CARBUROS

Hasta ahora hemos abordado el uso del carbono elemental en metalurgia, que, salvo en aplicaciones como crisoles o piezas refractarias, se considera más un combustible que un material estructural. En estado puro, el carbono no posee las propiedades mecánicas necesarias para desempeñar funciones estructurales en aleaciones metálicas, y su uso directo es limitado. Sin embargo, esta percepción cambia radicalmente cuando el carbono forma compuestos con otros elementos, especialmente con metales de transición, dando lugar a los llamados carburos, cuya relevancia en la metalurgia es difícil de sobrestimar.

La definición de carburo abarca cualquier compuesto en el que el carbono (C) se encuentre enlazado con un elemento cuya electronegatividad sea inferior a la suya —2,2 en la escala de Pauling—, sin importar el tipo de enlace que se establezca. Esta capacidad de formar carburos con una gran variedad de elementos convierte al carbono en un agente estructurador de primer orden. En el campo metalúrgico, los carburos metálicos destacan por su estabilidad química, su dureza extrema, su resistencia al desgaste y su comportamiento térmico excepcional, lo que los hace indispensables en aplicaciones industriales de alta exigencia.

Un ejemplo paradigmático de la importancia de los carburos es el acero, una aleación de hierro (Fe) y carbono que constituye el verdadero eje central de la metalurgia moderna. Todas las fases de equilibrio, las transformaciones cristalinas y las propiedades mecánicas del acero están intrínsecamente ligadas a la formación —o ausencia— de cementita (Fe₃C), el carburo de hierro, así como a la cantidad de grafito no combinado presente en la matriz. La presencia, distribución y proporción de estos compuestos determinan no solo la dureza y la tenacidad del acero, sino también su respuesta a tratamientos térmicos y su comportamiento frente a esfuerzos mecánicos.

Para ilustrar la magnitud del estudio del acero, basta con señalar que mientras el titanio (Ti) puede ocupar unas pocas decenas de monografías académicas, el acero ha generado cientos de trabajos científicos, tesis doctorales y tratados técnicos que analizan con minuciosidad las variaciones entre sus múltiples grados. Cada uno de estos grados se distingue por factores como el porcentaje de cementita, la cantidad de grafito puro por masa, los elementos aleantes secundarios y los tratamientos térmicos aplicados. Esta riqueza de información ha hecho del acero no una rama más de la metalurgia, sino su verdadero tronco, el punto de partida desde el cual se ramifican otras disciplinas.

No obstante, los carburos no son exclusivos del hierro. También se forman en aleaciones de metales base distintos, como el titanio, el vanadio (V), el wolframio (W), el molibdeno (Mo) y otros, cada uno con propiedades particulares y aplicaciones específicas. Aunque comparten ciertos rasgos estructurales —como la formación de redes cristalinas compactas y enlaces fuertes con el carbono—, cada carburo responde de manera distinta a los procesos térmicos, mecánicos y químicos, lo que permite su adaptación a usos muy concretos, desde herramientas de corte hasta componentes aeroespaciales.

Con el tiempo, aprenderás que el estudio de los carburos no solo revela la versatilidad del carbono como elemento químico, sino que también ofrece una ventana privilegiada al corazón mismo de la metalurgia. Cada carburo, cada estructura cristalina, cada fase de equilibrio es una pieza del rompecabezas que conforma el conocimiento profundo de los materiales, y entenderlos es comprender cómo la ciencia transforma la materia en utilidad.

Antes de continuar, me gustaría explicarte cómo se forma un Carburo, de ésta forma, pienso, entenderás más fácilmente porqué se asemeja en cierto sentido a otros compuestos inorgánicos no Carbonoideos, como es el caso de los Boruros, Nitruros y Óxidos usados ampliamente. 

Para empezar, haz de pensar en un Carburo como un substituto de un óxido común y corriente, en el que los átomos de Oxígeno han sido reemplazados por los de Carbono. ¿Cómo es ésto posible?

Si antes has leído sobre el porqué los metales se Oxidan tan fácilmente, sabrás a éstas alturas que la gran mayoría de metales optan por formar enlaces con elementos más electronegativos en lugar de combinarse consigo mismos. Es decir, cuando vamos a la mina, lo normal es que encontremos a los metales en su forma mineral, siendo que la enorme mayoría de dichos minerales son, efectivamente, óxidos. ¿Pero porqué? 

