Cermet

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Un cermet es un ladrillo de cerámica formado por materiales cerámicos y metales. Su nombre proviene del inglés ceramic metal,

Los cermets están diseñados para combinar la resistencia a 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[editar]

Durante la segunda guerra mundial, científicos alemanes desarrollaron cermets usando como cerámico óxidos. Lo 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 los años 70 cuando se recuperó el interés por desarrollar los cermets, con materiales como el nitruro de silicio y el carburo del silicio. En el presente se han desarrollado cermet de TiB2 por diferentes rutas deprocesamiento. En primer lugar, se han procesado cermets por compresión isostática encaliente (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 1350ºC, 150 MPadurante media hora. El procesamiento por HIP produjo materiales densos en todos loscasos y se obtuvieron unas propiedades mecánicas para la matriz Fe-Ni-Ti-Al condurezas de HV10 entre 2225 y 1131 kg/mm2, tenacidades entre 8.6 y 13.8 MPa.m1/2 ymódulos elásticos entre 538 y 371 GPa para porcentajes volumétricos de matriz entre 8y 36 %. En el caso de los cermets con matrices basadas en Ni3(Al, Ti) se obtuvierondurezas HV10 entre 1982 y 1649 kg/mm2 y tenacidades entre 10.1 y 11.9 MPa.m1/2para porcentajes volumétricos de matriz entre 10 y 20 %.Los ensayos de sinterización en alto vacío a 1500ºC durante una hora de los mismoscermets mostraron una mejor capacidad de densificación en los cermets basados enNi3(Al, Ti). En los cermets con estas matrices se alcanzaban estados de porosidadcerrada para 16 y 20 % de fase matriz, lo que las hizo aptas para ser procesadasposteriormente por HIP, dando lugar a una ruta de procesamiento por sinterización yHIP posterior (sinter-HIP) que producía cermets densos para dichas fracciones de fasematriz. Las propiedades de los materiales densificados por esta ruta se caracterizabanpor una dureza HV10 entre 1648 y 1508 kg/mm2 y una tenacidad entre 10.1 y 10.7MPa.m1/2.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 obtenermateriales de propiedades controladas a partir del uso de lotes de grados comerciales deTiB2 con distribuciones de tamaños perjudiciales para el crecimiento anómalo de granoy la posibilidad de poder procesar cermets densos con 10 % en volumen de fase matrizpor una ruta sinter-HIP.Técnicas de molienda como el molino planetario o la molienda en túrbula en recipientesde polietileno resultaron ser contraproducentes por la excesiva contaminación aportadaa las mezclas. Dicha mejora se consiguió por el cambio de un procesamiento basado enmezcla en túrbula en recipientes de polietileno y bolas de acero a otro basado enmolienda en recipientes de acero y elementos de molienda de cermets de TiB2. Elprocesamiento optimizado comprendía además el uso de alcohol isopropílico o hexanocomo medio líquido de, el uso de ligantes orgánicos como PEG o prafina y etapas dedesparafinado en los ciclos de sinterización.Las propiedades de los cermets optimizados con 16 % de fase matriz obtuvieron unaspropiedades mecánicas con una dureza HV10 de 1831 kg/mm2, una tenacidad de 13MPa.m1/2 y resistencias transversales a fractura (RTF) de 1431 MPa. Los cermets con10 % de fase matriz se caracterizaron con una dureza HV10 de 2057 kg/mm2, unatenacidad de 9.9 MPa.m1/2 y una RTF de 1197 MPa.Los mecanismos de densificación hallados que permitieron semejante mejora deprocesamiento en los cermets fueron de dos tipos. En primer lugar se detectó lapresencia de un líquido eutéctico transitorio Ni - t durante el calentamiento en loscermets de matriz intermetálica, también presente en los cermets TiB2 - Ni los cualesobtienen 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 porparte de la matriz. Por otra parte, se evidenció el importante efecto de las partículas deladitivo TiAl3, añadido para aportar el titanio y el aluminio a la matriz. La granulometríade este aditivo fue determinante para poder obtener condiciones de porosidad cerrada tras sinterizar y una molienda adicional de este aditivo producía un incremento de ladensidad. Este hecho se relacionó directamente con las mejoras observadas en elprocesamiento por molienda de las mezclas. la porosidad remanente en las muestrasoptimizadas de densidad más elevada se atribuyó a las malas propiedades de mojado delas partículas de alúmina presentes en la micro estructura de estos cermets.Otro factor estudiado en los cermets de TiB2 fue su calidad superficial tras elprocesamiento, importante por involucrar elevados costes de producción. Secompararon