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8. DISCUSIÓN
En la parte experimental realizada en Sevilla, es decir, la primera parte, se han
caracterizado 89 muestras de cobre, hierro y cobalto mediante medidas de densidad,
dureza, ensayo de flexión y microscopía óptica. En la siguiente tabla, se muestran los
resultados obtenidos en densidad y dureza para todas las muestras. Se presenta el número
de muestra, material, tipo de material de partida, equipo utilizado para su sinterización,
parámetros de temperatura y presión en caliente, así como los valores de densidad
relativa y dureza media obtenidas para cada muestra.
Nº
muestra
Material Tipo de
material
Equipo Temperatura
(ºC)
Presión
en
caliente
(MPa)
Densidad
relativa
(%)
HV1 Cu y
HV2 Fe y
Co
1 Cu Granulado SSP 700 50 94,16 68,67
2 Cu Granulado SSP 700 50 94,03 66,33
3 Cu Granulado SSP 700 50 94,08 62,00
4 Fe Granulado SSP 700 50 77,05 91,66
5 Fe Granulado SSP 700 50 76,96 72,66
6 Fe Granulado SSP 700 50 76,56 81,50
7 Cu Granulado SSP 800 50 94,21 62,33
8 Cu Granulado SSP 800 50 94,81 66,66
9 Cu Granulado SSP 800 50 95,44 53,00
10 Fe Granulado SSP 800 50 85,09 75,33
11 Fe Granulado SSP 800 50 85,40 102,66
12 Fe Granulado SSP 800 50 85,13 71,33
13 Cu Granulado SSP 700 75 95,75 64,66
14 Cu Granulado SSP 700 75 95,84 62,33
15 Cu Granulado SSP 700 75 95,53 62,33
16 Fe Granulado SSP 700 75 81,53 105,67
17 Fe Granulado SSP 700 75 81,58 95,67
18 Fe Granulado SSP 700 75 81,37
19 Cu Granulado SSP 800 75 96,25 60,66
20 Cu Granulado SSP 800 75 96,20 59,33
21 Cu Granulado SSP 800 75 96,70 65,00
22 Fe Granulado SSP 800 75 90,89 113,00
23 Fe Granulado SSP 800 75 90,87 103,66
24 Fe Granulado SSP 800 75 90,95 128,33
25 Cu Polvo SSP 700 50 90,87 66,71
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26 Cu Polvo SSP 700 50 91,22 65,30
27 Cu Polvo SSP 700 50 90,63 83,00
28 Cu Polvo SSP 800 50 92,71 59,33
29 Cu Polvo SSP 800 50 92,58 65,67
30 Cu Polvo SSP 800 50 92,97 63,33
31 Cu Polvo SSP 700 75 91,88 52,82
32 Cu Polvo SSP 700 75 92,87 44,30
33 Cu Polvo SSP 700 75 93,97 47,46
34 Cu Polvo SSP 800 75 95,03 55,30
35 Cu Polvo SSP 800 75 93,89 52,63
36 Cu Polvo SSP 800 75 92,85 54,55
37 Cu Granulado DSP 800 50 98,00 68,00
38 Cu Granulado DSP 800 50 98,93 66,00
39 Cu Granulado DSP 800 50 98,61 73,00
40 Cu Granulado DSP 800 50 97,79 66,00
41 Cu Granulado DSP 800 50 98,63 66,00
42 Cu Granulado DSP 800 50 98,09 68,00
43 Cu Granulado DSP 800 50 98,29 71,00
44 Cu Granulado DSP 800 50 98,27 73,00
45 Cu Polvo DSP 800 100 97,09 61,80
46 Cu Polvo DSP 800 100 98,47 65,03
47 Cu Polvo DSP 800 100 98,42 62,73
48 Cu Polvo DSP 800 100 98,08 60,43
49 Cu Polvo DSP 800 100 98,12 66,00
50 Cu Polvo DSP 800 100 97,82 67,44
51 Cu Polvo DSP 800 100 98,27 61,45
52 Cu Polvo DSP 800 100 98,29 69,15
53 Cu Granulado DSP 800 50 98,86 61,73
54 Cu Granulado DSP 800 50 98,90 67,33
55 Cu Granulado DSP 800 50 98,84 65,87
56 Cu Granulado DSP 800 50 98,74 77,93
57 Cu Granulado DSP 800 50 99,06 64,93
58 Cu Granulado DSP 800 50 99,80 66,73
59 Cu Granulado DSP 800 50 99,61 66,83
60 Cu Granulado DSP 800 50 99,10 68,60
61 Cu Polvo DSP 800 100 98,74 57,13
