Capítulo 3: Propiedades físicas y químicas del carburo cementado
El carburo cementado de tungsteno se ha convertido en el material fundamental para herramientas de corte, piezas resistentes al desgaste, equipos mineros, equipos aeroespaciales, equipos químicos, instalaciones de energía nuclear y dispositivos de aguas profundas gracias a sus excelentes propiedades físicas y químicas. Estas propiedades incluyen propiedades mecánicas (dureza, tenacidad, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión), propiedades térmicas (conductividad térmica, coeficiente de expansión térmica, estabilidad a altas temperaturas, resistencia al choque térmico), estabilidad química (resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación) y propiedades eléctricas y magnéticas (conductividad, magnetismo de la fase Co), derivadas de la rigidez del enlace covalente del carburo de tungsteno (WC) y la sinergia plástica de la fase de enlace de cobalto (Co) o níquel (Ni).
Este capítulo analiza cada propiedad fisicoquímica, los métodos de inspección y ensayo, los factores que afectan diversos aspectos del rendimiento y casos de aplicación ampliados. Además, explora en profundidad la base teórica, la tecnología de ensayo, el mecanismo de regulación, la adaptabilidad ambiental y el rendimiento en condiciones de trabajo. Mediante modelos teóricos detallados, datos experimentales precisos, una amplia gama de casos interdisciplinarios y un análisis del impacto en el rendimiento, este capítulo revela el mecanismo inherente de las propiedades fisicoquímicas, proporcionando una referencia completa para la optimización del rendimiento, la adaptación a condiciones de trabajo extremas y la investigación interdisciplinaria del carburo cementado.
3.1 Propiedades mecánicas del carburo cementado
Las propiedades mecánicas son la piedra angular de la fiabilidad del carburo cementado en entornos de alta carga, impacto, desgaste y tensiones complejas, y se utilizan ampliamente en corte, minería, estampación, aviación y perforación en aguas profundas. Esta sección analiza la dureza, la tenacidad, la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión, e incorpora nuevos métodos de inspección y ensayo, así como factores influyentes.
3.1.1 Dureza del carburo cementado
La dureza se refiere a la capacidad de un material para resistir la presión o el rayado de objetos externos en su superficie, y es uno de los indicadores importantes para medir sus propiedades mecánicas. Generalmente, refleja la resistencia, la resistencia al desgaste y la resistencia a la deformación de un material, y a menudo se caracteriza por su capacidad para resistir la compresión, el cizallamiento o la deformación plástica. Los métodos de medición comunes incluyen la dureza Brinell (HB), la dureza Rockwell (HR), la dureza Vickers (HV) y la dureza Shore (HS), y sus valores se calculan en función del tipo de indentador (como bola de acero o diamante), el tamaño de la carga y el área de indentación (ISO 6507, ASTM E10). Por ejemplo, la dureza Vickers del carburo cementado suele ser HV 1200-2400, dependiendo del tamaño del grano y el contenido de la fase aglutinante. La dureza está estrechamente relacionada con la microestructura del material (como el tamaño del grano y la composición de la fase) y el tratamiento térmico, y es fundamental para la selección de materiales y la evaluación de su durabilidad.
La dureza Vickers (HV) del carburo cementado es de 1500-2500 ± 30, superando ampliamente la del acero rápido (HV 800-1000), la cerámica (HV 1200-1800) y las aleaciones de titanio (HV 300-400), lo que constituye la base de su resistencia al desgaste. La dureza proviene de la red de enlaces covalentes del carburo de tungsteno (WC) (energía de enlace de 6,0 eV ± 0,2 eV, longitud de enlace de 2,0 Å ± 0,05 Å), y su estructura cristalina hexagonal (P6m², módulo de Young de 700 GPa ± 10 GPa) le proporciona resistencia a la deformación plástica. La dureza del carburo cementado que contiene 10% de Co es HV 1800 ± 30, y la del carburo cementado que contiene 20% de Co cae a HV 1400 ± 30, porque la suavidad de la fase Co (HV 300 – 400, estructura FCC cúbica centrada en la cara) reduce la resistencia a la compresión.
La dureza del carburo cementado es excepcional.
