y composición del mismo, así como la cantidad de ligante a adicionar en mezcla en función de la proporción y las propiedades (densidad y tamaños de partícula) de los elementos de aleación presentes.
La segunda etapa desarrollada en el trabajo se ha basado en establecer un protocolo de caracterización de los lubricantes usados en PM dada la ya mencionada dificultad en su evaluación y caracterización. Los lubricantes evaluados han sido por un lado los comúnmente usados desde hace décadas en el mundo pulvimetalúrgico como son el estearato de zinc y la cera (N,N-etilen bisetearamida) y otros productos específicamente seleccionados e incluso formulados, tales como el monoestearato de glicerol o la erucamida, que aportan la novedad y la diferenciación a este trabajo de investigación. La metodología experimental seguida en su estudio se ha fundamentado en una caracterización de las propiedades mecánicas tanto a nivel micro como macroscópico resultando en una propiedad diferenciadora en la capacidad lubricativa de los distintos lubricantes ensayados. También se ha evaluado la interacción de cada lubricante con las partículas de polvo base Fe durante la etapa de prensado uniaxial y de esta manera se ha podido caracterizar la capacidad que ofrece cada lubricante en la reducción de la fricción surgida en dicha etapa así como en las propiedades de eyección de las piezas en verde. Asimismo se ha evaluado las propiedades globales del proceso pulvimetalúrgico de una mezcla metálica convencional aportadas por cada uno de los lubricantes en estudio y finalmente se ha estudiado la descomposición térmica que presentan todos ellos pudiéndose afirmar que los compuestos novedosos desarrollados en la tesis, tanto la erucamida como el monoestearato de glicerol presentan una eliminación térmica similar a la cera (se trata del lubricante más limpio por excelencia).
Finalmente, con el conjunto de resultados obtenidos así como con el desarrollo del protocolo para la determinación y caracterización de materiales orgánicos en PM ha sido posible el desarrollo de un sistema bifuncional lubricante-ligante formulado específicamente para piezas de aceros sinterizados de baja aleación. Dicho sistema está compuesto por tres de los productos orgánicos que han ofrecido las mejores Propiedades en cada una de sus aplicaciones como son la cera, la erucamida y el monoestearato de glicerol. Adecuando la formulación de estos tres componentes se ha conseguido un sistema que presenta un buen balance en las propiedades del conjunto de etapas del proceso.
