materiales superduros

Comprenderel metal duro

S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S

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El materialque no claudicaLa propiedad ms valiosa del metal duro,comparado con todos los dems mate-riales, es que constituye la solucin mssegura a uno de los problemas msdifciles con que tienen que enfrentarselos tcnicos: la fiabilidad.

La fiabilidad es con frecuencia unproblema de desgaste. Y la resistenciaal desgaste es precisamente la caracte-rstica ms destacada del metal duro.Si un producto tambin ha de soportarla deformacin, los impactos, las grandescargas, una alta presin, la corrosin ylas altas temperaturas, el metal duro ocarburo cementado suele ser el nicomaterial que puede cumplir estosrequisitos satisfactoriamente.

Es bien conocido desde hacetiempo que para fabricar herramientas

de corte y perforacin de roca, el recursoptimo es el metal duro. Durante muchosaos, este material tambin ha demostradosu superioridad en un gran nmero deotras aplicaciones en el campo de lasherramientas e ingeniera.

Considerando en general los pro-ductos industriales y productos de con-sumo, las averas a menudo son causadaspor el fallo de un slo componente oestructura. La solucin puede ser optarpor el uso de una pieza de alto rendi-miento fabricada con metal duro.

La experiencia en este campomuestra que las mejores soluciones enel diseo de productos son el resultadode una estrecha cooperacin entre losingenieros que representan la aplicaciny los que trabajan en la tecnologa del

metal duro. Los mejores resultados seconsiguen cuando esta cooperacin seestablece en una fase inicial del desar-rollo de un producto, cuando todava esposible adaptar el diseo y aprovecharplenamente las ventajas del material.

La intencin de este folleto esservir de manual de referencia sobre eldiseo y aplicaciones del metal duro.

Los datos y grficos reproducidosaqu representan los valores tpicosobtenidos en ensayos de laboratorio.

Las recomendaciones relativas ala seleccin de grados de metal duropara aplicaciones especficas se basanen ensayos de laboratorio y en la expe-riencia, y slo pueden emplearse paraindicar el comportamiento en aplica-ciones similares.

La denominacin materia-les duros se emplea para

designar los materialescuya dureza es superior a la

de cualquier tipo de acero.El diamante es el materialde mayor dureza, seguido

del nitruro de boro cbico yla cermica. Tras ellos seencuentra el metal duro,

que actualmente es el mate-rial ms importante en estesector de la tcnica, abar-

cando una amplia gama decombinaciones de dureza y

tenacidad.

Diamante

Nitruro de boro cbico

Cermica (KIC 2-8 MN/m3/2)

Metales duros (KIC 5-25MN/m3/2)

Aceros rpidos(KIC 5-25MN/m3/2)

Resistencia a la flexin, N/mm2

Dureza, HV


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Los metales duros son una gama demateriales compuestos por partculas decarburo unidas mediante un aglutinantemetlico. La proporcin de la fase decarburo generalmente es entre el 70 yel 97% del peso total del material com-puesto, y el valor medio de su tamaode grano vara entre 0,4 y 10 m.

El carburo de tungsteno (WC), lafase dura, junto con cobalto (Co), elaglutinante, forman la estructura bsicael metal duro, a partir de la cual se handesarrollado variantes de este material.Adems de las composiciones a basede carburo de tungsteno y cobalto, el

metal duro puede contener distintas pro-porciones de carburo de titanio (TiC),carburo de tantalio (TaC) y carburo deniobio (NbC). Estos carburos son solublesentre s. y tambin pueden disolver unaalta proporcin de carburo de tungs-teno. Asimismo, se fabrican metalesduros que tienen la fase aglutinante decobalto aleada con metales como elhierro (Fe), el cromo (Cr), el nquel(Ni) y el molibdeno (Mo) o aleacionesde estas substancias.

Por tanto, el metal duro consta detres fases individuales. En trminosmetalrgicos, la fase de carburo de

tungsteno (WC) se denomina fase (alfa), la fase aglutinante (es decir, Co,Ni etc.), fase (beta) y otras fases decarburo combinadas (TiC, Ta/NbC,etc.), fase (gamma).

A excepcin de las aplicacionespara corte de metales, no hay ningunaclasificacin internacional aceptada paralos metales duros. Sin embargo, los gradosde metal duro desarrollados Sandvikcoinciden dentro de los cuatro gruposprincipales que se describen en la pginasiguiente.

Tiposde metal duro

Gama de aplicaciones delmetal duro puro.

Contenido de cobalto, % en peso

22002000

18001600

1400

1200

1000

800

Dureza,

HV 30

Herramientasde percusinHerramientas paraminera y obras pblicasHerramientas para elcorte de ladrillos y roca

Rodillos de laminacinen caliente

Herramientas de con-formacin en frio

Herramientaspara corte

metales

Hileras detrefilado yestirado

Herra-mientas

paratrabajar la

maderaHerramientaspara mecanizarmaterialescompuestos

Tamao de grano,WC, m

Ilustracin de la portada:microestructura de metal

duro WC-Co de granomuy grueso tras ataque

electrolitico. Ampliacin: 1500x.


Gradosde WC-CoEste grupo slo contiene WC y Co (esdecir, dos fases) y pocos oligoelementos.Son grados que se clasifican segn sucontenido de cobalto y el tamao degrano de WC.

Los grados con un contenido deaglutinante entre el 10 y el 20% enpeso y con un tamao de grano de WCentre 1 y 5 m tienen una alta resistenciay tenacidad, combinadas con una buenaresistencia al desgaste.

Los grados con un contenido deaglutinante del orden del 3-15% y contamaos de grano inferiores a 1 m tie-nen una gran dureza y resistencia a lacompresin, combinadas con una resi-stencia al desgaste excepcionalmentealta.

