El cermet es un material compuesto formado por materiales cerámicos y metales. Su nombre proviene del inglés ceramic metal.
Los cermets se utilizan para combinar las cualidades de tolerancia a las altas temperaturas y a la abrasión de los cerámicos con la maleabilidad de los metales. Como matriz se utiliza el metal, usualmente níquel, molibdeno, o cobalto, y la fase dispersa está constituida por carburos refractarios, óxidos, boruros o alúmina.
Historia Durante la Segunda Guerra Mundial los científicos alemanes desarrollaron cermets usando óxidos a modo de cerámicos; estos se utilizaron para fabricar piezas de motores de avión, tanto a reacción como de hélices, puesto que resistían altas temperaturas y eran más ligeros que las aleaciones metálicas corrientes.
La Fuerza Aérea de los Estados Unidos advirtió un gran potencial en este tipo de materiales y financió investigaciones en centros como la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Ilinois entre otras, obteniendo un moderado éxito, pero hacia los años 50 el desarrollo se estancó.
Fue en la década 1970 cuando se recuperó el interés por desarrollar los cermets, con materiales como el nitruro de silicio y el carburo de silicio.
En el presente se ha desarrollado cermet de TiB2 por diferentes rutas de procesamiento. En primer lugar, se han procesado cermets por compresión isostática en caliente (HIP) con matrices basadas en aleaciones Fe-Ni-Ti-Al y Ni3(Al, Ti) con diversas fracciones de fase matriz. Los ciclos de HIP se realizaron a 1350 °C, 150MPa durante media hora. El procesamiento por HIP produjo materiales densos en todos los casos y se obtuvieron unas propiedades mecánicas para la matriz Fe-Ni-Ti-Al con durezas de HV10 entre 2225 y 1131kg/mm², tenacidades entre 8,6 y 13,8MPa y módulos elásticos entre 538 y 371GPa para porcentajes volumétricos de matriz entre 8 y 36%. En el caso de los cermets con matrices basadas en Ni3(Al, Ti) se obtuvieron durezas HV10 entre 1982 y 1649kg/mm² y tenacidades entre 10,1 y 11,9MPa para porcentajes volumétricos de matriz entre 10 y 20%.
Los ensayos de sinterización en alto vacío a 1500 °C durante una hora de los mismos cermets mostraron una mejor capacidad de densificación en los cermets basados en Ni3(Al, Ti). En los cermets con estas matrices se alcanzaban estados de porosidad cerrada para 16 y 20% de fase matriz, lo que las hizo aptas para ser procesadas posteriormente por HIP, dando lugar a una ruta de procesamiento por sinterización y HIP posterior (sinter-HIP) que producía cermets densos para dichas fracciones de fase matriz. Las propiedades de los materiales densificados por esta ruta se caracterizaban por una dureza HV10 entre 1648 y 1508kg/mm² y una tenacidad entre 10,1 y 10,7MPa.
El procesamiento de las mezclas de los materiales resultó ser crucial en varios aspectos: para la mejora de las propiedades mecánicas de los cermets, la posibilidad de obtener materiales de propiedades controladas a partir del uso de lotes de grados comerciales de TiB2 con distribuciones de tamaños perjudiciales para el crecimiento anómalo de grano y la posibilidad de poder procesar cermets densos con 10% en volumen de fase matriz por una ruta sinter-HIP.
Técnicas de molienda como el molino planetario o la molienda en túrbula en recipientes de Polietileno resultaron ser contraproducentes por la excesiva contaminación aportada a las mezclas. Dicha mejora se consiguió por el cambio de un procesamiento basado en mezcla en túrbula en recipientes de polietileno y bolas de acero a otro basado en molienda en recipientes de acero y elementos de molienda de cermets de TiB2. El procesamiento optimizado comprendía además el uso de alcohol isopropílico o Hexano como medio líquido, el uso de ligantes orgánicos como PEG o Parafina y etapas de desparafinado en los ciclos de Sinterización.
