Capítulo 7 -...

Discusión

“Desarrollo de TiMMCs vía prensado en caliente”

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Capítulo 7

DISCUSIÓN

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

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Discusión


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7 DISCUSIÓN

Una vez realizado el proceso experimental, se han obtenido una serie de datos, los cuales

han sido representados y estudiados con el fin de sacar conclusiones de la presente

investigación. Primero, se realiza una pequeña discusión de los resultados.

Se ha analizado los resultados de densidad de los platos de 2012 y los de 2013. Los valores

de dureza, ensayo de Tracción, ensayo de Flexión, Microscopía Óptica y SEM son

discutidos sólo para los platos de 2012.

7.1 Densidad

Tras la realización de las medidas de densidad, se ha obtenido que las probetas de titanio

puro presentan diferentes valores de densidad según el proceso al que se haya sometido el

polvo de titanio que las forma. Son tres los especímenes puros de titanio sin refuerzos: plato

A (Ti puro (Grade 1)), plato B (Ti puro después de condiciones de mezclado) y plato F (Ti

puro (Grado 1) + 50%p Ti puro (Grado 1) molido). En el plato A, la densificación aumenta

en función de la posición de la probeta en el plato, poseyendo la mayor densidad relativa

aquella que está situada justo en el centro. Este fenómeno está presumiblemente

relacionado con el proceso de fabricación (hot pressing), donde la carga aplicada es

uniaxial, ya que en el centro del plato se puede considerar que la presión de los émbolos de

la máquina es ligeramente superior a la presión en la periferia del plato [1]. En los platos B

y F las densidades relativas varían algo más no siguiendo un patrón.

Todas las probetas del plato A tienen una densificación superior al 98,5%. En cambio, las

del titanio puro después de condiciones de mezclado (plato B), cuatro de las cinco probetas

poseen una densidad relativa entre 97% y el 98,5%. Por otro lado, a las muestras del plato F

se les atribuye una densificación que varía del 94,5% hasta 99% aproximadamente.

De la densificación media de cada material, se ha observa que de las probetas de titanio la

de mayor densidad relativa es la que se ha fabricado con los polvos de titanio sin haber

pasado por ningún proceso, sino han sido vertidos en las matriz de grafito directamente de

bote, es decir, el plato A. El menor valor de densificación medio medido ha sido el del plato

B, pero éste es muy cercano al valor de F, por lo que se concluye que el polvo de titanio



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que ha pasado por algún proceso (molienda-mezclado o sólo mezclado) ha experimentado

una disminución de la densidad relativa.

Las matrices reforzadas con diboruro de titanio (TiB2) que se han fabricado han sido dos:

una de ellas con nano-partículas de dicho material (partiendo de la información del

suministrador, se les considera nano-partículas), que es el plato C (Ti puro (Grado 1) +

0,9%vol TiB2) y el plato D (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-TiB2). La densificación

media del plato C es superior a la de las matrices B y F. El compuesto reforzado con nano-

partículas posee una densidad relativa menor que el reforzado con partículas de TiB2 de

mayor tamaño; esto puede ser debido a posibles aglomeraciones.

El plato E (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B amorfo) tienen grandes variaciones de densidad

relativa entre sus probetas, yendo desde 93,6 % hasta un 98,2%. La densificación media del

plato es la segunda menor de todas las matrices de titanio estudiadas en esta investigación.

Las matrices reforzadas con carburo de boro (B4C) que se han fabricado han sido dos. Las

probetas de la matriz de titanio reforzada con nano-partículas de carburo de boro (B4C)

(considerando la información del suministrador del polvo de nano-partículas), es decir,

plato G (puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-B4C), salvo la número 1 (la situada justo en el

borde exterior del plato) experimentan un aumento en la densidad relativa a medida que se

desplazan al interior del plato. Este fenómeno es similar al que se observó en el plato de

titanio puro A. El plato H (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B4C), por el contrario, posee una

densificación aproximadamente uniforme en todo el material. Se corrobora, al igual que en

las matrices reforzadas con TiB2, que el material cuyo refuerzo es de nano-partículas tiene

la menor densidad relativa. Además, es él, el plato G, en el que se ha medido la menor

densificación media de las matrices estudiadas. Otra posible causa de este detrimento de

densificación en los platos donde el refuerzo se presupone como nano-refuerzo, es la forma

de actuación de estas nanopartículas a la hora de la sinterización.

