Antes de abandonar a los materiales compuestos de matriz metálica, vamos a detenernos aún en otro tipo de materiales hechos mediante la unión de metales y cerámicas que son de mucha importancia actualmente dado su uso en múltiples herramientas de corte. Nos referimos a los carburos cementados, que están constituidos principalmente por una cerámica, típicamente carburo de wolframio, y en menor medida por un metal como el cobalto que actúa a modo de aglomerante. Por esta razón, relacionada con la estructura del hormigón, reciben el nombre genérico de carburos cementados. Hay que tener en cuenta que, pese a tratarse estrictamente de materiales de matriz metálica, su contenido en peso de metal no suele superar el 20% en peso y a menudo supone solamente entre un 5% y un 10% del material.
La idea fundamental de este tipo de materiales es combinar la alta dureza y resistencia al desgaste del carburo de wolframio con la plasticidad de los metales. Como hemos visto en temas anteriores, las cerámicas avanzadas son muy duras pero frágiles y difíciles de trabajar. En ese sentido, el carburo de wolframio presenta propiedades similares a la de otras cerámicas que hemos visto, como el nitruro de silicio (apartado 5.1), el carburo de silicio (apartados 5.9 y 8.2) o el nitruro de boro (apartados 5.10 y 10.4).
El carburo de wolframio se descubrió a finales del siglo XIX junto con otros carburos cuando el científico francés Henri Moissan inventó un horno de arco capaz de alcanzar temperaturas de hasta 4000 oC con el que intentó preparar diamantes artificiales a partir de carbono disuelto en distintos metales. Este método no le permitió obtener diamantes artificiales, pero sí le sirvió para encontrar algunos nuevos compuestos, como boruros y carburos.
El carburo de wolframio es un polvo gris de fórmula WC que cristaliza en un sistema hexagonal y que es propenso a tener defectos que pueden variar ligeramente su estequiometria. El polvo puede ser prensado y sinterizado a alta temperatura para obtener piezas de distintas formas. Es un sólido extremadamente duro, casi tanto como el diamante y ligeramente menos que el nitruro de boro, por lo que casi todos sus usos están relacionados con esta propiedad, como pueden ser herramientas de corte y mecanizado, abrasivo, armas, etc.
Dada esta extraordinaria dureza y una escasa ductilidad, es muy habitual combinarlo con metales, como veremos en esta sección. La manera más común de trabajarlo es mezclando el carburo de wolframio en polvo con una pequeña cantidad de entre el 6% y el 10% en peso de cobalto en polvo. De este modo, durante la sinterización a altas temperaturas y presiones se obtiene un material compuesto formado por granos de carburo de wolframio embebidos en una matriz de cobalto que actúa como pegamento entre los granos de carburo. A este tipo de material, como hemos indicado antes, es a lo que se le llama un carburo cementado.
Este procedimiento fue ideado al final de la década de 1920 en Alemania, donde empezó a comercializarse por primera vez bajo el nombre de widia (un acrónimo de la expresión alemana “como el diamante”, wie diamant) y posteriormente se generalizó su uso en muchos otros países, como en la Unión Soviética, donde se desarrolló un carburo de wolframio cementado con un 10% de cobalto y una pequeña cantidad extra de carbono, conocido como pobedit, que se popularizó rápidamente y que a día de hoy sigue siendo un material habitual.
En la figura 8.5 podemos ver algunos ejemplos de la microestructura de los carburos cementados, que pueden obtenerse con tamaños de grano del carburo que oscilan entre 0,5 μm y alrededor de 5 μm o incluso mayores. En cualquier caso, los granos de carburo están diseminados en la matriz metálica. Como ya hemos visto en el tema de los metales, cuanto menor sea el tamaño de grano mejores serán las propiedades mecánicas, como se ejemplifica en la figura 8.5 con las gráficas de la dureza Vickers. Igualmente, a menos contenido en metal mayor es la dureza, como cabría esperar, ya que nos acercamos a los valores del carburo de wolframio puro (unos 2600 en la escala Vickers).
