APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

There is an ongoing effort to improve the service life of cutting tools for machining aerospace materials, such as titanium and aluminum alloys. Although the design and coated materials for cutting tools have been widely studied and optimized along the last years, new requirements need to be accomplished since the additive manufacturing (commonly referred to as 3D printing) and subsequent post-printing processes has been introduced into the aerospace sector. In this regard, the surface finishing operation of complex shape and thin-walled 3D components could significantly reduce the life of cutting tools, due to the presence of complex loading conditions produced by unexpected vibrations. A coating composed by an interlayer of ¿¿(¿, ¿) followed by a top layer of ¿¿2¿3 is one the most used CVD bi-layer system specifically designed for cutting operations of titanium alloys. Nowadays, manufacturers of cutting tools explore the alternative of applying mechanical post-treatment processes after coating deposition, in an effort to reduce the premature failure of these tools. Take into account this scenario, the aim of this study is to document the micromechanisms of damage resulting from contact loading applied on coated system subjected to blasting and/or shot peening post-treatment processes. Coated system consisted in a bi-layer ¿¿ (¿, ¿)/ ¿¿2¿3 deposited on a cemented carbide with 7 wt% of Co binder. Two different bi-layer thickness were evaluated. Spherical indentation under monotonic loading condition was used to evaluate the contact resistance to crack appearance on coated samples surface. Advanced microscopy techniques were used to analyze the micro-cracking patterns achieved at the edge of residual imprints. Results shown that post-treatments could induced changes in surface roughness, and even more in the crack appearance under contact loading conditions. Thicker coatings provide higher resistance to crack nucleation, but post-processes such as SP and WB are necessary to optimize tool performance. Moreover, the combination of both micro-mechanical treatments presented the best overall resistance to crack initiation and propagation, despite some surface defects.

Cemented carbides, also known as hardmetals, are extremely versatile and tough materials that play an important role in a wide variety of industrial and technological applications. They are composite materials that combine carbide particles (WC - tungsten carbide) with a metallic binder, which in most cases is cobalt. Carbides are well known for their good properties such as high hardness, good wear resistance and corrosion resistance, among others. The most important sector that uses these materials is the manufacture of cutting tools. In this project, the fatigue crack growth behaviour of fine-grained cemented carbides is investigated. For this purpose, small flaws, bigger than the material's intrinsic defects, are artificially introduce by means of sharp indentation. An exhaustive quality control analysis of the material is carried out to ensure that there are not any imperfections that could lead to erroneous results. It is confirmed, through microstructural characterisation, that the material is optimal for the analysis by comparing it to literature. Once this has been confirmed, a distinction is made between three groups of samples, possible candidates for the development of the project. The candidate groups are Group I: Virgin samples, Group II: Samples with 3 indentations, in the centre of the piece, with a separation of 2 mm, and finally Group III: Samples with 3 indentations in the centre of the piece with a separation of 2 mm between them, to which a thermal treatment has been applied to release the residual stresses left by the indentations. A fracture and fatigue analysis is carried out on the samples, followed by a fractographic analysis. In the fracture and fatigue analysis, the samples of Group I are discarded because they present high dispersion. In the fractographic analysis, the samples of Group III are discarded because the oxide layer cover the path generated by the crack.

In plastic injection molding, one of the most important components is the mold. This can be made of different materials, mainly made of steel because of its low cost but usually have low thermal conductivity. Rovalma S. A. is a company that supplies conventional steels and its own high-performance steels. It has even manufactured high thermal conductivity steels up to 60 W/m-K with good mechanical properties. This work is based on following this research path with the objective of carrying out the first tests and characterizations of specimens manufactured with a melting furnace. To carry out this study, samples of known materials must be obtained, and it must be verified that acceptable specimens can be produced. Once verified, the composition is modified to see some effects of certain elements that are interesting for the steels to be developed. Finally, the fusions are repeated to see if we have the capacity to reproduce the same results. To complement this study, some first simulations of one of the manufactured materials will be made using Thermo-Calc will be made to consider how far it is possible to predict with this software; with the objective of using, it in the future to optimize the development process of a new material. The results show that well-cast specimens with microscopic scale porosities can be obtained. Therefore, different modifications of the initial composition have been made and characterized. However, more specimens had to be cast to demonstrate reproducibility and to analyze them in order to confirm some of the observed effects. On the simulation side, only a small study of carbides presents in one of the fabricated steels has been carried out. Finally, the effects of boron and manganese have been concluded and new questions to study have been opened. Different improvements in the development process of a new material have also been considered.

