METODO DE OBTENCION DE UN MATERIAL COMPUESTO NANOESTRUCTURADO DE MATRIZ CERAMICA Y MECANIZABLE POR ELECTROEROSION, Y PRODUCTO OBTENIBLE PORDICHO METODO.

Método de obtención de un material compuesto nanoestructurado de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión, y producto obtenible por dicho método. Objeto de la invención La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico de los materiales compuestos de matriz cerámica, en concreto de los materiales de matriz cerámica nanoestructurados. El objeto de la invención trata de un procedimiento de obtención de un material compuesto nanoestructurado de matriz cerámica que es mecanizable por el método de electroerosión. La invención tiene asimismo por objeto el material compuesto obtenible por dicho método. La invención tiene su aplicación en diversos campos, entre los que se encuentran electrodos, herramientas (de corte, de extrusión, de prensado, de mecanizado de ultraprecisión, etc.), frenos de alta resistencia al desgaste, componentes electrónicos, piezas de relojería, etc. Antecedentes de la invención Los materiales cerámicos encuentran en la actualidad aplicaciones técnicas en múltiples sectores gracias a sus particulares propiedades físicas y químicas, tales como dureza, tenacidad, resistencia al choque térmico, bajo coeficiente de expansión térmica, alta resistencia al desgaste, alta conductividad térmica, resistencia a ácidos, etc. Una estrategia común para obtener materiales con propiedades mecánicas superiores respecto a las matrices cerámicas monolíticas es la incorporación a las mismas de agentes reforzantes (partículas, fibras, etc.), dando lugar a materiales compuestos de matriz cerámica. Asimismo, en el caso de que las partículas posean propiedades funcionales (magnéticas, eléctricas, etc.), los correspondientes materiales compuestos pueden, además, adquirir estas nuevas propiedades funcionales, convirtiéndose en materiales multifuncionales. En concreto, la adición de partículas conductoras y/o semiconductoras (carburos, nitruros, boruros, etc.) a matrices cerámicas aislantes confiere, por un lado, alta conductividad eléctrica, lo que permite al material compuesto sustituir componentes metálicos en dispositivos electrónicos convencionales, y, por otro, puede reforzar la matriz cerámica por diferentes mecanismos (microagrietamiento, deflexión de grieta, tensiones residuales, puenteo de grieta, etc.), alcanzando valores de tenacidad muy superiores a los obtenidos para las cerámicas monolíticas [J.S. Moya, S. Lopez-Esteban, C. Pecharroman The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites, Progress in Materials Science, 52 (2007) 1017-1090]. Sin embargo, las propiedades mecánicas tan excepcionales de los materiales cerámicos en general, y de los materiales de matriz cerámica nanoestructurados en particular, pueden llegar a presentar serios inconvenientes que pueden incrementar notablemente sus costes de producción. Tal es el caso de los materiales con alta dureza, para los que la dificultad de mecanizado por los métodos tradicionales aumenta considerablemente y, por consiguiente, también se incrementa el coste del proceso y del producto final. Asimismo, el acabado con formas intrincadas en estos materiales requiere tolerancias que son, a menudo, difíciles de alcanzar con técnicas de mecanizado tradicionales. Esta situación ha favorecido el desarrollo de métodos más sofisticados para el mecanizado de piezas con formas complejas que eviten el contacto mecánico herramienta/pieza, como es el caso del mecanizado por electroerosión o descarga eléctrica (Electrical Discharge Machining, EDM) [W. König, D.F. Dauw, G. Levy, U. Panten. EDM-future steps towards the machining of ceramics. Ann. CIRP 1988; 37:623]. Esta técnica supera con éxito la mayoría de las dificultades que plantean estos materiales, evitando los altos costes de las técnicas tradicionales. El proceso de electroerosión consiste, básicamente, en el establecimiento de un arco de descarga entre el hilo conductor, que propicia el mecanizado propiamente dicho, y la pieza a mecanizar, por encima del voltaje de ruptura del dieléctrico en el que se sumerge la pieza (aceite o agua). Una vez iniciada la descarga, se forma un plasma en el frente de mecanizado que, al enfriarse, se deposita sobre la superficie fresca producida por el corte, formando un magma vítreo constituido por los óxidos correspondientes. En el caso particular de un material compuesto cerámica/semiconductor, el depósito formado está constituido por una fase vítrea oxídica caracterizada por poseer un voltaje de ruptura superior al inicial. Sin embargo, en el caso de los materiales compuestos cerámica/semiconductor/metal, el papel de las nanopartículas de metal consiste en inducir una bajada del voltaje de ruptura en la capa recién depositada durante la descarga, permitiendo que se desarrolle el proceso de electroerosión de forma continua. No se han encontrado referencias en la literatura de polvos nanoestructurados cerámico/metal con adición de nanopartículas electroconductivas semiconductoras. La técnica EDM se puede aplicar con éxito a materiales cerámicos tanto oxídicos como no oxídicos, siempre que estos satisfagan una serie de requisitos, entre los cuales se encuentra, principalmente, que la resistividad eléctrica sea menor de 100-300 ·cm. Puede darse el caso de un material compuesto cerámica/semiconductor que no sea electromecanizable a pesar de cumplir con el mencionado requisito de baja resistividad. Esto es especialmente relevante en materiales compuestos de matriz cerámica con partículas semiconductoras que presentan baja resistencia eléctrica y muy altos valores de dureza. El problema técnico que se plantea consiste en conferir al material nanoestructurado 2 ES 2 353 704 A1 cerámico/semiconductor que no es electromecanizable la propiedad de serlo sin perjuicio de sus elevadas propiedades mecánicas. Descripción de la invención La presente invención