62 Cu Polvo DSP 800 100 97,87 61,50
63 Cu Polvo DSP 800 100 98,67 60,00
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64 Cu Polvo DSP 800 100 97,90 57,72
65 Cu Polvo DSP 800 100 98,87 56,36
66 Cu Polvo DSP 800 100 98,49 51,50
67 Cu Polvo DSP 800 100 98,75 50,60
68 Cu Polvo DSP 800 100 97,79 55,98
69 Fe Granulado SSP 900 75 92,27 92,53
70 Fe Granulado SSP 900 75 93,59 90,43
71 Fe Granulado SSP 900 75 93,35 85,10
72 Fe Granulado SSP 800 100 91,71 117,44
73 Fe Granulado SSP 800 100 94,55 108,00
74 Fe Granulado SSP 800 100 94,63 129,00
75 Fe Granulado SSP 900 100 94,15 111,08
76 Fe Granulado SSP 900 100 96,78 90,95
77 Fe Granulado SSP 900 100 95,75 131,67
78 Co Granulado SSP 800 75 84,74 225,42
79 Co Granulado SSP 800 75 85,97 226,25
80 Co Granulado SSP 800 75 87,43 213,50
81 Co Granulado SSP 900 75 91,56 271,92
82 Co Granulado SSP 900 75 91,96 288,00
83 Co Granulado SSP 900 75 90,80 243,00
84 Co Granulado SSP 800 100 90,23 260,22
85 Co Granulado SSP 800 100 91,11 267,33
86 Co Granulado SSP 800 100 91,84 269,00
87 Co Granulado SSP 900 100 91,42 289,86
88 Co Granulado SSP 900 100 91,81 292,00
89 Co Granulado SSP 900 100 91,46 297,25
Tabla 14: Valores de densidad y dureza obtenidos en Sevilla
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Ø Densidad
Como se observa en la tabla 14, en relación a los valores de densidad, el cobre en polvo y
granulado presenta valores mayores de densidad frente al hierro y al cobalto. Esta
diferencia podría estar relaciona con el tamaño de polvo de partida de cada material, así
como su temperatura de fusión. Debido a que la empresa RHP no facilitó los valores del
tamaño de los polvos de partida no se puede saber con certeza el motivo de esta
diferencia en los valores de densificación.
En relación con el equipo utilizado, RSP ó DSP (sólo el cobre se fabrica en ambos
equipos), se observa en la tabla 14 que los valores de la densidad relativa son un poco
más elevado en el caso de utilizar el sistema DSP (en torno al 97-99,8%).
Ø Dureza
En cuanto a la dureza, el cobre es el material más blando seguido del hierro y por último
el cobalto, como se indica en la tabla 14. Como se ha comentado antes, los valores de
dureza obtenidos están condicionados con la estructura cristalina que presenta cada
elemento. El cobre y el cobalto presenta estructuras FCC y HCP respectivamente. Son
estructuras com mayor densidad de empaquetamiento que la BCC, la del hierro. De
hecho, las dos primeras son estructuras en las que los átomos están empaquetados del
modo más compacto posible.
En relación con el equipo utilizado, RSP ó DSP, se observa en la gráfica 14 que los
valores obtenidos de dureza por cada uno de ellos no están influenciados al utilizar un
sistema u otro.
Con respecto a los valores de dureza general en la escala Vickers de cada material se
observa que los resultado son similares. Escala 55-60 en HV para el Cobre, 90-120 para
el Hierro y 250 para el Cobalto. Cabe mencionar que en algunos casos, los valores de
dureza son superiores o inferiores al valor estipulado debido a una medida errónea
durante el ensayo.
