Microinjection moulding of austenitic stainless steel reinforced with carbon nanotubes

Abstract

In the last decades, the metal powder injection moulding (MIM), in its different versions – micro MIM technology, is a manufacturing process consolidated as an effective and competitive alternative to produce small size and complex geometry of metallic parts in large scale, with high quality and reproducibility. The remarkable expansion in different industrial sectors requires a re-adaptation to new materials with new functionalities, like nanocomposites. This thesis focuses on the processing by µMIM technology of nanocomposites of SS 316L powders nanoreinforced with multi wall carbon nanotube (MWCNT). The challenge of the work is to guarantee a homogeneous distribution of MWCNT in the matrix, produce nanocomposites feedstocks with suitable rheological characteristics (to guarantee the injection moulding) and to maintain the MWCNT content whatever the steps of processing (debinding and sintering). Afterward, to optimise the mechanical properties of SS 316L nanocomposites. Firstly, the optimization of the feedstocks as well all the conditions were made to SS 316L matrix without nanoreinforcement addition (called master feedstocks – MF). The feedstock with the SS 316L powders and the commercial binder (M1), have been optimized. The production and characterization of the feedstocks is carried out through mixing torque tests, and density/ morphology respectively. The SS 316L feedstock had always a lower torque value than feedstock with other metal powders (e. g. copper) with same 2Ss (particle size and particle size distribution). The addition of different percentages (0.8, 1.7, 2.5 and 3.3% vol.) of nanoreinforcements increases always the torque value of feedstocks, whatever the matrix and the nanoreinforcement type (nanotubes or nanoparticles). Considering the high torque values, the addition of stearic acid proved to be essential for lowering the torque values and making the blends processable by injection moulding. The injection moulding was performed in a microinjection machine and the optimization of the parameters were made firstly for feedstock without nanoreinforcement – MF. The injection pressure used is the transition value between low and high pressure. With increasing nanoreinforcement content, the flowability decreases and the injection parameters must be adjusted to guarantee a complete filling of moulding cavity. The thermal debinding cycle was defined based on thermal analysis of M1. The binder removal rate was between 94 – 96 % for all the green components tested. After debinding step, no defects were found from this step. The MF was sintered at different temperatures (1150, 1200, 1250 and 1300 ºC) with aim of perceiving the influence of the sintering temperature. The SS 316L composites nanoreinforced with MWCNT were sintered at sintering temperature which shown best results: 1250 ºC, during 60 minutes, under controlled atmosphere. The sintering temperature showed to have some influence on the final properties of the sintered ones. The porosity presents acceptable values for the technique used (less than 5%) and the hardness presents higher values for higher sintering temperatures. In contrast, the Young’s modulus decreases with temperature. For all the conditions tested (%vol. of MWCNT and sintering temperature), the shrinkage of MMC component varied from 10 to 16.5%. What concern to %vol. of MWCNT (when this increases) the density shows an increased value that varying between 93 % and 97 %. Increasing the %vol. MWCNT, the hardness values showed an increase of 39% (with 3.3 %vol.) compared to MF, sintered in same conditions. What concern to YS values, increase with the addition of nanotubes, while the addition of 3.3 %vol. represents an increase of 76%, compared to 0.0 %vol.. With respect to the wrought material, the addition of 3.3 %vol. to composite presents higher values in hardness and UTS. The fracture surface of the mechanically tested samples was evaluated and the presence of the nanotubes was verified by SEM and TEM. The brown samples, reinforced with 1.7 and 3.3% vol. were coated with a thin film, with the aim of preventing the degradation of the MWCNTs during the thermal sintering process.

