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1. TECNOLOGÍA DE MATERIALES COMPUESTOS
TEMA 11. MATERIALES COMPUESTOS DE
MATRIZ METÁLICA (CMM).

2. TECNOLOGÍA DE MATERIALES COMPUESTOS
INDICE
11.1 Introducción. Tipos de CMM. Refuerzos. CMM
reforzados con partículas. Influencia del tamaño de la
partícula.
11.2 Procesos de fabricación. Conformado de CMM por
compresión. Técnicas de extrusión para materiales CMM.
Selección y aplicaciones de los CMM.

3. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
11.1. INTRODUCCIÓN.
Con los compuestos de matriz metálica (CMM), se mejora el
comportamiento a fluencia de la aleación matriz, pudiendo diseñarse
para una mejora de propiedades mecánicas según la dirección que
interese. Este aumento de resistencia va unido a una disminución de
tenacidad.
Hay que tener en cuenta que los refuerzos no deben reaccionar
químicamente con el material de la matriz a temperaturas altas.
Los costes de fabricación son más elevados que los CMP, por lo que
los CMM se utilizan en productos de alto valor añadido: aeronáutica,
motores, …
LOS CMM PUEDEN ESTAR REFORZADOS POR FIBRAS ESPECIALES
CONTINUAS, DISCONTINUAS, WHISKERS Y PARTÍCULAS.

4. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA

5. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
REFUERZOS CON FIBRAS CONTÍNUAS PARA CMM
El mayor esfuerzo de desarrollo en los inicios de estos materiales
fueron los reforzados con fibras continuas, ya que con ellos se
alcanzan las máximas resistencias mecánicas. Pero hay que tener en
cuenta que las fibras de alta resistencia son las más caras, lo que junto
con la dificultad de fabricación, limitan el uso de estos materiales.
Fibras de mayor diámetro (~ 200μm):
• Boro en wolframio, SiC en Wolframio: Son producidas por deposición
de vapor en un sustrato de W a alta temperatura. La fibra de W es de
alrededor 100 μm de diámetro y después de la deposición alcanza un
grosor de 140 a 200 μm.
• Fibras de  alúmina: obtenidas por procedimiento sol-gel (ver tema 2).
Fibras de menor diámetro:
Fibras de grafito: estas fibras de ~ 10μm no se utilizan como filamentos
individuales sino como hebras. Se deposita sobre ellas Ti y B y esta
capa protege a la fibra del ataque de los metales utilizados como matriz
y además mejora la mojabilidad con las matrices.

6. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Fibra Diámetro
μm
Densidad
g/cm3
E específico
(Gpa)
Rm específica
(Mpa)
B (SiC) 240 2,4 162 1660
SiC (C) 140 2,0 140 1330
Al2O3
(hebras)
20 3,9 97 > 360
C, HM
(hebras)
8,4 1,96 265 950
Propiedades de fibras continuas

7. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Fibra
Diámetro
μm
Densidad
g/cm3 E específico Rm específica
Al2O3/5% SiO2
3,0 3,3 90 600
50% SiO2/Al2O3
2-3 2,73 38 360
Propiedades de fibras discontinuas
Las fibras discontinuas tienen unas propiedades inferiores a las
continuas, pero son de menor coste. Son de longitudes variables con
diámetros inferiores a los 5 μm.
Se obtienen mediante procesos de centrifugación de las soluciones,
siendo muy importante controlar la cantidad de materia no fibrosa, ya
que deteriorarán las propiedades mecánicas del compuesto. En la
actualidad, controlando el proceso de centrifugado y los posteriores
lavados de las fibras, es posible obtener menos del 1% de parte no
fibrosa.

8. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Whiskers (Pelillos o filamentos finos)
Tienen diámetros menores que 1 μm y longitudes hasta unos 200-300 μm, lo que
nos da un refuerzo con alta relación de forma (longitud/diámetro). Debido a su
pequeño diámetro, los whiskers suelen ser monocristalinos, por lo que tienen muy
pocos defectos para que se inicie la fractura y de esta forma tienen mucho más altas
las características resistentes que las fibras discontinuas.
Los whiskers más empleados como refuerzo de aleaciones de aluminio son los
de carburo de silicio (SiC) porque presentan una serie de ventajas sobre otros
posibles candidatos (boro, grafito, alúmina), entre las que se pueden destacar :
➢ La excelente conductividad térmica y la elevada resistencia a la corrosión del
SiC,
➢ El bajo coste de fabricación de este tipo de whiskers (pirólisis de la cascarilla
de arroz, cáscara de coco) (University of Utah, 1970),
➢ Fácil mecanizado y conformado que caracteriza a los materiales compuestos
de Al-SiC.

9. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Whiskers de SiC monocristalino
WHISKERS
Diámetro
μm
Densidad
g/cm3 E específico Rm específica
SiC 0,6 3,2 220 2200
Si3N4 0,5-2 3,18 120 4000
Propiedades de whiskers comerciales

10. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
REFUERZOS CON PARTÍCULAS.
Las partículas son la forma más barata de reforzar los CMM.
Se pueden utilizar una gran cantidad de materiales cerámicos que están disponibles
en un amplio margen de tamaños, pero los más interesantes para los CMM son el
SiC y la Al2O3 que son obtenidos por medio de molido.
Los factores principales que afectan a las propiedades del CMM reforzado con
partículas son el ajuste de tamaño de las partículas y el control de su pureza.
En la figura se puede observar una
micrografía de partículas de SiC con un
rango de tamaños de 10 a 15 μm, que
son utilizadas en matrices de aluminio

11. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Las partículas pueden ser mezcladas en la matriz metálica más eficientemente y en
un porcentaje en volumen más alto que los whiskers.
Los CMM con un contenido del 40% en volumen de partículas son muy comunes,
habiéndose desarrollado CMM con un 55 % en vol. Los whiskers pueden llegar
hasta un 25% en vol. por la geometría de estos refuerzos. Lo común son CMM con
un 15% en vol. de whiskers.
Hay que tener en cuenta también el
coeficiente de expansión térmica de la
matriz y del refuerzo. El aumento del
contenido en volumen de partículas
desciende el coeficiente de
expansión.
Las diferencias en expansión térmica
dan lugar a esfuerzos térmicos en el
enfriamiento desde la temperatura de
procesado.
En la figura adjunta observamos la
variación del coeficiente de expansión
térmica con el % en volumen de SiCp

12. Elección del refuerzo y la matriz.
Obviamente, la aplicación concreta del CMM que se fabrique influirá
directamente en la matriz a utilizar, pero en general la mayor ganancia
en propiedades se alcanzarán con matrices metálicas de aleaciones de
baja densidad.
La elección del refuerzo está influenciada por:
✓ La aplicación que dicta la forma del refuerzo y el nivel de coste.
✓ La compatibilidad entre el refuerzo y la matriz
✓ La resistencia de la interfase entre la fibra y la matriz.
• Si la aplicación requiere la más alta resistencia posible, es necesario
utilizar fibras continuas o posiblemente whiskers, lo que implicará un
mayor coste.
• Si el elemento fabricado tiene que ser conformado por procesos tales
como extrusión, laminación, forjado, etc., serán preferibles las partículas
y los whiskers ya que sufrirán menos daños durante estos procesos.
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN

13. La compatibilidad entre el refuerzo y la matriz es la condición más
difícil de cumplir.
Durante la fabricación del compuesto, la compatibilidad es necesaria
para que la matriz se extienda fácilmente sobre las superficies de las
fibras, de modo que las fibras estén bien “mojadas”. Esto asegurará un
compuesto libre de poros.
En general, los refuerzos cerámicos no son fácilmente mojados por los
metales, por lo que las fibras deben ser cubiertas por materiales que
faciliten esta mojabilidad.
Por ejemplo, en compuestos de aleaciones de aluminio con fibra
de carbono, se realiza una deposición química de vapor sobre la
fibra de diboruro de titanio ( de unos 200 Å de espesor). Este
tratamiento también protege a la fibra de la interacción con el Al a
altas temperaturas, evitando la precipitación de compuestos
intermetálicos que degradan la fibra.
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN

14. 11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN
En el caso de los materiales compuestos de matriz
metálica los métodos de fabricación se pueden clasificar
en función del estado físico de la matriz metálica. Siendo
los proceso más utilizados, aquellos en que la matriz se
encuentra en estado sólido o en estado líquido.
En estado sólido:
•Sinterización.
•Adhesión- Difusión
En estado líquido:
•Fundición.
•Infiltración de metal.