A 600 °C, la dureza del carburo cementado con 6 % de Co mantiene una HV de 1500 ± 30, disminuye a HV de 1200 ± 20 a 800 °C y a HV de 1000 ± 30 a 1000 °C, lo que es mejor que la del acero de alta velocidad (que se redujo a HV de 500 a 600 °C) y la cerámica (que se redujo a HV de 800 a 1000 °C). La adición de Cr₃C₂ (0,5 % 1 %) aumenta la dureza a HV de 1900 a 2200 ± 50 mediante el fortalecimiento de la solución sólida (radio atómico de Cr 1,28 Å, deformación reticular <2 % ± 0,2 %). Por ejemplo, una herramienta de carburo cementado (HV 1900) que contiene 8% de Co y 0,5% de Cr₃C₂ tiene una cantidad de desgaste de <0,1 mm ± 0,02 mm y una vida útil de 15 horas ± 1 hora en corte de alta velocidad de acero inoxidable (resistencia a la tracción > 1000 MPa, velocidad de corte 200 m/min, coeficiente de fricción < 0,3 ± 0,05), lo que es mejor que las herramientas de cerámica (vida útil < 5 horas, cantidad de desgaste > 0,3 mm).
El impacto del medio ambiente en la dureza requiere atención.
En un ambiente cálido y húmedo (40 °C, 90 % de humedad, 168 horas), se induce microcorrosión de la fase Co (pérdida de peso <0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm², profundidad de corrosión <1 μm ± 0,2 μm) y la dureza disminuye en <2 % ± 0,5 %; en un ambiente extremadamente frío (40 °C), la dureza aumenta ligeramente en 1 % ± 0,3 % debido a la fragilización de la fase Co (la deformación plástica disminuye en <3 % ± 0,3 %); a alta presión (>100 MPa, 5000 m de profundidad marina), no hay cambios significativos (disminución <0,5 % ± 0,1 %); la radiación (energía nuclear, 10⁴Gy, rayos γ) induce defectos puntuales y la dureza disminuye en <1 % ± 0,2 %.
El carburo cementado con níquel (12 % de níquel, HV 1700 ± 30) es más estable en ambientes marinos (salinidad 3,5 %, pH 8, Cl⁻19 g/L), con una reducción de dureza de <1 %. En aplicaciones prácticas, los rodillos de carburo cementado con un 6 % de Co presentan una profundidad de desgaste de <0,05 mm ± 0,01 mm y una vida útil de >300 ± 20 horas en minería (granito, dureza de roca > 1000 MPa, frecuencia de impacto > 1000 veces/min), superior a la del acero de alta velocidad (vida útil de <50 horas).
Para optimizar la dureza es necesario alcanzar un equilibrio con la tenacidad.
La adición de TiC (10%15%, dureza 20 GPa ± 1 GPa) aumenta la dureza a HV 2000 ± 50, mientras que reduce la densidad (a 12 g/cm³ ± 0,1 g/cm³), lo cual es adecuado para piezas de aviación ligeras, como moldes de álabes de turbina (carga > 2000 MPa, tolerancia de deformación < 0,01 mm). En el estampado compuesto (600 °C, frecuencia > 10 ⁴ veces/hora), la rugosidad superficial del molde de carburo cementado que contiene 15% de TiC es Ra < 0,1 μm ± 0,02 μm, y la vida útil se incrementa en un 40% ± 5%, lo cual es mejor que los moldes de acero (Ra > 0,5 μm, vida útil < 2000 horas). La comparación entre dominios muestra que la dureza del carburo cementado es mejor que la del acero de alta resistencia (HV 600800) y la aleación de titanio (HV 300400), pero inferior a la del diamante (HV >8000).
3.1.1.1 Método de expresión de dureza
Hay muchas formas de expresar la dureza, adecuadas para diferentes escenarios de prueba y comparaciones de materiales:
Dureza Vickers (HV)
La dureza Vickers (HV) es un método estándar para medir con precisión la dureza de los materiales. Utiliza un penetrador piramidal de diamante (ángulo de vértice de 136°) para presionar la superficie del material bajo una carga específica (generalmente de 5 a 100 kgf, el rango puede extenderse a 1 a 120 kgf), y después de mantenerlo durante 10 a 15 segundos, se mide la longitud diagonal de la indentación (d, unidad mm) para calcular el valor de dureza. La fórmula es: HV = 1,8544 × F / d², donde F es la carga aplicada (kgf), d es la longitud diagonal promedio de la indentación (mm) y el resultado se expresa en kgf / mm², que generalmente se marca directamente como el valor HV (ISO 6507-1:2018).
La dureza Vickers es aplicable a diversos materiales, incluyendo carburo cementado, acero, cerámica y materiales de capa delgada, debido a su pequeña indentación (diámetro 0,01-1 mm), alta precisión (error <5%) y amplio rango de prueba (HV 10-3000+). Por ejemplo, el HV del carburo cementado convencional es 1200-2000, mientras que el del carburo cementado a nanoescala (granos 0,05-0,2 μm) puede alcanzar 2000-2400 (Journal of Materials Science 2025). Su ventaja es que puede probar áreas diminutas (como recubrimientos) o láminas delgadas (espesor >0,1 mm), pero el tiempo de prueba es largo y los requisitos de planitud de la superficie son altos (Ra <0,8 μm, ITIA 2024).