los cermets con matrices basadas en Fe-Ni-Ti y Ni3(Al, Ti). Los cermets defase matriz intermetálica mostraron una calidad superficial similar a la de los cermets deWC-Co, tras un procesamiento por sinter-HIP, creando una zona de reacción de espesorinconmensurable. Sin embargo, los cermets con matrices basadas en Fe-Ni-Timostraron una gran reactividad desarrollando zonas de reacción de decenas demicrómetros consistentes en TiC y Ti2O3 por la reacción del titanio de la matriz con laatmósfera de HIP.Las propiedades tribológicas de los cermets de TiB2 con 16 % de matriz intermetálicamostraron en algunos casos unos valores similares de desgaste a los de un grado demetal duro con 10 % de fase matriz en ensayos entre pares del mismo material. Loscoeficientes de fricción fueron claramente inferiores a los del metal duro en los cermetsde TiB2 en los pares del mismo material.La aplicación de los cermets de TiB2 como herramientas de corte de metales a elevadavelocidad implicó la caracterización química de las interacciones entre éstos. Secaracterizaron estas interacciones químicas con titanio y acero con los cermets de TiB2, comparándolos con metales duros usados para el corte de estos materiales. Los cermetsde TiB2 mostraron una interacción menor en el caso del titanio sin que se afectaseestabilidad química del cermet, al contrario de lo que ocurría con el metal duro. El casode las interacciones con el acero éstas fueron muy severas en los cermets de TiB2, produciéndose una reacción tanto con los ale antes del acero como el carbono, lo cualno se producía con el metal duro de manera tan drástica.Entre las posibles aplicaciones sugeridas para los cermets de TiB2 del presente estudiocaben destacarse: 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 lamatriz; rodamientos para condiciones de trabajo abrasivos y corrosivos, por los mismosmotivos; y componentes estructurales en los que se aplique una elevada velocidad derotación y se requiera una elevada rigidez, como son los ejes de soporte de muelasabrasivas o substratos de discos duros por el elevado módulo específico de los cermetsde TiB2.Los cermets, incluyendo los carburos cementados, constituyen una familia de materialescompuestos metal-cerámica, de amplia utilización industrial especialmente en el sectorde las herramientas de corte. Se fabrican por técnicas pulvimetalúrgicas y estánconstituidospor una fase metálica, compuesta habitualmente por cobalto (Co) o níquel(Ni), que aglomera a una fase cerámica, formada típicamente por carburos ocarbonitruros 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 elmedioambiente. Por ello, existe un interés creciente en la sustitución de dichos metalespor otros aglomerantes de entre los cuales el Fe, o aleaciones base Fe, son muydeseables por su abundancia, reciclabilidad, inocuidad, baja solubilidad con la fase cerámica, etc. En este sentido, estudios realizados para el desarrollo de materialescompuestos base acero rápido indicaban la dificultad de introducir porcentajes decarburos superiores al 15 % en volumen, mediante técnicas pulvimetalúrgicas (1-10), debido a los problemas para obtener buenas uniones matriz-refuerzo. Incluso conporcentajes menores existe el riesgo de formación de aglomerados de los carburosañadidos por una mala dispersión en la matriz (11). Sin embargo, el uso de técnicas dealeación mecánica (12, 13) pueden ayudar a resolver estos problemas ya que permiten laobtención de un polvo compuesto en el que los carburos añadidos se encuentranhomogéneamente dispersos en cada partícula del material base. Trabajos realizadoscombinando el uso de molienda de alta energía para la mezcla y compactación isostáticaen caliente para el conformado han dado lugar a materiales con comportamiento adesgaste significativamente mejorado (14). Estos resultados indican que el uso de estastécnicas puede permitir introducir porcentajes mayores de fase cerámica. Por ello, elobjetivo de este trabajo es estudiar la posibilidad de introducir altos porcentajes decarburos en una matriz de Fe utilizando técnicas de molienda de alta energía queimplican procesos de aleación mecánica. En el mercado existen algunos tipos demateriales base Fe con alto contenido en carburo de titanio (15). En el presente estudiose han utilizado carburos de wolframio (WC) y de tantalio (TaC), por ser materialescomunes en los carburos cementados, lográndose la obtención de un polvo compuestocon carburos homogéneamente distribuidos en cada partícula, que puede ser procesadomediante técnicas pulvimetalúrgicas convencionales.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL[editar]