Con respecto a los nuevos platos fabricados (Julio-Agosto 2013), en los que se ha variado

los parámetros de fabricación (900-950ºC, 15-30 min y vacío), todas las muestras tienen

una densidad mayor que 98,5%, lo que significa que ha habido una elevada compactación y

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los resultados han sido buenos. Si bien, cabe señalar posibles pautas por las que la densidad

cambia en un mínimo porcentaje entre uno u otro plato fabricado.

Platos 1 y 9 : Titanio puro (directamente del suministrador)

La densidad aumenta ligeramente al disminuir el tiempo de operación.

Platos 2,10 : Titanio puro molido 75%p/p + Titanio puro 25%p/p

La densidad aumenta con el tiempo de operación. Los granos son más pequeños y hay muy

poco hueco entre partículas.

Platos 8,11 : Titanio puro molido 50%p/p + Titanio puro 50%p/p

La densidad disminuye levemente con el tiempo operación.

Platos 5,6: Titanio puro + 3,6%vol Nano-B4C, Titanio puro + 9%vol Nano-B4C,

respectivamente.

Ante un aumento de refuerzo, la densidad aumenta. Es difícil obtener un cuerpo sinterizado

de alta densidad debido a la unión covalente que presenta el carburo de boro en su

configuración.

Platos 14,17: Titanio puro + 0,9%vol TiB2

A mayor temperatura, menor densidad. Cuando la temperatura es más alta, los materiales

son más dúctiles [37].

Platos 15,18 : Titanio puro + 0,9%vol Nano-TiB2

La densidad se incrementa con la temperatura. El proceso de sinterización se realiza a

temperaturas altas (75% de la temperatura del Punto de Fusión), ya que si se trabaja a

mayor temperatura se establece una mejor unión entre las partículas de polvo previamente

compactadas en frío.



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Platos 16,19: Titanio puro + 0,9%vol B amorfo

La densidad aumenta con la temperatura. Es cierto. Misma explicación que con los platos

15 y 18.

En la presente investigación se ha hecho una comparación de la densidad relativa obtenida

en función de haber producido las probetas en una máquina u otra, y variando parámetros

de fabricación. Los platos fabricados en 2012 fueron 8 (ver 5.3.2.3). Las mezclas de polvos

se compactaron, como ya se ha explicado en el aparatado 5.3, en la máquina HP

convencional y a 900ºC durante 2h. Por otro lado, las muestras fabricadas en 2013 fueron

20 (ver tabla 9) en el equipo DSP518 también a 900ºC pero con un tiempo de 15 minutos ó

30 minutos. Observando los resultados obtenidos, las muestras producidas en la máquina

DSP518 han dado mejores valores de densificación. Las probetas cuyo titanio ha sido

molido presentan mayores densidades relativas. Esto se debe a que las partículas de

material tiene un mejor tamaño que hace que en compactación del titanio haya menos

huecos, puesto que presumiblemente el empaquetado de las partículas es mejor y por

consiguiente mayor densificación. El tiempo también es un parámetro importante, pero el

más influyente es el equipo donde se han fabricado las muestras. Al utilizar la HP

convencional se necesita mayor tiempo para la densificación de los platos, por sus

parámetros de funcionamiento. Además la rampa de calentamiento en la HP convencional

es menor. Por otro lado el volumen de las muestras fabricadas es diferente, a mayor

volumen mayor gradiente de temperatura y presión, lo que se traduce en que la

compactación en caliente no llega a ser tan buena como en el caso de la fabricación de

muestras de menor volumen (probetas producidas en 2013).

7.2 Dureza

Las muestras de titanio puro, es decir, el plato A (Ti puro (Grado 1)), plato B (Ti puro

después de condiciones de mezclado) y plato F (Ti puro (Grado 1) + 50%p Ti puro (Grado

1) molido) presentan menor dureza que las matrices a las que se le ha añadido refuerzos.

Este es un resultado esperable.

La dureza teórica Vickers del titanio puro (Grado 1) es aproximadamente de 122. Los

resultados del ensayo muestran valores bastante mayores de las matrices puras. Es decir,

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entre 176 y 181 en el caso del plato A, entre 182 y 193 para el plato B, y en el plato F se

obtiene un valor entre 193 y 215 Se ve una tendencia del incremento de la dureza a medida

que el tamaño de partícula de material es menor. Este hecho está directamente relacionado

con posibles impurezas que pueda tener el propio polvo de titanio. La manipulación del

polvo de titanio puede generarle un aumento de impurezas, lo que finalmente se ve

reflejado en los resultados de la dureza media en las muestras que se fabrican a partir de

dicho polvos manipulados [38].

