Fco Javier PÃrez LÃpez

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CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS 
 
UNIVERSIDAD DE SEVILLA 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS SEVILLA 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE LOS MATERIALES. 
 
GRUPO DE METALURGÍA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES. 
 
 
 
 
 
PROYECTO FIN DE CARRERA 
 
DISEÑO, PROCESADO Y CARÁCTERÍSTICAS 
MECÁNCIAS DE LAMINADOS CERMET (TiC0.5N0.5) / 
METAL DURO (WC-Co) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AUTOR: Fco. Javier Pérez López 
TUTOR ESI: Yadir Torres Hernández 
TUTOR CSIC: José Manuel Córdoba Gallego 
 
Sevilla, 2014 
 
 
UNIVERSIDAD DE SEVILLA 
 
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE 
INGENIERÍA 
 
 
 
 
 
PROYECTO FIN DE CARRERA 
 
DISEÑO, PROCESADO Y CARÁCTERÍSTICAS 
MECÁNCIAS DE LAMINADOS CERMET (TiC0.5N0.5) / 
METAL DURO (WC-Co) 
 
HOJA DE FIRMAS 
 
 
 
Alumno/a 
Fdo.: Francisco Javier Pérez López 
 
 
Tutor/a Tutor/a 
Fdo.: Yadir Torres Hernández Fdo.: José Manuel Córdoba Gallego 
 
 
 
 
Abril, 2014. Sevilla 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A mi abuelo 
D.Pedro López Pareja. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Agradecimientos. 
 
 
 
 Tras finalizar este Proyecto de Fin de Carrera sólo me queda agradecer a todas 
aquellas personas que han hecho que este trabajo salga adelante. 
 
 En primer lugar dar las gracias a Antonio Manuel Estévez quien no solo ha sido 
una persona importante durante la realización de este proyecto sino durante el 
desarrollo de la propia carrera y, más aún, durante los numerosos acontecimientos 
que nos ha tocado vivir juntos fuera de las aulas. Únicamente puedo sentirme 
afortunado por haber tenido la suerte de cruzarme en el camino de una persona tan 
excepcional. 
 
 En segundo lugar dar las gracias al doctor Yadir Torres Hernández y al doctor 
José Manuel Córdoba Gallego tanto por toda la ayuda que me han dado a lo largo del 
desarrollo de este proyecto, por todos los conocimientos que me han transmitido sobre 
el mundo de la ciencia de los materiales y por darme la oportunidad de poder hacer 
una pequeña contribución a la familia de proyectos que conforman la investigación que 
llevan a cabo. Además de permitirme conocer de primera mano el apasionante mundo 
de la investigación, haciéndome comprender el esfuerzo que día a día ponen cientos 
de personas brillantes y de la importancia que este sector tiene, especialmente en los 
difíciles tiempos que nos ha tocado vivir y que ponen a la investigación bajo amenaza. 
 
 Por último, dar las gracias a mi familia porque una vez más me han apoyado en 
todos los momentos de esta etapa, así como por el grandísimo esfuerzo que han 
hecho para que pudiera completar los estudios que deseaba y por soportarme en 
numerosos momentos en que el estrés ha hecho mella en mi carácter. 
 
 
 
Gracias. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
V 
 
 ÍNDICE 
 
 
 
 
 
Índice de figuras. 
 
 
 
 
 
Pág. VII 
Índice de tablas. Pág. XI 
Resumen de la propuesta. Pág. XII 
 
 
Capítulo I INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO Pág. 13 
1. Aspectos Generales. Pág. 14 
2. Mecanizado. Pág. 15 
3. Mecanizado de alta velocidad. Pág. 17 
4. Materiales Compuestos. Pág. 22 
5. Carburo de wolframio. Pág. 24 
6. Carbonitruro de Titanio. Pág. 28 
7. Comparativa entre cermets y carburos cementados. Pág. 32 
8. Materiales laminados. Geometría a estudio. Pág. 35 
9. Pulvimetalurgia. Proceso de manufactura. Pág. 36 
10. Objetivo del proyecto. Pág. 39 
11. Bibliografía. Pág. 40 
 
 
Capítulo II PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Pág. 42 
1. Procedimiento experimenta Pág. 43 
2. Mezcla Pág. 45 
3. Compactación de la mezcla Pág. 46 
Compactación uniaxial. Pág. 47 
Prensado isostático. Pág. 49 
4. Sinterización Pág. 50 
5. Caracterización mecánica Pág. 53 
Análisis micrográfico. Microscopía electrónica de barrido 
(SEM) 
Pág. 52 
Caracterización morfológica y elemental de la interfaz. Pág. 57 
Ensayo de indentación. Pág. 58 
Ensayo de Scratch. Pág. 59 
Ensayo de flexión a 3 puntos. Pág. 60 
6. Bibliografía. Pág. 60 
 
 
 
 
Capítulo III RESULTADOS Y DISCUSIÓN Pág. 61 
Etapa 1. Composición inicial. Punto de partida. Pág. 62 
Etapa 2. Modificación del coeficiente de dilatación. Pág. 66 
Etapa 3. Modificación del ciclo térmico. Pág. 70 
Etapa 4. Modificación de la etapa de compactación. Pág. 73 
Etapa 5. Molienda de los polvos comerciales. Pág. 76 
Etapa 6. Reacciones de auto-propagación inducidas mecánicamente Pág. 79 
Etapa 7. Hot Pressing Sintering. Pág. 82 
Etapa 8. Estudio de la interface Pág. 85 
Caracterización morfológica y elemental de la interfaz. Pág. 85 
 
VI 
 
Ensayo de indentación. Pág. 89 
Ensayo de Scratch. Pág. 91 
Ensayo de Flexión a 3 Puntos. Pág. 92 
Bibliografía. Pág. 93 
 
 
 
 
Capítulo IV CONCLUSIONES Pág. 96 
 1.Conclusiones Pág. 97 
 
 
 
Capítulo V. LÍNEAS FUTURAS 
 
 
 
Pág. 98 
 1. Líneas futuras. Pág. 99 
 2. Bibliografía. Pág 100 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VII 
 
ÍNDICE FIGURAS 
 
 
 
 
 
Capítulo I INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO 
 
- Fig. I.1. Interrelación entre los distintos fundamentos que conforman la 
ingeniería de los materiales. 
- Fig. I.2. Imagen de la izquierda operación de fresado. Imagen de la derecha 
operación de torneado. 
- Fig.I.3. Evolución de las herramientas de corte en pos de un mecanizado 
óptimo. 
- Fig. I.4. Comparación de velocidades de corte para mecanizado convencional, 
convencional optimizado y MAV. 
- Fig.I.5. Aunque el coste de la potencia consumida en una operación de 
mecanizado no es un factor económico importante habitualmente, es 
necesario su conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de 
potencia necesaria para realizar la operación debido a las limitaciones 
impuestas por la máquina disponible. La capacidad de estimar la potencia de 
una operación es importante sobre todo en las operaciones de desbaste ya 
que lo que interesa es realizar la operación en el menor tiempo y en el menor 
número de pasadas posible. Por otra parte, las fuerzas de corte también 
intervienen en fenómenos como el calentamiento de la pieza y la herramienta, 
el desgaste de la herramienta, la calidad superficial y dimensional de la pieza, 
el diseño del amarre y utillajes necesarios, etc. 
- Fig.I.6. Reducción de tiempos frente al mecanizado convencional. Estimación 
realizada por la Escuela Técnica Superior de Bilbao. 
- Fig.I.7. Temperatura de formación de viruta (°C) vs. Velocidad de corte 
(m/min) . Dado un material a mecanizar, existe una velocidad crítica (5 a 10 
veces la usada en mecanizado convencional), a la que la temperatura de 
formación de viruta comienza a descender. La disminución es pequeña para 
fundición y aceros, pero muy importante en materiales no ferrosos (Fig.1), 
abriendo la posibilidad de mecanizar materiales con más de 50 HRC. 
- Fig. I.8. Daños en una herramienta de corte debido al desgaste. De arriba 
abajo: Daño por fractura, deformación plástica del filo de la herramienta, 
craterización y desprendimiento del filo. 
- Fig. I.9. Importancia de los materiales compuestos a través del tiempo. 
- Fig. I.10. En la figura de la izquierda se puede observar un esquema sobre la 
distribución entre la matriz (aglomerante) y la fase dispersa (refuerzo). En la 
imagen de la derecha se presentan las propiedades mecánicas de la matriz, 
del refuerzo y del material compuesto obtenido a partir de la combinación de 
ambos. 
- Fig. I.11. Clasificación de composites fibrosos según la forma de los 
constituyentes. El caso de composites particulados sería similar al 
representado en “discontinuas y orientadas al azar” pero sustituyendo las 
fibras por partículas. 
- Fig. I.12. Clasificación según el tamaño de la fase dispersa. 
- Fig. I.13. Diagrama de fase WC-Co. 
- Fig. I.14. Microestructura de metal duro donde se puede observar como los 
granos de WC tienen una morfología faceteada con una forma triangular y 
rectangular. 
 
VIII- Fig. I.15. Estructura cristalina del Carbonitruro de Titanio (TiCN). 
- Fig. I.16. Típica microestructura Core-Rim de los Cermet. 
- Fig. I.17. Propiedades de los cermets en función de su composición. 
- Fig. I.18. Esquema genérico de las propiedades de los carburos que permite 
conseguir una panorámica sencilla de la información que proporciona la tabla 
X.X. 
- Fig. I.19. Comparación de la vida de la herramienta entre carburos 
cementados y cermets con o sin recubrimientos. 
- Fig I.20. Comparativa de pesos de piezas entre el sinterizado y el 
mecanizado. Fuete 
 
Capítulo II PROCEMIENTO EXPERIMENTAL 
 
- Fig. II.1. Esquema de las macroetapas que constituyen el procedimiento 
experimental de todo proceso de fabricación por sinterización. 
- Fig. II.2. Esquema detallado tanto del proceso inicial con el que se trabajó 
como el proceso óptimo que se obtuvo al final de este trabajo. Se indica 
además las etapas en las que se producen cada una de las modificaciones. 
- Fig. II.3. Balanza de precisión AHZ-300. 
- Fig.II.4. Molino planetario Pulverisette 4 (Fritsch). 
- Fig. II.5. Molino planetario Pulverisette 7 (Fritsch). 
- Fig. II.6. Esquema del movimiento de un molino de bolas para mezcla de 
polvos. 
- Fig. II.7. Prensa uniaxial Specac 15011. 
- Fig. II.8. Proceso de compactación uniaxial, puede observarse la reducción de 
poros a medida que se aumenta la presión, lo cual se traduce en una muestra 
más compacta. 
- Fig. II.9. Prensa isostática Astur Sinter, mod. Enerpac A400IC. 
 
