Investigadores de la Universidad de Linköping, LiU, han desarrollado un modelo teórico que permite simulaciones para mostrar lo que sucede en los materiales de corte duro a medida que se degradan. El modelo permitirá a las industrias manufactureras ahorrar tiempo y dinero. El modelo ha sido publicado en la revista científica de acceso abierto Materiales .

El nitruro de titanio y aluminio es un material cerámico comúnmente utilizado como revestimiento para herramientas de corte de metal. Con la ayuda de una fina película de nitruro de titanio y aluminio, el filo de una herramienta revestida se vuelve más duro, y la vida útil de la herramienta más larga. Una característica notable de la superficie recubierta es que se vuelve aún más dura durante el proceso de corte, un fenómeno que se conoce como endurecimiento por envejecimiento.

Kostas Sarakinos, profesor asociado de ciencia de los materiales en la Universidad de Linköping, describe el material como un caballo de batalla en la industria manufacturera.

La aleación es, sin embargo, sensible a las altas temperaturas. Unos pocos minutos de operación de corte en un material verdaderamente duro someten el filo a una presión tan alta que se calienta a casi 900 grados o más. A temperaturas de hasta 700 grados, el material está ileso, pero comienza a degradarse a temperaturas más altas. El borde se suaviza y pierde nitidez.

Hasta ahora, nadie ha podido determinar qué sucede a nivel atómico dentro de la película delgada durante el proceso de corte. Solo ha sido posible simular parcialmente las propiedades de la compleja combinación de titanio, aluminio y nitrógeno, y no ha sido posible sacar ninguna conclusión de los resultados.

Georgios Almyras, quien anteriormente trabajó como investigador postdoctoral en la División de Ingeniería a Nanoescala y ahora se ha trasladado a Ericsson, Davide Sangiovanni de la División de Física Teórica, y Kostas Sarakinos, jefe de la División de Ingeniería a Nanoescala, Universidad de Linköping, Pasó cuatro años desarrollando un modelo teórico confiable que se puede utilizar para mostrar exactamente lo que sucede en el material con una resolución de tiempo de picosegundos. Han utilizado el modelo recientemente desarrollado para simular eventos en el material, mostrando qué átomos están desplazados y las consecuencias que esto tiene para las propiedades.

"Esto también significa que podemos desarrollar estrategias para detener la degradación, como alear los materiales o crear nanoestructuras especialmente diseñadas, "dice Davide Sangiovanni.

Su modelo teórico calcula las fuerzas entre los átomos del material. El modelo se basa en un método previamente conocido que se ha utilizado con éxito en sistemas de materiales simples. Combinaciones complejas de materiales, sin embargo, requieren cálculos que requieren mucho tiempo y que solo son posibles en una supercomputadora. El grupo de investigación de LiU ha optimizado estos cálculos implementando algoritmos de aprendizaje automático que fueron los predecesores de la inteligencia artificial.

La supercomputadora en el Centro Nacional de Supercomputación en LiU se ha utilizado para calcular alrededor de 40 aleaciones de los tres elementos de titanio, aluminio y nitrógeno, mientras observa varias propiedades del material. Luego, los científicos compararon los resultados de los cálculos con las propiedades conocidas de los materiales.

"El acuerdo es muy bueno, ", dice Kostas Sarakinos." Es importante que hayamos calculado también las propiedades que conocemos, porque entonces podemos estar seguros de que los cálculos y predicciones del modelo son fiables ".

Los investigadores esperan que el método sea útil para las empresas de la industria manufacturera, como Sandvik, TEJIDO, Herramientas Seco, etc., lo que podría ahorrar mucho dinero desarrollando herramientas con mayor dureza y resistencia al desgaste. Se trata de empresas con las que los investigadores de LiU tienen acuerdos de colaboración a largo plazo.

“Ahora podemos por primera vez realizar simulaciones clásicas a gran escala de estructuras atómicas en uno de los sistemas de materiales más comúnmente utilizados para el corte y conformado de metales. Las simulaciones pueden considerar la resistencia al calor o nanoestructuras, y pueden proporcionar información importante sobre cómo se mueven los átomos. Los resultados nos ayudarán a evitar, o al menos demora, degradación del material, "dice Kostas Sarakinos.