Investigadores logran imprimir en 3D uno de los metales más duros del planeta

El tungsteno carburo-cobalto (WC-Co) es altamente valorado en la industria debido a su capacidad para resistir un desgaste intenso y presiones extremas. Este material, que se utiliza en herramientas de corte y maquinaria, presenta grandes desafíos en su fabricación, siendo costoso y difícil de moldear, lo que lleva a un alto desperdicio de materia prima.

Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Hiroshima presentó un enfoque innovador para la producción de WC-Co utilizando fabricación aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D. Este nuevo método no solo promete reducir los costos de producción, sino que también busca conservar la dureza y resistencia que hacen a este material tan útil.

El estudio, publicado en el International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, destaca cómo la técnica de impresión 3D puede optimizar el uso de materiales costosos, al depositar solo donde es necesario, minimizando así el desperdicio.

La importancia del tungsteno carburo

El WC-Co se utiliza ampliamente en aplicaciones que requieren extrema dureza y resistencia al desgaste, como herramientas de corte y equipos de construcción. Este material combina el tungsteno, que proporciona dureza, con el cobalto, que actúa como un aglutinante metálico.

Tradicionalmente, la producción de estos materiales se realiza a través de la metalurgia en polvo, donde se comprimen polvos finos de WC y Co bajo alta presión y se calientan en máquinas de sinterización. Aunque este proceso produce partes extremadamente duraderas, tiene desventajas significativas, como el alto costo de los materiales y el desperdicio.

Los investigadores se preguntaron si la fabricación aditiva podría ofrecer una alternativa más eficiente. A diferencia de los métodos convencionales que eliminan material o llenan moldes, la fabricación aditiva construye un objeto depositando material solo donde es necesario.

Uso de láser y alambre caliente

El equipo utilizó un proceso llamado irradiación de láser con alambre caliente, que combina un rayo láser con un alambre de relleno precalentado. Este método permite añadir material de manera más rápida y eficiente, aumentando la tasa de deposición y reduciendo el consumo de energía del láser.

Se probaron dos configuraciones de fabricación. En la primera, el láser se dirigió a la parte superior de una varilla de WC-Co, mientras que en la segunda, el láser lideró el proceso, irradiando el área entre la base de la varilla y el material base (hierro).

Ambos métodos suavizaron los metales sin llegar a fundirlos completamente, lo cual es crucial, ya que la fusión total puede alterar la estructura interna del tungsteno carburo y disminuir sus propiedades.

El autor principal, Keita Marumoto, asistente de profesor en la Escuela de Graduados de Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima, destacó: "Los carburos cementados son materiales extremadamente duros utilizados para bordes de herramientas de corte, pero están hechos de materias primas muy costosas como tungsteno y cobalto. Por lo tanto, es muy deseable reducir el uso de material".

Carburo industrial libre de defectos

Los experimentos mostraron que el enfoque podría mantener la dureza y la integridad mecánica del WC-Co producido convencionalmente. Se logró un material base con una dureza superior a 1400 HV, lo que lo sitúa entre los materiales más resistentes utilizados en la industria, por debajo de sustancias superduras como el zafiro y el diamante.

Los hallazgos sugieren que la fabricación aditiva puede producir moldes de carburo cementado sin defectos significativos, aunque los resultados variaron según la configuración de fabricación utilizada.

El método que lideraba la varilla causó cierta descomposición del WC en la parte superior de la estructura fabricada, creando defectos en el material final. Por otro lado, el método que lideraba el láser evitó algunos de esos problemas, aunque al principio tuvo dificultades para mantener la dureza requerida.

Los investigadores abordaron este problema añadiendo una capa intermedia basada en aleación de níquel y controlando cuidadosamente la temperatura para que se mantuviera por encima del punto de fusión del cobalto, pero por debajo de la temperatura de crecimiento de grano.

Con estos ajustes, el equipo logró producir carburo cementado a través de la fabricación aditiva sin sacrificar su dureza.

Un nuevo enfoque para moldear materiales extremadamente duros

Los resultados ofrecen una base para el desarrollo futuro, aunque aún quedan varios desafíos por superar. Los investigadores planean trabajar en la reducción de grietas, mejorar la durabilidad y determinar cómo fabricar formas más complejas.

Marumoto concluyó: "El enfoque de formar materiales metálicos al suavizarlos en lugar de fundirlos completamente es novedoso y tiene el potencial de aplicarse no solo a los carburos cementados, sino también a otros materiales".

El trabajo futuro se centrará en la producción de herramientas de corte prácticas, la prueba del proceso con materiales adicionales y la búsqueda de formas de hacer que los componentes terminados sean aún más duraderos. Si esta técnica se puede perfeccionar para la fabricación a gran escala, podría permitir a los productores colocar el costoso carburo solo donde se necesita, haciendo que las herramientas avanzadas sean menos derrochadoras y más económicas, mientras se preserva la extrema dureza requerida para su uso industrial.

Keita Marumoto y Motomichi Yamamoto de la Escuela de Graduados de Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima, junto con Takashi Abe, Keigo Nagamori, Hiroshi Ichikawa y Akio Nishiyama de la Corporación Mitsubishi Materials Hardmetal, contribuyeron a esta investigación.

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