 
- Fig. II.10. A la izquierda esquema del sistema de prensado isostático en frío. A 
la derecha imagen de la prensa abierta utilizada para el prensado isostático. 
- Fig. II.11. Horno tubular AGNI modelo IGM 1360 RTH-180-50-1H. 
- Fig. II.12. Determinación de la zona isoterma a 1000ºC de un horno tubular 
AGNI. Teniendo en cuenta que el gradiente de temperatura disminuye a 
medida que aumenta ésta, al hacerlo la transferencia de calor por conducción, 
convección y radiación, se supone que a temperaturas en torno a los 1500ºC-
1600ºC, la variación entre la temperatura programada y la alcanzada por el 
horno puede considerarse despreciable. 
- Figura II.13. Ciclo inicial de sinterización 
- Fig. II.14. Pulidora automática Remet, modelo LS2 
- Fig. II.15. Microscopio electrónico de barrido Hitachi S-4800 SEM-FEG 
- Fig. II.16. Esquema de la interacción entre el haz de electrones y la muestra. 
- Fig. II.17. Resina empleada en la embutición. 
- Fig. II.18. Embutidora Remet mod. Evolution IPA 30E. 
- Fig. II.19. Corte de las piezas embutidas. 
- Fig. II.20. Cortadora automática Remet Micromet. 
- Fig. II.21. Desbaste de las probetas 
- Fig. II.22. Escalas posibles de análisis empleando diversas técnicas de 
observación. 
- Fig. II.23. Difractometro PANalytical X’Pert Pro MPD. 
- Fig. II.24. Microdurómetro FUTURE TECH 
- Fig. II.25. La fotografía izquierda es cámara Jenoptik de la serie ProgResC3, 
mientras que la derecha es NIKON Epiphot 200/300 Inverted Metallographs 
- Fig. II.26. Microtest MTR3. 
 
IX 
 
Capítulo III RESULTADOS Y DISCUSION 
 
- Fig. III.1. Dureza y Resistencia a flexión de los Cermets frente al ratio de C/N. 
- Fig. III.2. La dureza del WC-Co depende del tamaño de grano del WC y del 
contenido de cobalto. 
- Fig. III.3. Propiedades mecánicas de cermets sinterizados: (a) módulo de 
Young dinámico (Ed) y densidad vlumétrica (ϱ) como función del porcentaje 
en peso de Tantalio. Dureza y tenacidad han sido graficadas como función de: 
(b) Porcentaje de Tantalio en peso y (c) camino libre en el binder (λ). (d) 
Diagrama de Weibull: probabilidad de fallo como función de la resistencia a 
fractura obtenida usando un test de flexión B3B. 
- Fig. III.4. Muestras representativas de los resultados obtenidas tras la 
sinterización de la etapa 1 
- Figura III.5. Esquema de las deformaciones térmicas de las láminas y el 
laminado en un caso simplificado de laminado de solo 2 capas. La línea de 
trazos es la deformada del metal dura, la línea continua blanca es la 
deformada de la lámina de cermet y la línea continua naranja es la posición 
final del laminado, cuya posición final está más próxima al cermet que al metal 
duro dado que este último puede absorber unas mayores deformaciones. Se 
puede observar en este caso que mientras el Metal Duro experimentará 
tensiones de tracción, el Cermet sufrirá tensiones de compresión. 
- Fig. III.6. Muestras representativas de los resultados obtenidas tras la 
sinterización de la etapa 2 
- Fig. III.7. Imágenes representativas del SEM de las muestras obtenidas tras la 
sinterización de la etapa 2 
- Figura III.8. Ciclo térmico aplicado hasta ahora a las probetas de 1 hora, a las 
probetas de 2 horas es igual pero aumentando el tiempo de permanencia en 
la meseta de la gráfica. 
- Figura III.9. Nuevos ciclos de temperatura durante el sinterizado. 
- Fig. III.10. Muestras representativas de los resultados obtenidas tras la 
sinterización de la etapa 3. 
- Fig. III.11. Imágenes representativas de SEM de las muestras obtenidas tras 
la sinterización de la etapa 3. 
- Fig. III.12. Fotografía de la izquierda: En el caso de no existir difusión del 
cobalto la grieta sigue la frontera de separación entre las láminas. Fotografía 
de la derecha: La grieta sigue la frontera dentro del cermet entre la zona de 
composición original y la zona rica en cobalto por el proceso de sinterización. 
- Figura III.13. Se pueden observar los cuellos de unión que se generan entre 
las partículas. 
- Fig. III.14. Muestras representativas de los resultados obtenidas tras la 
sinterización de la etapa 4. 
- Fig. III.15. Imágenes representativas de SEM de las muestras obtenidas tras 
la sinterización de la etapa 4. 
- Fig. III.16. Vasijas de final redondeado y plano. 
- Figura III.17. Movimiento de las bolas en un molino planetario. 
- Figura III.18. Efecto de las bolas sobre el polvo durante la molienda. 
- Figura III.19. Fotografía de la izquierda: Etapas de molienda mecánica en 
materiales dúctiles. Fotografía derecha: Etapas de molienda mecánica en 
materiales dúctiles-frágiles. 
- Fig. III.20. Imágenes representativas de SEM de las muestras obtenidas tras 
la sinterización de la etapa 5. 
- Fig. III.21. Muestra representativa de los resultados obtenidos tras la 
sinterización de la etapa 5. 
- Figura III.22. Esquema del fenómeno core-rim característico de los cermets. 
- Fig. III.23. Imágenes representativas de SEM de las muestras obtenidas tras 
 
X 
 
la sinterización de la etapa 6. 
- Fig. III.24. Muestra representativa de los resultados obtenidos tras la 
sinterización de la etapa 6. 
- Fig. III.25. Patrón XRD del laminado Cermet/Metal Duro después del proceso 
de hot press sintering. 
- Fig. III.26. Figura de la izquierda: Micrografía SEM del laminado. Figura de la 
derecha: Interfaz entre capas adyacentes. 
- Fig. III.27. Muestra representativa de los resultados obtenidos tras la 
sinterización de la etapa 8. 
- Fig. III.28. Micrografía SEM de la interfaz entre la capas de Cermet y Metal 
Duro. La región interlaminar ha sido divida en zonas que aproximadamente 
muestran diferentes propiedades microestructurales. 
- Fig. III.29. Mapeo EDX mapping en diferentes localizaciones de la interfaz 
mostrando la interacción química entre las capas adyacentes. 
- Fig. III.30. Características del mapeo EDS de las diferentes regiones 
observadas en la interfaz entre las capas. Las etiquetas corresponden con las 
regiones marcadas en la Fig.III.28,29. y los números al análisis elemental 
mostrado en la Tabla X.X. 
- Fig. III.31. Micrografías OM de marcas de indentación realizadas a 1000N en 
el centro de una capa de Cermet (Izquierda) y una de Metal Duro (Derecha). 
- Fig. III.32. (Izquierda) Micrografía SEM de una marca de indentación realizada 
a 1000 N en el centro del Cermet mostrando una longitud diferente entre las 
grietas longitudinal y transversal. (Derecha) Detalle de una grieta transversal 
que se para en la interfaz.- Fig. III.33. Micrografías SEM de marcas de indentación realizadas a 1000N 
localizadas en la región interlaminar. En la figura de la derecha se observa 
“chipping” en la capa frágil del cermet siendo parado en la interfaz. 
- Fig. III.34. Marca de indentación obtenida a 5 N en la región de la interfaz 
mostrando la existencia de tensiones residuales. SEM marcas de indentación 
realizadas 
- Fig. III.35. La penetración profundidad-carga responde a un deslizamiento 
unidireccional a carga constante de 15 N. 
- Fig. III.36. Micrografía SEM de los cercos formados durante un ensayo de 
Scratch realizado a 15 N, donde se muestra una buena adhesión entre las 
capas y una buena integridad la interfaz después del ensayo 
- Fig. III.37. Respuesta Tensión-Deformación bajo un ratio de carga de 100 
N/s. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
XI 
 
ÍNDICE TABLAS 
 
 
 
 
Capítulo I INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO 
 
- Tabla I.1. Aumento del calor evacuado por la viruta frente al Mecanizado 
convencional. 
- Tabla I.2. Cuadro comparativo entre los materiales de mecanizado de alta 
velocidad más los aceros rápidos. 
- Tabla I.3. Propiedades de los componentes del Metal duro. 
- Tabla I.4. Propiedades del Carburo de Titanio (TiC) y el Nituro de Titanio (TiN). 
- Tabla I.5. Propiedades representativas de los principales carburos para cermets 
y carburos cementados. 
- Tabla I.6. Comparación de dureza entre carburos cementados y cermets con o 
sin recubrimientos. 
- Tabla I.7. Rango de valores de las propiedades mecánicas más relevantes de 
las principales familias de herramientas de corte. 
 
 
 
 
Capítulo III RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
- Tabla III.1. Características de interés de las partículas presentes. 
- Tabla III.2. Aproximación de las composiciones empleadas en cada laminado. 
- Tabla III.3. Nueva composición aproximada de cada laminado. 
- Tabla III.4. Aproximación por la regla de las mezclas del coeficiente de 
dilatación de la etapa 1 para cada laminado. 
- Tabla III.5. Aproximación por la regla de las mezclas del nuevo coeficiente de 
dilatación para cada laminado. 
- Tabla III.6. Análisis químico punctual EDX realizado en zonas diferentes de la 
interfaz entre las capas de Metal Duro y Cermet. La numeración corresponde 
con las marcas realizadas en la Fig.III.28,29,30. Cada valor corresponde al 
promedio de 5 análisis diferentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
XII 
 
Resumen de la propuesta 
 
 El mecanizado de alta velocidad está adquiriendo una gran relevancia, ya que 
permite no sólo una neta mejoría de los acabados superficiales, sino también un 
incremento de la productividad y una reducción importante de los costes. 
 