Ø Propiedades mecánicas
En cuanto a los resultados obtenidos en el ensayo de flexión, como se ha podido observar
en las diferentes gráficas para cada uno de los materiales, resulta que:
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Para el cobre:
• Todas las muestras de cobre presentan un comportamiento dúctil; esto se observa
en la curvas tensión-deformación del ensayo de flexión donde se aprecia mucha
deformación plástica. Las muestras de cobre granulado presenta mejores
propiedades de ductilidad y maleabilidad que las muestras de cobre en polvo.
Tanto el cobre puro como sus aleaciones presentan una buena maquinabilidad, es
decir, son fáciles de mecanizar. El cobre en general posee muy buena ductilidad,
el cual bajo la acción de una fuerza, puede deformarse sosteniblemente sin
romperse, y maleabilidad lo que permite producir láminas e hilos muy delgados y
finos.
Al ser un material que cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC),
rompen solamente por cizallamiento y presentan una disminución de la ductilidad
al descender la temperatura.
La estructura cristalina del cobre (FCC) es la responsable de su gran capacidad de
deformación. Uno de los mecanismos más importantes de deformación plástica de
los metales es el deslizamiento a lo largo de determinados planos y direcciones de
deslizamiento. En la estructura FCC la familia de planos son los {111}, de los que
existen 4, y la familia de direcciones las <110>, de las que existen 3, en total 12
sistemas de deslizamiento de alta calidad por ser estructuras de máxima
compacidad.
Este gran número de planos y de direcciones potenciales de deslizamiento
explican la gran capacidad de deformación plástica del cobre sometido a
esfuerzos.
Al aumentar la temperatura, disminuye el límite elástico, con lo que disminuye la
resistencia del material a la deformación plástica o permanente. El límite de rotura
y el límite elástico son superiores a menor temperatura para una presión constante
e inferiores al aumentar la presión y mantener constante la temperatura
En general, sus características mecánicas dependen de su contenido en impurezas
y de su estructura (principalmente en este caso).
128 Discusión
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• Se obtienen mejores resultados usando el equipo RSP que el DSP, en general.
Esto es debido a las características que presenta el sistema RSP frente al DSP tal
como el orden de magnitud de la velocidad de calentamiento y de enfriamiento,
de la presión de compactado y el tiempo de ciclo.
• Para 50MPa y 700ºC se obtiene el mejor resultado para cobre granulado y el peor
resultado para cobre en polvo. Esto se corresponde con un límite elástico a flexión
de unos 150MPa, un valor de resistencia máxima a flexión de unos 400MPa y una
elongación de el 20%. Estos resultados, excepto el correspondiente a la
elongación, son superiores a los teóricos del cobre; esto, junto con los datos de
dureza también superiores, indica que este compacto de cobre es más resistente
que el cobre teórico.
Para el hierro:
• Hay una notable influencia de los parámetros de procesamiento:
- El efecto del aumento de la temperatura es más elevada para las muestras de
menor presión. Se trata de un aumento de la fuerza-deformación.
- El efecto de aumento de la temperatura, para la misma presión, que implica un
aumento de la fuerza-deformación.
- Bajo creciente presión y temperatura, se incrementa la tensión de flexión.
- Las muestras a baja temperatura (700ºC) presentan un comportamiento frágil.
• El hierro puede romper por cizallamiento a temperatura ambiente, pero, al
disminuir la temperatura de sinterizado, la manera de fracturar pasa de ser por
cizallamiento (dúctil) a ser por despegue (frágil). El paso de un tipo de fractura a
otro suele estar acompañado de una caída brusca de la ductilidad como se aprecia
en las gráficas. El hierro tiene un comportamiento frágil para una temperatura de
prensado en caliebte inferior a 700ºC; a temperaturas superiores el hierro presenta
un comportamiento dúctil.