15. FABRICACIÓN POR SINTERIZACIÓN
•Es muy importante que los tamaños de partículas del refuerzo y del polvo del
material de la matriz estén en una relación adecuada para conseguir un buen
mezclado, sin acumulaciones grandes de refuerzo.
•En Al reforzado con partículas de SiC se recomienda una relación de 0.7/1,
para conseguir una mejora en tenacidad.
•Se han fabricado MMC con un 50% de refuerzo, pero lo común es un 25%, a %
mayores disminuye la tenacidad.
•Con refuerzos de whiskers se necesita un polvo metálico más fino para que
penetre entre los whiskers y produzca una dispersión uniforme.
•Se suelen utilizar líquidos acuosos para el mezclado, que además reducen la
posibilidad de explosión con el polvo fino de Al.
• A pesar de todas las precauciones que se toman, una buena cantidad de
whiskers se rompen, dando lugar a que la relación de forma se reduzca al final del
proceso, principalmente en la extrusión.
Es muy utilizado para compuestos reforzados con SiC
en forma de whiskers o de partículas.
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN

16. 11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN

17. El proceso de unión por difusión mediante Presión en Caliente con Vacío (VHP) es
el método más actual para los CMM de fibras continuas, utilizado con diversas
matrices. Muy utilizado en matrices de Ti
•Se parte de un precursor
monocapa, con las fibras
pulverizadas por el material matriz.
• Se limpian adecuadamente las
láminas precursoras, evitando
materiales orgánicos, óxidos,
grasas, para que sea posible su
posterior unión.
•Los precursores limpios se colocan
de la forma deseada y se sitúan
dentro de un contenedor para
aplicarle el vacío correspondiente.
•Cuando se ha alcanzado el vacío,
se aplica temperatura y presión
para la unión por difusión.
PROCESOS DE UNIÓN POR DIFUSIÓN, DIFUSIÓN-ADHESIÓN (alta presión)
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN

18. PROCESOS DE UNIÓN POR DIFUSIÓN, DIFUSIÓN-ADHESIÓN
En este proceso de fabricación de compuestos, el material matriz debe
deformarse alrededor de los refuerzos, volviendo a entrar en contacto y formar
un matriz continua. Esto da lugar a poros triangulares adyacentes a las fibras,
que dificultan el cerramiento total, ya que las fibras separan las dos caras del
poro. La fluencia y la difusión cooperan para el total cerramiento del poro.
La entrecara fibra/matriz se creará en el proceso del progreso del cerramiento de
los poros.
Muestra de SiC/Al con un incompleto ciclo de
unión por difusión
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN

19. PROCESO DE CONFORMACIÓN POR INFILTRACIÓN DE METAL LÍQUIDO
SQUEEZE CASTING.
Este método se usa para whiskers de SiC y, sobre todo, con fibras discontinuas.
-No se utiliza para titanio, por su elevada reactividad.
Durante la primera etapa,la presión aplicada sobre
la preforma suele ser baja, con esto se evita se
deforme la misma y se produzcan roturas en la
preforma o en las fibras. La presión se incrementa
progresivamente hasta conseguir la infiltración
completa.
La temperatura de la preforma influye en la presión
requerida para que el líquido penetre en la
preforma, así como la temperatura del metal
fundido.
El metal en estado líquido se inyecta mediante presión mecánica en un
preforma porosa. La solidificación del material se lleva a cabo bajo
presión, con esto se consigue un material con una estructura de grano
fino
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN.

20. 11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN.

21. 11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN.

