Una nueva técnica de impresión 3D permite producir carburo de tungsteno-cobalto excepcionalmente duro, utilizando menos cantidad de sus costosas materias primas. Al ablandar el material en lugar de fundirlo por completo, los investigadores crearon muestras sin defectos con una dureza de grado industrial, lo que abrió la puerta a una fabricación más eficiente.El carburo de tungsteno-cobalto (WC-Co) es muy valorado por su resistencia al desgaste intenso, la presión y el uso repetido.
Su excepcional dureza lo hace ideal para herramientas industriales, pero también supone un importante desafío para su fabricación. El material es difícil de moldear, costoso de producir y, a menudo, requiere más materia prima de la que finalmente se utiliza en el componente terminado. Investigadores han probado un método diferente para fabricar carburo cementado de WC-Co mediante fabricación aditiva (FA, también conocida como impresión 3D). Este enfoque podría reducir los residuos y los costos de producción, manteniendo la resistencia y la dureza que hacen que este material sea tan útil.
¿Por qué el carburo de tungsteno es tan valioso?
Los carburos cementados de WC-Co se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren extrema dureza y resistencia al desgaste, como herramientas de corte, taladros, maquinaria y herramientas de construcción. Este material combina carburo de tungsteno, que proporciona dureza, con cobalto, que actúa como aglutinante metálico que mantiene unidas las partículas de carburo.
Actualmente, los fabricantes producen estos materiales principalmente mediante metalurgia de polvos. En este proceso, finos polvos de WC y Co se comprimen a alta presión y se calientan en máquinas de sinterización. La sinterización une las partículas a temperaturas elevadas sin que sea necesario fundir completamente todos los componentes.
Este método produce piezas extremadamente duraderas, pero tiene inconvenientes. El tungsteno y el cobalto son materias primas costosas, y la producción convencional puede consumir una gran cantidad de material con un rendimiento relativamente limitado. Por ello, reducir los residuos es fundamental.
Los investigadores exploraron si la fabricación aditiva podría ofrecer una alternativa más eficiente. A diferencia de los métodos convencionales que dan forma a una pieza mediante el recorte de material o el llenado de un molde, la fabricación aditiva construye un objeto colocando el material solo donde es necesario.
Un láser y un hilo calentado construyen el carburo.
El equipo utilizó la irradiación láser con hilo caliente (también conocida como soldadura láser con hilo caliente), un proceso que combina un haz láser con un hilo de aporte precalentado. Calentar el hilo antes de que llegue a la superficie de trabajo permite añadir material de forma más rápida y eficiente. Esto puede aumentar la tasa de deposición (la cantidad de metal de aporte que se añade) a la vez que reduce la energía necesaria del láser.
Los investigadores probaron dos métodos de fabricación:
En el primer caso, el láser se dirigió hacia la parte superior de una varilla de carburo cementado, con la varilla posicionada delante de la dirección en la que se estaba construyendo el material. En el segundo caso, el láser lideró el proceso e irradió el área entre la parte inferior de la varilla de carburo cementado y el material base (hierro).
En lugar de fundir completamente los metales, ambos métodos los ablandaron lo suficiente como para formar y depositar el carburo cementado. Esta distinción es importante porque la fusión total del carburo de tungsteno puede alterar su estructura interna y reducir las propiedades que lo hacen valioso.
Los carburos cementados son materiales extremadamente duros que se utilizan para filos de herramientas de corte y aplicaciones similares, pero se fabrican a partir de materias primas muy caras como el tungsteno y el cobalto, por lo que reducir su consumo resulta sumamente deseable. Mediante la fabricación aditiva, el carburo cementado se puede depositar solo donde se necesita, reduciendo así el consumo de material
Afirmó el autor principal, Keita Marumoto, profesor adjunto de la Escuela de Posgrado de Ciencia e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima.
Se han logrado carburos de grado industrial sin defectos.
Los experimentos demostraron que este método podía preservar la dureza y la integridad mecánica asociadas al carburo cementado de WC-Co fabricado convencionalmente. Los investigadores produjeron un material base con una dureza superior a 1400 HV (unidad que representa la resistencia a la penetración), sin causar defectos ni descomposición.
La medida HV se refiere a la dureza Vickers, una prueba que evalúa la resistencia de un material a ser indentado por una punta dura. Un valor superior a 1400 HV sitúa al carburo resultante entre los materiales más resistentes que se utilizan habitualmente en la industria, solo por debajo de sustancias superduras como el zafiro y el diamante.
Los resultados sugieren que la fabricación aditiva puede producir moldes de carburo cementado sin defectos importantes, aunque los resultados variaron según la configuración de fabricación.
El método de guiado por varilla provocó la descomposición de parte del WC cerca de la parte superior de la estructura fabricada, generando defectos en el material final. El método de guiado por láser evitó algunos de estos problemas, pero inicialmente tuvo dificultades para mantener la dureza requerida.
Los investigadores abordaron este problema añadiendo una capa intermedia a base de aleación de níquel. Además, controlaron y monitorizaron cuidadosamente la temperatura para que se mantuviera por encima del punto de fusión del cobalto, pero por debajo de la temperatura de crecimiento de grano. El crecimiento de grano se produce cuando los cristales microscópicos dentro de un material aumentan de tamaño, lo que puede modificar su dureza y propiedades mecánicas.
Con esos ajustes, el equipo logró producir carburo cementado mediante fabricación aditiva sin sacrificar su dureza.
Una nueva estrategia para dar forma a materiales extremadamente duros
Los resultados sientan las bases para un mayor desarrollo, pero aún quedan varios retos por delante. Los investigadores buscan reducir las grietas, mejorar la durabilidad y determinar cómo fabricar formas más complejas.
El método de conformar materiales metálicos ablandándolos en lugar de fundiéndolos por completo es novedoso y tiene el potencial de aplicarse no solo a los carburos cementados, que fueron el objeto de este estudio, sino también a otros materiales
dijo Marumoto.
Los trabajos futuros se centrarán en la producción de herramientas de corte prácticas, en probar el proceso con materiales adicionales y en encontrar maneras de hacer que los componentes terminados sean aún más duraderos. Si se logra perfeccionar la técnica para la fabricación a gran escala, permitiría a los productores colocar el costoso carburo solo donde sea necesario. Esto haría que las herramientas avanzadas fueran menos derrochadoras y más económicas, a la vez que conservaran la extrema dureza requerida para el uso industrial.
El presente estudio fue realizado por Keita Marumoto y Motomichi Yamamoto, de la Escuela de Posgrado de Ciencia e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima.
