Thermodynamic and experimental investigation of the Mn-Ni-B system as a master alloy for obtaining high-performance PM steel.
Keywords: 
Borides.
Liquid phase Sintering.
Mn-Ni-B system.
Master alloy.
Thermodynamic assessment.
Boruros.
Issue Date: 
23-Dec-2020
Defense Date: 
22-Dec-2020
Citation: 
RODRIGUEZ, J.C. "Thermodynamic and experimental investigation of the Mn-Ni-B system as a master alloy for obtaining high-performance PM steel." Gomez-Acebo, T. Tesis doctoral. Universidad de Navarra, Pamplona, 2020
Abstract
Nowadays, new alloys' development has exponentially increased due to the demand for materials with improved mechanical properties. The computational approach, coupled with traditional experimental methods, is essential for shortening the time to market new materials. A database represents an essential resource in applying thermodynamic calculations for a given material, providing: 1) Appropriate information about the thermodynamic properties of alloys, complex systems, and metallurgical processes, b) Reliable information for the manufacturing process, i.e., a Better understanding of the material and its behavior during both processing and service. In this thesis, the binary and ternary systems and the appropriate way to manufacture the targeted alloys had to be selected and based on an extensive literature review on borides formation in Fe-Tm-B ternary systems (Tm=Cr, Mn, Mo, Ni) and Mn-Ni-B as a master alloy. In particular, the ternary system Mn-Ni-B was chosen for further investigation because the master alloy is essential to design and enhance sintering of alloy steels by forming a liquid phase at reasonably low temperatures with improved densities and properties. Nowadays, there is no thermodynamic database focused on the design of powder metallurgy steels containing boron due to the scarce information in the literature on the behavior and formation of complex borides, mainly in ternary and quaternary systems. Hence, a thermodynamic database called BSTEELS was developed, which considers Fe, Cr, Mn, Mo, Ni, B elements and includes the following ternary systems Fe-Cr-B, Fe-Mn-B, Fe-Mo-B, Fe-Ni-B, and Mn-Ni-B. The first part of this thesis focused on the exhaustive search for boride formation in both binary and ternary systems. For the Mn-Ni-B system, the experimental information described in the literature is scarce, so different alloys were manufactured to obtain experimental data and used as an input to optimize the thermodynamic description of the Mn-Ni-B system. Finally, the Mn-Ni-B ternary system thermodynamic assessment was used to predict the low melting point's systematic search, reaching a minimum temperature of 903ºC with a composition of 53.04Mn45.48Ni1.48B in wt.%. Other features of the Mn-Ni-B master alloy and the CEITALOYs (HD and HE) developed in 2005 at the CEIT (Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Gipuzkoa) were calculated.
Hoy en día, el desarrollo de nuevas aleaciones ha aumentado exponencialmente debido la alta demanda de materiales con propiedades mecánicas mejoradas. El enfoque computacional, junto con los métodos experimentales tradicionales, son esenciales para reducir el tiempo de comercialización de nuevos materiales. Una base de datos representa un recurso esencial en la aplicación de cálculos termodinámicos para un material dado, proporcionando: 1) Información adecuada sobre las propiedades termodinámicas de aleaciones, sistemas complejos y procesos metalúrgicos, b) Información confiable para el proceso de fabricación, es decir, una mejor comprensión del material y su comportamiento durante el procesamiento y el servicio. La selección de sistemas binarios y ternarios, así como la forma de procesamiento de las aleaciones de interés se basaron en una extensa revisión bibliográfica sobre la formación de boruros en sistemas ternarios Fe-Tm-B (Tm = Cr, Mn, Mo, Ni) y Mn-Ni-B como aleación maestra. En particular, se selecciono el sistema ternario Mn-Ni-B para una mayor investigación debido a que la aleación maestra es esencial para diseñar y mejorar la sinterización de aceros aleados al formar una fase líquida a temperaturas razonablemente bajas con densidades y propiedades mejoradas. En la actualidad, no existe una base de datos termodinámica enfocada al diseño de aceros pulvimetalúrgicos que contengan boro, debido a la escasa información en la literatura sobre el comportamiento y formación de boruros complejos, principalmente en sistemas ternarios y cuaternarios. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis comprende el desarrollo de una base de datos termodinámica denominada BSTEELS, formada por los elementos Fe, Cr, Mn, Mo, Ni, B y considera los siguientes sistemas ternarios Fe-Cr-B, Fe-Mn-B, Fe-Mo-B, Fe- Ni-B y Mn-Ni-B. La primera parte de esta tesis se centró en la búsqueda exhaustiva de la formación de boruros tanto en sistemas binarios como ternarios, recopilación y análisis de datos tanto experimentales como teóricos. Debido a la escasa información del sistema Mn-Ni-B en literatura, la segunda parte de la tesis consistió en la manufactura y caracterización de aleaciones maestras para obtener datos experimentales específicos para optimizar la descripción termodinámica del sistema Mn-Ni-B. Finalmente, se utilizó la evaluación termodinámica del sistema ternario Mn-Ni-B para predecir el punto de fusión bajo, alcanzando una temperatura mínima de 903C con una composición de 53.04Mn-45.48Ni-1.48B wt.-%. Además, otras características fueron calculadas para la aleación maestra y las denominadas CEITALOY (HD y HE) desarrollados en 2005 en el CEIT (Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Gipuzkoa)

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