El carburo de tungsteno-cobalto (WC-Co) es ampliamente valorado por su extrema dureza, pero esa misma resistencia hace que sea muy difícil darle forma y fabricar. Los métodos de producción actuales consumen grandes cantidades de material costoso y al mismo tiempo proporcionan rendimientos relativamente modestos. Como resultado, los investigadores están buscando formas más eficientes y económicas de producir estos materiales excepcionalmente duros.
Los carburos cementados WC-Co son necesarios para aplicaciones que exigen una fuerte resistencia al desgaste y alta dureza, incluidas herramientas de corte y construcción. Tradicionalmente, estos materiales se producen mediante pulvimetalurgia. En este proceso, los polvos de WC y Co se comprimen a alta presión y se calientan en una máquina de sinterización para formar carburos cementados sólidos. Aunque este método produce un producto final muy duradero, utiliza cantidades significativas de materias primas caras y produce rendimientos ineficientes.
Para resolver este problema, los investigadores buscaron un enfoque diferente utilizando la fabricación aditiva (AM, también conocida comúnmente como impresión 3D). Su trabajo también incluye una técnica llamada irradiación láser con hilo caliente. En conjunto, estos métodos tienen como objetivo producir carburos cementados que conserven su resistencia y durabilidad y al mismo tiempo reduzcan tanto el desperdicio de material como los costos de producción.
Se publican los resultados Revista internacional de metales y sólidos refractarios y está previsto que aparezca en la edición impresa de abril de 2026 de la revista.
Método de fabricación aditiva basado en láser.
El estudio examinó la fabricación aditiva mediante irradiación láser con hilo caliente y probó dos técnicas de fabricación diferentes. La irradiación láser con hilo caliente (también llamada soldadura láser con hilo caliente) combina un rayo láser con un hilo de relleno calentado. Esta combinación aumenta la tasa de deposición (cuánto metal de aportación se agrega) y mejora la eficiencia general de fabricación.
En uno de los métodos experimentales, el carburo cementado conduce a la formación de barras cuando un láser irradia directamente la parte superior de la barra. En el segundo método, el láser controla el proceso y conduce energía entre la parte inferior de la varilla de carburo cementado y el material base (hierro). En ambas técnicas, los materiales se ablandan durante la fabricación en lugar de fundirse por completo para formar una estructura de carburo cementado.
“Los carburos cementados son materiales extremadamente duros que se utilizan para cortar bordes de herramientas y aplicaciones similares, pero están hechos de materias primas muy caras como el tungsteno y el cobalto, lo que hace que el uso del material sea muy deseable. Mediante la fabricación aditiva, el carburo cementado se puede depositar sólo donde sea necesario, minimizando así la reducción de mercurita”, dijo el autor. Profesor asistente en la Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima el profesor
Lograr un rigor industrial libre de defectos
Las pruebas han demostrado que esta técnica de fabricación aditiva puede preservar la rigidez y la resistencia mecánica que normalmente se logran mediante métodos de fabricación convencionales. El material resultante alcanza un nivel de dureza superior a 1400 HV (unidad que representa la resistencia a la penetración) para evitar defectos o roturas del material.
Los materiales con este nivel de dureza se encuentran entre los más duros utilizados en aplicaciones industriales y se ubican justo por debajo de los materiales superduros como el zafiro y el diamante. La fabricación de moldes de carburo cementado sin defectos parece posible con este método, que fue el objetivo principal del estudio. Sin embargo, los resultados varían según el método de fabricación utilizado.
Por ejemplo, la técnica dominada por varillas hace que el WC se descomponga cerca de la parte superior de la construcción, creando defectos en el material terminado. El método guiado por láser también tuvo dificultades para mantener la rigidez necesaria para el éxito.
Los investigadores resolvieron estos problemas introduciendo una capa intermedia a base de aleación de níquel. Combinada con un control cuidadoso de las condiciones de temperatura (por encima del punto de fusión del cobalto, por debajo de la temperatura de crecimiento del grano), esta combinación permite la producción de carburos cementados mediante fabricación aditiva preservando al mismo tiempo la dureza del material.
Mejoras y aplicaciones futuras
Los resultados proporcionan un punto de partida prometedor para un mayor desarrollo. El trabajo futuro se centrará en reducir las grietas durante la fabricación y permitir formas más complejas.
“El método de fabricar materiales metálicos ablandándolos en lugar de fundirlos por completo es novedoso y tiene el potencial de aplicarse no sólo a los carburos cementados, que fueron el foco de esta investigación, sino también a otros materiales”, dijo Marumoto.
De cara al futuro, los investigadores pretenden desarrollar herramientas de corte, investigar el uso de otros materiales y seguir estudiando formas de mejorar la durabilidad de las piezas fabricadas con esta técnica.
El estudio fue realizado por Keita Marumoto y Motomichi Yamamoto de la Escuela de Graduados en Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima.