El programa de grados de Sandviktambin comprende grados WC-Co queutilizan una gama de tamaos de granode WC ultrafinos (< 0,5 m). Con estostamaos de grano fino uniforme puedeconseguirse una excepcional combinacinde dureza, resistencia al desgaste ytenacidad.

Grados resistentesa la corrosinEste grupo comprende los grados demetal duro en los que la fase aglutinanteha sido preparada especficamente paraconseguir una resistencia a la corrosinsuperior a los grados que slo contienencobalto.

Dicha propiedad se consigue ale-ando el cobalto con elementos talescomo el nquel y el cromo, o reemplazn-dolo enteramente por una aleacin msresistente a la corrosin.

Grados Dual Property (DP)Grupo integrado por los grados en losque la distribucin de su fase aglutinantese ha modificado a fin de crear unmaterial con una zona superficial y unncleo de distintas propiedades.

Este revolucionario concepto,desarrollado por Sandvik, permite fabricarcomponentes compuestos por distintaszonas microestructurales, cada una conun contenido de aglutinante diferente.Por ello, cada zona tiene distintas pro-

piedades, razn por la cual se utiliza eltrmino Dual Property (propiedadesduales).

En la pgina 17 se presenta msinformacin sobre el metal duro DP.

Grados con contenidode carburos cbicosEste grupo consta de grados que con-tienen una proporcin significativa de lafase , (Ti, Ta, Nb) C junto con WC yCo, (es decir materiales de tres fases).

Las principales caractersticas dela fase son una buena estabilidad tr-mica, bajo crecimiento del grano yresistencia a la oxidacin.

Estas calidades se han preparadopara conseguir un buen equilibrio entrela resistencia al desgaste y la tenacidaden aplicaciones en las que el metalduro mantiene un contacto ntimo conmateriales frricos y se generan tempe-raturas altas. Tpicamente, estas condi-ciones se generan al mecanizar o ensituaciones de contacto deslizante a altapresin en las que se produce la solda-dura y gripado de las superficies.

4

Microestructura de un grado WC-Co. Microestructura de un grado con contenido de fase .

5 m


5

Clasificacin del tamao de granoSandvik Hard Materials utiliza la siguiente clasificacin de tamao de grano en todas sus grados estndar.

Ultrafino Extrafino Fino Medio Semigrueso Grueso Supergrueso< 0,5 m 0,5 - 0,9 m 1,0 - 1,3 m 1,4 - 2,0 m 2,1 - 3,4 m 3,5 - 5,0 m > 5,0 m

5 m


6

Resistencia al des-gasteLa caracterstica ms importante delmetal duro es su resistencia al desgaste.Esta propiedad, o dicho ms correcta-mente, combinacin de propiedades,tiene que ver con fenmenos que sedesarrollan en la superficie del material.

Cuando dos superficies se deslizanuna contra otra, se desprende materialde ambas. Si la carga es baja, la prdidade material se realizar por el desprendi-miento de granos individuales o partesde ellos. En general este proceso sedenomina friccin.

A una carga ms alta, la prdida dematerial tiene lugar por desprendimientode granos conglomerados. Este procesoes conocido con el nombre de abrasin.

Ambos fenmenos, que conducen a laprdida de material superficial, contri-buyen al desgaste. En la prctica, lasprdidas de material tambin son influ-idas por el entorno, sobre todo si seproduce corrosin u oxidacin. Lanaturaleza del desgaste es muy complejay el ritmo en que se produce depende demuchas variables. Los valores generalespara fines comparativos deben examinarsecrticamente. Sin embargo, la evaluacinde la resistencia al desgaste puedehacerse en un laboratorio bajo condi-ciones normalizadas. Este anlisis indicaentonces slo un orden de clasificacinentre los materiales que se han ensayadobajo las condiciones especificadas.

Propiedadesdel material

En un ensayo basado en ASTM B611-85, un disco rotativo,

sumergido parcialmente en una pastaformada por partculas de xido de

aluminio (Al2O3) en agua, presiona laprobeta ensayada contra la periferia.La resistencia al desgaste abrasivo esinfluida por el contenido de cobalto y

por el tamao de los granos de carbu-ro de tungsteno, tal como se muestra

en los diagramas.

Resistencia al desgaste en funcin del contenido de Cocon WC de diferente tamao de grano, segn el mtodode ensayo ASTM B611-85.

Resistencia al desgaste en funcin de la dureza (ASTM B611-85).

cm-3

Extrafino

Medio

Semigrueso

% Co en peso

cm-3

Extrafino

MedioSemigrueso

Dureza Vickers

Disco de acero

Probeta ensaya-da

Palas mezclado-rasPasta abrasiva

F

Resistencia al desgaste Resistencia al desgaste

7El mtodo de Palmqvist utiliza la longitud de una grie-ta de esquina en una indentacin de dureza Vickerspara derivar la tenacidad de rotura. El factor de inten-sidad de tensin crtico se define como:

Tenacidad de rotura en funcin del contenido de Co endiferentes tamaos de grano de WC.

KIC = 6,2 (HV50)1/2 en MN/m3/2L

MedioGrueso

% Co en peso

Extrafino

Ultrafino

L3

L2

L1

L4


TenacidadCuando las piezas estn sometidas acargas externas, estticas o dinmicas,en el material se producen tensionesmecnicas. Por tanto, en un material laresistencia mecnica y deformabilidadson propiedades importantes. En muchoscasos, sobre todo cuando se trata decargas ocasionadas por impactos, lasdos citadas propiedades tienen queconsiderarse al mismo tiempo. Este esel significado del vocablo tenacidadque puede definirse como la capacidadde resistir las roturas, es decir, deresistir una separacin completa en dospartes como mnimo.