Estos mecanizados imponen condiciones de trabajo cada vez más extremas y 
exigen nuevas solicitaciones a los materiales de las herramientas de corte, que deben 
exhibir un buen comportamiento tribo y termomecánico. Uno de los aspectos más 
importantes a considerar es el elevado desgaste al que se ven sometidas las 
herramientas debido a las altas temperaturas que se pueden alcanzar en las zonas de 
corte. 
 
Los materiales empleados deben presentar un buen equilibrio entre un conjunto 
de propiedades, entre las que caben destacar, una alta resistencia al desgaste, una 
elevada dureza, una buena resistencia mecánica a alta temperatura, un buen 
comportamiento frente a impactos, una buena estabilidad química y un bajo coeficiente 
de fricción. 
 
 Los carburos cementados y los cermets, que están sustituyendo 
paulatinamente a los aceros rápidos, poseen una serie de propiedades que los 
postulan como potenciales candidatos para el mecanizado de alta velocidad. Sin 
embargo, los cermets, aunque poseen una buena resistencia al desgaste y a la 
oxidación, así como un buen comportamiento mecánico a alta temperatura, no 
presentan una buena tenacidad de fractura. Por ello, sólo se pueden emplear a altas 
velocidades en procesos de acabado y no pueden trabajar bajo condiciones de cargas 
cíclicas. Por su parte, los carburos cementados o metales duros que poseen una 
excelente resistencia a la fractura, presentan una deficiente estabilidad química que 
provoca un elevado desgaste a alta temperatura inducido por fenómenos de difusión. 
Sólo el empleo de recubrimientos protectores cerámicos, que sin embargo encarecen 
ostensiblemente el material, posibilita el uso de los metales duros en mecanizados de 
alta velocidad. 
 
Para aunar el buen comportamiento mecánico a alta temperatura de los 
cermets y la buena tenacidad de fractura de los metales duros una opción que se ha 
ido abriendo paso es el empleado de un diseño de laminados, tomando como base los 
excelentes resultados obtenidos en cerámicas en términos de una excelente fiabilidad 
mecánica y un elevado grado de absorción de energía durante la fractura y la 
propagación de grietas. 
 
 Los laminados se estructurarán de tal manera que las capas externas 
presenten la composición de un cermet, con el fin de obtener una buena resistencia al 
desgaste y a la oxidación a alta temperatura, y las capas internas la composición de 
un metal duro, que actuarían como barreras a la propagación de grietas que pudieran 
producirse en la superficie del material durante los procesos de mecanizado. 
 
En el presente proyecto, se pretende solucionar uno de los primeros problemas 
que presentan en esta nueva familia de materiales para herramientas de corte al 
emplear la geometría de laminados, el cuál trata de los problemas de integridad 
estructural a causa de la diferencia de coeficientes térmicos. 
 
 
Palabras claves: Cermet, Carbunitruro de Titanio, Metal Duro, Carburo de Wolframio, 
Mecanizado de alta velocidad, Sinterización, Metalurgia de polvos, Materiales 
laminados, Metalografía, MSR, Laminados, Sinterización, Hot Pressing Sintering.
 
 
 
Capí tulo I 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
Y OBJETIVO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
1. Aspectos Generales. 
 
 El desarrollo de la humanidad se define en términos de avances en los 
materiales: La Edad de Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro. Los avances 
en arquitectura y edificación desarrollados por el Imperio Romano fueron posibles sólo 
por la invención de un nuevo material, el hormigón. La revolución Industrial fue en gran 
medida posible gracias a la simultánea revolución del acero que permitió satisfacer las 
demandas de nuevos materiales para equipos industriales, así como apoyar todo el 
desarrollo del ferrocarril y la construcción de rascacielos que comenzaron a definir los 
skylines de las ciudades. En el último medio siglo el crecimiento de las tecnologías del 
material ha sido explosivo y el impacto en nuestra vida se ha generalizado, cambiando 
de forma irreversible nuestras vidas [1]. 
 
La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las 
propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se 
fundamenta en las relaciones entre propiedades, estructura, procesamiento, 
funcionamiento y con ellas diseña o proyecta la estructura de un material para 
conseguir un conjunto predeterminado de propiedades [2]. En este trabajo se pondrá 
de manifiesto en múltiples ocasiones la importancia de esta interrelación entre los 
distintos fundamentos que conforman esta rama de la ingeniería. 
 
 
Fig. I.1. Interrelación entre los distintos fundamentos que conforman la ingeniería de los materiales. Fuente: Wikepedia. 
“User:Nicknsmatthews/Materials Science Tetrahedron” 
 
La ciencia de materiales es un campo multidisciplinario que incluye elementos 
de la química y de la física, así como las ingenierías electrónica, química, mecánica, 
civil y eléctrica u otros campos más diversos como son la medicina, biología y ciencias 
ambientales [2]. Con la atención de los medios puesta en los últimos años en la 
nanotecnología la ciencia de los materiales ha recibido un impulso aún más grande 
que el experimentadoen el último medio siglo [1]. 
 
Los conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas 
de los materiales que la ciencia de materiales estudia los aplica en varias áreas de 
la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, 
máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o 
requeridos por la sociedad. Los avances radicales en los materiales pueden conducir a 
la creación de nuevos productos o nuevas industrias, pero las industrias actuales 
también necesitan ingenieros de materiales para incrementar las mejoras, y localizar 
los posibles fallos de los materiales que están en uso. Las aplicaciones industriales de 
la ciencia de materiales incluyen la elección del material, su coste-beneficio para 
obtener dicho material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis [2]. 
 
 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Material
http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_materiales
http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa
http://es.wikipedia.org/wiki/Industria
 
15 
 
A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo 
de los materiales en la última década, el permanente desafío tecnológico requiere 
materiales cada vez más sofisticados y especializados, hecho al cuál este trabajo trata 
de contribuir con un pequeño grano de arena. 
 
 La ciencia de los materiales abarca muchísimos sectores desde la fórmula 1 
hasta la restauración de arte, pasando por los tradicionales sectores de la 
construcción, fabricación, aeronáutica o automovilismo y novedosos materiales 
funcionales, biomateriales o por los mencionados nanomateriales [2]. Este trabaja en 
particular se encuadra dentro de la industria de fabricación por mecanizado de piezas. 
 
 
 
 
 
2. Mecanizado. 
 
En la situación de globalización actual, las empresas buscan la constante 
mejora de sus sistemas productivos, ya que esto les permite adquirir ventajas 
competitivas sobre la competencia. Dentro de algunos de estos sistemas productivos, 
cobran una gran importancia los procesos de mecanizado de material. Prueba de ello 
ha sido el gran crecimiento que ha experimentado esta industria en las últimas 
décadas, y la gran evolución que ha tenido el sector [3]. 
 
El mecanizado es uno de los procesos más utilizado en la mayoría de los 
sectores industriales y comprende el conjunto de operaciones de conformación de 
piezas mediante la eliminación de material, ya sea por arranque de viruta o por 
abrasión [3]. Ha sido siempre una operación mecánica de gran responsabilidad, con 
fuertes dificultades técnicas y económicas, con la necesidad de tolerancias cada vez 
más estrictas y de unas velocidades de operación cada vez más elevadas. El coste del 
mecanizado representa una proporción importante del coste total de la fabricación de 
una pieza por lo que tiene una importante implicación económica [3]. 
 
Según el Estudio de Competitividad del sector Industrial del Mecanizado [4] se 
estima que solo en España existen 6.000 empresas dentro de este sector, con un 
volumen de facturación de 18.900 millones de euros y dando trabajo directo a más de 
150.000 personas. 
 
 
 
 
Fig. I.2. Imagen de la izquierda operación de fresado. Imagen de la derecha operación de torneado. Fuente: Wikipedia. 
 
 
 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Viruta
http://es.wikipedia.org/wiki/Abrasi%C3%B3n
 
16 
 
Los procesos de mecanizados están tan extendidos en la industria gracias a las 
ventajas que ofrecen en comparación con otros métodos de fabricación para conseguir 
la geometría final. Entre sus ventajas cabe destacar [3], 
 
 Obtención de una alta precisión dimensional en sus operaciones. 
 Capacidad de producir una amplísima variedad de formas. 
 A diferencias de otros procesos no altera la microestructura del material 
conservando así sus propiedades mecánicas. 
 Proporciona texturas superficiales aceptables para diferentes diseños. 
 Son procesos fáciles de automatizar. 
 
Cada material y aleación que se pretenda mecanizar posee sus propias 
características de maquinabilidad, lo que marcará los límites operativos del proceso. 
No es lo mismo mecanizar materiales blandos como el aluminio, cobre o el magnesio, 
que materiales duros como son los aceros templados, el titanio o el níquel. Así como 
tratar con materiales de gran maquinabilidad como pueden ser el aluminio y el 
magnesio, o de poca maquinabilidad, ya sea el titanio, el inconel o el acero para 
herramientas [3]. 
 
Se hace evidente que el empleo de la correcta herramienta de corte va a ser un 
factor clave en el éxito del proceso, viniendo su elección determinada como se ha 
dicho por la naturaleza y el estado de la pieza a mecanizar (tratamiento térmico 
superficial o volumétrico, endurecimiento por deformación, etc.), pero también por las 
condiciones del proceso de mecanizado (velocidad de corte, avance, profundidades de 
corte radial y axial, lubricación, etc.), el acabado superficial y las tolerancias 
dimensionales requeridas [5]. 
 