In this work, the union between cemented carbides (hard metal) and iron foundries is studied. It starts with test tubes containing both materials. Both the form of union between these and the process in which they were joined are the variables considered in the study, with the aim of being able to determine which is the best configuration. For this reason, a 4-point bending test is carried out and a test developed on a laboratory scale (which is not standardized), which allows us to observe the maximum loads that our test pieces can withstand, organized according to the various configurations they have.

Cemented carbides (also known as hardmetals) consists of ceramic particles (carbides) joined with a metallic binder (based on Co, Fe or Ni), it provides an excellent balance of mechanical properties. Because of this, they play an important role in the industry and are used for many applications. However, industrial components made of these materials can experience premature brittle fractures under cyclic loading due to its poor fatigue resistance. Thus, the principal aspect to determine in this study, is the behaviour of these types of materials under cyclic stresses, and be able to predict and estimate the fatigue behaviour in service-like conditions for real industrial tool components. The experimental methodology followed in this project consisted of an extensive characterization (both microstructural and mechanical) of WC-10Co hardmetal grade in order to determine different mechanical properties such as hardness or fracture toughness and also its microstructural properties (porosity, microstructure, etc). Finally, a study of the mechanisms of fatigue crack growth (FCG) behaviour (under two different load ratios, R=0.1 and R=0.5) was assessed. Fracture toughness and FCG parameters were determined using single edge notched beams (SENB) specimens in a four-point bending configuration in a servohydraulic machine in order to nucleate and propagate the crack. Fatigue sensitivity and fatigue crack growth behaviour (ceramic-like or metallic-like) have been determined with good agreement between the literature and experimental results. To support this investigation, fractographic inspection of the broken specimens and crack-microstructure interaction have been observed by means of optical and scanning electron microscopy. In them it is possible to distinguish the differences between the two different load ratios: R=0.1, the deformation of the binder in the fracture surface is more pronounced and; R=0.5, the fracture surface is more similar to a monotonic test, R=1.

WC-Co cemented carbides, also known as hard metals, are composite materials comprising ceramic particles enveloped by a metallic binder, typically based on cobalt (Co), iron (Fe), or nickel (Ni). This unique combination bestows exceptional properties upon cemented carbides in terms of hardness, mechanical strength, wear resistance, and the capacity to maintain their properties at high temperatures. However, this is accompanied by low fracture toughness values, leading to the potential for brittle and catastrophic failures. These failures arise due to the limited energy absorption capacity of WC-Co cemented carbides prior to fracture. In this project, the influence of microstructure on the fracture strength of these materials is examined, encompassing the metallic phase content and average ceramic phase sizes. Two grades, namely K05 and U40, are investigated, each possessing distinct metallic phase content and average ceramic phase sizes. Grade K05 contains 5% cobalt (Co) by weight, while U40 contains 16% cobalt (Co) by weight. The microstructural and mechanical parameters of both grades have not been specified beforehand, necessitating a preliminary characterization. The microstructural parameters under scrutiny include chemical composition, grain size (dWC), volumetric fraction of the binder (VCo), carbide grain contiguity (CWC), and mean free path of the binder phase (λCo). Two different techniques are employed to determine fracture toughness: microindentation fracture (Palmqvist method) and SEμVNB (Single Edge micro V-Notch Bending). The latter technique involves conducting a monotonic loading test on a sample featuring a microcrack. Both techniques are utilized to obtain a more comprehensive and precise assessment of fracture toughness. The study follows a statistical analysis (Weibull) and is supplemented by detailed fractographic inspection employing optical and scanning electron microscopy. Finally, the results of this work are analysed within the framework of linear elastic fracture mechanics. Within this context, fracture toughness can be described in terms of mechanical strength and a critical defect. These values remain unaffected by the nature and origin of the defect.