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, < 53 μm). Como fase cerámica se ha utilizado carburo de wolframio (99,5 % WC, y c arburo de tantalio (99,5 % TaC, < 45 μm). Los porcentajes de adición de carburos al material base han 25 % en masa WC y 25 % en masa TaC. La suma de ambosporcentajes en masa representa un porcentaje en volumen del 35 %.La mezcla se preparó en un molino de alta energía centrífugo, utilizando un ratiobolas/polvo de 10, en masa, y una velocidad de rotación de 500 rpm. Para estudiar laevolución del polvo en el proceso de mezcla se tomaron muestras cada 2 horas y seobservaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), tomándose comotiempo final de molienda 10 horas. El polvo compuesto obtenido fue caracterizado, incluyendo un estudio de compresibilidad, utilizando presiones entre 550 MPa y 700MPa, para determinar la posibilidad de compactar en matriz uniaxial. La densidad enverde obtenida fue del orden de la que presentan los carburos cementados, por lo que seprocedió a la preparación de probetas mediante este método, y se realizó un estudio desinterabilidad, en vacío, variando la temperatura (1230 ºC a 1350 ºC) y el tiempo desinterización (30 y 60 minutos). En todos los casos la velocidad de calentamiento y deenfriamiento para la sinterización fue de 5ºC/min.Las propiedades evaluadas fueron densidad, densificación, variación dimensional ydureza, además de un estudio micro estructural. La densidad se determinó mediante unmétodo basado en el Principio de Arquímedes, de acuerdo a la norma MPIF42; los valores obtenidos se expresan como densidad relativa frente a la densidad teórica(10,08g/cm3). La dureza se midió en escala Rockwell A, siguiendo la norma MPIF 43.El estudio micro estructural de los materiales sinterizados se realizó mediante MEB, utilizando la técnica de electrones retrodispersados (BSE) para identificar las fases pordiferencia de contraste y por microanálisis por dispersión de energía (EDX).

RESULTADOS Y ANÁLISIS[editar]

Obtención del polvo compuestoEn las imágenes de MEB, tomadas en el modo de electrones retro dispersados (BSE), del polvo obtenido después de varios tiempos de molienda se pueden distinguir lasprincipales etapas implicadas en el proceso de aleación mecánica. Después de 2 horasde molienda solamente algunos carburos se han incorporado a las partículas del Fe base;después de 4 horas, se encuentran partículas formadas por láminas de Fe base ycarburos. A partir de 6 horas las partículas de polvo están constituidas por carburosfinamente dispersos en el Fe base, produciéndose a tiempos mayores la conminación delas partículas de polvo. Para esta fase del estudio se consideró que después de 10 horasde molienda se había obtenido un grado de homogeneización suficiente para suprocesado posterior. Mayores tiempos de molienda podían endurecer el polvo en excesoy ser necesario un recocido previo (14), además de dar lugar a tamaños de partículademasiado finos para ser conformado por compactación uniaxial. Este estudio microestructural indica que la etapa de molienda ha sido satisfactoria en cuanto a la obtencióndel polvo compuesto.Estudio de sinterabilidadLa evolución de la densidad relativa y la variación dimensional en función de latemperatura y tiempo de sinterización. La característica más destacable es que sealcanzan valores de densidad del 99,85 % de la teórica, a 1350 ºC, para los dos tiemposde sinterización empleados. Cabe destacar que la influencia del tiempo de sinterizaciónen la densidad se aprecia para temperaturas inferiores a 1340 ºC, suponiendo un mayortiempo incrementos de densidad considerables.Por otro lado, la variación dimensional que experimentan las probetas sigue la mismatendencia que la densidad, alcanzándose valores de contracción del 14 % para lastemperaturas mayores, comparables también con las que experimentan los carburoscementados. La evolución de la dureza con la temperatura y tiempo de sinterizaciónsigue de nuevo las mismas tendencias que las anteriores propiedades, como se apreciaen la figura 4, alcanzándose valores máximos de 73 HRA, valor ligeramente inferior a los carburos cementados de mayor contenido en fase metálica, como era de esperardebido a que en el material objeto de estudio la cantidad de fase cerámica es menor. Sinembargo, este valor de dureza puede ser incrementadomediante tratamientos térmicos. Estudio micro estructuralEl estudio micro estructural realizado mediante MEB indica que el aumento de latemperatura de sinterización da lugar a cambios en la forma, tamaño y composición delos carburos presentes en los materiales.Para bajas temperaturas de sinterización es difícil distinguir los dos tipos de carburosañadidos por diferencias de contraste, ya que ambos tienen números atómicos mediosmuy similares. Sin embargo, al aumentar la temperatura, se aprecian diferencias decontraste, que implican diferencias de composición, además de un cambio en el tamaño.Así, los carburos ricos en W adquieren una tonalidad más oscura debido a quereaccionan con el Fe de la matriz dando lugar a carburos complejos, de mayor tamaño, mientras que los carburos de Ta permanecen estables en composición y tamaño. Lasreacciones entre carburos y matriz dan lugar a un incremento en la cantidad de fasecerámica.Con ayuda de técnicas de análisis de imágenes se ha contabilizado que el área ocupadapor la fase cerámica a 1250 ºC es de 47 %, mientras que a 1350 ºC es del 52 %.Estas reacciones aseguran además una buena unión matriz-refuerzo.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS[editar]