El diseño de herramientas con distintas solicitaciones, con gradientes térmicos 
en puntos de contacto durante el uso de la herramienta, y en general con una 
especialización cada vez mayor, ha promovido el desarrollo de materiales nuevos para 
herramientas capaces de trabajar en las condiciones cada vez más extremas de los 
mecanizados y así satisfacer la demanda creciente de productividad, de calidad y de 
reducción de costes. De ahí que en esta memoria se participe en el desarrollo de una 
de las familias de herramientas que trata de responder a los retos que se han descrito. 
 
 
Fig.I.3. Evolución de las herramientas de corte en pos de un mecanizado óptimo. Fuente: Tecnologia do Torno Automático 
http://www.tornoautomatico.com.br/index.php?pagina=materias&tipo =submenu&subid=80 
 
 
Un tipo particular de mecanizado es el llamado Mecanizado de Alta Velocidad 
(MAV), el cual a continuación se expone dado que es la tipología de mecanizado 
donde se focaliza este trabajo en concreto. 
 
17 
 
3. Mecanizado de alta velocidad. 
 
 
Introducción. 
 
Como se ha visto, la creciente competitividad a la cual se enfrenta la industria 
metal-mecánica hoy en día obliga por un lado a una mayor calidad de fabricación y por 
otro a una reducción de los tiempos y costes de fabricación. 
 
El llamado Mecanizado de Alta Velocidad (MAV) es hoy en día una tecnología 
de corte con bases sólidas que abre las puertas del mecanizado de materiales y de 
figuras que antes no se podían mecanizar mediante el mecanizado convencional, 
como por ejemplo materiales de una dureza superior a 50 HRC, paredes delgadas de 
0,2 mm, etc.[6] 
 
Actualmente el MAV no existe una definición única para este nuevo sector. Se 
puede afirmar que consiste en la optimización del mecanizado con las posibilidades 
existentes, limitado por la pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas 
disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre 5 y 10 veces 
superiores [6] a las que se utilizan de manera convencional para cada material. No 
obstante, es conveniente aclarar que no significa obligatoriamente mecanizar a altas 
revoluciones de husillo ya que muchas de sus aplicaciones se realizan con 
velocidades de husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm). 
 
Fig. I.4. Comparación de velocidades de corte para mecanizado convencional, convencional optimizado y MAV. Fuente: Wikipedia 
.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Comparaci%C3%B3n_de_velocidades_de_corte_ para_mecanizado_convencional,_ 
%C3%B3ptimo_y_MAV.png 
 
En su forma más genérica podría definirse el MAV como el conjunto de 
métodos y maquinaria específicos que permiten reducir de forma significativa los 
tiempos y costes de corte con respecto a los mecanizados convencionales [6]. 
 
Ventajas 
 
Las nuevastecnologías, con mejores materiales para las herramientas y las 
máquinas herramientas, así como mayores potencias en los motores de actuación de 
éstas, han permitido esta evolución hacia el mecanizado óptimo de cada material. 
Todas las ventajas [6] inherentes al MAV y que se explican a continuación permiten 
comprender el creciente interés en la industria por desarrollar y mejorar las maquinas, 
herramientas, programas de CAD-CAM y demás ámbitos vinculados al Mecanizado de 
Alta Velocidad. 
 
18 
 
 Disminución de las fuerzas de corte, gracias a que las altas velocidades de 
corte y los elevados avances consiguen espesores de viruta cada vez más 
pequeños. 
 Mayor precisión de los contornos, mejor calidad superficial y tolerancias 
dimensionales más precisas. 
 
Fig.I.5. Aunque el coste de la potencia consumida en una operación de mecanizado no es un factor económico importante 
habitualmente, es necesario su conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operación 
debido a las limitaciones impuestas por la máquina disponible. La capacidad de estimar la potencia de una operación es importante 
sobre todo en las operaciones de desbaste ya que lo que interesa es realizar la operación en el menor tiempo y en el menor nú mero 
de pasadas posible. Por otra parte, las fuerzas de corte también intervienen en fenómenos como el calentamiento de la pieza y la 
herramienta, el desgaste de la herramienta, la calidad superficial y dimensional de la pieza, el diseño del amarre y utillajes 
necesarios, etc.Fuente: ] Paul Schwarzkopf, Richard Kieffer ,“Cemented carbides” , MacMillan, Nueva York. 
 
 
 Aumento de la cantidad de materia eliminada con la consiguiente reducción del 
tiempo de mecanizado y coste global. 
 Reducción del tiempo de pulido. 
 Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado. 
 
 
 
 
 
Fig.I.6. Reducción de tiempos frente al mecanizado convencional.Estimación realizada por la Escuela Técnica Superior de Bilbao. 
 
 
 
19 
 
 Aumento en la vida de la herramienta. 
 Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta. 
 Con los adecuados parámetros de corte se consigue la evacuación casi total 
del calor por medio de la viruta, evitando así que se transmita a la herramienta, 
lo que aumenta la vida de la misma. 
 
 
Tabla I.1. Aumento del calor evacuado por la viruta frente al Mecanizado convencional. Fuente: 4º Jornadas de Desarrollo e 
Innovación del INTI Mecánica. 
 
 Convencional MAV 
Calor hacia la pieza 40% 10% 
Calor hacia la hta. 40% 10% 
Calor evacuado por 
la viruta 
20% 80% 
 
 
 Mecanizado de paredes finas. 
 Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 HRC) como si fuera 
mecanizado en caliente. 
 
Fig.I.7. Temperatura de formación de viruta (°C) vs. Velocidad de corte (m/min) . Dado un material a mecanizar, existe una 
velocidad crítica (5 a 10 veces la usada en mecanizado convencional), a la que la temperatura de formación de viruta comienza a 
descender. La disminución es pequeña para fundición y aceros, pero muy importante en materiales no ferrosos (Fig.1), abriendo la 
posibilidad de mecanizar materiales con más de 50 HRC. Fuente: 4º Jornadas de Desarrollo e Innovación del INTI Mecánica. 
 
 
Como se ha visto, la incorporación del mecanizado de alta velocidad en una 
empresa constituye un paso importante hacia el mecanizado en óptimas condiciones y 
la posibilidad de mecanizar algunos materiales (aluminio, magnesio, ect.) a elevadas 
velocidades de corte (>3000 rpm), altos avances,… Para una empresa que trabaje con 
mecanizado convencional todo esto supone un cambio de mentalidad y distribución del 
tiempo en la empresa, dado que por ejemplo se necesita un mayor personal en 
CAD/CAM que a pie de máquina y además la integración de nuevas infraestructuras, 
formación del operario, herramientas, controles, ect. 
 
20 
 
Inconvenientes. 
 
Dentro de los inconvenientes presentes en el MAV hay que prestar especial 
atención al gran desgaste que experimenta la herramienta de corte, dado que varía 
proporcionalmente con la velocidad de corte, y a las elevadas temperaturas que se 
llegan a alcanzar en la zona de corte, debido a que estos dos factores son cruciales en 
los mecanismos de pérdida de material y alteración de la geometría de la herramienta. 
Estas elevadas temperaturas que se alcanzan en la zona de contacto provocan que en 
el mecanizado de alta velocidad el desgaste predominante sea por difusión, ya que la 
temperatura aumenta la reactividad química de los materiales en contacto. Hecho que 
contrasta con el mecanizado convencional donde el mecanismo dominante es el de 
abrasión [7]. Entre los tipos de desgastes que se presentan en un mecanizado de alta 
velocidad se tiene la pérdida por abrasión, por adhesión y por dureza. Se hace 
evidente la importancia aún incluso mayor que adquieren los materials de las 
herramientas en el desempeño del MAV. 
 
 
 
Fig. I.8. Daños en una herramienta de corte debido al desgaste. De arriba abajo: Daño por fractura, deformación plástica del filo de 
la herramienta, craterización y desprendimiento del filo. Fuente: Willian Cabezas. Korloy. 
 
 
 
Materiales de las herramientas para MAV 
 
Ya se explicó la importancia de la elección de la herramienta adecuada en el 
mecanizado en general. Ahora bien, en el mecanizado de alta velocidad la herramienta 
es un factor aún incluso más crucial. En el MAV dada la exigencias a las que se ven 
sometidas las herramientas estas deben cumplir con habilidades específicas como, 
 
 Ser suficientemente duras para resistir el desgaste y la deformación, pero 
tenaces para resistir los cortes intermitentes e inclusiones. 
 Dado que en el MAV se producen elevadas temperaturas en la zona de corte 
han de ofrecer un buen comportamiento a alta temperatura que les permitan 
tener la resistencia suficiente para mecanizar, así como que les permitan ser 
químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y estable 
para resistir la oxidación. Evitando que se genere el filo recrecido y desgaste 
prematuro. 
 
 
 
21 
 
Los materiales para herramientas de corte que se suelen emplear en el MAV se 
dividen en carburos cementados, cermets, cerámicas, carburos revestidos y materiales 
extremadamente duros, como son el diamante policristalino (CPD) y el nitruro de boro 
cúbico (CBN) [9]. En esta memoria se trabaja con los carburos cementados y los 
cermets, que son materiales compuestos que tienden a reemplazar a los aceros 
rápidos (HSS) en aplicaciones que requieren niveles de dureza y resistencia al 
desgaste altos, como ocurre en el caso del mecanizado de alta velocidad. En los 
últimos quince años la demanda de herramientas de conformado y mecanizados de 
metales elaboradas con estos materiales ha aumentado. Es interesante destacar que 
a mediados de los ochenta el uso mayoritario en las herramientas de corte era el de 
los HSS, tanto para el mecanizado de materiales férricos como para los no férricos y el 
carburo de tungsteno se reservaba para el mecanizado de materiales más exigentes. 
Sin embargo, la situación ha cambiado y en la actualidad los metales duros/cermets 
ocupan el 55% del mercado de materiales de herramientas, los aceros rápidos el 40%, 
las cerámicas el 4%, y en el 1% restante el diamante policristalino y el nitruro de boro 
cúbico [9]. 
 