Los carburos cementados WC-Co son materiales compuestos formados por partículas cerámicas englobadas por un ligante metálico. Como resultado de esta combinación, los carburos cementados destacan por su gran compromiso entre propiedades mecánicas y tribológicas, lo que los ha llevado a un creciente uso en la industria desde su introducción.Sin embargo, los componentes y herramientas formadas por carburos cementados pueden experimentar fallos inesperados tanto bajo cargas monotónicas (fractura) como cíclicas (fatiga), y esto depende en gran medida de la microestructura del material. Se ha realizado un extenso estudio del material que incluirá una exhaustiva caracterización microestructural, ensayos mecánicos bajo flexión en cuatro puntos tanto en régimen monotónico como cíclico (evaluando la resistencia a fatiga y su fiabilidad en el rango finito) y un posterior análisis fractográfico. Se han analizado los datos experimentales en base a la estadística de Weibull, tanto en régimen monotónico (resistencia) como cíclico (resistencia a fatiga). En este trabajo se utilizaron muestras de carburo cementado WC-10Co de grano fino y se obtuvieron diversos resultados en función de los parámetros y las poblaciones de muestras consideradas. La tensión de referencia en la resistencia a la flexión (determinada mediante la estadística de Weibull) se reportó en 3720 MPa. El módulo de Weibull asociado mostraba una amplia dispersión en la población. Las observaciones SEM permitieron identificar eficazmente defectos críticos en la microestructura de algunas muestras, lo que dio lugar a crear dos estadísticas de Weibull dependientes de los defectos. La metodología de escalera modificada, correctamente aplicada en este trabajo, permitió calcular la resistencia a la fatiga finita utilizando un número reducido de muestras. Los ensayos de fatiga realizados (en 3 niveles de tensión diferentes con 10 muestras cada uno) confirmaron la disparidad del número de ciclos hasta el fallo entre la población. Los niveles de resistencia cercanos al límite de fatiga finita encontrado sobrevivieron, de media, más ciclos. El análisis realizado únicamente sobre probetas rotas presentó una dispersión entre la población que impidió extraer conclusiones. Sin embargo, la evaluación de estos ensayos mediante el análisis estadístico de Weibull reveló similitudes entre la resistencia a flexión y las muestras rotas por fatiga, mostrando una tendencia similar respecto a la distribución de los resultados y estableció una tendencia agrupada en el número de ciclos hasta el fallo en torno a [10.000 - 100.000]. Esto podría permitir la posibilidad en futuros trabajos de realizar este tipo de análisis en diferentes grados de metal duro para evaluar la influencia de la microestructura en el comportamiento a fatiga.

La Manufactura Aditiva en Metal puede describirse como una ruta de fabricación innovadora que ha ido creciendo cada vez más en los últimos años. Esto es consecuencia directa de la amplia gama de beneficios que ofrece a la industria, particularmente en términos de reemplazo de piezas obsoletas u obtención de las mismas de forma más rápida para fábricas consolidadas y/o relativamente antiguas. Al ser la impresi[on 3d en metal una nueva tecnología, su implementación se convierte en un gran desafío para industrias complejas como la química, donde los estándares y políticas de calidad son altos al momento de aceptar e incorporar partes en plantas industriales. En este trabajo de fin de grado (TFG), se revisarán los principales aspectos de la tecnología Metal AM para comprender el compromiso mencionado entre desafío, riesgo, oportunidad y beneficio, que es necesario tener en cuenta. Al mismo tiempo, como caso de estudio, se presentará y comentará un proyecto de impresión 3D en el que la autora de este TFG ha estado involucrada durante su etapa industrial. Se refiere a un proyecto desarrollado por Dow Chemical que será revisado críticamente, con el objetivo de evaluar la confiabilidad de Metal AM sobre la base del proceso de validación realizado para las piezas impresas. Al hacerlo, se introducirán más detalles de los estándares relacionados con el proceso de validación y se propondrán recomendaciones para la futura validación de piezas impresas de Metal AM en la industria química.