La tenacidad puede definirse ydeterminarse de muchas formas. Conla definicin antedicha, como valor dela tenacidad puede emplearse el productointegrado de la fuerza y deformacinque ocasionan la rotura.

Un procedimiento usado comn-mente para determinar la tenacidad delos metales duros es el mtodo dePalmqvist. En este caso, la tenacidadde rotura del material la representa sufactor de intensidad de tensin crtico,KIC.

Los resultados de los ensayos detenacidad muestran que esta propiedadse incrementa con el contenido deaglutinante, y al aumentar el tamaode grano de WC.

En comparacin con otros mate-riales metlicos, el metal duro se encuentraen la parte inferior de la escala de tenaci-dad, aproximadamente al mismo nivelque el acero templado.

Por definicin, segn lo confirmaun examen de la fractura, el metal durodebe clasificarse como un material fr-gil, puesto que prcticamente no seproduce deformacin plstica algunaantes de su rotura. No obstante, distintos

grados de metal duro muestran grandesdiferencias en su comportamiento enlas pruebas de tenacidad. La mejormanera de explicarlo es examinandocuidadosamente la microestructura. Lostipos de rotura son roturas transcristalinasen los granos de metal duro, roturas enlos lmites entre los granos de metalduro y roturas por cizallamiento en elaglutinante. En general, el nmero deroturas transcristalinas incrementa alaumentar el tamao de grano y el deroturas por cizallamiento cuando seincrementa el contenido de aglutinante.Expresado como energa de rotura, loque ms contribuye a la tenacidad es elaglutinante, es decir, el recorrido de lagrieta por el mismo.

La mecnica de rotura modernaproporciona un medio de explicar latenacidad puesto que aborda las condi-ciones de iniciacin de las grietas y sucrecimiento en materiales no homo-gneos sometidos a tensiones.


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La dureza en funcin del contenido de Co para diver-sos tamaos de grano de WC.

Dureza relativa a diferentes temperaturas.

%

Extrafino

Medio

SemigruesoSupergrueso

% Co en peso Temperatura, C

Dureza relativa

El mtodo Vickers se basa en la inden-tacin producida por una pirmide de

diamante sobre una superficie demetal duro pulida. La dureza es inver-samente proporcional al tamao de la

huella producida.

F0 F1

x

y

La resistencia al desgaste y latenacidad son dos propiedades complejas,indicando ambas la susceptibilidad deun material a soportar la destruccin.Slo es posible conseguir una altaresistencia al desgaste si se reducen losrequisitos de una alta tenacidad y vice-versa. No obstante, es posible obtenersimultneamente una gran resistencia aldesgaste y alta tenacidad siempre queambas propiedades puedan redistribuirse.Hay dos maneras de conseguirlo: conmetal duro DP o con revestimientos decapas delgadas de materiales resistentesal desgaste. Las combinaciones poten-ciales son numerosas y, en consecuencia,a continuacin slo trataremos el metalduro homogneo convencional.

DurezaLa dureza se determina normalmenteutilizando el mtodo de identacin ick-ers segn la norma EN 23 878 (ISO3878). Este mtodo permite usar diver

Vickers segn la norma EN 23 878(ISO 3878). Este mtodo permite usardiversas cargas pero HV30 es la prefe-rida. Con una fuerza de 30 kg, 294 N,se produce una identacin medible conmnimas grietas en los vrtices. En losgrados ms duros, el tamao de lahuella y las grietas reducen la exacti-tud y precisin de la medida.

A veces se emplean otros mtodostales como el Rockwell A (ISO 3738).El mtodo Rockwell es similar alVickers, pero se basa en el uso de uncono de diamante y la profundidad deindentacin se emplea como una magni-tud de la dureza. No hay ninguna baseterica para conversin entre ambossistemas. Por ello la determinacin quecorresponda debe emplearse para compa-raciones.

La dureza aumenta al disminuir elcontenido de aglutinante y el tamaode grano. La gama de durezas se exti-

ende, a grandes rasgos desde la de losaceros para herramientas, 700 HV,hasta 2200 HV.

La dureza disminuye al aumentarla temperatura debido a que incrementala plasticidad del material.


9

La probabilidad de que haya grandes defectos esmayor en un volumen grande.

La resistencia a la flexin se determina como la cargade rotura para la seccin de la probeta:

Rbm = 3FLk2bh2

V1 V2

b

h

L

k= factor de correccin del chafln(normalmente 1,00-1,02)

Resistencia mecnicaTodos los materiales contienen unacierta cantidad de defectos tales comoporos, inclusiones y microfisuras. Estosdefectos reducen su resistencia.

En el caso de los materiales dc-tiles (cobre, aceros bajos en carbono, etc.)la frecuencia y tamao medio de losdefectos son factores importantes mientrasque en el caso de un material frgil (porejemplo aceros templados y metalesduros) dicha frecuencia por encima deun cierto tamao limita la resistencia.Por tanto, este ltimo fenmeno haceque la resistencia mecnica dependadel volumen ya que la probabilidad deencontrar defectos importantes crece alaumentar el volumen del material.

Weibull ha establecido una relacinentre la resistencia de un material y sudependencia en el volumen de los de-fectos crticos. La conclusin de la teorade Weibull es que la relacin puededescribirse utilizando la frmula:

en donde 1 y 2 son las tensiones de

rotura correspondientes a los volmenesV1 y V2, respectivamente, y m es unfactor derivado de la diseminacin delas tensiones de rotura en el material.

El metal duro moderno de altacalidad tiene un valor m de aproximada-mente 9. Los valores de m altos corres-ponden a pequeas variaciones en lastensiones de rotura y a materiales pocodependientes en el volumen.