Como se acaba de comentar, las matrices metálicas cuyo refuerzo es el diboruro de titanio

(TiB2) poseen mayor dureza que las muestras de titanio puro. El plato C (Ti puro (Grado 1)

+ 0,9%vol TiB2) tiene una dureza Vickers de entre 226 y 238, y el plato D (Ti puro (Grado

1) + 0,9%vol Nano-TiB2) entre 216 y 233. Las cinco probetas del plato C no tienen una

desviación superior al 10, mientras que en el plato D, la probeta 3 posee un 10,22 y la

probeta 5 un 16,78. Se concluye que los valores de esas dos probetas pueden no llegar a ser

fiables para la investigación ya que la desviación es elevada. Además, los resultados

muestran que la matriz cuyo refuerzo es nano-partículas de TiB2 presenta menor dureza.

Esto puede deberse a posibles aglomeraciones del refuerzo a la hora del mezclado, lo que

hace que no sea un material homogéneo. Esta falta de uniformidad en la distribución del

refuerzo puede fomentar que existan zonas en las muestras donde la composición del

material no sea la deseada, faltando refuerzo; con ello la dureza no es la esperable. En

Microscopía Óptica y Electrónica de Barrido se observa cómo los refuerzos se van

fundamentalmente a los límites de grano observándose también refuerzos de menor tamaño

uniformemente distribuidos por el material.

En la matriz metálica compuesta (TiMMCs) reforzada con boro amorfo, es decir, en el

plato E (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B amorfo), se ha obtenido una dureza menor de 225

en todas las probetas. Los valores de dureza medidos son homogéneos, no difiriendo

apreciablemente uno de otro. Las desviaciones son bajas, por lo que la posibilidad de

errores de medidas o la variación según la posición de la probeta en el plato es menor. En

Microscopía Óptica y Electrónica de Barrido se observa cómo los refuerzos se van

fundamentalmente a los límites de grano.



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El plato G (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-B4C) y el plato H (Ti puro (Grado 1) +

0,9%vol B4C) presentan los mayores valores de dureza obtenidos; siendo la matriz con

nano-refuerzo la de más alta dureza. Esto difiere en los resultados obtenidos en el caso de

diboruro de titanio; pues el uso de nano-partículas como refuerzo del material disminuía la

dureza de éste. El refuerzo de carburo de boro (B4C) es el material más duro con el que se

está trabajando en este estudio. Las probetas 1 y 4 del plato G, y la 3 del plato H poseen

grandes desviaciones. La formación de carburos de titanio justificaría además este aumento

de la dureza en las muestras que se refuerzan con B4C. En Microscopía Óptica y

Electrónica de Barrido se observa un comportamiento similar a los refuerzos de TiB2.

7.3 Densidad vs Dureza

Si se comparan los resultados obtenidos de la medida de densidad y de las de dureza se ve

claramente la tendencia opuesta que presentan. Es decir, en las muestras de titanio puro, a

medida que la densidad relativa es menor, la dureza es mayor: siendo el mayor valor de

dureza el correspondiente al Ti + 50%p Ti molido. En el caso de las reforzadas con B4C no

ocurre lo mismo: la densidad del plato G, reforzado con nano-partículas de B4C, es mayor

que la del plato H; y la dureza de las probetas de H es menor que las del plato G. Los

TiMMCs cuyo refuerzo es el boro amorfo son presentan menor densificación y tienen un

valor más elevado de dureza que las matrices puras de titanio. Este valor de la densidad

relativa puede que al tratarse de boro amorfo, no sea fiable; es posible que el valor de la

densidad del boro amorfo utilizado en el cálculo de la densidad teórica de la mezcla de

polvos no sea el adecuado, es decir, que sea el valor del boro cristalino y no el del boro

amorfo. Por otro lado, los compuestos reforzados con TiB2 presentan valores intermedios a

los correspondientes a Ti c.p y titanio reforzado con B4C o boro amorfo.

7.4 Ensayo de Tracción

El ensayo de Tracción permite analizar el comportamiento del material al ser sometido a un

esfuerzo de tensión uniaxial.

Los resultados obtenidos del equipo de Tracción, se ha representado gráficamente. Se han

obtenido curvas tensión-deformación, una por cada probeta. La zona recta de la curva

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indica la deformación elástica y la parte curva muestra la deformación plástica o

permanente (ductilidad del material).

Las muestras de titanio puro, como ya se ha mencionado con anterioridad, son: plato A (Ti

puro (Grado 1)), plato B (Ti puro después de condiciones de mezclado) y plato F (Ti puro

(Grado 1) + 50%p Ti puro (Grado 1) molido). Las tres tienen una tensión máxima alrededor

de 524MPa -594MPa y una deformación máxima entre un 20,45% y un 22,10%. Es decir,

experimentan las mayores deformaciones del material y soportan los menores esfuerzos.