Este retroceso que han experimentado los aceros rápidos ha sido causado por el 
auge que el mecanizado de alta velocidad está viviendo, pues pese a que el 
comportamiento a elevadas temperatura de los HSS ha sido superior al del resto de 
materiales empleados tradicionalmente como herramientas de corte, se están 
mostrando totalmente insuficientes para conseguir las velocidades de corte que los 
MAV demandan, especialmente en materiales de muy difícil maquinabilidad puesto 
que exponen a las herramientas a grandes esfuerzos térmicos y mecánicos, a lo que 
hay que sumar fallos prematuros por abrasión,craterización, por roturas de corte y por 
soldadura en frío [9]. Para soslayar estos problemas ha sido tradicional aplicar a estos 
materiales recubrimientos, como el nitrato de titanio (TiN) pero la mejora de sus 
prestaciones dista mucho de lo que puede conseguirse actualmente en el MAV con la 
utilización de carburos cementados y cermets. Pese a sus claras menores 
prestaciones, a favor de los HSS hay que decir que sus costes son aún inferiores a los 
correspondientes a los cermets y carburos cementados. 
 
 
Tabla I.2. Cuadro comparativo entre los materiales de mecanizado de alta velocidad más los aceros rápidos. Fuente: Cristóbal López 
Gálvez, Francisco Ramón Orozco Roldán, “Mecanizado”, Paraninfo, Madrid, 2013. 
 
 
 
 
22 
 
4. Materiales Compuestos. 
 
 
Introducción. 
 
Como se ha indicado en la página anterior en este proyecto se ha trabajado 
con los carburos cementados y los cermets, ambos materiales compuestos. 
Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones 
de metales, cerámicos y/o polímeros. Las propiedades que se obtienen de estos 
conjuntos son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que 
hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en 
las que se necesitan propiedades combinadas, donde un material (polímero, metal o 
cerámico) por sí solo no las puede brindar. 
 
 
 
Fig. I.9. Importancia de los materiales compuestos a través del tiempo. 
 
 
Los materiales compuestos están formados por dos fases: una continúa 
denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las 
propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y 
ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separados por la interface o intercara. 
 
 
 
Fig. I.10. En la figura de la izquierda se puede observar un esquema sobre la distribución entre la matriz (aglomerante) y la fase 
dispersa (refuerzo). En la imagen de la derecha se presentan las propiedades mecánicas de la matriz, del refuerzo y del mater ial 
compuesto obtenido a partir de la combinación de ambos. Fuente: Autor no definido, “Tecnología de los plásticos. Materiales 
compuestos” http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.es /2011/07/materiales-compuestos.html 
 
 
http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtml
http://www.monografias.com/trabajos10/coma/coma.shtml
 
23 
 
Clasificación. 
 
Los materiales compuestos se han clasificado de muchas maneras según las 
ideas y conceptos necesarios para identificarlos. Las siguientes clasificaciones no son 
todas las existentes pero son aquellas que permiten conocer cuál es el tipo de material 
compuesto con el que se va a trabajar en esta memoria. 
 
 
Clasificación según la naturaleza de los constituyentes [9], 
 
a) Composites de matriz orgánica (polímeros). Las cuáles se caracterizan por 
una baja densidad y la posibilidad de obtención de piezas complicadas. 
Mientras que entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al 
fuego y las altas temperaturas. 
 
b) Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio). 
Las cuáles se caracterizan por una mayor duración, una elevad conductividad 
térmica y eléctrica, no absorben humedad y tienen una mayor resistencia al 
desgaste. Su principal desventaja es su alto precio en comparación con los 
otros. Éstos son con los que este texto trabaja. 
 
c) Composites de matriz mineral o cerámica(Alúmina, Carburo de Silicio,...). 
Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su 
fragilidad y baja resistencia a choques térmicos. 
 
 
Clasificación según la forma de los constituyentes [9], 
 
a) Composites fibrosos. El refuerzo es una fibra, es decir, un material con una 
relación longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o 
discontinuas y estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales. Ejemplo: 
epoxi con fibra de vidrio. 
 
b) Composites particulados. El refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las 
dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las 
direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo. Éstos son con los 
que este texto trabaja. 
 
 
 
 
Fig. I.11. Clasificación de composites fibrosos según la forma de los constituyentes. El caso de composites particulados sería similar 
al representado en “discontinuas y orientadas al azar” pero sustituyendo las fibras por partículas. Fuente: “Tecnología de los 
plásticos. Materiales compuestos” http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.es /2011/07/materiales-compuestos.html 
 
 
 
24 
 
Clasificación según el tamaño de la fase dispersa [9], 
 
 Microcomposites o composites convencionales. El tamaño del refuerzo es del 
orden de la micra (10−6
 m). A pesar de las ya mencionadas buenas 
propiedades mecánicas de los composites convencionales también presentan 
problemas como la dificultad de procesado y de no poderse obtener láminas o 
fibras. Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el 
refuerzo y los componentes de la matriz, dando lugar a interacciones débiles 
entre la matriz y la interface. 
 Nanocomposites. El tamaño del refuerzo es del orden del nanometro (10−9
 m). 
En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular, dando 
la posibilidad de conseguir uniones más fuertes por ser más íntimas. Éstos son 
con los que este texto trabaja. 
 
 
 
Fig. I.12. Clasificación según el tamaño de la fase dispersa. Fuente: “Tecnología de los plásticos. Materiales compuestos” 
http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.es /2011/07/materiales-compuestos.html 
 
 
Por tanto, recapitulando, los materiales compuestos con los que se trabajan en 
esta memoria son de matriz Carburo de Titanio o Carburo de Wolframio, ambos con 
refuerzo de cobalto. Además, son composites particulados, de matriz cerámica y con 
una fase metálica dispersa de tamaño nanométrico. En los siguientes puntos se 
presentan las características de cada uno por separado para, a continuación, hacer 
una comparación entre ellos. 
 
 
 
5. Carburo de wolframio. 
 
 
Denominación. 
 
Como se ha dicho los Cermets y los Carburos cementados pertenecen al 
grupo de materiales compuestos de matriz metálica (MMC) pero se suelen dejar fuera 
de dicho conjunto ya que presentan características propias, poseen un grado de 
desarrollo superior al resto de MMC´s y existen un conjunto de ellos donde la fase 
mayoritaria es la parte cerámica y que pertenecen por tanto al grupo de materiales 
compuestos de matriz mineral. 
 
El término de Carburo Cementado o Metal Duro sirve para designar [10] 
materiales duros y resistentes al desgaste tales como los carburos, nitruros o boruros 
de metales como pueden ser el Vanadio, Cromo, Molibdeno, Wolframio… que se 
encuentran embebidos en una matriz metálica, normalmente de cobalto. 
 
25 
 
Actualmente el carburo cementado que predomina es el WC-Co y normalmente 
cuando se menciona el término de carburo cementado está refiriéndose a este 
compuesto. A lo largo de la memoria se trabajar con el material WC-Co y el empleo de 
la terminología “carburos cementados” o “metal duro” será completamente indiferente, 
haciendo siempre referencia al WC-Co. 
 
 
Historia [10] 
 
. El Carburo de Wolframio fue descubierto por el químico y Premio Nobel francés 
Henri Moissan. Moissan adaptó el horno eléctrico para experimentos científicos y 
descubrió varios carburos, entre ellos el de Silicio o carborundum, llamado en su honor 
«moissanita». En 1897 buscando conseguir diamantes artificiales mezcló partículas 
metálicas de Wolframio y de azúcar (por su contenido de Carbono), calentando la 
mezcla a alta temperatura. El resultado fue una masa azul oscura de una gran dureza: 
el Carburo de Wolframio. Sin embargo aunque registró su descubrimiento e identificó 
los componentes, su extrema fragilidad lo hacía inoperante. 
 
En 1907, laempresa estadounidense General Electric había conseguido 
gracias al trabajo del ingeniero William Coolidge desarrollar filamentos de Wolframio. 
Esto permitió sustituir al Rutenio y al Osmio en la fabricación de bombillas de luz. Pero 
el Wolframio resulto ser muy abrasivo, por lo que para el trefilado de los filamentos de 
bombillas se debía emplear diamante natural en las trefilas. 
 
Durante la Primera Guerra Mundial se hicieron algunos experimentos en 
Alemania sinterizando partículas de Carburo de Wolframio, dado que los núcleos de 
diamante eran un problema debido al alto coste de la materia prima y a la dificultad de 
encontrarlos en Alemania tras la pérdida de las colonias africanas. Se prensaron en 
varias formas a alta presión y se trataron térmicamente. De nuevo el producto 
resultante fue demasiado frágil para procesarlo industrialmente. 
 
En torno al año 1920 el ingeniero Karl Schröter junto a su ayudante Baumhauer 
comenzaron la búsqueda de un sustituto. No sería hasta el año 1923 cuando unos 
ingenieros de la fábrica berlinesa de bombillas OSRAM (licenciada por General 
Electric) lograron sintetizar un producto a base de Carburo de Wolframio utilizando 
como aglomerante un 10 % de cobalto. 
 
En la feria de Leipzig del año 1927 la empresa alemana Krupp presentó las 
primeras herramientas de corte hechas con Carburo de Wolframio, al que denominó 
con el acrónimo Widia, Wie Diamant, que traducido del alemán es “como el diamante”. 
En los años 30 comenzó su aplicación práctica como material de corte teniendo una 
composición del 90% de carburos de gran dureza (inicialmente Carburo de Wolframio) 
y Cobalto a modo de aglutínate. Por aquel entonces se soldaban pequeñas placas de 
carburo cementado en mangos de herramientas, para formar así la herramienta de 
corte. 
 
 
Metalografía. 
 