La manufactura aditiva (MA) o impresión 3D es una técnica de fabricación emergente que consiste en la construcción de piezas capa a capa con la cantidad de material necesaria, a diferencia de la manufactura sustractiva en la que se crean componentes a partir de volúmenes de material. En sus escasas décadas de existencia, ha creado una auténtica revolución en la industria con un crecimiento exponencial en interés por parte de empresas, investigadores y académicos por las posibilidades que puede ofrecer, especialmente en ahorro de recursos, optimización de diseño y las complejas geometrías que se pueden alcanzar. Tradicionalmente, la manufactura aditiva ha tenido un mayor éxito en materiales poliméricos, pero no tanto en materiales metálicos y/o cerámicos. En los últimos años, esta tendencia está cambiando y ha aumentado recientemente la cantidad de recursos volcada a la investigación en manufactura aditiva de metales y cerámicas avanzadas, como es el caso de los carburos cementados, que son compuestos de cobalto y carburo de tungsteno. Estos materiales compuestos son usados en herramientas de corte y taladrado por su gran dureza y relativamente alta tenacidad a la fractura. El objetivo de este trabajo de fin de grado (TFG) es la caracterización mecánica y microestructural de piezas de carburo cementado fabricadas con técnicas de “Fabricación por filamento fundido” (FFF) y “Direct ink writing” (DIW, también conocida como Robocasting) y contrastar esta información con una pieza fabricada usando el tradicional método de prensado y sinterizado (PS). Así se podrá determinar la capacidad de estas técnicas para manufacturar componentes con estos materiales con propiedades equiparables a los métodos tradicionales, pero con la añadida ventaja de poder crear formas mucho más sofisticadas y mejor optimizadas. Se evaluaron tres muestras de carburo cementado elaboradas con el mismo polvo de partida, pero cada una con una técnica diferente: una con filamento fundido, otra con robocasting y otra con un prensado y sinterizado clásico. Esta última se usó como referencia para las otras dos hechas con impresión 3D. Se hicieron ensayos de dureza Vickers a 30 kgf para evaluar la dureza macroscópica, indentaciones Rockwell a diferentes cargas para evaluar el daño estático por contacto y ensayos de rallada o scratch para evaluar el daño por deslizamiento a carga baja (30 N) y carga alta (50 N). Para observar el daño creado, se usaron técnicas de microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (SEM), así como microscopía confocal para perfilometría óptica. También se usó una balanza con método de Arquímedes para la determinación de las densidades experimentales. En conclusión, las muestras de manufactura aditiva estudiadas exhiben un comportamiento isotrópico en cuanto a propiedades microestructurales y mecánicas, valores que concuerdan con lo reportado en la literatura. Estos resultados permiten la validación de FFF y DIW como técnicas de fabricación de componentes de metal duro. Además, se puede deducir que el uso de diferentes parámetros de ensayo mecánico, en términos de rango o modo de carga aplicada, permite evaluar diferentes tipos de comportamientos. Esta información se puede utilizar para optimizar el diseño de futuras pruebas para evaluar el rendimiento de los carburos cementados consolidados mediante técnicas de MA.

In this work the influence of microstructure on the contact damage of polycrystalline cubic boron nitride (Pc-BN) is studied. Pc-BN is a superhard composite material constituted by c-BN particles and a binder matrix of either metallic or ceramic nature. Pc-BN are extensively used as cutting tools particularly for machining difficult-to-cut materials. As for many composite materials, a large array of microstructural parameters can vary from one specimen to another, resulting in quite different mechanical properties of the material. Within this context, the main aim of this project is to document and analyze the contact damage behavior of three microstructurally distinct Pc-BN materials and to establish correlations between it and the main microstructural features describing the assemblage exhibited by these superhard composites. First, the three studied Pc-BN grades were analyzed on a microstructural scale by means of optical and scanning electron microscopy, in order to assess all the relevant microstructural parameters. A roughness analysis of the samples surface was also performed, followed by a polishing process to decrease the surface topography. A subsequent roughness analysis concluded that the polished surfaces exhibited a satisfying finish for reliable mechanical testing. Contact damage was then induced in a controlled manner by means of spherical indentation techniques. Applied loads, ranging between 300N and 3000N, were then performed on the samples. The emergence and evolution of the resulting damage was evaluated as a function of the applied load, and the crack-microstructure interaction was investigated. It was found that the Pc-BN grade with the highest c-BN content was the most resistant to emergence of damage, followed by the low- and medium- content grades. Regarding damage evolution, it was rather gradual and smooth for the PcBN with medium content of particles, different from more abrupt changes observed in the high- and low- content materials. Such responses may be indirectly related to the effective hardness and toughness of the studied materials, respectively. Crack path was found to be both transgranular and intergranular in the sample with high content of cBN particles, where it was exclusively intergranular in the two grades. Such a behavior is rationalized on the basis of relative differences in average c-BN grain size, chemical nature of the binder and binder mean free path.

Electro Beam Melting (EBM) is an additive manufacturing technique used to 3D print metallic samples and pieces. In this study, some metallic samples, printed with this technique, are analysed. These samples present regions that where the printing parameters have been changed, with the objective of obtaining different properties for these regions. The objective of this study is to determine their hardness and Young modulus, and see how much they vary in function of the used parameters. To do so, an iMicro nanoindentor has been used. This device allows us to determine the hardness and the Young modulus, and to create a map of a region of the sample, to see how the properties change in function of the analysed region. The values obtained denote a change in the properties of the material, determined by the region. The maps obtained also show a difference in properties.