Este resultado es un hecho esperable de la presente investigación. Las muestras de material

B y F poseen un módulo de Young dentro del rango típico del titanio puro (100-110 GPa).

Para el caso de plato de titanio después de condiciones de mezclado es 106,17 GPa, y para

el plato que posee la mitad del titanio molido es 109,75 GPa. El plato A (85,67 GPa) tiene

un valor cercano aunque un poco por debajo del rango entre 100 y 110 GPa.

Por el contrario se sitúan las matrices metálicas compuestas de titanio reforzadas con

carburo de boro (B4C), las cuales son el plato G (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-B4C) y

el plato H (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B4C). Ambas tiene una deformación máxima entre

un 10,54% y un 12,02%, pero la matriz reforzada con nano-partículas de B4C es la que

alcanza una resistencia a la tensión mayor, 741,16 MPa; siendo la máxima obtenida de

todas las probetas ensayadas en la investigación.

La matriz reforzada con boro amorfo (plato E (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B amorfo)),

posee similares resultados a los de las TiMMCs cuyo refuerzo es el carburo de boro. Es

decir, su tensión máxima es 675,05 MPa (mismo valor prácticamente que el del plato H:

674,64 MPa), y su deformación máxima experimentada es la menor de todo el estudio,

8,16%.

En las matrices cuyo esfuerzo es el diboruro de titanio (TiB2) no se ve tan claro una

tendencia u otra. Los datos de laboratorio para el plato C (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol

TiB2) muestran una deformación máxima de 14,87% y una resistencia a la tensión máxima

de 648,74 MPa. Para el plato D (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-TiB2) la deformación

máxima dada es de un valor de 14,49%, y la tensión de 670,94MPa. Como conclusión se



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puede decir que estas TiMMCs cuyo esfuerzo es TiB2 se encuentran en una zona de

transición.

De los diagramas Tensión-Deformación del ensayo de Tracción se han obtenido los valores

más representativos de los materiales: Módulo de Young, Deformación Máxima,

Elongación Máxima y Límite Elástico. Si se compara los valores reales del titanio puro con

los conseguidos en los ensayos se tiene que el valor de la tensión máxima del titanio puro

(Grado 1) es 240 MPa y la deformación al 0,2% es entre 170 y 310 MPa, lo que indica que

los valores obtenidos son bastante mayores. El módulo del Young del titanio puro obtenido

es similar al real (100-110 GPa). La elongación máxima obtenida en los ensayos de las

muestras de titanio puro ha sido entre 20 y 22 %, siendo el valor del titanio puro (Grado 1)

un 20%

7.5 Ensayo de Flexión

El ensayo de Flexión permite conocer la tendencia dúctil-frágil que presenta un material. La

rotura limpia indica un material frágil, mientras que la deformación de la probeta sin rotura

muestra ductilidad. Si es cierto que podría presentar rotura final y ser dúctil, pero no sería

una rotura limpia, sino que habría una gran deformación de la probeta en esa zona. Esto es

en el caso del estudio visual de las muestras ensayadas.

En cuanto a los resultados obtenidos del equipo de Tracción, se han representado

gráficamente. Se han realizados curvas tensión-deformación, una por cada probeta. Tras el

ensayo se han mostrado resultados que se han confirmado al observar las muestras; como se

pueden ver en el Apartado 6.6.10. Se ha apreciado claramente el efecto del refuerzo en el

compuesto.

Las probetas de titanio puro, como ya se han mencionado con anterioridad, son: plato A

(Ti puro (Grado 1)), plato B (Ti puro después de condiciones de mezclado) y plato F (Ti

puro (Grado 1) + 50%p Ti puro (Grado 1) molido). Las tres tienen una tensión máxima

alrededor de 3000MPa - 3500MPa y una deformación máxima entre un 11% y un 15%.

Salvo la probeta número 2 del plato F, ninguna de las ocho restantes de titanio puro (hay

tres probetas de cada material) se han roto. Se concluye pues, que las matrices puras de

titanio son más dúctiles.

Discusión


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Por otro lado se ensayaron las matrices metálicas compuestas de titanio reforzadas con

carburo de boro (B4C), las cuales son el plato G (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-B4C) y

el plato H (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B4C). Ambas tiene una deformación máxima entre

un 5% y un 7%, pero la matriz reforzada con nano-partículas de B4C es la que alcanza una

resistencia a la tensión mayor, de 3600MPa a 4000MPa; siendo la máxima obtenida entre

todas las probetas ensayadas en la investigación. Además, las probetas están rotas por el

centro con un corte limpio; concluyéndose su gran tendencia a la fragilidad.