Discusión 129
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El hierro presenta una estructura BCC y, al igual que el cobre, tiene 12 sistemas
de deslizamiento pero son de baja calidad al no tratarse de una estructura
cristalina de máxima compacidad. Existen 6 planos, los correspondientes a la
familia {110}, y dos direcciones por cada plano de la familia <111>. Esta baja
calidad en los sistemas de deslizamiento explican que las muestras de hierro
presenten un comportamiento dúctil ó un comportamiento frágil.
• Los mejores resultados se presentan para el hierro fabricado a 100MPa y 900ºC.
Esto se corresponde con un límite elástico a flexión de unos 700MPa, un valor de
resistencia máxima a flexión de unos 900MPa y una elongación de el 12%. Estos
resultados, excepto el correspondiente a la elongación, son superiores a los
teóricos del hierro dúctil; ésto indica que este compacto de hierro, al igual que en
el caso del cobre, es más resistente que el hierro teórico.
Para el cobalto:
• Los resultados de las muestras de cobalto, muestran una mala repetibilidad y
reproducibilidad en el proceso de fabricación.
• Las muestras de cobalto muestran un comportamiento frágil de acuerdo con la
estructura cristalina HCP. Presentan un único plano, el {0001} y 3 familias de
direcciones, las <1120>, con lo que las muestras de cobalto tienen un total de 3
sistemas de deslizamiento, de ahí su comportamiento frágil.
• Influencia de los parámetros de procesamiento:
- El efecto del aumento de la temperatura es más alta para las muestras de
presión de compactación inferiores. Se trata de un aumento de la fuerza-
deformación.
- La presión de compactación aumenta la resistencia de las muestras.
• Los mejores resultados se presentan para el hierro fabricado a 75MPa y 900ºC.
Esto se corresponde con un límite elástico a flexión de unos 450MPa, un valor de
130 Discusión
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resistencia máxima a flexión de unos 500MPa y una elongación de el 1,5%. Estos
resultados son inferiores a los teóricos del cobalto; ésto indica que este compacto
de es menos resistente que el cobalto teórico.
En general, comparando los tres materiales, el cobre es el que presenta mejores
propiedades de ductilidad y maleabilidad, que también es resultado de la estructura
cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) que presenta.
Para la segunda parte del proyecto, se decide trabajar sólo cobre, ya que como se ha visto
en la primera parte, es el que presenta en general mejores propiedades mecánicas y
además, de los tres materiales estudiados, el cobre puro frente al hierro y el cobalto puro,
es el que tiene mayores aplicaciones.
El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo
excepciones para utilizar su potencial magnético y el cobalto se emplea sobre todo para
superaleaciones de alto rendimiento.
En la segunda parte del presente trabajo, se prosigue pues, a la fabricación de 130
muestras de cobre a las condiciones que ya se ha mencionado y se mide la densidad
relativa y dureza de cada muestra, seguido de la conductividad térmica en aquellas 20
muestras con mejores valores de densidad obtenido y finalmente, microscopía óptica en
las 10 muestras con mejores valores de densidad (tanto las de la primera parte como de la
segunda).
Ø Densidad
Como se ha visto en la parte de resultados, en cuanto a la densidad, se ha visto que los
mejores valores se presentan tanto para el cobre en polvo como para el cobre granulado y
que a mayores valores de presión de compactación en caliente, mejores valores de
densidad.
En la tabla 15, se muestra el valor más alto de densidad para cada temperatura, todas a
ellas a 150MPa de presión en caliente.
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700ºC 750ºC 800ºC 850ºC 900ºC
Densificación 0,991 0,995 0,994 0,993 0,994
Tabla 15: Mejores valores de densidad obtenidos
El mejor valor de densidad para todas las temperaturas se encuentra para una
compactación en caliente de 150MPa tanto para cobre en polvo como cobre granulado.
Este valor de presión, es el valor máximo utilizado y como se ha dicho, es mejor para el
cobre granulado en general. A 750ºC se encuentra el valor más elevado de la densidad,
esto puede ser debido a el tamaño del polvo de partida de cada material (la empresa RHP
no facilitó estos valores).
El cobre granulado puede presentar densidad elevada debido a la reacción de éste con el
oxígeno presente en la atmósfera.