Las propiedades de los cermets optimizados con 16% de fase matriz obtuvieron unas propiedades mecánicas con una dureza HV10 de 1831kg/mm², una tenacidad de 13MPa y resistencias transversales a fractura (RTF) de 1431MPa. Los cermets con 10% de fase matriz se caracterizaron con una dureza HV10 de 2057kg/mm², una tenacidad de 9,9MPa y una RTF de 1197MPa. Los mecanismos de densificación hallados que permitieron semejante mejora de procesamiento en los cermets fueron de dos tipos. En primer lugar se detectó la presencia de un líquido eutéctico transitorio Ni - t durante el calentamiento en los cermets de matriz intermetálica, también presente en los cermets TiB2 - Ni los cuales obtienen densidades más elevadas al ser sinterizados, pero con muy bajas tenacidades. A dicho líquido se atribuyó el aumento de la capacidad de mojado de las partículas por parte de la matriz. Por otra parte, se evidenció el importante efecto de las partículas del aditivo TiAl3, añadido para aportar el Titanio y el Aluminio a la matriz.
La granulometría de este aditivo fue determinante para poder obtener condiciones de porosidad cerrada tras sinterizar, y una molienda adicional de este aditivo producía un incremento de la densidad. Este hecho se relacionó directamente con las mejoras observadas en el procesamiento por molienda de las mezclas. La porosidad remanente en las muestras optimizadas de densidad más elevada se atribuyó a las malas propiedades de mojado de las partículas de Alúmina presentes en la microestructura de estos cermets. Otro factor estudiado en los cermets de TiB2 fue su calidad superficial tras el procesamiento, importante por involucrar elevados costes de producción.
Se compararon los cermets con matrices basadas en Fe-Ni-Ti y Ni3(Al, Ti). Los cermets de fase matriz intermetálica mostraron una calidad superficial similar a la de los cermets de WC-Co, tras un procesamiento por sinter-HIP, creando una zona de reacción de espesor inconmensurable. Sin embargo, los cermets con matrices basadas en Fe-Ni-Ti mostraron una gran reactividad desarrollando zonas de reacción de decenas de micrómetros consistentes en TiC y Ti2O3 por la reacción del Titanio de la matriz con la atmósfera de HIP.
Las propiedades tribológicas de los cermets de TiB2 con 16% de matriz intermetálica mostraron en algunos casos unos valores similares de desgaste a los de un grado de metal duro con 10% de fase matriz en ensayos entre pares del mismo material. Los coeficientes de fricción fueron claramente inferiores a los del metal duro en los cermets de TiB2 en los pares del mismo material. La aplicación de los cermets de TiB2 como herramientas de corte de metales a elevada velocidad implicó la caracterización química de las interacciones entre estos. Se caracterizaron estas interacciones químicas con Titanio y acero con los cermets de TiB2, comparándolos con metales duros usados para el corte de estos materiales.
Los cermets de TiB2 mostraron una interacción menor en el caso del titanio sin que se afectase la estabilidad química del cermet, al contrario de lo que ocurría con el metal duro. El caso de las interacciones con el acero éstas fueron muy severas en los cermets de TiB2, produciéndose una reacción tanto con los aleantes del acero como el carbono, lo cual no se producía con el metal duro de manera tan drástica.
Entre las posibles aplicaciones sugeridas para los cermets de TiB2 del presente estudio cabe destacar: herramientas de corte de titanio, por baja interacción con éste; herramientas de corte de madera, por su elevada dureza y resistencia a la oxidación de la matriz; rodamientos para condiciones de trabajo abrasivas y corrosivas, por los mismos motivos; y componentes estructurales en los que se aplique una elevada velocidad de rotación y se requiera una elevada rigidez, como son los ejes de soporte de muelas abrasivas o substratos de discos duros por el elevado módulo específico de los cermets de TiB2. Los cermets, incluyendo los carburos cementados, constituyen una familia de materiales compuestos metal-cerámica, de amplia utilización industrial especialmente en el sector de las herramientas de corte.