23. PROCESO DE CONFORMACIÓN POR INFILTRACIÓN DE METAL LÍQUIDO
La mojabilidad de un metal líquido sobre un sólido cerámico es uno de los
parámetros más importantes a tener en consideración en la producción y
optimización de los procesos de fabricación de materiales compuestos de matriz
metálica reforzados con cerámicas.
El Al líquido tiene una cinética lenta de reacción con el SiC a temperaturas
cercanas a los 700ºC. Sin embargo, se va acelerando a medida que las
temperaturas de interacción se aproximan a los 1000ºC o superiores. La reacción
que tiene lugar es la siguiente:
3SiC + 4Al → Al4C3 + 3Si
El carburo de aluminio aparece como precipitado en la interfase Al-SiC, y no es
deseable.
Una concentración crítica de silicio en el Al líquido puede evitar la formación del
Al4C3, al formarse un carburo más estable como el SiC.
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN
Se ha observado que temperaturas 100 ºC por encima del punto de fusión de la
aleación y porcentaje de silicio superior al 12% estabilizan el sistema hacia la
formación de SiC, lo cual resulta beneficioso para la infiltración de los refuerzos
de carbono por estas aleaciones.

24. PROCESO DE CONFORMACIÓN POR INFILTRACIÓN DE METAL LÍQUIDO
11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN
CMM: Aluminio reforzado con TiC

25. 11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN
MEZCLA DIRECTA. FUNDICIÓN
•Estos procesos de fabricación involucran la mezcla directa del material de
refuerzo con la matriz metálica, en estado líquido.
•El material de refuerzo se dispersa en la matriz mediante agitación mecánica en
vacío (10-40 mbar). Esta etapa se realiza utilizando un sistema de aspas
fabricadas con metales refractarios recubiertos con compuestos resistentes al
ataque de metales líquidos y a la abrasión.
•Se utiliza para la fabricación de materiales con baja fracción en volumen de
refuerzo (máximo aproximado 20%).
•No es una técnica adecuada para refuerzos muy finos (<15 μm), ya que se
producen inhomogeneidades microestructurales por la fácil aglomeración de las
partículas.
•Se debe garantizar el buen mojado de las partículas y su mantenimiento en
suspensión con el fin de conseguir una buena distribución de éstas dentro del
material.
•Las mezclas obtenidas se pueden procesar con los métodos de colada continua
o semicontinua.

26. 11.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN
DEPOSICIÓN POR SPRAY
- Tiempo de contacto entre las partículas y el metal es muy corto.
- Velocidades de solidificación muy elevadas.
- Minimiza las reacciones interfaciales.
Finalmente se realiza una etapa de
procesado secundaria: extrusión,
laminación,…

27. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
MMM: molten metal mixing
Resistencia a la tracción en
compuestos de matriz AA6061 T6
con distintos refuerzos.

28. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Tratamiento de precipitación en aleación de Al-3,5Cu con distintos
contenidos en volumen de SiCp

29. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Algunas de las aleaciones de aluminio utilizadas como matrices (AA6000,
AA2000 y AA7000) son tratables térmicamente, aumentando el límite
elástico, la resistencia a tracción y la dureza con la precipitación
controlada de las fases endurecedoras. El máximo de propiedades se
alcanzan para un tiempo a una temperatura de precipitación dada,
dependiendo de la aleación correspondiente.
En los CMM, este proceso de precipitación se potencia y el pico
máximo de propiedades se alcanza con un tiempo más corto de
tratamiento.
Este comportamiento se debe a las dislocaciones que se producen por los
esfuerzos térmicos en los CMM, que actúan como lugares de nucleación
del proceso de precipitación.
En la figura anterior, comprobamos las diferencias en la respuesta al
tratamiento térmico en compuestos de matriz Al-Cu con partículas de SiC
frente a la aleación sin refuerzo.

30. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Algunos ejemplos de aplicación de compuestos de
metal/cerámica son:
• las camisas del cilindro en motores (tribología),
• las placas de sujeción de las pastillas de frenos (peso),
• los cojinetes (expansión térmica),
• los discos de freno (tribología),
• los artículos deportivos o los disipadores de calor en
electrónica.