El Carburo de Wolframio (WC) es un compuesto cerámica formado como su 
nombre por Wolframio y Carbono. Pertenece al grupo de los carburos, con 
composición química de 𝑊3𝐶 hasta 𝑊6𝐶. Este material se obtiene mediante la 
reducción del óxido de tungsteno y la siguiente carburación a 1400 o 1500 ºC.[11] 
 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Wolframio
http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono
http://es.wikipedia.org/wiki/Carburo
 
26 
 
Tabla I.3. Propiedades de los componentes del Metal duro. Fuente: Paul Schwarzkopf, Richard Kieffer ,“Cemented carbides” , 
MacMillan, Nueva York, 1960 
 
Propiedades WC Co 
Estructura Hexagonal 
Hcp=410 ºC 
Fcc=1493 ºC 
Parámetro de red 
(nm) 
a=0.291 
c=0.284 
a=2.057 
c=4.086 
Temperatura de 
fusión (ºC) 
2800 1493 
Dureza HV 
(50 g) 
(0001)=2200 
(1010)=1300 
- 
Densidad teórica 
(
𝒈
𝒄𝒎𝟑) 
15.77 8.83 
Modulo de 
elasticidad (𝑮𝑷𝒂) 
696 210 
 
Las propiedades específicas de los grados individuales de carburos 
cementados dependen no sólo de la composición de los carburos sino también de su 
tamaño de partícula, cantidad y tipo de cementante [10]. El Cobalto es usado 
ampliamente como aglomerante, mostrando destacadas características de mojabilidad 
y adhesión. El Cobalto presenta una fase hexagonal a bajas temperaturas y una fase 
cúbica a altas temperaturas, con una fase de transición cercana a los 415 °C., y es 
manufacturado a través de reducciones de Óxido de Cobalto o de derivados de sales 
orgánicas, particularmente Oxalato de Cobalto [11]. 
 
 
 
Fig. I.13. Diagrama de fase WC-Co. Fuente: Autor no definido “Procesos de mecanizado. Herramientas de corte” 
http://www.salacam.unal.edu.co/descargas/PM%20HC.pdf 
 
Para obtener una microestructura ideal del compuesto WC-Co se deben de 
tener dos fases mayoritarias, tanto los granos angulares del WC como la fase 
cementante de Cobalto. Los granos de Carburo de Wolframio empleados suelen tener 
diámetros de 0.5 a micrómetro y el contenido de Cobalto oscila en torno el 6 y el 10%. 
El polvo se prensa, y las piezas obtenidas se calientan bajo presión de 10 000 a 
20.000 bares, hasta aproximadamente 1600 °C [11], algo por debajo del punto de 
fusión del carburo. 
 
27 
 
 
 
Fig. I.14. Microestructura de metal duro donde se puede observar como los granos de WC tienen una morfología faceteada con una 
forma triangular y rectangular. Fuente: Autor no identificado,“Cutting. Types of tool materials” 
http://dspace.jorum.ac.uk/xmlui/bitstream/handle/10949/997/Items/T173_2_section39.html 
 
 
Propiedades Mecánicas. 
 
Se profundizará más en las características mecánicas del Metal Duro en el 
capítulo I.7. donde se hace a la par una descripción de las características mecánicas 
de la Widia, de los Cermet y su comparación entre sí. Únicamente remarcar las 
propiedades mecánicas que en este trabajo priman, como son su buena resistencia a 
fractura y su falta de estabilidad química a altas temperaturas [13] que lo somete a un 
desgaste significativo debido a los fenómenos de difusión. 
 
 
Aplicaciones [12]. 
 
Es un material estratégico. El gobierno estadounidense lo incluye dentro de los 
materiales de categoría vital junto a otros materiales y productos como el petróleo. 
Esto significa que se hacen reservas de 6 meses, llamadas stock piles, con las cuales 
se quiere prever posibles fallos de suministro debido a fenómenos naturales o guerras. 
 
Su principal aplicación es como herramienta de corte para el mecanizado, 
principalmente pare el mecanizado de materiales tales como el acero al carbono y el 
acero inoxidable; tanto en herramientas como como capas finísimas para recubrir filos 
de corte. 
 
El carburo de wolframio se utiliza a menudo en munición perforante, en 
especial cuando no está disponible o es políticamente inaceptable el uso de uranio 
empobrecido. Los escuadrones de cazadores de carros de la Luftwaffe alemana 
emplearon los proyectiles de W2C por primera vez durante la Segunda Guerra 
Mundial. La munición de carburo de wolframio puede ser de tipo Sabot (una flecha 
grande rodeada por un cilindro de descarte de empuje) o una munición de calibre 
reducido, donde el cobre se utiliza u otro material relativamente blando para revestir el 
núcleo de penetración duro, las dos partes están separadas solamente en el impacto. 
Este último es más común en las armas de pequeño calibre, mientras que los zuecos 
son generalmente empleados en cañones. 
 
 
 
 
 
28 
 
También se utiliza para la fabricación de instrumentos quirúrgicos destinados a 
la cirugía abierta (tijeras, pinzas, pinzas, cuchillas manijas, etc) y la cirugía 
laparoscópica (pinzas, tijeras / cortador, porta agujas, cauterización, etc.) Son mucho 
más caros que sus homólogos de acero inoxidable y requieren un manejo delicado, 
pero dan un mejor rendimiento. 
 
También es habitual verlo en aplicaciones deportivas, como herraje de los 
caballos, tachuelas de metal para neumáticos de bicilcleta, picos de escalada o 
bastenes para hiking. Así como en joyería. 
 
 
 
6. Carbonitruro de Titanio. 
 
 
Denominación. 
 
Como se ha dicho los Cermets y los Carburos cementados pertenecen al 
grupo de materiales compuestos de matriz metálica (MMC) pero se suelen dejar fuera 
de dicho conjunto ya que presentan características propias, poseen un grado de 
desarrollo superior al resto de MMC´s y existen un conjunto de ellos donde la fase 
mayoritaria es la parte cerámica y que pertenecen por tanto al grupo de materiales 
compuestos de matriz mineral. 
 
La palabra Cermet deriva de las sílabas “cer” de cerámica y “met” de metal 
[16], al igual que los carburos cementados, estos materiales presentan una 
combinación de material metálico con material cerámico, siendo las cerámicas que se 
suelen emplear Carburo de Silicio, Carburo de Titanio o de Tántalio. Sin embargo este 
término, en la industria de los materiales de corte se ha reservado para aquellos 
materiales que presentan como cerámica Carburo de Titanio (TiC), Nitruro de Titanio 
(TiN) y Carbonitruro de Titanio (TiCN), siendo la parte metálica Níquel o Cobalto. A lo 
largo de la memoria se trabajar con el material TiCN-Co y el empleo de la terminología“Cermets”, “Carburo de Titanio” o “Carbonitruro de Titanio”metal duro” será 
completamente indiferente, haciendo siempre referencia al TiCN-Co. 
 
 
Historia [17] 
 
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. De hecho 
la palabra Cermet fue acuñada por la Fuerza Aérea del os Estados Unidos. 
 
La tecnología existente en los años 50 alcanzó el límite de los motores a 
reacción donde ya había poco margen de mejora. Este hecho junto al rechazo por 
parte de los fabricantes de desarrollar motores de base cerámica provocó un 
estancamiento en el desarrollo de los Cermets durante esta década. 
 
 
29 
 
El interés se renovó en los años de la década de los 60 cuando el Nitruro de 
Silicio y el Carburo de Silicio se convirtieron en uno de los principales focos de estudio 
de la Ciencia de los Materiales, consiguiéndose avances en su producción industrial 
mediante el sinterizado. Ambos materiales poseían una mejor resistencia al choque 
térmico, alta resistencia y una conductividad térmica moderada. 
 
Desde entonces otros carburos cementados se han desarrollado en función de 
las necesidades particulares que se deseaban mejorar como, por ejemplo, el Carburo 
de Titanio, que se adapta mejor para el corte de acero, y el Carburo de Tantalio, que 
es más duro que el Carburo de Wolframio. 
 
 
 
Metalografía. 
 
El TiCN fue desarrollado a partir de TiC mediante la adición de TiN en los años 70. 
La formación de esta solución sólida se puede explicar mediante un mecanismo 
sustitucional donde los átomos de nitrógeno sustituyen a los de carbono, dando como 
resultado una estructura cúbica centrada en las caras en la que los átomos de Ti están 
ordenados mientras que los de C y N están dispuestos al azar. 
 
El Carburo de Titanio (TiC) y el Nitruro de Titanio (TiN) son las bases del 
Carbonitruro de Titanio Ti(C,N), siendo este último una solución sólida de Carbono y 
Titanio. Tanto el TiC, como el TiN, como el Ti(C,N) tienen una estructura tipo Cloruro 
Sódico (cúbica centrada en las caras, fcc) [14], donde el Titanio ocupa las posiciones 
FCC y el Carbono y/o el Nitrógeno ocupan de manera totalmente arbitraria los huecos 
octaédricos. 
 
 
 
 
Fig I.15. Estructura cristalina del Carbonitruro de Titanio (TiCN). Fuente: Gopal S. Upadhyaya, “Cemented tungsten carbides: 
production, properties, and testing “ Noyes Publications, Westwood, N.J., 1998 
 
 
 El parámetro de red del TiN es ligeramente más pequeño que el del TiC 
[14]. TiN tiene una mejor conductividad térmica y, por tanto, una mejor resistencia al 
choque térmico que el TiC. Otros parámetros característicos del TiC y el TiN son 
listados en la tabla I.4 [14]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
30 
 
Tabla I.4. Propiedades del Carburo de Titanio (TiC) y el Nituro de Titanio (TiN). Fuente: Shanyong Zhang, “Titanium carbonitride-
based cermets: processes and properties.” CSIC- School of Mechanical and Production Engineering, Nanyang Technological 
University, Singapore, 1993 
 
Compuesto Punto 
de 
Fusión 
(ºC) 
Microdureza 
(
𝒌𝒈𝒇
𝒎𝒎𝟐) 
Densidad 
(
𝒈
𝒄𝒎𝟐) 
Parámetro 
de red (Å) 
Parámetro 
de red (Å) 
TiC 3140 3200 
4.92 4.322 4.320 
TiN 2930 2000 
5.22 4.242 4.240 
 
 
Dado que el TiC y el TiN son isomorfos, los átamos de Carbono en la red 
cristalina del TiC puede ser reemplazados por átomos de Nitrógeno en cualquier 
proporpoción. Esta estructura es muy sensible a los cambios de presión y temperatura 
de manera que al aumentar una de ellas puede difundir Carbono, o Nitrógeno, hacia 
fuera de esta estructura y dejar una estructura superestequiométrica [15]. 
 