En la prctica, la distribucin delas tensiones es compleja y la teora deWeibull slo ofrece una descripcinparcial. Sin embargo, es posible hacer unclculo de la probabilidad de rotura deun determinado volumen de metalduro en el que se conoce cmo estndistribuidas las tensiones.

Normalmente un metal duro dealta calidad se considera que es unmaterial extremadamente exento dedefectos.

No obstante, los procesos de con-formacin, tales como rectificado y laelectroerosin pueden comportar quese produzcan importantes defectossuperficiales, con lo que se reduce laresistencia del producto terminado.

El uso de metal duro de baja cali-

dad, en el que ya haya defectos, incre-menta el riesgo de rotura prematura y devariaciones en el rendimiento.

Resistencia a la flexinEl ensayo de resistencia a la flexin(TRS) es la manera ms sencilla y comnde determinar la resistencia mecnicadel metal duro. Segn el mtodo estan-darizado EN 23 327 (ISO 3327), unaprobeta de una longitud especificada ycon una seccin transversal acha-flanada, rectangular, se coloca sobredos apoyos y se carga centralmentehasta que se produzca la rotura.

La resistencia a la flexin (TRS) esla mediana de varios valores registrados.La TRS alcanza un valor mximo conun contenido de cobalto de alrededordel 15% (en peso) y un tamao degrano de WC entre medio y grueso.

Generalmente se prescinde de ladeformacin plstica, que es muypequea, puesto que slo se nota en losmetales duros ms tenaces.

Las piezas de ensayo debernestar sinterizadas o rectificadas.

2 = (V1)1/m

1 V2


10

Dependencia de la resistencia a la flexin con respectoal volumen.

Resistencia a la flexin en funcin del contenido de Co.Por encima de un 20% de Co, la relacin es perturbadapor la interferencia de otros mecanismos de fractura.

La resistencia relativa a la flexin en funcin de latemperatura para un metal duro de grano de WC detamao medio, y el 11% de Co.

Relacin de volumen V2/V1

%

Temperatura, C % Co en peso

Roturacompleja

Rotura sim-ple

Resistencia a la flexinResistencia relativa a la flexin N/mm2

Medio

Un rectificado cuidadoso, reali-zado sin producir grietas ni defectossuperficiales, incrementa los valores deTRS en comparacin con los obtenidosen probetas sinterizadas.

Los fabricantes de herramientasrotativas de metal duro han adoptadoun mtodo de ensayo TRS modificado,para hacerlo ms apto a la geometrade las herramientas macizas de metalduro, y permitir realizar el ensayo conrapidez.

En dicha variante del ensayo se usauna modificacin de la probeta estndarsegn EN 23 327 (ISO 3327). Consta deuna probeta cilndrica de 3,25x38 mm.Dicho ensayo ha sido adoptado comoestndar industrial y ahora se ha propues-to que se incluya en la norma ISO.Utilizando esta probeta cilndrica seevita el efecto de borde de la probetaestndar rectangular.

Como resultado de ello, los datosobtenidos de este ensayo muestran unos

valores de TRS superiores a los realiza-dos con una probeta rectangular. Tpi-camente, los valores de TRS obtenidosen probetas cilndricas superan un 20%los obtenidos en probetas de seccincuadada. Por tanto, debe obrarse conprecaucin cuando se comparan los datos.

La resistencia a la flexin dis-minuye al aumentar la temperatura. Contiempos de carga prolongados y altastemperaturas, los metales duros muestranun comportamiento de deformacin lento.


Resistencia a la traccinEnsayar la resistencia a la traccin delos materiales frgiles es dificultoso. Laprecisin del ensayo es muy sensible ala preparacin de la probeta (la super-ficie debe ser perfecta) y a las cargassuperpuestas procedentes de los dispo-sitivos de sujecin, que ocasionan ten-siones adicionales muy complejas.

Sin embargo, usando la teora deWeibull es posible derivar la resistenciaa la traccin del valor de TRS. Con m=9la resistencia a la traccin es el 56%del valor de TRS.

Resistencia a la compresinUna de las propiedades ms importantesde los metales duros es su altsimaresistencia a la compresin bajo cargasuniaxiales. La forma de las tensionescon este tipo de cargas no desemboca dehecho a la rotura por compresin, sinoa una situacin prxima a la rotura porcizallamiento. Las tensiones cortantesen el momento de la rotura de la probetacomprimida son aproximadamente lamitad de las de la compresin, quesuperan en mucho a la pura resistenciaal cizallamiento.

La norma EN 24 506 (ISO 4506)define un mtodo apropiado para deter-minar la resistencia a la compresin.Para obtener valores exactos en elmetal duro debe utilizarse una probetade geometra modificada, con objetode superar los efectos de borde y decontacto asociados con una probeta deensayo cilndrica simple.

Cuando se aplica carga, primerose produce una deformacin elstica,aunque antes de la rotura tambin tienelugar una cierta deformacin plstica.La curva de tensiones/esfuerzos puedecaracterizarse de la forma normal, con lainclinacin desde el origen (mdulo deYoung), uno o ms valores de esfuerzos

residuales y las tensiones de rotura. Elgrado de deformacin plstica disminuyecuanto mayor es la resistencia a la com-presin.

La resistencia a la compresinaumenta al disminuir el contenido deaglutinante y el tamao de grano. Ungrado de metal duro con granos de WCde tamao pequeo y un bajo contenidode aglutinante tiene tpicamente unaresistencia a la compresin prxima a7.000 N/mm2.

La resistencia a la compresindisminuye al aumentar la temperatura. Elgrado de deformacin plstica aumentamucho con la temperatura, haciendoque la probeta adquiera forma de barrilantes de fracturarse, lo cual hace quelos resultados sean inciertos.

