Cómo examinar la microestructura, la porosidad y el grafito del metal duro

Tipos y estructuras del metal duro

Las aleaciones de metalurgia del polvo, como el WC-Co y el WC-TiC-Co, se denominan comúnmente «carburos cementados» o «metales duros». Entre las principales familias se incluyen las de tungsteno-cobalto (YG), tungsteno-titanio-cobalto (YT), tungsteno-titanio-molibdeno-niobio (YW), las ligadas con acero (YE), titanio-níquel-molibdeno (YN) y el carburo de tungsteno fundido (YZ). El WC-Co ofrece, por lo general, mayor resistencia mecánica y tenacidad al impacto, mientras que el WC-TiC-Co proporciona mayor resistencia al desgaste, dureza en caliente y velocidad de corte admisible.

El metal duro YG suele contener una fase alfa de carburo de tungsteno (WC) de color claro y una fase beta de aglutinante de color oscuro. Entre los grados de grano fino se incluyen el YG3X (K01), el YG (K20) y el YG6X (K10); el YG6X es especialmente fino. Los grados YG8 y YG8N (K30) se sitúan entre los de grano fino y los de grano medio. Los grados con carburo de tungsteno de grano grueso y alto contenido en aglutinante, como el YG11C y superiores, presentan una dureza menor, pero una mayor tenacidad, lo que los hace adecuados para matrices sometidas a cargas de impacto y herramientas de minería. Esta clasificación se ajusta a la norma ISO 4499-1:2008.

El metal duro YT suele contener una fase alfa de WC de forma maciza, una fase beta aglutinante y una fase gamma de TiC-WC de forma redondeada, de color que va del amarillo anaranjado al marrón. El color varía en función de las condiciones de oxidación. Sus granos de WC suelen ser de tamaño medio y pueden volverse gruesos a medida que aumenta el contenido de la fase gamma.

Las adiciones de TaC y NbC refinan los granos de WC y TiC-WC y forman carburos duros, finos, irregulares y complejos. El metal duro con aglutinante de acero puede utilizar TiC o WC en una matriz de acero susceptible de tratamiento térmico; sus partículas de carburo permanecen estables, mientras que el aglutinante de acero puede someterse a recocido, normalización, temple y revenido.

Preparación de muestras

Dado que la porosidad de la superficie y del núcleo puede variar, a menudo se opta por una sección transversal de fractura. Se puede obtener mediante electroerosión por hilo o por fractura mecánica. Para la preparación manual, se rectifica con refrigeración por agua sobre un disco de carburo de silicio de 150-250 μm y, a continuación, se lija con polvo de carburo de boro o de carburo de silicio de 10 o 12 μm sobre un disco de hierro fundido a unas 450 r/min. Para el pulido se puede utilizar una solución de 1.000 ml de agua, 10 g de ferricianuro de potasio, 10 g de hidróxido de potasio y unos 40 g de óxido de cromo o alúmina, o bien pasta de diamante sintético.

El pulido mecánico se realiza en dos etapas: una de grano grueso y otra de grano fino. Las muestras montadas para el pulido de grano grueso pueden fijarse con azufre en un anillo de aproximadamente 80 mm. Para el pulido de grano fino se puede utilizar un disco de alúmina 85% y un disco de goma 15% con una solución saturada de permanganato potásico durante unos 20 minutos.

Ataque metalográfico e identificación de fases

Las mezclas frescas, en volúmenes iguales, de soluciones de ferricianuro potásico e hidróxido potásico a 20%, 10% o 5% revelan fases de WC y TiC-WC; las concentraciones más bajas pueden revelar la fase eta, con un color que va del amarillo anaranjado al rojo anaranjado. Como alternativa, se puede calentar una muestra pulida y seca al aire a una temperatura de entre 450 y 500 °C durante unos 10-15 minutos hasta que adquiera un color amarillo pálido. Las superficies de color azul oscuro sobreoxidadas deben volver a pulirse.

Evaluación de la porosidad y del grafito

La porosidad se manifiesta en forma de orificios circulares negros con contornos bien definidos, de menos de 40 μm. Se examinará una muestra pulida y sin grabar a un aumento de 100× o 200× en varios campos de visión, desde el borde hasta el centro, y se indicará tanto la porosidad general como la grave, haciendo hincapié en el valor de la porosidad grave. Se puede consultar la norma ISO 4499-4:2016 como método de referencia internacional; ello no implica ninguna declaración de equivalencia ni de aceptación.

El exceso de carbono produce grafito fino con aspecto de nido o de puntos. Con una fracción volumétrica de aproximadamente 2% en WC-Co, adquiere una forma laminar; en WC-TiC-Co, una fracción de aproximadamente 1,5% puede producir una forma más fina con aspecto de nido. Evalúa las muestras pulidas y sin grabar en función de la cantidad, el tamaño, la morfología y la distribución del grafito. El grafito, la porosidad y la fase eta reducen la resistencia, la tenacidad y la resistencia al desgaste, por lo que su identificación contribuye al control de los procesos de pulverización, mezcla, prensado y sinterización.