Dureza Rockwell (HRC/HRB)
La dureza Rockwell (HRC/HRB) es un método común para medir la dureza de los materiales. El penetrador (cono de diamante o bola de acero) se presiona en el material bajo la carga inicial (10 kgf₂) y la carga total (60-150 kgf₂), y el valor de dureza se determina midiendo la diferencia de profundidad de indentación (ASTM E18-22). Se caracteriza por su rapidez de ensayo, la pequeña indentación y su fácil manejo, y se utiliza ampliamente en materiales metálicos.
HRC : Utilice un indentador cónico de diamante (ángulo de vértice de 120°) con una carga total de 150 kgf, adecuado para materiales de alta dureza (como acero endurecido o carburo cementado). El valor de HRC se calcula mediante la fórmula: HRC = 100 – (h/0,002), donde h es la profundidad de la indentación (mm). El rango de HRC suele estar entre 20 y 70; por ejemplo, el carburo cementado tiene una HRC de 60 a 70, equivalente a una dureza Vickers HV de 1200 a 2400.
HRB : Utilice un penetrador de bola de acero de 1/16 de pulgada con una carga total de 100 kgf, adecuado para materiales más blandos (como acero recocido y aleaciones de cobre). La fórmula para calcular el valor de HRB es: HRB = 130 – (h/0,002), con un rango de 20 a 100. Por ejemplo, el valor de HRB del acero recocido es de aproximadamente 70 a 90 (ITIA 2024).
La ventaja de la dureza Rockwell es que se puede leer directamente con alta precisión (error <3%), pero no es adecuada para materiales delgados o áreas pequeñas (ISO 6508-1:2016).
Dureza Brinell (HB)
La dureza Brinell (HB) es un método para medir la dureza de un material presionando una bola de acero endurecido o un penetrador de bola de carburo de tungsteno (generalmente de 2,5, 5 o 10 mm de diámetro) en la superficie del material bajo una carga específica (F, generalmente 500-3000 kgf), manteniéndolo durante un tiempo determinado (10-30 segundos) y luego midiendo el diámetro de la sangría (d, en mm) para calcular la dureza. La fórmula es: HB = (2F) / (πD(D – √(D ² – d ² ))), donde D es el diámetro del penetrador (mm), F es la carga ( kgf ), d es el diámetro de la sangría (mm) y el resultado se expresa en kgf / mm ² (ASTM E10-18).
La dureza Brinell es adecuada para materiales de dureza más blanda o media (como acero, fundición y metales no ferrosos), y su rango suele ser de HB 30-650. Por ejemplo, la HB del acero sin templar es de aproximadamente 120-200, mientras que el carburo cementado no suele ser adecuado para este método debido a su alta dureza (HV 1200-2400) (ITIA 2024). Su ventaja es que el área de indentación es amplia, lo que refleja el rendimiento promedio del material, y es adecuada para materiales no uniformes, pero no para piezas delgadas ni materiales de alta dureza (el error es de aproximadamente el 3 %-5 %, según ISO 6506-1:2014).
Dureza de Mohs
La dureza de Mohs es una escala relativa para medir cualitativamente la dureza de los materiales. Fue propuesta por el mineralogista alemán Friedrich Mohs en 1812 para evaluar la dureza comparando la resistencia del material al rayado. El método utiliza 10 minerales estándar como referencia, con una dureza graduada del 1 (más blando) al 10 (más duro): 1-talco, 2-yeso, 3-calcita, 4-fluorita, 5-apatita, 6-ortoclasa, 7-cuarzo, 8-topacio, 9-corindón, 10-diamante. Durante la prueba, se raya la superficie del material con una muestra estándar. Si se puede dejar una marca, la dureza del material es inferior a la de la muestra estándar.
La dureza de Mohs es simple e intuitiva, y se aplica a minerales y algunos materiales de ingeniería. Sin embargo, su precisión es baja y se considera solo un valor relativo. Por ejemplo, la dureza de Mohs del carburo cementado es de aproximadamente 9-9,5, similar a la del corindón y mucho mayor que la del acero (aproximadamente 5-6) (ITIA 2024). Sus limitaciones radican en que no permite cuantificar la diferencia de dureza (por ejemplo, la diferencia entre 9 y 10 es mucho mayor que la de 1 y 2) y no es adecuada para analizar materiales heterogéneos o capas delgadas (el error es de aproximadamente ±0,5).
Al realizar la conversión, preste atención a la relación no lineal: HV ≈ 10·HRC + 900 (error <5 %), error de conversión de HB y Mohs > 10 %. En la práctica, HV es el método principal y HRC/HS el método auxiliar para garantizar una consistencia de rendimiento > 95 % ± 2 %.
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