Resistencia al cizallamientoEs difcil realizar ensayos puros decizallamiento. Con todo, los estudiosde probetas rotas indican que la resis-tencia al cizallamiento es de un gradoigual, o ligeramente superior, a la resi-stencia a la traccin.

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Resistencia a la compresin en funcin del contenidode Co, para WC con distintos tamaos de grano.

Resistencia a la compresin en funcin de la tempera-tura para metal duro de grano grueso con el 13% deCo.

% Co en peso

Extrafino

Medio

SupergruesoSemigrueso

F

F%

Temperatura, C

Resistencia a la compresin

Resistencia relativa a la compresin

Resistencia ala fatigaLa resistencia a la fatiga del metal durobajo cargas de compresin pulsantes,normalmente es del 65-85% de la resi-stencia a la compresin esttica en2x106 ciclos. No se ha encontrado unlmite definido de la resistencia a lafatiga, lo cual equivale a una vida deservicio infinita, a diferencia del casodel acero y otros metales.

La resistencia a la fatiga incrementaal disminuir el tamao de grano delWC y el contenido de aglutinante.


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Curvas de Whler de ensayos de fatiga por compresinen distintos metales duros. El lmite de carga inferiores 250 N/mm2.

Mdulo de Young, coeficiente de cizallamiento y coeficiente de Poisson

El mdulo de Young y el coeficiente de Poisson en fun-cin del contenido de Co.

El metal duro es un material muy rgido.Su mdulo de elasticidad, o mdulo deYoung (E) es de 2 a 3 veces superior aldel acero y aumenta linealmente al dis-minuir el contenido de aglutinante. Lasadiciones de la fase reducen elmdulo de Young. Es difcil realizarmediciones exactas con slo las curvasde tensiones/esfuerzo. Por ello, se usanlas mediciones de resonancia de lasondas transversales o longitudinales paraobtener unos resultados ms fiables. Elmdulo de Young se determina segnEN 23 312 (ISO 3312).

La mejor forma de determinar elmdulo de cizallamiento (G) es de unaforma similar, utilizando ondas de torsin.Los valores para el metal duro se encuen-tran entre 180 y 270 kN/mm2.

Con los valores de E y G puedecalcularse el coeficiente de Poisson ()segn la frmula:

= E -12G

N/mm2

Nmero de ciclos de carga

Ultrafino, 6% Co en peso

Fino, 6% Co en peso

Grueso, 8% Co en peso

Grueso, 15% Co en peso

kN/mm2

% Co en peso

E

Resistencia a la fatiga por compresin

Mdulo de Young y coeficiente de Poisson


Coeficiente de dilatacin linealDebido a que el carburo de tungstenotiene un coeficiente de dilatacin linealmuy bajo, los metales duros con WC-Co alcanzan valores de aproximadamentela mitad de los aceros ferrticos y marten-sticos, mientras que la proporcin conlos aceros austenticos es de aproxima-damente1:3.

Si se incluye el carburo de titanio,los valores son ligeramente superioresa los de los metales duros con sloWC-Co.

Propiedades trmicas

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Densidad en funcin del contenido Co. (Slo metalesduros de WC-Co).

La densidad se determina segn la normaEN 23 369 (ISO 3369). La gran variacinen la densidad de los constituyentes delmetal duro (es decir WC=15,7 g/cm3,Co=8,9 g/cm3, TaC 13,2 g/cm3 yTiC=4,9 g/cm3) conduce a grandesvariaciones en la densidad de los metalesduros, en lnea con su composicin.

Tpicamente, la densidad de losmetales duros puede ser del 50 al 100%superior a la del acero. Este es unaspecto importante cuando el peso esun factor significativo en el diseo decomponentes.

Densidad

Dilatacin trmica en funcin del contenido de Copara dos intervalos de temperatura diferentes.

g/cm3

% Co en peso

10-6/C

% Co en peso

20-800 C

20-400 C

Densidad

Coeficiente de dilatacin lineal


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Propiedades elctricasy magnticas

ResistividadLos metales duros de WC-Co tienen unaresistividad baja, siendo un valor tpico20 cm. Los metales duros con lafase tienen una resistividad ms alta.

ConductividadComo consecuencia de la baja resisti-vidad, los metales duros de WC-Co sonbuenos conductores, teniendo un valorde aproximadamente el 10% del estndarde cobre. La presencia de carburos queforman la fase , por ejemplo, carburode titanio, reduce considerablementeeste valor.

Debido a la presencia de cobalto(y niquel) en la fase aglutinante, losmetales duros muestran propiedadesferromagnticas a la temperatura ambi-ente.

Temperatura de CurieLa transicin del estado ferromagnticoal paramagntico de la fase aglutinantede cobalto se produce en una gama detemperaturas entre unos 950 y 1050 C,dependiendo de la composicin de laaleacin.

PermeabilidadAunque los metales duros de WC-Cocontienen una fase aglutinante ferro-magntica, por lo comn poseen unabaja permeabilidad magntica. Esta seincrementa con el contenido de cobaltoy su gama tpica de valores es de 2hasta 12 cuando el valor en vaco esigual a 1.

Conductividad trmica en funcin de la temperatura,diferentes microestructuras y tamaos de grano de WC.

W/(m C)

Temperatura, C

GruesoMedioFino

Bajo contenido de fase Alto contenido de fase

Conductividad trmica

Conductividad trmicaLa conductividad trmica de los metalesduros de WC-Co es aproximadamenteel doble de la de los aceros sin alear, yuna tercera parte de la del cobre. Eltamao de grano del carburo de tungstenotiene una influencia menor, pero lapresencia de la fase disminuye con-siderablemente la conductividad trmi-ca.