La matriz reforzada con boro amorfo (plato E (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B amorfo)),

posee similares resultados a los de las TiMMCs cuyo refuerzo es el carburo de boro. Es

decir, su tensión máxima está entre 3000MPa y 3500MPa, y su deformación máxima es

entre 4% y 8%. Las tres probetas de ensayos se han roto. Se concluye que es un material

frágil.

En las matrices cuyo esfuerzo es el diboruro de titanio (TiB2) no se ve tan clara una

tendencia. Los datos de laboratorio para el plato C (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol TiB2)

muestran una deformación máxima de entre el 10% y el 16% y una resistencia a la tensión

máxima de 3600MPa. Para el plato D (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-TiB2) la

deformación máxima dada es de un valor entre el 7% y el 12%, y la tensión de 3000MPa a

3700MPa. El estudio visual muestra que las muestras reforzadas con nano-partículas

rompen, mientras las probetas del plato C no. Como conclusión se puede decir que estas

TiMMCs cuyo esfuerzo es TiB2 se encuentran en una zona de transición que hace que las

reforzadas con nano-partículas tengan tendencia frágil, mientras las que no, se desplazan

más hacia la ductilidad.

7.6 Microscopía óptica y Microscopía electrónica de barrido (SEM)

Tras el análisis de las imágenes obtenidas de microscopía óptica se puede observar que los

refuerzos de las TiMMCs se acumulan en los límites de grano.

El análisis de imágenes de SEM es más riguroso. Efectivamente, los refuerzos se acumulan

en los límites de grano, pero también se han observado otras peculiaridades que con el

microscopio óptico no se han podido determinar.



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En el plato E (Ti puro (Grado 1)+ 0,9%vol B amorfo) el refuerzo de boro amorfo sólo se

concentra en los límites de grano. Por el contrario, los platos reforzados con diboruro de

titanio (plato C (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol TiB2) y plato D (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol

Nano-TiB2)) y carburo de boro (plato G (Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol Nano-B4C) y plato H

(Ti puro (Grado 1) + 0,9%vol B4C)) el refuerzo está presente en los límites de grano pero

además está repartido por toda la matriz. Es decir, el refuerzo aunque se concentra en los

límites de grano, está homogéneamente extendido por todo el TiMMCs. Además, existe

otra diferencia entre el refuerzo de boro amorfo y los refuerzos de micro-partículas TiB2 y

B4C. Los granos de boro amorfo son más pequeños que los granos de los otros dos

refuerzos.

7.7 Discusión general

Como resumen de las discusiones anteriormente presentadas, en este punto se trata de

plantear brevemente una discusión general.

Por un lado, los resultados obtenidos después de fabricar y caracterizar las matrices puras

de titanio ponen de manifiesto que los procesos de molienda y mezclado a los que se

somete el polvo de titanio, afectan a la morfología de dicho polvo afectando de una forma

significativa a los resultados finales de densificación y propiedades finales de las probetas.

Las muestras fabricadas a partir de polvos de titanio molidos y posteriormente mezclados

con polvos de titanio en una proporción del 50% en peso muestran un mejor

comportamiento mecánico a pesar de presentar una menor densificación. Como se puede

observar en la siguiente gráfica.

Analizando los resultados tras la caracterización de los TiMMCs se puede pensar que el

hecho de emplear un nano-refuerzo ayuda a mejorar las propiedades mecánicas si se

compara el mismo tipo de refuerzo químicamente pero con un tamaño de partícula del

orden de las micras. TiMMCs fabricados a partir de nano-refuerzos ofrecen mejores

propiedades mecánicas, a pesar de que los refuerzos empleados en este estudio no son

plenamente nano-refuerzos de acuerdo con los resultados de la granulometría, pero sí se

pueden considerar de menor tamaño respecto a los llamados micro-refuerzos. Esto es

notorio para el refuerzo B4C, donde los TiMMCs fabricados con “nano-B4C” ofrece un

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mejor comportamiento mecánico tanto en resistencia como en deformación tal y como se

observa en la siguiente gráfica 53.

En resumen, el empleo del “nano-B4C” como refuerzo para matrices de Ti grado 1 favorece

el incremento de las propiedades mecánicas del material, siempre y cuando se consiga una

optimización de su distribución en la matriz.

Gráfica 54. Diagrama Tensión-Deformación (Ensayo de Tracción) de las probetas producidas en 2012.



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