VENTAJAS Las herramientas de cerámico, cuando se montan adecuadamente en soportes adecuadosy se utilizan máquinas precisas y rígidas, ofrecen las siguientes ventajas:El tiempo de maquinado es menor al que efectúan las herramientas de carburo, debido alas altas velocidades de corte a las que se someten estas herramientas de cerámico.Resultan altas tasas de eliminación de material y aumentos de productividad.Las herramientas de cerámico utilizada en condiciones adecuadas es más dura que lasherramientas de carburo tiene una vida útil más larga.Tienen alta resistencia al desgaste.Los cortadores de cerámico soportan la abrasión de la arena y de las inclusiones que seencuentran en las piezas fundidas. Se produce un mejor acabado superficial del que es posible con otras clases deherramientas de corte. DESVENTAJAS Son frágiles y por lo tanto tienden a astillarse fácilmente.El costo inicial de los cerámicos es mayor que el de los carburos.Requieren de una máquina más rígida que la necesaria para otras herramientas de corte.Para que los cerámicos corten eficientemente son necesarias potencia y velocidad decorte considerablemente mayores.

FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA GEOMETRIA FINAL DE UNA HERRAMIENTA[editar]

1. El material a maquinar2. La operación realizada3. El estado de la máquina4. La rigidez del montaje5. La rigidez del dispositivo portaherramientas.Algunas otras consideraciones generales pueden ser:Ángulos de AtaquePor la fragilidad de estas herramientas, los ángulos de por lo regular son negativos. Unángulo de esta clase permite que el impacto de la fuerza de corte de absorba hacia atrásde la punta, protegiendo así la arista cortante.Materiales de la pieza de trabajo 

Ángulos de ataque 

Aceros al carbono y de aleación: recocidos y termo tratados ( Neg. 2 a 7 )Hierro colado: Duro (o enfriado) Gris (o dúctil) ( 0 a Neg. 7 )No férreo Duros o suaves ( 0 a Neg. 7 )No metálicos: Madera, papel, cerámicos verdes, fibra, asbesto, caucho (hule), carbón, grafito ( 0 a 10 Velocidades de Corte .Cuando se utilizan cerámicos en el maquinado, se debe aplicar la mayor posiblevelocidad de corte, tomando en consideración las limitaciones de la máquina-herramienta, que logre una duración de herramienta razonable. Ya que la mayor partedel calor generado escapa con la viruta, la velocidad de corte puede ser 2 a 10 vecesmayor que con otros cortadores.Al utilizar una herramienta de cerámico se debe tomar en cuenta que una herramientadiseñada para un trabajo no necesariamente es la adecuada para otro.Afilado de herramientas de cerámico.Para un buen afilado de estas herramientas se recomiendan ruedas cementadas porresinoides e impregnadas de diamantes. Se utiliza una rueda de grano grueso para eldesbaste y una rueda de por lo menos 220 granos, para el acabado. Después de afilar laherramienta hay que pulirla.