Ø Dureza
En cuanto a la dureza, presenta valores por encima del valor habitual en la escala
Vickers. Esto puede ser debido a que las muestras, en el momento de realizarle la medida
de dureza, puede que se hayan oxidado, es decir, pueden presentar una corrosión
uniforme, que se caracteriza por una pérdida regular y genérica en la superficie del metal
que se corroe, en este caso el cobre, por la exposición de ésta a la atmósfera. Ello
conlleva a la variación de sus propiedades a la hora de realizar cualquier medida de
caracterización.
En la gráfica 43, se presentan los valores menores y mayores de dureza en la escala
Vickers obtenidos para cada valor de temperatura.
132 Discusión
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Gráfica 43: Valores menores y mayores de dureza para cada temperatura
Como se observa en la gráfica 43, los valores de dureza no muestran un patrón ordenado
en cuanto a los valores de dureza, aunque sí se aprecia una disminución tanto de los
valores máximos como mínimos en función de la temperatura de sinterización. Están en
el orden de 55-90 en la escala Vickers. El cobre, al presentar una estructura FCC, es un
material muy compacto. La diferencia de dureza obtenida puede ser debida como se ha
dicho, a una mala conservación de la muestra, aunque es importante decir que el error
que presenta para todas ellas no es significativo (0,5-2% de error).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
100
700 750 800 850 900
Har
dnes
s
Temperature (ºC)
Valores menores y mayores de dureza para cada valor de temperatura
Valor menor de dureza Valor mayor de dureza
Discusión 133
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Ø Conductividad térmica
En la tabla 16, se presentan los valores obtenidos de conductividad térmica en las 20
muestras a las cuales se les realizaró su medida. Son las muestras que poseen los mejores
valores de densidad.
Nº Muestra Conductividad
térmica (W/mh)
Nº Muestra Conductividad
térmica (W/mh)
RSP213-17 340,86 RSP215-30 344,05
RSP213-18 380,49 RSP215-31 362,97
RSP213-19 391,96 RSP215-32 370,23
RSP213-20 403,52 RSP216-16 331,83
RSP214-18 379,46 RSP216-18 335,53
RSP214-19 332,98 RSP217-21 346,39
RSP214-20 349,81 RSP217-22 337,28
RSP214-22 362,14 RSP217-24 335,93
RSP215-26 366,75 RSP217-25 352,78
RSP215-29 352,45 RSP217-26 349,80
Tabla 16: Conductividad térmica obtenida en RHP Technology
El cobre presenta muy buena conductividad, 400W/mK, seguido de la plata, es el
segundo elemento más conductor. La condutividad térmica depende de la temperatura
(baja ante un aumento de temperatura) y del tipo de material, en este caso todas las
muestras son cobre puro. El cobre granulado presenta valores más elevados de
conductividad térmica que el cobre en polvo, debido al mayor tamaño de partícula de
polvo de partida.
En la tabla 17 se muestran los mejores valores obtenidos para cada temperatura.
700ºC 750ºC 800ºC 850ºC 900ºC
Conductividad
térmica
(W/mK)
403,52
379,46
370,23
335,53
352,78
Tabla 17: Mejores valores de conductividad térmica para cada temperatura
134 Discusión
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En general, se observa que los valores están en acuerdo con los datos teóricos del cubre.
A medida que se aumenta la temperatura de compactación en caliente, disminuye la
conductividad térmica. Para el caso de 850ºC los valores son menores que para el caso de
900ºC debido a que las dos muestras realizadas a 850ºC son polvos y no granulados.
Ø Micrografías
En cuanto a las micrografías obtenidas mediante el microscopio óptico, se ha visto que
las muestras en polvo presentas más maclas que las muestras granuladas en el caso del
cobre. Es normal que el Cu presente maclas en su microestructura tanto térmicas como
mecánicas. También se ha visto que las muestras realizadas a partir de polvos presentan
mayor tamaño de grano que los granulados. Aquellas probetas con mayor tamaño de
grano presentan una dureza menor. En cuanto a los granulados, al tener un mayor número
de granos, presentan una mayor dureza y un mayor valor del límite elástico y de
resistencia.