La microestructura típica de un cermet [16] de matriz níquel o cobalto, está 
compuesta por una fase dura de partículas pequeñas “core” uniformemente 
distribuidas en el seno de una matriz metálica, rodeadas de otra fase denominada 
“rim” generalmente formada por Mo, que en este caso será Cobalto y Tantalio. A priori 
los cermets de matriz hierro no tienen por qué presentar esta forma, aunque si la 
matriz presenta un porcentaje de cobalto/tantalio/molibdeno suficiente para rodear las 
partículas duras, puede que se desarrolle esta microestructura “core-rim” 
 
 
 
Fig I.16. Típica microestructura Core-Rim de los Cermet. Fuente. Elena Gordo Odériz. “Estudio de los tratamientos térmicos de un 
material compuesto base hierro reforzado con TiCN.” Proyecto fin de carrera, Universidad Carlos III, Madrid. 2009. 
 
 
Propiedades Mecánicas. 
 
El TiC es un material de gran importancia para la industria debido a sus 
propiedades físicas y químicas, tales como su alta dureza, alto punto de fusión, 
relativa alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia al desgaste por abrasión, 
resistencia a la oxidación y corrosión a altas temperaturas [16]. 
 
 
 
 
31 
 
Las propiedades de los cermets reforzados con TiCN se ven influenciadas por 
la composición de éste. Un aumento en el porcentaje de TiC tendrá como 
consecuencia un aumento en la dureza del cermet. Sin embargo la adición de 
nanopartículas de TiN al carburo de Titanio, TiC, provoca una mejora en la resistencia 
y en la tenacidad. Se cree que el TiN se deposita sobre los límites de grano del TiC 
anclándolos, de tal forma que se consigue el mencionado aumento en la tenacidad y 
resistencia, pero si su porcentaje es muy elevado provoca un empeoramiento de la 
dureza debido a que impide el crecimiento de los granos. Si el tamaño de los polvos 
de TiCN es el menor posible la microestructura del cermet será más homogénea y 
pudiéndose lograr mejoras en la dureza y en la tenacidad a fractura del material. 
 
 
Fig. I.17. Propiedades de los cermets en función de su composición. Fuente: E. Chicardi, J.M. Córdoba, “Desarrollo de Cermets 
basados en soluciones sólidas mediante la aplicación de la técnica MSR”, CSIC, Sevilla, 2010. 
 
 
Se profundizará más en las características mecánicas del Cermet en el capítulo 
I.7. donde se hace a la par una descripción de las características mecánicas de la 
Widia, de los Cermet y su comparación entre sí. Para el objeto de este proyecto las 
propiedades mecánicas que caben destacar son su buena resistencia a la oxidación y 
al desgaste, su comportamiento frágil y su relativamente baja tenacidad de fractura. 
 
 
Aplicaciones. 
 
Como se ha dicho el TiC es un material de gran importancia para la industria 
debido a sus propiedades físicas y químicas, Esto conlleva a que este material sea 
usado en aplicaciones tecnológicas en muchos de los campos tales como la 
metalurgia, aeronáutica, medicina, óptica y en la microelectrónica [16]. La industria 
química lo emplea como una parte integral de la sinterización de la familia-material de 
Ferro-titanita o, en general, como un componente de resistencia ácido y aceros 
inoxidables y metales duros [17]. En la industria del mecanizado se utiliza como 
material de recubrimiento para plaquetas de corte, fresas, brocas. Las brocas de 
perforación de acero de alta velocidad y sin la adición de wolframio, se pueden 
producir mediante la adición de carburo de titanio basado en níquel y cobalto, 
aumentando de este modo su velocidad de corte, exactitud y mejor acabado de la 
superficie [17]. En la industria aeroespacial también ha tenido aplicaciones como 
protección térmica de las naves espaciales en la atmósfera de la Tierra [17]- 
 
 
 
32 
 
Por su parte el TiN en la industria del mecanizado se emplea como 
recubrimiento para proteger el filo y aumentar la resistencia a la corrosión en la 
máquina de herramientas,tales como brocas y fresas [18]. Por su color similar al oro 
metálico se utiliza para recubrir bisutería y adornos de coches con propósitos 
decorativos. También se utiliza ampliamente como recubrimiento de la capa superior, 
por lo general con chapado de Níquel o Cromo, en accesorios de grifería y pomos de 
puerta [18]. Como recubrimiento se utiliza en la industria aeroespacial y aplicaciones 
militares y para proteger las superficies de deslizamiento de la suspensión horquillas 
de bicicletas y motocicletas, así como los ejes de choque de coches de radio control 
[18]. Los recubrimientos de TiN también se utilizan en prótesis, especialmente 
implantes de reemplazo de cadera, y otros implantes médicos [18]. Además, se utilizan 
en microelectrónica donde sirven como conductor barrera entre el dispositivo activo y 
los contactos de metal utilizados para hacerlo funcionar [18]. 
 
 
 
 
7. Comparativa entre cermets y carburos cementados. 
 
El objetivo del desarrollo de los cermets, era la producción de materiales que 
combinasen las propiedades de las cerámicas como pueden ser la alta resistencia al 
desgaste, a la oxidación o la capacidad de mantener su dureza a elevadas 
temperaturas, con las propiedades de los metales como su ductilidad y su buena 
conducción térmica [1] 
 
 
Fig. I.18. Esquema genérico de las propiedades de los carburos que permite conseguir una panorámica sencilla de la información 
que proporciona la tabla X.X. Fuente: E. Chicardi, J.M. Córdoba, “Desarrollo de Cermets basados en soluciones sólidas mediante la 
aplicación de la técnica MSR”, CSIC, Sevilla, 2010. 
 
 
Si se comparan las propiedades que presentan los carburos cementados y los 
cermets con los requerimientos necesarios para el mecanizado de alta velocidad, se 
observa que los cermets presentan una buena resistencia al desgaste y a la formación 
de cráteres, una baja tendencia a la adhesión, resistencia a la deformación plástica a 
elevadas temperaturas, a la abrasión y a la oxidación, así como una estabilidad 
química elevada y fundamentalmente unas prestaciones mecánicas (dureza y 
resistencia mecánica) excelentes a alta temperatura [11]. Estas propiedades son en 
gran parte superiores a las de los carburos cementados y permiten que la velocidad de 
corte de las herramientas de material tipo cermet sea mayor. 
 
 
 
 
 
 
 
33 
 
Tabla I.5. Propiedades representativas de los principales carburos para cermets y carburos cementados. Fuente: Gopal S. 
Upadhyaya, “Cemented tungsten carbides: production, properties, and testing “ Noyes Publications, Westwood, N.J., 1998 
 
 
Sin embargo, los cermets presentan una tenacidad de fractura baja, 
responsable de las roturas prematuras de las aristas de corte y en presencia de 
mecanizados intermitentes (solicitaciones cíclicas) experimentan una tolerancia al 
daño menor. Por estas razones, estos materiales no se recomiendan para realizar 
operaciones [11] de desbaste y semidesbaste, y se emplean principalmente en 
operaciones de acabado y semiacabado de alta velocidad, ya que presentan una 
excelente precisión dimensional (tolerancias), no generan rebabas y las piezas no 
necesitan ser rectificadas dado que normalmente se usan menores avances para así 
obtener mejores superficies de acabado y no es necesario aplicar operaciones 
posteriores como el esmerilado, que aumentarían el coste total de operación. 
 
Tabla I.6. Comparación de dureza entre carburos cementados y cermets con o sin recubrimientos. Gopal S. Upadhyaya, “Cemented 
tungsten carbides: production, properties, and testing “Noyes Publications, Westwood, N.J., 1998 
 
 
Los carburos cementados, por su parte, presentan una mayor facilidad a la 
hora de procesado, una mayor resistencia al choque térmico, una superior tenacidad 
de fractura y tolerancia al daño en presencia de solicitaciones cíclicas (impactos 
durante los cortes interrumpidos) superior, llegando a ser excelente para algunas de 
sus calidades (contenido de fase ligante y/o tamaño de carburo medio elevado) [10]. 
En cambio, poseen una estabilidad química inferior a alta temperatura, por lo que no 
permiten el empleo de elevadas velocidades de mecanizado al convertirse la difusión 
en un mecanismo de desgaste predominante, especialmente en presencia de 
carbono[19]. Por esta razón, es común depositar un recubrimiento de TiN, TiC, TiCN, 
TiAlN o 𝐴𝑙2𝑂3, en una sola capa o en multicapas yuxtapuestas, que actúa como 
barrera de difusión. Esto permite aumentar de forma considerable el rendimiento tribo-
mecánico y obtener una resistencia al desgaste hasta diez veces mayor, lo que 
posibilita el empleo de mayores velocidades de corte. 
 
34 
 
Tabla I.7. Rango de valores de las propiedades mecánicas más relevantes de las principales familias de herramientas de corte. 
Fuente: Autor no definido “Procesos de mecanizado. Herramientas de corte” http://www.salacam.unal. 
edu.co/descargas/PM%20HC.pdf 
 
Propiedad Aceros 
Rápidos 
Metales Duros Cermets Óxidos 
cerámicos 
Densidad (𝒈 ·
𝒄𝒎𝟑) 
8.0-9.0 10.0-15.0 5.5-8.5 3.9-4.5 
Dureza 
Vickers 
(𝑯𝑽𝟑𝟎) 
700-900 800-1200 1300-1900 1450-2100 
Resistencia a 
la rotura 
transversal 
(𝑴𝑷𝒂) 
2500-4000 1300-4300 1300-2700 400-800 
Resistencia a 
la compresión 
(𝑴𝑷𝒂) 
2800-3800 3000-7500 3800-6200 3500-5500 
Módulo de 
elasticidad 
(𝑮𝑷𝒂) 
260-300 500-700 400-500 300-450 
Tenacidad de 
fractura 
(𝑴𝑷𝒂 · 𝒎
𝟏
𝟐) 
15-27 6-24 5-12 4-6 
 
 
El desarrollo de materiales para herramientas de corte que permitiesen aunar 
las buenas propiedades de los cermets, (estabilidad química, comportamiento 
tribomecánico a alta temperatura) y de los carburos cementados (tenacidad de fractura 
y resistencia a fatiga), sigue siendo un reto al que se enfrenta actualmente la 
comunidad científica-técnica. 
 