La presencia tan abundante de Oxígeno y el hecho de que sea más electronegativo y que forme compuestos tan estables químicamente hablando (no se puede oxidar un óxido, claro) fomentan la formación de combinaciones de éste elemento con otros elementos más reactivos que donan sus electrones de forma fácil y con mayor o menor velocidad atendiendo a su “nobleza”, así, como ya habrás leído, el Oro no se mezcla con el Oxígeno de forma natural, mientras que los metales alcalinos prácticamente “explotan” al mero contacto con el agua; se oxidan rápidamente. El hecho de que nos encontremos tantos óxidos minerales y no Carburos se debe precisamente a los tres factores que hacen pevalecer al Oxígeno sobre el Carbono en éstos compuestos. El primero es la electronegatividad. Mientras que el Carbono es bastante electronegativo (2,2) el Oxígeno lo es aún más (3,44) de manera tal que si un metal va a ceder un electrón, el Oxígeno lo tomará siempre el primero. El segundo factor es que el Oxígeno es mucho más abundante, por masa, que el Carbono, al menos en la superficie del Planeta. Aunque éste dato puede no ser tan importante a la hora de producir un Carburo, sirve para explicar porqué hay tanta diferencia de abundancia entre los óxidos y Carburos. El tercer motivo, no menos importante, es que los Óxidos son siempre más estables químicamente que los Carburos. De hecho, algunos Carburos como el de Calcio (CaC2) no pueden entrar en contacto con el agua, ya que reaccionarían. Por otra parte, el Óxido de Calcio (CaO), aunque también reactivo, es más estable en éste sentido. En cualquier caso la razón principal sigue siendo la primera: si el metal tiene que “escoger” entre formar Carburos u óxidos, siempre escogerá el segundo, ya que el Oxígeno prevalecerá sobre el Carbono (no olvides que el Carbono en sí mismo es oxidable por el Oxígeno, formando el monóxido CO o el dióxido, CO2). 

Es por ésto que la enorme mayoría de Carburos son artificiales y se generan en ambientes donde la cantidad de Carbono sea tan masiva comparada a la del Oxígeno que se produzca una saturación en dos pasos: el Oxígeno formará CO2 en lugar de oxidar al metal, mientras que el resto de Carbono que quede libre, por exceso de masa, pasará a combinarse con el metal. Es por ésto que cuando se va a producir un Carburo la cantidad de Carbono accesible ha de ser enorme, de otra manera la cantidad de Carburo sería muy poca o de mala calidad. Aunque resumido de forma simple, éste es el método que se sigue para extraer Hierro de sus minerales. Otra aclaración importante es que para formar Carburos no hace falta suministrar el metal en su forma pura (se puede añadir como mineral siempre que esté refinado), ni tampoco en el caso del Carbono (se emplea coque común y corriente en la mayoría de los casos).  

Como he dicho antes, no todos los Carburos son químicamente estables. Es más, no todos los metales forman Carburos. 

Aunque muchos autores citan al Estaño y al Plomo como los únicos metales “completamente incapaces” de formar Carburos “bajo ningún tipo de condiciones” lo cierto es que la lista, aunque larga, ha de centrarse en los elementos que se encuentran en los grupos 4, 5 y 6 de la Tabla Periódica, o lo que es lo mismo, en orden de menor a mayor número atómico: Titanio, Vanadio, Cromo, Circonio, Niobio, Molibdeno, Hafnio, Tantalio y Wolframio. Dichos metales son los reyes entre los Carburos metálicos (algunos son tan famosos, como el de Wolframio, que a veces cuando se pide el comprador se refiere a él como “Carburo” sin especificar “de Wolframio). El Hierro forma su propio Carburo, la Cementita, pero es inestable termodinámicamente y sólo puede existir dentro de una matriz de Acero. Además, la cantidad de Carbono que el Hierro es capaz de disolver (más allá de su estructura cristalina) nunca llega al 3% de Carbono diluido, por masa, al menos con presiones normales. 

Es importante saber distinguir entre los Carburos que pueden aislarse en cantidades masivas, como es el caso de los metales de los grupos 4, 5 y 6 a los formados, entre otros, por el Hierro, el Manganeso y el Cobalto, que sólo disuelven pequeñas cantidades de Carbono cuando se encuentran en estado líquido. Metales como el Cobre, el Zinc, la Plata, el Oro, el Estaño, et cétera, son incapaces de formar Carburos en condiciones normales. 

En contraposición a ésto, los metaloides Silicio y Germanio (familia del Carbono) forman con éste Carburos con relativa facilidad. El Carburo de Silicio en concreto, es el segundo (o el primero, depende del contexto) Carburo más utilizado y/o famoso, después del de Wolframio. 

Otros metales, como es el caso del Alcalino-térreo Calcio o el de Post-transición Aluminio forman Carburos, pero son químicamente muy reactivos y se disuelven con facilidad en agua. 

Los “mejores” Carburos desde el punto de vista del interés de un ingeniero para encontrar los mejores materiales son, como ya he dicho, aquellos que forman los metales del grupo 4, 5 y 6, además de la Cementita (Carburo de Hierro con fórmula Fe3C) y el de Silicio, con fórmula SiC. Nota que no he mencionado las fórmulas de cada Carburo metálico. El motivo es que de hecho, existe más de un subtipo por elemento (ejemplo WC para el monoCarburo de Wolframio y el semiCarburo, W2C), si bien siempre hay una fórmula que prevalece sobre el resto. 