Calor especficoA temperatura ambiente, la capacidadtrmica especfica de las calidades conslo WC-Co es de aproximadamente150-350 J/(kgC), lo cual es casi lamitad del valor de los aceros sin alear.


La corrosin del metal duro conduceen general a que la fase aglutinantedesaparezca de la superficie, y por ello, enla regin superficial queda un esqueletode carburos. La adherencia entre granosde carburo adyacentes es bastantedbil, y en consecuencia aumentar sudeterioro. Cuando el contenido de la faseaglutinante es bajo, el esqueleto demetal duro est ms desarrollado y, enconsecuencia, estos grados presentanuna resistencia al desgaste y a la corrosincombinadas superior a la de gradosequivalentes con un mayor contenidode fase aglutinante. Sin embargo, en laprctica, este efecto es insuficiente paraofrecer una mejora significativa en lavida til del material. La poca resistenciaa la corrosin de los grados con sloWC-Co hace que suelan ser inadecuadosen aplicaciones donde el efecto decorrosin es acentuado. Para estas apli-caciones Sandvik ha desarrollado unaserie de grados altamente resistentes ala corrosin.

Tal como se muestra en el dia-grama, los grados con slo WC-Co sonresistentes hasta un pH de 7. Esto tambinrige para los tipos de WC-Co que con-tienen carburos cbicos tales como TiC,TaC y NbC. La mxima resistencia a lacorrosin se obtiene en ciertos gradosTiC-Ni, que son resistentes hasta un pHde 1, pero comparados con los gradoscon slo WC-Co son frgiles y tienenuna conductividad trmica inferior.Tambin tienen la desventaja de serdifciles de rectificar y soldar. Por tanto,slo se emplean en aplicaciones especficascon grandes requisitos anticorrosivos yde resistencia al desgaste, y en las quela resistencia mecnica y a los choquestrmicos son menos importantes.

En la mayora de las situacionesde corrosin-desgaste, la mejor opcinson los grados especiales WC-Ni, quetienen una resistencia hasta un pH de2-3. Han demostrado ser resistentes a lacorrosin incluso en aplicaciones conpH inferiores a 2. Debido a que tienenel WC como fase dura, y el Ni y el Coson metales similares en la mayora deaspectos, sus propiedades mecnicas ytrmicas son comparables a las de lascalidades con slo WC-Co.

El valor del pH es uno de los par-metros ms importantes al determinarla corrosividad de un medio, aunqueotros factores tambin tienen unainfluencia significativa, tales como latemperatura y la conductividad elctricadel medio. Esta ltima depende de la

concentracin de iones, es decir de lacantidad de sales disueltas en la solucin.En consecuencia, no se puede definir lacorrosividad de un medio determinadode forma sencilla, y no hay reglas gene-rales vlidas en todas las situaciones.Con todo, como primera indicacin dela resistencia a la corrosin de losmetales duros, la tabla Sandvik Guapara la seleccin de metal duro resistentea la corrosin muestra distintos tiposde metales duros expuestos a algunosmedios comunes.

Para la seleccin concreta de ungrado, recomendamos que los ensayosse desarrollen en el medio consideradoo, slo para orientacin, que se hagaun anlisis del medio en cuestin.

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Resistencia a la corrosin

Velocidad de corrosin en funcin del valor de pH para distintos tipos demetal duro ensayados en soluciones tampn. Estos ensayos incluyen un trata-miento final de desgaste de la superficie mediante tamboreado, con el fin de obtener un valor autntico de la profundidad de la zona superficialcorroda.

Velocidad de corrosin

Gradoscon sloWC-Co

Gradosde WC-Nialeadas

Gradosde TiC-Ni

aleadas

No resistente

Baja resistencia

Resistente

Alta resistencia

mm/ao

Zona superficial con ungran volumen de fase dura(WC) y un volumen bajo defase aglutinante (Co) a finde incrementar la resis-tencia al desgaste. Las ten-siones de compresingarantizan una mayor resi-stencia.

Zona intermedia enriqu-ecida con fase aglutin-ante de Co, para aumen-tar la tenacidad.

Ncleo con contenido defase aglutinante de Co entrelas dos otras capas.

Mandril de estirado fabricado demetal duro DP.


Con frecuencia se requiere que muchosproductos tengan un ncleo con unmaterial dotado de unas propiedadesbastante diferentes de las que se necesitanen la capa superficial, o en la mismasuperficie de la pieza terminada.

Desde un punto de vista mecnicopuede precisarse que el componentetenga un cuerpo robusto y rgido, perotambin pueden ser exigencias de ser-vicio igualmente importantes queposea una alta resistencia al desgaste y ala corrosin. Los materiales que cumplenestos distintos requisitos no deben tenernecesariamente la misma composiciny microestructura por toda su masa.

El acero compuesto es un ejemplode material que, incorporando una capaexterna de un material caro, altamentealeado, se ha empleado durante largotiempo para combinar propiedades derobustez de cuerpo, con resistencia

superficial a la corrosin. Tambin sehan desarrollado combinaciones similarespara herramientas de corte, en dondeun delgado revestimiento brinda unaresistencia al desgaste apropiada, mien-tras la base de metal duro posee la soli-dez mecnica precisa en operacionesexigentes. En las piezas sometidas adesgaste, la situacin a menudo es muysimilar. En el caso de un mandril, laresistencia al desgaste de la superficiees muy importante, pero al mismotiempo se precisa tenacidad y solidezmecnica para soportar la zona super-ficial. El desgaste que sufren las herra-mientas empleadas en la extraccin deminerales y en las obras pblicas sueleser muy intenso y requiere el uso demateriales de gran dureza, pero tambines preciso que la herramienta tengauna alta tenacidad para soportar cargasde choque.