resuelve el problema técnico planteado mediante un procedimiento de obtención de un material nanoestructurado de matriz cerámica, de composición cerámica/semiconductor/metal, por sinterización, que es mecanizable por electroerosión. Tal como se acaba de adelantar, un objeto de la invención lo constituye un procedimiento de elaboración de un material cerámico nanoestructurado cerámica/semiconductor/metal, que resulte ser mecanizable por electroerosión. Un segundo objeto de la invención es el propio material compuesto obtenible por medio del procedimiento anterior. A continuación, se describe el procedimiento de la invención: Los materiales de partida son: - un material cerámico en polvo de tamaño de partícula nanométrico, denominado matriz cerámica; - un material semiconductor de tamaño de partícula nanométrico, y - una sal metálica, empleada como precursor del metal correspondiente. Es teóricamente razonable asumir que los resultados de la invención son generalmente extrapolares con independencia de la matriz cerámica empleada. Sin embargo, como ejemplos preferentes de materiales cerámicos se seleccionan Al 2O 3 (alúmina), Al 6Si 2O 13 (mullita), ZrO 2 (circona), MgAl 2O 4 (espinela de alúmina y magnesia) y YAG (granate de aluminio e itrio). Esta selección preferente se justifica porque incluye diversos tipos distintos de cerámicas técnicas de altas prestaciones, de amplia difusión y variadas aplicaciones, y que presentan valores muy altos de dureza, por lo que son especialmente interesantes para los propósitos de la invención. Asimismo, la invención resulta aplicable independientemente del material semiconductor empleado. No obstante, resultan preferentes los semiconductores tales como carburos, nitruros y boruros metálicos, puesto que confieren valores elevados de propiedades mecánicas (dureza, fundamentalmente). Como ejemplos particulares de semiconductores se seleccionan SiC, TiC, TiN, TiB 2. En cuanto a los metales, idénticas consideraciones son razonables. La invención es aplicable independientemente del metal empleado. Sin embargo, se seleccionan preferentemente metales con punto de fusión superior a 1400ºC, como son W, Ni, Mo, Co. Aplicando conocimientos teóricos relativos al concepto de percolación, se puede considerar como valor máximo de proporción de metal un 16% en volumen, puesto que es el valor en el que el material compuesto adquiriría un carácter conductor. Sin embargo, por consideraciones prácticas se toma como valor máximo de proporción de metal el 10%, puesto que ciertas propiedades mecánicas -tales como la dureza- se ven afectadas de manera negativa por proporciones de metal superiores. La proporción mínima de metal empleado ha sido del 1.9% en volumen, si bien no existen razones para suponer que la invención no pueda arrojar resultados positivos para cualquier valor no nulo de presencia de metal. Por tanto, se pueden considerar válidas concentraciones de metal superiores al 0%, no siendo necesario que sean superiores al 16% en volumen....

1. Método de obtención de un material compuesto nanoestructurado de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión, caracterizado porque comprende las etapas de: - preparación de un material en polvo de cerámica/óxido metálico, mediante calcinación de una suspensión homogénea seca de un polvo cerámico de tamaño de partícula nanométrico y una sal metálica precursora de metal; - adición al producto de la etapa anterior de un material semiconductor de tamaño de partícula nanométrico; - molido y homogeneización del producto resultante de la etapa anterior; - secado y tamizado del producto resultante de la etapa anterior; - tratamiento térmico en atmósfera reductora del producto resultante de la etapa anterior, obteniéndose un material en polvo cerámica/semiconductor/metal y - conformado y sinterizado del producto de la etapa anterior. 2. Método de obtención de un material compuesto, nanoestructurado, de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tratamiento térmico de reducción se produce a una temperatura comprendida entre 300ºC y 1000ºC. 3. Método de obtención de un material compuesto, nanoestructurado, de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la matriz cerámica se selecciona entre: - Al2O3 (alúmina), - Al6Si2O13 (mullita), - ZrO2 (circona), - MgAl 2O 4 (espinela de alúmina y magnesia), - YAG (granate de aluminio e itrio). 4. Método de obtención de un material compuesto, nanoestructurado, de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el semiconductor se selecciona entre carburos, nitruros y boruros. 5. Método de obtención de un material compuesto, nanoestructurado, de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el semiconductor se selecciona entre SiC, TiC, TiN, y TiB2. 6. Método de obtención de un material compuesto, nanoestructurado, de matriz cerámica y mecanizable por electroerosión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el metal posee un punto de fusión superior a 1400ºC. 7. Método de obtención de un material compuesto, nanoestructurado, de matriz 5 cerámica y mecanizable por electroerosión de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el metal es W, Ni, Mo o Co. 8. Producto directamente obtenible por medio del método descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7. 9. Producto de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el metal y el semiconductor se encuentran en una proporción tal que se supera el punto de percolación del compuesto final. 10. Producto de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la proporción de metal es inferior al 16% en volumen. 11. Producto de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la proporción de metal es inferior al 10% 12. Producto de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la proporción de metal está comprendida entre el 1% y el 16% en volumen. 6 ES 2 353 704 A1 7 ES 2 353 704 A1 8 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA