Tesis:
Synthesis and characterization at high temperature of colloidal processing cemented carbide and cermet
- Autor: TARANCÓN ROMÁN, Sandra
- Título: Synthesis and characterization at high temperature of colloidal processing cemented carbide and cermet
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88705/
- Director/a 1º: PASTOR CAÑO, José Ygnacio
- Director/a 2º: TEJADO GARRIDO, Elena María
- Resumen: The demanding working conditions of cutting tools, characterized by exposure to heat and abrasion, require materials with exceptional hardness, toughness, and wear resistance, which must be sustained at elevated temperatures. Cemented carbides, commonly known as hard metals, meet these requirements, making them the predominant choice for cutting tools and rock drilling applications. However, the rising demand for critical materials such as tungsten and cobalt has raised concerns about their supply and cost, prompting the exploration of alternative binders and processing methods.
Although recycling of these cutting tools is vital to ensure sustainability and resource conservation, existing methods still remain inefficient and uneconomical in fully recovering materials. Consequently, the development of novel material systems is imperative to ensure industry continuity and sustainability.
This research focuses on the formulation and evaluation of colloidal suspensions of cemented carbides (WC-FeNi) and cermets (Ti(C,N)-FeNi) with a Fe/Ni metallic binder composition of 85/15 wt%. These compositions aim to reduce the dependence on critical materials while enhancing the high-temperature performance of cutting tools.
The materials were synthesized using water-based colloidal suspensions and their stability was confirmed via rheological analysis, enabling uniformly distributed spherical particles to be atomized. The sintering process was subsequently evaluated under various atmospheres (N2H2, high vacuum, and argon), to achieve a dense and hard material under a viable commercial route. These properties were satisfied by the argon atmosphere.
Mechanical and thermal properties of the developed systems -including hardness, flexural strength, fracture toughness, wear resistance, and thermal diffusivity - were assessed up to 800 C temperature and compared to commercial cemented carbides.
The WC-FeNi system exhibited mechanical properties comparable to those of the reference materials, with a strength improvement of up to 15 % at intermediate temperatures. Its high hardness, low wear rate, and temperature-dependent thermal conductivity make it a promising candidate for industrial applications.
On the other hand, the Ti(C,N)-FeNi system, prepared with HPMC, exhibited inferior mechanical properties compared to PVA-based systems, with higher porosity leading to reduced hardness, flexural strength, and fracture toughness. Nonetheless, its thermal properties, including thermal conductivity and wear resistance at elevated temperatures, were notable, suggesting the need for further optimization to broaden its application scope.
In summary, the results demonstrate that the WC-FeNi system, processed by a colloidal route, could be an excellent alternative to the Co-based. Its competitive mechanical and thermal properties, coupled with the environmental benefits of its composition and manufacturing process, position it as an attractive option for high-performance industrial applications.
RESUMEN
Las herramientas de corte están sometidas a condiciones de trabajo extremadamente exigentes, donde el calor y la abrasión son factores clave durante su operación. Estas circunstancias requieren materiales que combinen alta dureza, tenacidad de fractura y resistencia al desgaste, propiedades que deben mantenerse incluso a altas temperaturas, dado que son esenciales para garantizar la eficiencia, durabilidad y precisión en los procesos de corte. Los carburos cementados, también conocidos como metales duros, cumplen con estos requisitos, lo que los convierte en los materiales más utilizados para la fabricación de herramientas de corte y aplicaciones de perforación de rocas. Sin embargo, la creciente demanda de materiales críticos, como el wolframio y el cobalto, ha generado preocupación por su disponibilidad y el consiguiente aumento de precios, despertando el interés de la comunidad científica en desarrollar materiales y métodos de procesamiento alternativos.
Aunque el reciclaje de las herramientas de corte es crucial para promover la sostenibilidad y conservar los recursos, los procesos actuales no logran aún recuperar todos los materiales de forma eficiente o económica. Por ello, es fundamental desarrollar nuevas composiciones que garanticen la continuidad y sostenibilidad de la industria.
Esta investigación se centra en la fabricación y evaluación de suspensiones coloidales de carburos cementados (WC-FeNi) y cermets (Ti(C,N)-FeNi), en los cuales la composición del ligante metálico Fe/Ni fue fijada en un 85/15 % en peso, respectivamente. Estas composiciones fueron seleccionadas con el objetivo de desarrollar materiales alternativos que, no solo reduzcan el contenido de elementos críticos, sino que también mejoren el rendimiento de las herramientas de corte a alta temperatura.
En la fabricación de los materiales se emplearon suspensiones coloidales de base agua, siendo su estabilidad evaluada a través de su comportamiento reológico, obteniendo una atomización adecuada de partículas esféricas y uniformemente distribuidas. Posteriormente, se estudió la sinterización de las muestras verdes en diferentes atmósferas (N2H2, vacío y argón), siendo esta última la más adecuada para obtener un material denso y de alta dureza, además de ser comercialmente viable.
El análisis detallado de las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales sinterizados incluyó la evaluación de la dureza, resistencia a la flexión, tenacidad de fractura, resistencia al desgaste y difusividad térmica en un rango de temperaturas desde ambiente hasta 800 C, comparándolos con sistemas comerciales de carburo cementado utilizados como referencia.
El material WC-FeNi mostró propiedades mecánicas comparables a las del material de referencia, con mejoras de hasta un 15 % en la resistencia mecánica a temperaturas intermedias. Su elevada dureza, baja tasa de desgaste y conductividad térmica, decreciente con la temperatura, lo posicionan como un candidato prometedor para aplicaciones industriales.
Por otro lado, el sistema Ti(C,N)-FeNi, fabricado con HPMC como dispersante, presentó propiedades mecánicas y térmicas inferiores a las obtenidas con PVA, además de mayor porosidad, lo que resultó en una menor dureza, resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura en comparación con los carburos cementados. No obstante, este sistema destacó por mantener su conductividad térmica y una mejor resistencia al desgaste a altas temperaturas, por lo que la optimización de sus propiedades mecánicas podría ampliar su campo de aplicación potencial.
En conclusión, los resultados obtenidos indican que el sistema WC-FeNi, procesado por vía coloidal, representa una alternativa viable a los carburos cementados basados en cobalto. Sus propiedades mecánicas y térmicas, junto con los beneficios medioambientales derivados de su composición química y ruta de fabricación, lo posicionan como una opción competitiva para aplicaciones industriales de alto rendimiento.