Desarrollo de sistemas de dispersión coloidal y granulación de partículas metálicas finas

Abstract

(English) One of the main goals of the powder metallurgical (PM) industry has been to develop powders that have favourable handling, geometrical and optimal metallurgical properties. Currently, there are two main methods of producing iron and steel powders, which account for more than 90% world production. However, sorne of these powders have physlcochemical and mechanical properties that generate complications for the press and sinter process. For example, steels with high chromium content (above 18% wt.) have a high modulus of elasticity and hardness, which makes difflcult the pressing process and, consequently, the consistency of the green compact. Powders with fine particle size ( < 20µm) can hinder the pressing process, as they migrate lnto the small gap between punch and die. They also have higher interna! energy and tend to agglomerate. To achieve the processing of this type of metal powders, this research focuses on the development of an alternative route in the production of powders for the PM industry. Accordingly, this work has a two-fold objective: to study the colloidal processing route of metals and the drying of the suspensions via spray drying, a technology that allows obtaining powders with a granular morphology. It should be noted that the agglomeration of the fine particles into granules not only improves green strength, but also allows the transformation of fine powder into a larger and quasi-spherical powder with good flowability. This improves the filling and rearrangement of particles within the compaction matrix. In addition, the granules are made of small particles with a high specific surface area. So that they manifest greater dlffusivity of atoms during the sintering process and allow a higher denslty to be achieved than would be the case with non-granulated particles of the same size, always under the same slntering conditions. After the suspensions were obtained, they were ali spray dried. Numerous tests were carried out and two different drylng heads were used, one centrifuga! and one lance-shaped. Moreover, different temperatures and drying pressures were evaluated to optimize the performance of the process. Several granulated powders were obtained, so that their metallurglcal, geometrical, and mechanical properties could be evaluated to select the composition with the best reproduclbility. The next step in this work was to study the behaviour of the developed powder In the PM field. For this reason, the best pressing conditions were determined. Then, different times and temperatures were studied for the debinding. Afterwards, the sintering process was carried out. It is important to emphasize that the achieved results, under the same pressing and sintering conditions, indicated that the obtained properties were better than those produced with the commercial granulated powder. Finally, the research focused on giving applicabllity to the granulated powder developed in this work, which was the fabrlcation of high-density interconnects by press and sinter technology to be used in Solid Oxide Fuel Cell (SOFC).

(Español) Uno de los principales objetivos de la industria pulvimetalúrgica (PM) ha sido desarrollar polvos que presenten unas favorables propiedades físicas, geométricas y metalúrgicas. En la actualidad hay básicamente dos métodos distintos de fabricación de polvos de hierro y acero, a partir de los cuales se produce más del 90% de los polvos metálicos en el mundo. Los polvos obtenidos mediante estos procedimientos presentan propiedades y/o características físico-químicas y mecánicas que hacen complicado su procesamiento por técnicas tradicionales de prensado y sinterizado. Algunos ejemplos serían los aceros que contienen altos contenidos en cromo (superiores al 18% en peso) con un elevado módulo elástico y alta dureza, lo que dificulta su prensado y reduce la consistencia del componente en verde. Por otro lado, los polvos que presentan un tamaño de partícula fino ( < 20µm) no tan solo dificultan el prensado, sino que además exhiben mayor energía interna y tienden a aglomerarse. Con el objetivo de resolver esta problemática, esta tesis doctoral contribuye en el desarrollo de una ruta alternativa en la producción de polvo para la industria PM. Esta nueva vía consiste en el desarrollo del procesamiento coloidal en metales, y el posterior secado de las suspensiones mediante la atomización de suspensiones (o "spray drying"), un método que permite obtener polvo con morfología en forma de gránulos. La aglomeración del polvo fino en gránulos mejora la resistencia en verde del componente obtenido, ya que las partículas de tamaño fino quedan adheridas las unas con las otras, gracias al uso de un vinculante orgánico. También, permite transformar un polvo fino en uno prácticamente esférico, de mayor tamaño, con buena fluencia y que, por lo tanto, mejora el llenado y reordenamiento de partículas en él interior de la cámara de la matriz de compactación. Además, los gránulos están formados por partículas de menor tamaño, con elevada superficie específica, lo que se traduce en una mayor difusividad de los átomos durante la sinterización. Este hecho permite obtener densidades superiores respecto a las alcanzadas por polvos de mayor tamaño de partícula para unas mismas condiciones. La investigación llevada a cabo se realizó utilizando acero refractario, con un porcentaje en peso de cromo del 35% y tamaño de partícula fino (dv90 = 14 µm). Se ha evaluado la capacidad de dispersión de la ruta húmeda a fin de asegurar la estabilidad química y evitar la corrosión/disolución del material metálico en agua, a la vez que se controlan las condiciones de pH y fuerza iónica del medio líquido. Una vez obtenidas las suspensiones, se secaron mediante la técnica de "spray drying". Para ello, se han empleado dos cabezales distintos y se han evaluado diferentes temperaturas y presione de secado, para optimizar el rendimiento del proceso. Una vez obtenidos los diferentes polvos granulados, se analizaron sus propiedades metalúrgicas, geométricas y mecánicas a fin de seleccionar la composición con mejores resultados y reproducibilidad. La siguiente etapa llevada a cabo en este trabajo consistió en el desarrollo del procesamiento PM del polvo granulado obtenido. Para ello, se evaluaron las mejores condiciones de prensado. Posteriormerite, se estudiaron diferentes tiempos y temperaturas para realizar el proceso de "debinding" y, seguidamente, se realizó la etapa final de sinterización. Los resultados obtenidos señalaron que las propiedades conseguidas eran mejores que las manifestadas para los componentes elaborados con el polvo comercial bajo las mismas condiciones. Finalmente, se buscó dar una cierta aplicabilidad al material desarrollado. Al tratarse de un proceso de granulación más caro que, por ejemplo, un simple mezclado, las aplicaciones deben tener un valor a la altura de este incremento. A tal efecto, la aplicación final del polvo granulado se orientó a la fabricación PM de interconectares para pilas de combustible de óxido sólido de elevada densidad.