En los últimos años, el interés por el nitruro de boro cúbico policristalino (Pc-BN) como material para herramientas ha aumentado significativamente, especialmente en operaciones de torneado de materiales difíciles de cortar. Esto se debe a que es el segundo material más duro, por detrás del diamante, incluso a altas temperaturas; además de ser químicamente inerte, y presentar buena resistencia a altas temperaturas y estabilidad térmica. En este contexto, el Pc-BN hace posible el mecanizado bajo condiciones extremas, rediciendo así los costes asociados a la producción. Asimismo, el empleo de capas finas de cerámicas duras prolonga la vida útil de la herramienta, además de hacer este material más sostenible medioambientalmente, debido a que abre la posibilidad de reducir, e incluso eliminar, el uso de lubricantes y refrigerantes en las operaciones de mecanizado. Las propiedades mecánicas previamente postuladas están intrínsecamente relacionadas a su microestructura. El Pc-BN es un material compuesto formado por partículas de nitruro de boro cúbico (c-BN) ligadas en una matriz cerámica (por ejemplo, TiC, TiN, WC, AlN, etc.) o metálica (por ejemplo, basada en una aleación de Co). En general, las matrices cerámicas se encuentran en sustratos con contenido de c-BN bajo o medio, mientras que las matrices metálicas se encuentran en sustratos con alto contenido de c-BN. Debido a esto, las matrices cerámicas generalmente se usan en operaciones de torneado, donde hay contacto constante y se generan altas temperaturas. Por su parte, las matrices metálicas, con alto contenido de c-BN,se usan para el fresado de materiales donde la tenacidad es uno de los requerimientos más importantes, debido al corte interrumpido (impactos) que ocurren durante esta operación de mecanizado. El objetivo principal de este proyecto es hacer una revisión y analizar los mecanismos de desgaste y fractura de plaquitas recubiertas de Pc-BN. Por otro lado, se analizarán diversos parámetros críticos en el diseño microestructural de estas herramientas, como la composición química de los recubrimientos, la microestructura del Pc-BN o su naturaleza química. Los materiales mecanizaos y las operaciones de corte involucradas también se estudiarán en este proyecto. Finalmente, se intentará correlacionar distintas variables asociadas con las herramientas recubiertas de Pc-BN. Con el fin de alcanzar estos objetivos, se realizará una búsqueda literaria. Los resultados indican que el principal mecanismo de desgaste, por los sistemas recubiertos estudiados, es el conocido como flank wear, seguido por crater wear, y en menor medida notch wear. Además, el uso de recubrimientos en el Pc-BN se ha visto que permite el uso de condiciones más extremas, comparado con otros materiales de herramientas. Desafortunadamente, no se han podido identificar relaciones especificas entre recubrimientossustratos-materiales mecanizados. Las razones principales de ello son que el número de variables en las publicaciones revisadas es muy grande y que la información existente en este tema es relativamente escasa. En todo caso, una conclusión importante de la revisión es que el interés en este compuesto ha crecido de forma relevante durante las dos últimas décadas, período en el cual él se ha consolidado como una alternativa muy competitiva de los carburos cementados.

Los carburos cementados WC-Co (comúnmente referidos como metal duro) son materiales compuestos cuya aplicación ha ido incrementando de forma exponencial, desde su introducción hace ya casi un siglo, en distintos ámbitos industriales. En gran medida, ello es debido a la excelente combinación de propiedades mecánicas y tribológicas que estos materiales ofrecen. Sin embargo, el rendimiento de componentes y herramientas de metal duro puede experimentar roturas inesperadas, bajo la aplicación de cargas tanto monotónicas (fractura) como cíclicas (fatiga), y ello es fuertemente dependiente de la microestructura del material. En este contexto, el principal objetivo de este trabajo es identificar, analizar y entender correlaciones básicas que existen entre distintos parámetros microestructurales y las propiedades mecánicas que presentan estos materiales. Para ello, se analiza una extensa y detallada base de datos recopilada a partir de tres tesis doctorales realizadas, en el seno de grupo de investigación CIEFMA, a lo largo de los últimos 20 años. Estos datos incluyen calidades de metal duro con un amplio abanico de características microestructurales - en términos de contenido de la fase ligante metálica, así como del tamaño medio de las partículas cerámicas -, y en consecuencia, de propiedades mecánicas. A lo largo del trabajo se presta especial atención a las propiedades que describen el comportamiento a fractura y fatiga de los carburos cementados. La información y el análisis crítico realizado es de gran utilidad para poder estimar y predecir la integridad mecánica de piezas fabricadas de metal duro, de cara a incrementar su rendimiento, así como prolongar su vida útil.