Herramientas de corte hechas de Cermet[editar]

Los cortadores de cermet son buriles fabricados con diversas combinaciones cerámicasy metálicas.Tipos de herramientas de cermetExisten dos tipos de útiles cortantes de cermet:* Los compuestos de materiales con base de carburo de titanio* Los que contienen materiales con base de nitruro de titanio.Los cermets de carburo de titanio (Tic) tienen un cementante de níquel y molibdeno, yse producen mediante prensado en frío y sinterización al vacío. Se aplican extensamentepara el acabado de hierros colados y aceros que requieren altas velocidades de corte.Recientemente se ha agregado nitruro de titanio al carburo de titanio para producircermets combinados de carburo de titanio-nitruro de titanio (Tic-TiN).Los cermets se consideran un reemplazo efectivo en costo para los buriles de carburo yde cerámico.Características de las herramientas de cermet:Tienen gran resistencia al desgaste y son para velocidades de corte mayores que laspermitidas a las herramientas de carburo.El engrosamiento de la arista y la formación de cráteres son mínimos, lo que aumenta laduración de la herramienta. Tienen cualidades de dureza al rojo mayores que las de los cortadores de carburo, peromenores que las de los buriles cerámicos.Tienen una menor conducción térmica que las herramientas de carburo porque el calorse va con la viruta.La resistencia a la fractura es mayor que la de las herramientas cerámicas, pero menor alas herramientas de carburo.Ventajas de las herramientas de cermet:Dejan buen acabado superficialTienen alta resistencia al desgasteMayores velocidades de corte que en los cortadores de carburo, a una misma duraciónde la herramienta.Operando a la misma velocidad que las herramientas de carburo, la vida de laherramienta de cermet es más larga.Uso de las herramientas de cermetLos cermet de carburo de titanio son los más duros y se emplean principalmente paramaquinar aceros y hierro colado.Los insertos de nitruro de titanio y carburo de titanio se utilizan para maquinado desemiacabado y de acabado de aceros y hierros colados más duros (menos de 45 Rc), como aceros de aleación, acero inoxidable, placa para blindaje y piezas de metalurgia de polvos.

Conclusiones[editar]

Es posible la obtención de materiales compuestos base Fe con densidad total mediantetécnicas pulvimetalúrgicas convencionales.El proceso de aleación mecánica es clave para el éxito en la producción de este tipo demateriales ya que permite una buena distribución de carburos en la matriz evitando laformación de aglomerados.La dureza que presentan los materiales en estado sinterizado es comparable a la de los aceros rápidos en el mismo estado, siendo posible el aumento de la misma mediantetratamientos térmicos.La micro estructura de los materiales sinterizados presenta cambios significativos alaumentar la temperatura de sinterización. Los carburos añadidos reaccionan con lamatriz formando carburos complejos que dan lugar a mayor cantidad de fase cerámicapresente, y proporcionando buena unión matriz-refuerzo.

Datos Adicionales[editar]

Un cermet es un metal duro con partículas duras de base de titanio. El nombre cermetviene de combinar las palabras cerámica y metal. Originalmente, los cermets erancompuestos de TiC y níquel. Los cermets modernos no contienen níquel y tienen unaestructura diseñada con un núcleo de partículas de carbonitruro de titanio Ti(C,N), unasegunda fase dura de (Ti, Nb,W)(C,N) y un aglutinante de cobalto rico en W.El Ti(C,N) aporta resistencia al desgaste a esta calidad, la segunda fase dura incrementala resistencia a la deformación plástica y la cantidad de cobalto controla la tenacidad.Si se compara con el metal duro, el cermet tiene mejor resistencia al desgaste y menortendencia al empastamiento. Por otro lado, presenta también menos tensión compresivay menos resistencia a los cambios bruscos de temperatura. Los cermets también puedenllevar recubrimiento PVD para mejorar la resistencia al desgaste.

Aplicaciones[editar]

  • Sellos y juntas que unen materiales cerámicos con metales.
  • Celdas de combustible.
  • Turbinas de motores a reacción.
  • Potenciómetros de calidad.

Las calidades cermet se utilizan en aplicaciones con empastamiento en las que el filo deaportación resulta problemático. Su patrón de desgaste autoafilante mantiene bajas lasfuerzas de corte incluso tras periodos prolongados de mecanizado. En operaciones deacabado, esta característica supone una prolongación de la vida útil de la herramienta ytolerancias estrechas, con resultado de superficies brillantes.Las aplicaciones típicas son acabado en acero inoxidable, fundición nodular, acero debajo contenido en carbono y acero ferrítico. Los cermets también se pueden aplicar pararesolver problemas en materiales férreos.

Sugerencias[editar]

  • Utilice avance y profundidad de corte reducidos.
  • Cambie el filo de la plaquita cuando el desgaste en incidencia llegue a 0.3 mm.
  • Evite las fisuras y fracturas térmicas mecanizando sin refrigerante.