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dc.contributor.advisorMoreno, J.M. (José Manuel)-
dc.contributor.advisorLozada-Cabezas, L. (Lorena)-
dc.creatorSoria-Biurrun, T. (Tomás)-
dc.date.accessioned2022-03-17T09:35:50Z-
dc.date.available2022-03-17T09:35:50Z-
dc.date.issued2022-03-14-
dc.date.submitted2022-03-11-
dc.identifier.citationSORIA, Tomás. "Sintering and mechanical properties of cemented carbides based on tungsten carbide and multicomponent metallic alloys." Sánchez Moreno, J.M. y Lozada, L., (dirs.). Tesis doctoral. Universidad de Navarra, Pamplona, 2022es_ES
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10171/63228-
dc.description.abstractCemented carbides are composite materials used in a wide variety of applications requiring the right combination of mechanical strength and wear resistance under harsh environments (i.e. metal cutting and shaping, civil engineering, mining, valves for the chemical industry, etc). The most common compositions comprise tungsten carbide grains bonded with a cobalt based metallic matrix. The reason is twofold. On the one hand, WC-Co materials are relatively easy to sinter to full density state with the adequate processing methodology and, on the other, a wide range of useful properties can be obtained by changing the WC grain size and the WC/Co ratio. Nevertheless, the use and availability of cobalt are presently jeopardized by both its new classification as toxic substance (REACH regulations) and the growing demand of this metal for making Li-ion batteries for electrical vehicles. The present thesis is focused on studying the sintering behavior and mechanical properties of WC-metal systems in which pure cobalt is replaced by different combinations of metals. Two promising candidates have been found: WC-NiCoCrTiAl cemented carbides These materials were designed starting from WC-NiCoCr compositions with a Ni/Co ratio equal to one. The main challenge was to increase the hardness of these compositions since it is too low compared with that of WC-Co grades. This was achieved firstly by alloying the binder phase with aluminum and, afterwards, inducing gamma prime precipitation by aging treatments. Two different aluminum containing compounds were investigated in order to avoid catastrophic oxidation of aluminum during PM processing: AlN and TiAl3. The latter produced the best results concerning sinterability and precipitation hardening effects. WC-Ni-Co-Cr-Ti-Al materials were obtained in fully dense form by using HIP after sintering technique, a process compatible with industrial processing technologies like Sinter HIP. Aging experiments show that hardness peaks occur at lower temperatures as the Al content of the binder phase increases. Apart from hardness, transverse rupture strength (TRS) was also measured in selected WC-NiCoCrTiAl compositions in both as-HIPed and solution-aged conditions. Results are only 15% lower than those reported for WC-Co materials with similar WC grain sizes and WC/metal ratios. These results also suggest that, like in as-cast Ni superalloys, the properties of the binder phase would be retained at temperatures below those used in aging treatments. WC-FeNiCoCr cemented carbides WC-Fe-Ni-Co-Cr compositions were designed following an alternative approach. In this case, the aim was to obtain a metallic binder with no precipitation of free carbon or any secondary carbide (including those of chromium). This was achieved by starting from WC-Fe-Ni-Co-Cr3C2 powder mixtures with a constant proportion between Fe, Ni and Co equal to 40/40/20. Chromium and carbon contents have been modified in order to find the upper and lower bounds defining the “so-called” carbon windows. In addition, shrinkage kinetics have been thoroughly studied in order to define a robust sintering process for both coarse and submicron WC powders. Results of calorimetric experiments have been used to improve the description of the W-C-Fe-Ni-Co quinary system for 40Fe-40Ni-20Co composition by means of ThermoCalc® software. In this case, mechanical tests confirmed that the values of hardness and transverse rupture strength are within tolerances of those reported for WC-Co grades with similar binder contents and WC grain sizes, provided that precipitation of undesired phases is avoided.es_ES