Nas últimas décadas, a moldação por injeção de pós metálicos (MIM), na sua variante - microMIM, é um processo de fabrico consolidado e uma alternativa competitiva para produzir peças metálicas de geometria complexa e pequeno tamanho e em grande escala, com elevada qualidade e reprodutibilidade. A notável expansão em diferentes setores industriais requer uma readaptação a novos materiais, com novas funcionalidades, como nanocompósitos. Esta tese concentra-se no processamento de nanocompósitos de pós SS 316L nanorreforçados com nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT), pela tecnologia de microMIM. O desafio deste trabalho é garantir uma homogénea distribuição dos MWCNT na matriz, produzir feedstocks nanocompósitos com características reológicas adequadas (para garantir a moldagem por injeção) e manter o teor de MWCNT, independentemente das etapas de processamento (remoção do ligante e sinterização). Por fim, otimizar as propriedades mecânicas dos nanocompósitos de SS 316L. Primeiramente, foi realizada a otimização dos feedstocks, bem como de todas as condições a os pós de SS 316L, sem adição de nanorreforço (denominado master feedstock - MF). As misturas com os pós de SS 316L e o ligante comercial (M1) foram otimizadas. A produção e caracterização dos feedstocks foi realizada respetivamente através de testes de reometria de binário e densidade/morfologia. O feedstock de SS 316L tem um binário inferior a feedstocks com outros pós metálicos (por exemplo, cobre) com o mesmo 2S (tamanho de partícula e distribuição de tamanho de partícula). A adição de diferentes percentagens (0.8, 1.7, 2.5 e 3.3% vol.) de nanorreforço aumenta sempre o valor do binário dos feedstocks, seja qual for a matriz e o tipo de nanorreforço (nanotubos ou nanopartículas). Considerando os elevados valores do torque, a adição de ácido esteárico revelou-se fundamental para baixar os valores do torque e tornar as misturas processáveis por moldação. A moldagem por injeção foi realizada numa microinjetora e a otimização dos parâmetros foi realizada para o feedstock sem nanorreforço - MF. A pressão de injeção utilizada é considerada a fronteira entre baixa e alta pressão. Com o aumento do teor de nanorreforço, a fluidez diminui e os parâmetros de injeção devem ser ajustados para garantir um completo preenchimento da cavidade moldante. O ciclo de remoção térmico do ligante foi definido com base analise térmica do M1. A taxa de remoção do ligante foi entre 94 – 96%, para todos os componentes verdes testados. Após a etapa de remoção do ligante, não foram encontrados defeitos nos componentes provenientes desta etapa. O MF foi sinterizado a diferentes temperaturas (1150, 1200, 1250 e 1300 ºC) com o objetivo de perceber a influência da temperatura de sinterização. Os SS 316L compósitos nanorreforçados com MWCNT foram sinterizados à temperatura de sinterização que apresentou melhores resultados: 1250 ºC, durante 60 minutos, sob atmosfera controlada. A temperatura de sinterização mostrou ter alguma influência nas propriedades finais dos sinterizados. A porosidade apresenta valores aceitáveis para a técnica utilizada (inferior a 5%) e a dureza apresenta valores maiores para maiores temperaturas de sinterização. Em contraste, o módulo de Young diminui com a temperatura. Para todas as condições testadas (%vol. de MWCNT e temperatura de sinterização), a retração dos componentes MMC variou de 10 a 16,5%. Relativamente à %vol. de MWCNT (quando esta aumenta), a densidade apresenta um aumento crescente, que varia entre 93% e 97%. O aumento do teor de MWCNT, revela um aumento de dureza na ordem dos 39% (com 3,3 %vol.) comparativamente com o MF sinterizado nas mesmas condições. Relativamente aos valores de YS, aumentam com a adição de nanotubos, representando um aumento de 76% com a adição de 3,3 %vol., em comparação com 0,0 %vol. No que diz respeito ao material de referência, a adição de 3,3 %vol. ao compósito induz num aumento de dureza e UTS. A superfície de fratura das amostras testadas mecanicamente foi avaliada e a presença dos nanotubos foi constatada por SEM e TEM. As amostras castanhas, reforçadas com 1,7 e 3,3% vol. foram revestidos com uma fina camada, com o objetivo de evitar a degradação dos MWCNT durante o processo de sinterização térmica.