Se fabrican por técnicas pulvimetalúrgicas y están constituidos por una fase metálica, compuesta habitualmente por cobalto (Co) o níquel (Ni), que aglomera a una fase cerámica, formada típicamente por carburos o carbonitruros de metales refractarios. Sin embargo, los metales utilizados como matriz, Co y Ni, son escasos, caros, y están considerados como nocivos para la salud y el medio ambiente. Por ello, existe un interés creciente en la sustitución de dichos metales por otros aglomerantes de entre los cuales el Fe, o aleaciones base Fe, son muy deseables por su abundancia, reciclabilidad, inocuidad, baja solubilidad con la fase cerámica, etc.
En este sentido, estudios realizados para el desarrollo de materiales compuestos base acero rápido indicaban la dificultad de introducir porcentajes de carburos superiores al 15% en volumen, mediante técnicas pulvimetalúrgicas (1-10), debido a los problemas para obtener buenas uniones matriz-refuerzo. Incluso con porcentajes menores existe el riesgo de formación de aglomerados de los carburos añadidos por una mala dispersión en la matriz (11). Sin embargo, el uso de técnicas de aleación mecánica (12, 13) pueden ayudar a resolver estos problemas ya que permiten la obtención de un polvo compuesto en el que los carburos añadidos se encuentran homogéneamente dispersos en cada partícula del material base.
Trabajos realizados combinando el uso de molienda de alta energía para la mezcla y compactación isostática en caliente para el conformado, han dado lugar a materiales con comportamiento a desgaste significativamente mejorado (14). Estos resultados indican que el uso de estas técnicas puede permitir introducir porcentajes mayores de fase cerámica. Por ello, el objetivo de este trabajo es estudiar la posibilidad de introducir altos porcentajes de carburos en una matriz de Fe utilizando técnicas de molienda de alta energía que implican procesos de aleación mecánica.
En el mercado existen algunos tipos de materiales base Fe con alto contenido en carburo de titanio (15). En el presente estudio se han utilizado carburos de wolframio (WC) y de Tantalio (TaC), por ser materiales comunes en los carburos cementados, lográndose la obtención de un polvo compuesto con carburos homogéneamente distribuidos en cada partícula, que puede ser procesado mediante técnicas pulvimetalúrgicas convencionales.
Procedimiento experimental Los materiales utilizados han sido, como material base, polvo de Fe atomizado en agua, tipo ASC100.29, de Höganäs AB, Suecia, y 0,5% en masa de grafito (>98% masa C, < 53μm). Como fase cerámica se ha utilizado carburo de wolframio (99,5% WC), y carburo de tantalio (99,5% TaC, < 45μm). Los porcentajes de adición de carburos al material base han sido 25% en masa WC y 25% en masa TaC. La suma de ambos porcentajes en masa representa un porcentaje en volumen del 35%. La mezcla se preparó en un molino de alta energía centrífugo, utilizando un ratio bolas/polvo de 10, en masa, y una velocidad de rotación de 500rpm. Para estudiar la evolución del polvo en el proceso de mezcla se tomaron muestras cada 2horas y se observaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), tomándose como tiempo final de molienda 10horas.
El polvo compuesto obtenido fue caracterizado, incluyendo un estudio de compresibilidad, utilizando presiones entre 550MPa y 700MPa, para determinar la posibilidad de compactar en matriz uniaxial. La densidad en verde obtenida fue del orden de la que presentan los carburos cementados, por lo que se procedió a la preparación de probetas mediante este método, y se realizó un estudio de sinterabilidad, en vacío, variando la temperatura (1230 °C a 1350 °C) y el tiempo desinterización (30 y 60minutos).