 
Fig I.19. Comparación de la vida de la herramienta entre carburos cementados y cermets con o sin recubrimientos. Fuente: E. 
Chicardi, J.M. Córdoba, “Desarrollo de Cermets basados en soluciones sólidas mediante la aplicación de la técnica MSR”, CSIC, 
Sevilla, 2010. 
 
 
 
 
 
 
 
 
35 
 
8. Materiales laminados. Geometría a estudio. 
 
 Los materiales laminados, que pueden considerarse como un caso extremo de 
los materiales con función gradiente, están proporcionando resultados excelentes en 
cerámicas en términos de [20]: 
 Fiabilidad mecánica; presencia de umbrales para los diferentes tipos de 
solicitaciones impuestas: estáticas, monotónicas y cíclicas. 
 Grado de absorción de energía durante la fractura y la propagación de 
grietas (fenómenos de desviación y bifurcación), si los comparamos con sus 
correspondientes constituyentes monolíticos. 
 
Estos laminados también han mostrado una gran precisión a la hora de obtener 
requerimientos mecánicos preestablecidos. Los laminados se pueden diseñar en 
función de la energía de fractura puesta en juego en la superficie de separación de las 
distintas capas. 
 
 Por un lado, los laminados diseñados con uniones débiles poseen una mayor 
resistencia a la fractura debido a procesos de delaminación. Tras la fractura de la 
primera capa, la propagación de la grieta ocurrirá a lo largo de la superficie de unión 
débil con la segunda capa (la grieta se desvía del plano normal de carga), esto evita 
que el material presente un fallo catastrófico, un escenario de fractura donde la carga 
máxima aplicada no conduce a la extensión de una grieta inestable. Por otro lado, los 
laminados diseñados con superficies de unión fuertes presentan una alta resistencia al 
crecimiento de la grieta debido a la presencia de tensiones residuales de compresión, 
que actúan como una barrera a la propagación de las grietas. El aumento de la 
energía de fractura y el comportamiento de curva-R en estos laminados se asocia con 
los mecanismos de disipación de energía que se manifiestan durante el proceso de 
fractura, tales como [20]: 
 
 La detención de los defectos y grietas en las intercaras,que depende de la 
magnitud de las tensiones residuales de compresión e induce la presencia 
de un umbral mecánico y el consecuente aumento de la fiabilidad en 
servicio. 
 La presencia de fenómenos de desviación y bifurcación de grietas. 
 
 Un diseño estructural usual es el que se asocia con la presencia de tensiones 
residuales de compresión. Las tensiones de compresión se pueden desarrollar en el 
laminado durante la etapa de enfriamiento en el proceso de sinterización debido a las 
diferencias en las propiedades elásticas y térmicas (módulo de Young´s, coeficiente de 
expansión térmica, etc.) entre las capas. La selección adecuada del diseño del 
laminado en términos de composición, grado de simetría (diseños simétricos son los 
más recomendables), relación de espesores de capas, número óptimo de las mismas, 
etc., permitirá controlar la magnitud y distribución de las tensiones termomecánicas y 
garantizar de esta forma los requerimientos en servicio [20]. Se puede realizar un 
diseño en el que las capas externas estén a compresión, si lo que se busca es 
aumentar la resistencia mecánica en la superficie en términos absolutos. En cambio, si 
las capas internas están a compresión, estas actúan como barrera a cualquier 
distribución heterogénea de defectos o grietas inherentes al procesado o generadas 
durante las condiciones de servicio, apareciendo un umbral de tensión, por debajo del 
cual el material se comporta de manera completamente fiable. 
 
 
 
 
 
36 
 
En este contexto, algunos autores han propuesto el empleo de materiales 
mixtos del tipo Ti(C,N)-WC-Co, en los que siempre se adicionan los Ti(C,N) al conjunto 
WC-Co, resultando muy complicado encontrar composiciones en las que se alcance el 
equilibrio mecánico deseado, mostrándose evidente al lector la importancia del 
objetivo de este trabajo. 
 
Resultados más alentadores se han obtenido con los denominados metales 
duros con función gradiente en sistemas multicomponentes también del tipo Ti(C,N)-
WC-Co. Estos materiales se caracterizan por poseer una composición gradiente desde 
la superficie hacia el interior del material. En este sentido, es posible obtener 
materiales con una composición próxima a la de un carburo cementado (WC-Co) en la 
superficie y una composición más próxima a la de un cermet (Ti(C,N)-Co) en el interior 
y viceversa. La clave para obtener el tipo de material deseado con función gradiente 
radica en diseñar con precisión la composición química global del sistema, controlar 
rigurosamente las reacciones metalúrgicas, así como la atmósfera de trabajo durante 
la sinterización. En general, estos materiales presentan una aceptable tenacidad de 
fractura en la superficie (oponiéndose a la formación de grietas durante el 
mecanizado), comportándose en muchos casos mejor que los carburos cementados 
recubiertos. Además de la mejora en el rendimiento, estos materiales permiten 
eliminar el costoso proceso de recubrimiento por PVD y CVD, que puede alcanzar en 
muchos casos hasta un 15% de los costes totales de fabricación. 
 
Sin embargo, la complejidad de los diagramas de equilibrio de fases y de las 
reacciones metalúrgicas implicadas en estos sistemas multicomponentes con función 
gradiente hace que con frecuencia no sea posible alcanzar las propiedades y 
especificaciones deseadas [20]. De ahí que en este proyecto se haya trabajado con un 
laminado que sería un caso límite de los materiales con función gradiente, que pese a 
priori no esperar el mismo nivel de prestaciones sí ofrece a cambio un control del 
proceso y del producto final mucho más fiable y deseable. 
 
 
9. Pulvimetalurgia. Proceso de manufactura. 
 
La economía global actual ha producido un mercado extremadamente 
competitivo. Los ingenieros constantemente están comparando las ventajas y los 
inconvenientes de las técnicas de metalurgia de polvos con las restantes técnicas de 
conformado de piezas, como pueden ser el estampado, la fundición o el forjado. 
Mientras los fabricantes de piezas se han centrado en los materiales tradicionales 
empleados en pulvimetalurgia, muchos de ellos han empezado a trabajar con las 
aleaciones de mayores prestaciones fabricadas con una mayor temperatura de 
sinterización en un esfuerzo de optimizar las propiedades metalúrgicas y mecánicas 
de sus productos. A su vez los fabricantes de polvos y de hornos han apoyado esta 
tendencia dedicando su empeño a desarrollar nuevos productos y procedimientos [22]. 
 
La sinterización de alta temperatura es ciertamente no un concepto nuevo. La 
idea de sinterizar a temperaturas superiores a los 1150º ha sido común en la industria 
desde hace un tiempo [22]. Por ejemplo, el típico proceso de moldeo de metales por 
inyección que emplea temperaturas superiores a los 1250º con materiales de base 
hierro [23].Sin embargo, el empleo adecuado de estas procesos de sinterización de 
alta temperatura escogiendo una composición adecuada, un ciclo de compresión y 
térmico apropiado y, si es necesario, con la aplicación de presión llega a conseguir 
significativos y medibles beneficios en las piezas manufacturadas por metalurgia de 
polvos [24]. Sin embargo, la optimización de estos procesos requiere de un estudio 
previo cuidadoso para superar los distintos obstáculos que se presentan. 
 
37 
 
Como es sabido el sinterizado es un proceso que parte del material en polvo y 
mediante la combinación de presión y temperatura consigue la unión de las partículas. 
El proceso se realiza en hornos alimentados por cinta, en la cual se cargan las piezas 
en verde. Siendo las principales ventajas para decantarse por este método las 
siguientes [25], 
 
- Pureza de los materiales de partida. 
- Piezas con porosidad uniforme y controlada. 
- Alto control en la composición del material. 
- Productos de piezas próximas a su forma final. 
- Posibilidad de fabricar pizas en prácticamente cualquier material, incluyendo 
combinaciones de materiales diferentes y materiales cerámicos. 
 
Ahora bien, esta técnica puede estar exenta de limitaciones como son las 
siguientes [25], 
 
- Alto coste del material en polvo. 
- Limitaciones de diseño. 
- Limitaciones de tamaño de las piezas. 
- El material en polvo es muy nocivo para las personas haciendo necesario 
protección. 
 
El proceso de manufactura empleado en este trabajo es la sinterización en 
presencia de fase líquida. El Liquid-phase sintering (LPS) es una técnica importante 
para la obtención de componentes cerámicos densos a partir de piezas en verde de 
polvos compactados. En muchos sistemas cerámicos la formación de una fase líquida 
se usa, comúnmente, para ayudar a la sinterización y a la evolución microestructural. 
La cantidad de fase liquida oscila entre el 1 y el 20 % y se forma al calentar la mezcla 
de polvos cerámicos. 
 
El propósito de la sinterización en presencia de fase líquida es [21]: 
 
1. Aumentar la velocidad de densificación. 
2. Acelerar el crecimiento de grano. 
3. Producir propiedades específicas de los límites de grano. 
 
Hay tres requisitos generales para la sinterización en presencia de fase liquida [21]: 
 
1. Debe de estar presente una fase liquida a la temperatura de sinterización. 
2. La fase liquida debe mojar adecuadamente al sólido, es decir el ángulo de 
contacto ha de ser pequeño. 
3. La solubilidad del sólido en la fase liquida debe ser apreciable. 
 
La tensión superficial de la fase líquida que se forma es un factor importante 
para determinar la velocidad de sinterización. La distribución de la fase líquida y las 
fases sólidas resultantes de la solidificación producida después del enfriamiento es 
crítica para lograr las propiedades requeridas del material sinterizado [21]. 
Usualmente, la cantidad de fase líquida formada durante la sinterización es pequeña. 
 
La sinterización en presencia de fase líquida es particularmente efectiva para 
cerámicas tales como el Cermet y el Metal Duro, las cuales poseen un alto grado de 
enlace covalente y, por tanto,