El tamaño de grano resultante se controla mediante las condiciones de presión y temperatura durante la sinterización, que normalmente es un proceso complejo que consta de varias etapas. Estas condiciones deben controlarse con sumo cuidado para obtener materiales lo más densos posibles y libres de porosidades. La composición inicial del polvo y en concreto el contenido total en carbono también son aspectos claves del proceso, ya que un defecto en la proporción de carbono provoca la aparición de fases espurias que estropean las propiedades de material final, mientras que un exceso provoca igualmente el empeoramiento de las propiedades debido a la aparición de grafito.
En el caso particular del carburo de wolframio cementado con cobalto puede aprovecharse el carácter magnético de este metal para realizar medidas magnéticas de magnetización de saturación y campos coercitivos (apartado 3.3) que revelan detalles de la morfología del material. Por ejemplo, la disminución de la imanación de saturación con respecto a cierto valor de referencia revela la presencia de fases espurias, mientras que una disminución indica la presencia de grafito. Del mismo modo, el valor del campo coercitivo está íntimamente ligado con el tamaño de grano de los carburos. Cuanto menor sea el tamaño de grano mayor será el campo coercitivo del material.
Es conveniente destacar, tal como indican J. García et al. en el artículo de revisión del que se ha adaptado la figura 8.5, que el campo de los carburos cementados está muy activo y que se producen alrededor de cien mil toneladas de estos materiales, especialmente desde que China empezó a fabricarlos no hace muchos años. Por ello continuamente se están produciendo mejoras tanto en el procesado de estos materiales como en su composición para buscar nuevos productos con mejores propiedades. Así, el carburo cementado WC/Co que acabamos de describir sería la versión más simple, mientras que podemos encontrar otros materiales de esta clase con microestructuras más complejas.
Por un lado, se ha probado a hacer carburos cementados con otros compuestos de molibdeno, cromo, tántalo, etc., o combinaciones de nitruros y carburos, mientras que, por otro lado, otras estrategias apuntan en la dirección de añadir otros metales además del cobalto a la matriz, como el titanio, o incluso el uso de aleaciones alternativas como las recientemente desarrolladas aleaciones de alta entropía (apartado 3.8). De hecho, durante la década de 1950 se acuñó el término cermet, que proviene de las palabras metal y cerámica y se reservó para este tipo de materiales compuestos de matriz metálica en los que esta matriz, en realidad, es la componente minoritaria de material, normalmente en proporción menor del 20% en volumen. De este modo, los carburos cementados pertenecen a esta familia más amplia de materiales que no se restringen al caso particular de la combinación de un carburo y un metal, sino que se emplean también óxidos, nitruros, boruros, etc., en combinación con todo tipo de metales como molibdeno, hierro, níquel, etc.
Finalmente, concluimos este apartado comentando la que es la aplicación estrella de los carburos cementados, que es la de su uso en herramientas de corte. En la figura 8.6 podemos ver una amplia selección de herramientas de corte manufacturadas por la empresa Sumimote Electric Carbide, que lleva comercializando carburo de wolframio cementado con cobalto desde 1931. Este material usado en herramientas ha tenido mucho éxito, ya que el mecanizado es una parte fundamental en el procesado de muchos materiales, especialmente los metálicos. El mecanizado es un proceso de fabricación que comprende un conjunto de operaciones de conformación de piezas mediante la eliminación de material, ya sea por arranque de viruta o por abrasión, por lo que incluye muchos procesos como el fresado, el taladrado, el limado, el torneado, etc. Dada la combinación de dureza, capacidad abrasiva y una relativa ausencia de fragilidad de los carburos cementados, se usan continuamente en el mecanizado de materiales resistentes como los aceros, así como en grandes series de producción en las que otras herramientas duran mucho menos. Además, las herramientas de carburo cementado pueden soportar temperaturas más altas que las confeccionadas con los mejores aceros. A menudo se usan pequeñas piezas de carburo cementado en forma de un pequeño inserto reemplazable en las herramientas que están constituidas por otros materiales más económicos. De este modo se minimizan los costes y se evita el astillado o rotura de las piezas de carburo cementado, que son las que están en contacto con el material de trabajo.
[1] Esta imagen ha sido adaptada del artículo de revisión J. García et al. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 80 (2019) 40-68. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.12.004, que a su vez había tomado material de la empresa Sandvik Coromant.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
