Mechanical integrity of ceramic-metal composite materialsinfluence of microstructure and processing route

Resumen

El incremento de la población mundial y las demandas derivadas en consecuencia impulsan los esfuerzos en investigación hacia la búsqueda y puesta en servicio de recursos ecológicos, sostenibles y duraderos. En este sentido, el campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales tiene por compromiso el estudio y la producción de materiales que puedan brindar una prestación en condiciones extremas sin comprometer el medio ambiente, garantizando el mantenimiento de sus propiedades en todo momento. Estos escenarios de servicio severos – por ejemplo, alta temperatura, desgaste o trabajo en ambientes corrosivos – tienen aplicación en diversos campos, tales como la generación de energía (reactores nucleares de fusión), la minería o la aeronáutica. Una amplia rama de estos materiales corresponde a los metales duros o carburos cementados, unos materiales compuestos metal-cerámicos formados por una red predominante de partículas de carburo de wolframio (WC) embebidas en una matriz de cobalto (Co). Esta combinación ha estado fuertemente arraigada a la industria gracias a sus excelentes propiedades, sobre todo en cuanto a dureza y tenacidad, altamente valorables en el nicho de las herramientas de corte. Sin embargo, la inclusión en los últimos años del W y el Co en la lista europea de materias primas críticas y en programas toxicológicos tanto europeos como norteamericanos – REACH y NTP – han dirigido los estudios hacia la búsqueda de materiales alternativos. En este aspecto, existen dos estrategias: la sustitución parcial o total de la matriz metálica, y el cambio del WC por otra fase cerámica. Respecto a la matriz, las aleaciones base hierro (Fe) han demostrado ser claras opciones como competidoras del Co. Además, la adición de aleantes como el cromo (Cr), el níquel (Ni) o el aluminio (Al) ha manifestado una evidente mejora en cuanto a la resistencia a oxidación y corrosión de estos materiales, entre otras propiedades. En cuanto a la sustitución de la fase cerámica, los materiales basados en carbonitruro de titanio – Ti(C,N) –, también denominados cermets, se han establecido como excelentes candidatos, gracias a ventajas como su alta resistencia al desgaste o estabilidad química. La combinación de ambas estrategias supone un reto, pero también la opción más sostenible. En este sentido, los cermets Ti(C,N)-Fe15Ni han demostrado alcanzar muestras densas con microestructuras homogéneas, evidenciando una excelente mojabilidad metal-cerámica. Además, se ha evitado la evolución de una estructura de tipo core-rim en el carburo, aproximándose así a la configuración bifásica de los carburos cementados. En esta tesis se ha continuado con dicha línea de investigación, proponiendo una metodología flexible y sistemática para el diseño y producción de materiales duros alternativos con la que facilitar esta tarea. Este método aúna las herramientas de simulación termodinámica, validación y procesamiento experimental. Se ha estudiado la adición de nuevos elementos – Cr y Al – y diferentes composiciones, comparando los roles del WC y el Ti(C,N). Además, se han enfocado los esfuerzos en la evaluación de los efectos provocados por la ruta de procesamiento, un importante parámetro del que dependen en gran medida las propiedades finales del material. Al mismo tiempo, éstas también están altamente influenciadas por la microestructura final, que a su vez se ve afectada por el procesado o la composición, además de otros factores. Esta sinergia entre parámetros y la caracterización de sus efectos en el material han permitido llegar a una óptima combinación de composición, microestructura y propiedades mecánicas. Los materiales se han caracterizado en base a su densidad, composición final – espectroscopía de rayos-X y difracción de rayos-X a temperatura ambiente/alta –, microestructura, propiedades magnéticas, resistencia a corrosión o propiedades mecánicas, entre otras técnicas. Respecto a la evaluación mecánica, cabe destacar los análisis de nanoindentación masiva con los que se han extraído los valores intrínsecos de dureza de cada una de las fases constituyentes.