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Gradientes y materialescompuestos

Tras un amplio programa deinvestigacin y desarrollo, Sandvik HardMaterials ha introducido dos productosque ofrecen soluciones a esos problemas.Tienen unas caractersticas nicas ensu gnero, que no se consiguen con unslo material homogneo.

El primero se basa en el metalduro DP de Sandvik, cuya proporcinde componentes duros en la superficiey el ncleo es distinta, a fin de conseguirla combinacin ptima de dureza, resi-stencia al desgaste y tenacidad.

El segundo producto consta deun material compuesto, el metal duroSandvik Cast-in. Es una combinacinde dos materiales distintos, un metalduro rgido y resistente al desgaste,sobre una base de fundicin de hierrotenaz, que es menos cara y ms fcilde mecanizar.


Metal duro Sandvik DPEn los metales duros convencionales,la resistencia al desgaste y tenacidadmantienen entre s una relacin tal que unincremento en una de estas propiedadesocasiona una merma en la otra.

Sandvik ha desarrollado un tipototalmente nuevo de metal duro de WC-Co cuya resistencia al desgaste y tena-cidad pueden incrementarse indepen-dientemente entre s. Mediante unaredistribucin controlada de la faseaglutinante de cobalto, ahora puedenfabricarse componentes de metal duroque contengan tres distintas zonas micro-estructurales, cada una con distintaspropiedades. Estos gradientes, junto conlas diferencias en dilatacin trmica,redistribuyen las tensiones internas. Porejemplo, es posible crear una capa super-ficial muy dura y resistente al desgaste,la cual al mismo tiempo est precargadacon tensiones de compresin para evitarla iniciacin y propagacin de grietas.

Un metal duro dotado de la citadadistribucin de propiedades tiene unaalta resistencia al desgaste en la super-ficie, combinada con un ncleo tenaz.

A estos materiales, por tanto, se les hadado la designacin DP Dual Property(Propiedades duales). Su campo deaplicacin inicial fue en la perforacinde roca. Otras aplicaciones, tales comoen herramientas para el estirado de tubosy el trefilado de alambre, tambin hanconfirmado que se obtienen unas mejoresprestaciones.

El sistema DP est protegido porpatentes de Sandvik.

Metal duro SANCIC Sandvik Cast-inCarbideUtilizando grnulos o placas de metalduro como refuerzo de una superficie defundicin de hierro, hemos desarrolladouna nueva generacin de materialescompuestos. La elevada inalterabilidadal desgaste del metal duro se combinacon la resistencia y tenacidad de lafundicin de hierro. En el proceso decolada se establece una fuerte adherenciametalrgica entre el metal duro y elhierro. Los grnulos se utilizan antetodo en productos expuestos a fuertes

impactos. Las placas se utilizan enzonas de gran erosin o para fortaleceresquinas o aristas afiladas. Como esnatural, los grnulos y placas puedenmezclarse en un mismo producto.

Los grnulos representan alre-dedor del 50% del volumen de la zonacompuesta y tienen un tamao mediode 1 a 6 mm.

Un tpico producto de SANCICtiene una resistencia al desgaste prximaa la del metal duro macizo, y un 80-90% de la resistencia de la fundicinnodular pura. La tenacidad se mantienedentro de la gama prevista en los acerosindustriales convencionales, y comotal, sobrepasa a la de las aleaciones defundicin de hierro con alto contenidode cromo y nquel.

Los productos de SANCIC tienenuna resistencia al desgaste que tpica-mente es de 3 a 15 veces superior a lade los obtenidos en la fabricacin con-vencional usando acero, fundicin dehierro y composiciones cementadas ode cermica. El SANCIC puedeemplearse en muchos tamaos y for-mas de la pieza.

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Grnulos de metal duro Placas de metal duro

Fundicin nodular

El SANCIC se fabrica en forma de material compuesto o revestido. En elprimer caso los grnulos de metal duro se moldean junto con fundicinnodular. Como alternativa, se embuten placas de metal duro en la zonasuperficial del material de base. El mtodo de colada utilizado en amboscasos proporciona una unin metalrgica entre el metal duro y el materi-al de base.

Mdulo de YoungResistencia a la compresin


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El metal duro respecto aotros materiales

Dureza

WC-Co

SiC

Al2O3

Al2O3

WC-Co

SiC

Si3N4

WC-Co

Al2O3

SiC

Tenacidad

WC-Co

Al2O3SiC

Aceros

Estelitas

Fundicinde hierro

Estelitas

Aceros

Estelitas

AcerosEstelitas

HV30

N/mm2 kN/mm2

MN/m3/2

El diseo y construccin de componentespara aplicaciones tcnicas exigentessuele precisar materiales dotados deuna combinacin de propiedadesexcepcional. Encontrar la solucinptima no es una tarea simple y elingeniero debe poseer conocimientosde una gran diversidad de materiales.

Los metales duros tienen una combi-nacin de caractersticas extraordinariay pueden ser la solucin ideal en muchoscasos. Para facilitar la eleccin, las tablasde abajo pueden servir de gua. En ellasse comparan las propiedades de losmetales duros de WC-Co en comparacincon las de otros materiales. Por ejemplo,

puede observarse la interesante com-binacin de alta resistencia a la compre-sin, rigidez, dureza y baja expansintrmica, as como la alta conductividadelctrica y trmica que ofrecen losmetales duros de WC-Co.