dc.description.abstractLos carburos cementados son materiales compuestos utilizados en una amplia variedad de aplicaciones que requieren la combinación correcta de resistencia mecánica y resistencia al desgaste en entornos hostiles (es decir, corte y conformado de metales, ingeniería civil, minería, válvulas para la industria química, etc). Las composiciones más comunes comprenden granos de carburo de tungsteno unidos con una matriz metálica de cobalto. La razón es doble. Por un lado, los materiales WC-Co son relativamente fáciles de sinterizar a un estado de densidad completa con la metodología de procesamiento adecuada y, por otro lado, una amplia variedad de propiedades útiles se pueden obtener variando el tamaño de grano de WC y la relación WC/Co. Sin embargo, el uso y la disponibilidad de cobalto está actualmente en peligro tanto por su nueva clasificación como sustancia tóxica (normativa REACH) como por la creciente demanda de este metal para la fabricación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. La presente tesis se centra en el estudio de la sinterización y las propiedades mecánicas de sistemas WC-metal en los que el cobalto puro es reemplazado por diferentes combinaciones de metales. Se han encontrado dos candidatos prometedores: Carburos cementados WC-NiCoCrTiAl Estos materiales fueron diseñados a partir de composiciones WC-NiCoCr con una relación Ni/Co igual a uno. El principal reto fue aumentar la dureza de estas composiciones ya que es muy baja en comparación con los grados WC-Co. Esto se logró en primer lugar mediante la aleación de la fase ligante con aluminio y, posteriormente, induciendo la precipitación gamma prima mediante tratamientos de envejecimiento. Se investigaron dos fuentes de aluminio distintas para evitar una oxidación catastrófica del aluminio durante el procesamiento PM: AlN y TiAl3. Este último produjo los mejores resultados en cuanto a la sinterabilidad y los efectos de endurecimiento por precipitación. Los materiales WC-Ni-Co-Cr-Ti-Al fueron obtenidos en forma totalmente densa mediante el uso de HIP después de la sinterización, un proceso compatible con tecnologías de procesamiento industrial como Sinter HIP. Los experimentos de envejecimiento muestran que la dureza alcanza su punto máximo a temperaturas más bajas a medida que aumenta el contenido de Al de la fase ligante.Además de la dureza, la resistencia a la ruptura transversal (TRS) también se midió en composiciones seleccionadas de WC-NiCoCrTiAl tanto en condiciones de HIPed como de envejecimiento en solución. Los resultados son solo el 15% más bajos que los reportados para materiales WC-Co con tamaños de grano de WC y proporciones WC/metal similares. Estos resultados sugieren también que, al igual que en las superaleaciones base Ni, las propiedades de la fase ligante se mantendrían a temperaturas inferiores a las utilizadas en los tratamientos de envejecimiento. Carburos cementados WC-FeNiCoCr Las composiciones WC-Fe-Ni-Co-Cr fueron diseñadas siguiendo un enfoque alternativo. En este caso, el objetivo era obtener un ligante metálico sin precipitación de carbono libre ni ningún carburo secundario (incluidos los de cromo). Esto se logró partiendo de mezclas en polvo WC- Fe-Ni-Co-Cr3C2 con una proporción constante entre Fe, Ni y Co igual a 40/40/20. Los contenidos en cromo y carbono han sido modificados para encontrar los límites superior e inferior que definen "las llamadas" ventanas de carbono. Además, la cinética de contracción se ha estudiado a fondo para definir un proceso robusto de sinterización para polvos de WC gruesos y submicra. Los resultados de los experimentos calorimétricos se han utilizado para mejorar la descripción del sistema quinario W-C-Fe-Ni-Co para la composición 40Fe-40Ni-20Co mediante el software ThermoCalc®. En este caso, las pruebas mecánicas confirmaron que los valores de dureza y de resistencia a la ruptura transversal están dentro de las tolerancias reportadas para los grados WC-Co con contenidos de ligante y tamaños de grano de WC similares, siempre que se evite la precipitación de fases no deseadas.es_ES
dc.language.isoenges_ES
dc.publisherServicio de Publicaciones. Universidad de Navarraes_ES
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesses_ES
dc.subjectTungsten carbide.es_ES
dc.subjectFe-Ni-Co-Cr and Ni-Co-Cr-Ti-Al binders.es_ES
dc.subjectLiquid phase sintering.es_ES
dc.subjectThermal analysis.es_ES
dc.subjectGamma prime precipitation.es_ES
dc.subjectC-window.es_ES
dc.subjectPrecipitation of Cr carbides.es_ES
dc.subjectThermoCalc®es_ES
dc.titleSintering and mechanical properties of cemented carbides based on tungsten carbide and multicomponent metallic alloys.es_ES
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesises_ES
dc.identifier.doi10.15581/10171/63228-

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