Materiales compuestos cerámica/metalefecto del tamaño de la fase metálica (micro o nanométrico) sobre las propiedades mecánicas

Resumen

En esta tesis doctoral se ha realizado una investigación sobre nuevos materiales compuestos micro/nanoestructurados cerámica/metal de elevada dureza. El interés más inmediato de estos materiales nanoestructurados con elevada dureza se encuentra en las herramientas de corte y mecanizado. Se están dedicando muchos esfuerzos al diseño de materiales superduros (con durezas superiores a los 25 GPa). A pesar de que el diamante es el material más duro conocido, y es irreemplazable en herramientas de desbastado, taladros, herramientas de corte para cementos, piedras de pulido, y herramientas de mecanizado, presenta el gran inconveniente de reaccionar con el Fe y el Si, por lo que no puede ser empleado en una aplicación tan demandada por la industria como es el mecanizado del acero. Por esta causa, durante los últimos 20 años se han venido estudiando otros materiales superduros alternativos como son los carburos, nitruros y boruros. Sin embargo, presentan otro gran inconveniente y es que durante la síntesis de estos materiales intrínsecamente duros se precisan condiciones extremas de presión y temperatura. En ocasiones, se requieren herramientas con formas muy específicas, como ruedas dentadas, que presentan ciertos relieves y perfiles intrincados difíciles de mecanizar. Si los materiales son conductores, se hace posible la mecanización por descargas eléctricas o EDM, siglas que provienen del ingles "Electro Discharge Machining". Para muchos sistemas, la solución ha sido la adición de una tercera fase al sistema cerámica/metal que lo haga conductor, como por ejemplo, el TiC. Principalmente se han buscado sistemas compuestos nanoestructurados, donde el metal era W o Ni, ya que poseen módulos de cizalladura (G) elevados y, por tanto, a nivel nanométrico elevan la dureza del material cuando el contenido metálico se encuentra entre 2 y 3% vol., tal como predice un modelo teórico propuesto sobre la base de la ley de las mezclas, el efecto Hall-Petch y la teoría de la percolación. Las matrices seleccionadas fueron cerámicas oxídicas, por presentar mayor estabilidad que las no oxídicas y, además de ser químicamente compatibles con el metal, ambos se han seleccionado de modo que presentaron coeficientes de dilatación térmica similares para evitar la presencia de tensiones residuales en el compacto final. Los sistemas objeto de estudio fueron: MgAI2O4/W, AI2O3/W y AI2O3/Ni. Para el caso de MgAI2O4/W, al ser un sistema totalmente novedoso, del que no se puede encontrar ninguna cita bibliográfica previa sobre su procesamiento y/o propiedades mecánicas, su estudio se abordó inicialmente a escala micrométrica, para poder establecer posteriormente comparaciones con la escala nanométrica. Para los otros dos sistemas de base alúmina se abordó el estudio directamente a escala nanométrica. Para todos los materiales se eligieron procesamientos por vía húmeda. El sistema MgAI2O4/W resultó ser muy interesante por las excelentes propiedades mecánicas que presenta, en especial comportamiento curva-R, tolerancia a los defectos y alta resistencia a la propagación subcrítica de grietas. Se observó una perfecta continuidad estructural en la interfase entre la cerámica y el metal tanto a nivel micrométrico como nanométrico, en este último caso se ha observado crecimiento epitaxial de las nanopartículas de W sobre la matriz cerámica. Para la sintetización de los nanomateriales se empleó la novedosa técnica del SPS ("Spark Plasma Sintering") que presenta la peculiaridad de requerir temperaturas y tiempos de sinterización inferiores a los requeridos para las técnicas de sinetrización convencionales, por lo que tras la consolidación del material se retiene el tamaño nanoestructurado del polvo cerámica/metal procesado. En el caso de los materiales de W se presentaron diversos problemas para la sinterización por falta de densidad y contaminación con C formándose W2C durante consolidación de los materiales. Por el contrario, ninguno de estos problemas se presentaron para los materiales desarrollados cuando la 2ª fase era Ni. En el caso del sistema AI2O3/Ni se obtuvo un material con dureza de 25 GPa para la composición del 2.5 % vol., por lo que se le adicionó una tercera fase de TiC, que lo convirtió en un buen conductor eléctrico y, por tanto, electromecanizable, que presentó valores de conductividad térmica superiores a los de la alúmina a temperaturas superiores a 500º C. El material de AI2O3/Ni, con la adición de una 3ª fase de TiC resultó ser un material que cumple con las prioridades mecánicas que actualmente presentan las herramientas de corte y/o mecanizado del acero.