Los Carburos metálicos tradicionales también son conocidos como Cermets, palabra anglosajona que mezcla los términos Cer (de “cerámica”) y Mets (de “metales”), aludiendo a las características de dichos compuestos, las cuales se consideran similares a las de las Cerámicas de alta gama propiamente dichas como la Alúmina y Circonia Cúbica y a los metales de transición. En otras palabras, los Carburos metálicos, o Cermets, comparten características tanto con las Cerámicas como con los metales, pero no entran en ninguna de las dos categorías, si no que forman una por sí mismas. 

Los Cermets son los más populares en la disciplina de la metalurgia ya que se utilizan ampliamente en la fabricación de Aceros especiales con rendimientos extraordonarios, como por ejemplo los llamados “HSS” (High Speed Steel). La mayoría de las aplicaciones de éstos compuestos explotan sus propiedades mecánicas únicas, que a continuación veremos.

Aunque cada una tiene nombre y apellido, por lo general se comportan de forma tan parecida que a veces cuesta hacer distinción entre cada uno. 

Los atributos que todos comparten son: elevadísima dureza (la mayoría tiene una dureza Mohs de 9 a 9,5), alta resistencia a la corrosión y sobretodo, una temperatura de fusión extremadamente alta. 

La resistencia a la temperatura es motivo de insistencia entre los eruditos ya que se aplica no solamente a la habilidad de éstos compuestos para operar en condiciones extremas donde otros materiales cederían mecánica o químicamente. 

Mecánicamente, porque el calor debilita los enlaces, por ejemplo, de un Acero dulce típico a partir de los 120ºC o incluso menos (sin contar con el problema de la corrosión, crepitación y rápido desgaste). Un Cermet de calidad es capaz de operar hasta los 600ºC o más y no pierde rigidez en el proceso. 

Ésto se debe a que los enlaces de Carbono-Metal son muy fuertes, más allá de que sean difíciles de formar. 

Fabricar Carburos es relativamente fácil en comparación a otros compuestos similares como los Nitruros o Boruros, debido a la gran afinidad que tiene el elemento Carbono por algunos metales de transición. La principal ventaja es que para fabricarlos, no es necesario exponer el metal en su forma pura al Carbono, como hemos visto antes, si no que se puede usar el óxido (o incluso minerales más complejos, pero el óxido simple es preferible). Este detalle es de capital importancia si se tiene en cuenta el coste. Por ejemplo, cuando intentamos obtener Titanio metálico (puro), se requieren muchos pasos para refinar el óxido, y a partir de ahí lograr “desprender” los átomos de Oxígeno del metal sin contaminarlo con Carbono. Lo mismo pasa con el Vanadio, Molibdeno, et cétera, es un problema que todos presentan. No obstante, en el caso del Titanio es curioso, ya que a diferencia de la mayoría de los demás metales de transición que forman Cermets fácilmente, éste sí absorbe Nitrógeno, por lo que la fusión debe tomar proceso en una atmósfera controlada. En cualquier caso, el método consiste en unir el Carbono en estado fumante con el óxido purificado del metal con el que queremos formar el compuesto. Dicho procedimiento se aplica a todos los metales de transición que forman Carburos, y también al Silicio (un metaloide). 

Para obtener un Carburo de gran pureza, se emplean Carbono de alta pureza y el óxido del metal en cuestión (es posible usar el metal puro, pero es raro ya que no compensa). El Carbono debe estar presente en gran cantidad, ya que no sólamente tiene que reducir el óxido (separar los átomos de Oxígeno enlazándose con ellos formando CO y CO2) sino también combinarse (ser absorbido) por el metal/metaloide que con el cual se busca combinar.

El resultado de la “Carburización” del óxido da como resultado cristales de gran pureza normalmente de color oscuro (normalmente debido a la presencia de trazas de Hierro) y densidad similar a la del metal puro que se procesan para reducir su tamaño (si hablamos de piezas de alta precisión, se requiere un polvo de granos de tamaño nanométrico) que luego se agregarán al Acero (en caso de los Aceros rápidos) o se les dará forma a través del proceso de sinterización (para fabricar Cermets). Un ejemplo famoso de éste último es el Carburo de Wolframio, bien explicado en este libro.

El Cermet en sí mismo es un polvo, o bien una substancia arenosa dependiendo del “tamaño del grano”. El tamaño del grano, como su nombre sugiere, mide las dimensiones de una partícula típica. Mientras más pequeños, más móviles, a tal punto que si suficientemente diminutos actúan como un pseudo-líquido. El tamaño del grano se tipifica como Mesh Grain Size y se expresa en aproximaciones de la orden de menos del milímetro. Ésto es importante de saber ya que a veces el mismo Cermet se utiliza como granos más o menos grandes, dependiendo del resultado que se busque. Normalmente, el tamaño del grano fino se traduce en mayor robustez, mientras que el superfino se emplea para la elaboración de piezas que demandan mucha precisión. Un ejemplo es decir que los granos de Carburo de Wolframio usados en lijas son bastante más grandes que los utilizados para la elaboración de bolas de cojinetes o anillos de bisutería de alto standing (me niego a llamarlo joyería).