Materiales duros

El conjunto denominado como materiales duros está constituido por diversas familias de materiales desarrolladas a partir de 1900 y vinculadas tradicionalmente a las operaciones industriales de corte y conformado de metales.

Historia

Hasta finales del siglo XIX los aceros al carbono eran el único material de herramienta disponible en el mercado. En aquel entonces la selección del contenido en carbono del material adecuaba las propiedades del mismo a los requerimientos de cada aplicación. Desde este punto de referencia, los avances en el campo de materiales de herramienta han venido marcados por la obtención de materiales cada vez más duros y con mayores resistencias al desgaste, generalmente a expensas de cierta pérdida de tenacidad a la fractura. Entre estos materiales destacan cronológicamente los aceros rápidos, los carburos cementados y cermets, los recubrimientos para herramientas, las cerámicas avanzadas y los materiales superduros (base diamante o cBN), Figura 1.

Dentro de esta clasificación, los materiales compuestos cerámica – metal, son aquellos formados por uno o más componentes duros, pero relativamente frágiles y un ligante metálico dúctil que aporta el grado de tenacidad necesaria al material. El contenido en fase metálica se ajusta en todos los casos de forma que mantengan los niveles de dureza adecuados a la aplicación industrial de estos materiales.

La familia de los materiales compuestos cerámica-metal está constituida por los carburos cementados, metal duro (materiales basados fundamentalmente en la combinación WC y Co), los cermets (basados en la utilización de TiC o Ti(C,N) y Ni) y sus variantes recubiertas.

Las propiedades más importantes que deben poseer los materiales para herramientas son la resistencia al desgaste, la dureza, la tenacidad y la resistencia a la fractura.

¿Qué es el metal duro?

Es un grupo de materiales de elevada dureza y resistencia al desgaste, constituidos mayoritariamente por granos cerámicos cohesionados mediante un ligante metálico. La fase cerámica, responsable de la elevada dureza de estos materiales, está compuesta por carburos de uno o más de los siguientes metales: W, Ta, Nb y V.

La fase metálica está formada por cobalto puro (Co) o por diversas aleaciones de Co, Ni, Fe, Cr.

En la Figura 2 se muestran microestructuras típicas de aleaciones de metal duro.

Cada una de las fases descritas se conoce por los siguientes nombres:

Fase α: Los granos de WC.

Fase β: El ligante metálico (Co, Ni, etc).

Fase ϒ: Otros carburos simples o compuestos (TiC, Ta (Nb)C).

Las aleaciones comerciales típicas contienen entre 70 y 98% en peso de fase α + fase ϒ, siendo el resto fase β. Los tamaños de grano típicos de las fases α y ϒ, están entre 0.2 y 25 µm.

En la Figura 3 se muestran variantes que se conocen en función de la aplicación, son materiales muy versátiles, en los cuales, variando el contenido de metal o el tamaño de grano, se obtienen materiales con microestructuras y propiedades diferentes.

Las propiedades de los carburos cementados vienen dadas por la combinación de componentes muy diferentes. Por su parte, la fase ligante es blanda y dúctil, y la fase cerámica es frágil y dura, resistente al desgaste. De esta manera, seleccionando las materias primas apropiadas, composiciones y parámetros de procesamiento adecuados, se puede lograr una amplia combinación de propiedades mecánicas. En particular, su única combinación de dureza y tenacidad, los hacen atractivos para muchas aplicaciones industriales.

¿Cómo se procesa el metal duro?

El metal duro sólo puede obtenerse mediante tecnología pulvimetalúrgica (Figura 5 ). Este proceso permite fabricar piezas de elevada precisión, pese a la contracción tras el sinterizado.

La ruta pulvimetalúrgica consiste en varios pasos sucesivos que comienzan con la selección y mezcla de los polvos de partida. Posteriormente dichas mezclas se secan y granulan para ser conformadas mediante diversos métodos: compactación uniaxial, compactación isostática en frío, extrusión, etc. La selección del método de conformado depende de la geometría de la pieza final y de la serie a fabricar. Para piezas de serie corta y geometría compleja se utiliza la técnica de presinterizado, que consiste en un tratamiento térmico a temperaturas inferiores a la de fusión. De este modo se aumenta sustancialmente la resistencia en verde lo que permite realizar mecanizados complejos (siempre teniendo en cuenta la contracción posterior en el ciclo de sinterizado). En el ciclo se pretende eliminar completamente la porosidad, para lo que hace falta generar una cantidad suficiente de fase líquida. Este tratamiento térmico se da en vacío para evitar la oxidación y favorecer la reducción de óxidos durante la rampa de calentamiento. Por último, las piezas son sometidas a diversas operaciones de acabado en función de sus especificaciones dimensionales y/o funcionales.

Campos de aplicación del metal duro

Los campos de aplicación del metal duro son variados, tal y como se muestra en la Figura 6.

Estos materiales se implementan en componentes correspondientes a series desde muy cortas (cientas) a muy largas (millones). En términos de peso, las piezas del metal duro varían desde 0,1 g (puntas de bolígrafos) hasta más de 500 kg (matrices), aunque el promedio es de aproximadamente 10g, ya que su aplicación estrella, son las plaquitas de corte.

Tendencias en la industria del metal duro

El cobalto es el ligante por excelencia de los carburos cementados, gracias a sus nobles propiedades en cuanto a solubilidad y mojabilidad. Sin embargo, el uso y la disponibilidad de cobalto está actualmente en peligro tanto por su nueva clasificación como sustancia tóxica (normativa REACH) como por la creciente demanda de este metal para la fabricación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Es por eso que las tendencias en esta industria, están orientadas hacía el diseño y desarrollo de composiciones alternativas. Siendo el WC la fase duro en el metal duro, las matrices alternativas están basadas en Fe, Fe-Ni, Fe-Ni-Co. En el caso de sustituir la fase cerámica WC, el reemplazo sería por TiC, Ti (C,N), dando lugar a los CERMETS.

En los últimos años, las investigaciones en estos materiales también se han centrado en el uso de aleaciones con contenidos reducidos de cobalto y la incorporación de nuevas tecnologías de fabricación como por ejemplo la impresión 3D. De este modo, se pretende reducir la dependencia de la UE de materias primas críticas, no solo empleando menos cobalto en la fabricación de herramientas de metal duro, sino también reduciendo los residuos que se generan durante su fabricación.

Entre las tecnologías de impresión 3D disponibles, la más prometedora para la fabricación de componentes basados en WC-Co o aleaciones alternativas es la de proyección de aglutinante - Binder jetting- BJT , ya que la fusión laser no permite obtener microestructuras funcionales.

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