Fundicinde hierro

Fundicinde hierro

Fundicinde hierro

Resistividad elctrica

Conductividad trmica

Densidad


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Datos y propiedades mencionadasLas propiedades y los datos relacionados en este folleto son valores mediosbasados en ensayos de laboratorio realizados por el fabricante. Se trataslo de valores indicativos de los resultados obtenidos en los ensayos men-cionados, y no debern considerarse como valores garantizados.Cualquier afirmacin hecha en este folleto sobre una aleacin o aplicacinespecficas, o acerca del uso de alguno de nuestros productos, es simple-mente una recomendacin basada en nuestros ensayos o experiencia. Portanto, dichas afirmaciones no pueden considerarse como garantas.Nuestros productos y cualquier procedimiento recomendado deber ensay-arlo el usuario bajo las condiciones de servicio pertinentes, para determi-nar su aptitud en cada finalidad particular.

g/cm3

WC-Co

cm

WC-Co

Cu Al

SiCAl2O3

10-6/C

WC-CoAl2O3

SiC

WC-Co

SiC

Al2O3

WC-Co SiC

Al2O3

W/(mC)

AcerosEstelitas

AcerosEstelitas

AcerosEstelitas

Aceros

Estelitas

Aceros

Estelitas

Coeficiente de Poisson

Coeficiente de dilatacin lineal

Fundicinde hierro

Fundicinde hierro

Fundicinde hierro

Fundicinde hierro

Fundicinde hierro

H-9100a-SPA

Schm

idt&

Mag

nuss

on/L

arsh

erbe

rts O

ffset

Sandvik Hard Materials en resumen

El Grupo Sandvik, fundado en 1862 y con oficinas centrales en Sandviken, es una de las principales empresasexportadoras de Suecia y posee ms de 200 filiales de entera propiedad, estando representada en 90 pases. El Grupotiene unas ventas anuales de 30.000 millones de SEK y 30.000 empleados. Ms del 90% de las ventas se dirigen aclientes de fuera de Suecia. Sandvik es un consorcio que realiza una intensa labor de investigacin. Nuestras inver-siones en I+D dedicadas a nuevos productos y procesos son del orden de 1.000 millones de SEK al ao.

LDER INTERNACIONAL EN METAL DUROLas actividades del Grupo Sandvik se basan en seis reas comerciales separadas, tres de las cuales desarrollan yfabrican productos de metal duro. Adems de Sandvik Hard Materials, trabajan en este campo Sandvik Tooling(Sandvik Coromant, CTT Tools and Sandvik Automation) y Sandvik Rock Tools. Juntas, estas tres reas comercia-les responden de la mitad de la facturacin anual del Grupo.

Sandvik Hard Materials suministra una amplia gama de productos de metal duro que se fabrican en ms dediez plantas de produccin de todo el mundo.

METAL DURO PARA FABRICANTES DE HERRAMIENTASUna importante rea de Sandvik es la industria de fabricacin de herramientas, a la que suministramos piezas enbruto o productos semiacabados para el corte y conformacin de metales, y para el corte de materiales compuestos,madera, ladrillo, hormign y roca. Nuestras herramientas en bruto pueden obtenerse en forma de barras, dientes parasierra, puntas de brocas, discos y plaquitas en diseos y dimensiones basados en los estndares industriales.

COMPONENTES INDUSTRIALESEl metal duro es a menudo el nico material que puede soportar satisfactoriamente el desgaste, adems de la defor-macin, impactos, grandes cargas, altas presiones, corrosin y temperaturas elevadas. En este campo, suministramoscomponentes industriales de metal duro tales como anillos de junta, rodamientos, pistones, vlvulas y boquillas.

RODILLOS PARA LA INDUSTRIA SIDERRGICASandvik Hard Materials ocupa desde hace largo tiempo una posicin de vanguardia como proveedor de rodillosmacizos de metal duro a la industria siderrgica. Nuestros rodillos compuestos basados en metal duro y fundicinnodular representan una nueva especialidad en este campo.

NO SLO METAL DUROLas actividades de Sandvik Hard Materials tambin abarcan la fabricacin de productos de nuevos materiales duros,tales como productos de PCD (diamante policristalino), y PCBN (nitruro de boro policristalino).

Argentina: Buenos Aires 01-484 32 41 Australia: Newcastle 049-24 21 00 Austria: Viena 1-277 37 Blgica: Bruselas 02-702 98 00 Brasil: Sao Paulo 011-526 26 11 Canad: (Warren, MI) 800-533 6067 Chile: Santiago 2-623 54 43 China: Pekin 10-6501 31 40 Repblica Checa: Praga 02 2425 33 11 Dinamarca: Espergrde 49-17 49 00

Finlandia: Vanda 09-87 06 61 Francia: Epinouze 04 75 31 38 00 Alemania: Dsseldorf 0211-502 75 57 Hungra: Budapest 1 269 63 91 India: Poona 0212-77 64 91 Indonesia: Yakarta 021-830 84 11 Irlanda: Dublin 01-295 20 52 Italia: Miln 02-30 70 51 Japn: Kobe 078-992 09 92 Corea: Sel 02-785 17 61 Malasia: Kuala Lumpur 03-756 21 36 Mxico: Tlalnepantla 05 729 39 00 Nueva Zelanda: Pakuranga 9-274 62 00 Filipinas: Manila 02 807 63 72

Polonia: Varsovia 22 43 21 51 Singapur: Singapur 265 22 77 Eslovaquia: Bratislava 02 73 54 86 Sudfrica: Benoni 011-914 34 00 Espaa: Barcelona 93-862 94 00 Suecia: rebro 019-611 96 90 Suiza: Spreitenbach 056-417 61 11 Taiwan: Chung Li 03-452 31 72 Tailandia: Bangkok 02-379 44 61

Reino Unido: Coventry 01203-85 69 00 EE.UU.: Warren, MI 810-755 20 00 Venezuela: Caracas 02-93 09 22

Documents

materiales superduros