Parte 3: Optimización del rendimiento del carburo cementado
Capítulo 8: Resistencia a la corrosión y a altas temperaturas del carburo cementado
El carburo cementado es un material compuesto fabricado mediante pulvimetalurgia con carburo de tungsteno (WC) como fase dura principal y cobalto (Co), níquel (Ni) y otros metales como fase aglutinante. Su excelente rendimiento lo hace ampliamente utilizado en herramientas de corte, equipos de minería y piezas resistentes al desgaste. A continuación, se describirá brevemente su concepto y sus características típicas desde el punto de vista de la resistencia a la corrosión y la resistencia a altas temperaturas.
Resistencia a la corrosión del carburo cementado
La resistencia a la corrosión se refiere a la capacidad del carburo cementado para resistir la erosión química en medios corrosivos (como ácidos, álcalis y soluciones salinas). Esta propiedad se ve afectada principalmente por la composición y la microestructura del material.
La fase de enlace del carburo cementado desempeña un papel clave en su resistencia a la corrosión. El carburo cementado con cobalto como fase de enlace (como la serie YG) presenta un rendimiento deficiente en medios ácidos. Por ejemplo, en entornos de ácido sulfúrico o ácido clorhídrico, el cobalto se corroe fácilmente, provocando la disolución gradual de la superficie del material. Tomando como ejemplo el YG6 (que contiene un 6% de cobalto), su tasa de corrosión en ácido clorhídrico al 10% a temperatura ambiente es de aproximadamente 0,1 a 0,2 mm/año, mientras que apenas se corroe en medios alcalinos o neutros débiles (como una solución de hidróxido de sodio al 10%). Por el contrario, el carburo cementado con níquel como fase de enlace (como la serie YN) exhibe una mayor resistencia a la corrosión, especialmente en medios alcalinos y oxidantes. Es más estable y adecuado para su uso en condiciones adversas como entornos marinos. Además, los defectos en la microestructura también pueden afectar significativamente la resistencia a la corrosión. Si existe una alta porosidad en el carburo cementado, o si contiene impurezas como carbono libre y fase η, estos defectos se convertirán en el punto de inicio de la corrosión y acelerarán la degradación del material.
Resistencia a altas temperaturas del carburo cementado
La resistencia a altas temperaturas se refiere a la capacidad del carburo cementado para mantener su dureza, resistencia y resistencia a la oxidación en entornos de alta temperatura. Esta característica también se ve afectada por la composición y la temperatura.
El carburo cementado se desempeña bien a bajas temperaturas y generalmente puede mantener una alta dureza y resistencia por debajo de los 600 °C. Por ejemplo, el YG8 (que contiene un 8 % de cobalto) aún puede mantener una dureza de aproximadamente 1200 HV a 600 °C, que es solo un 20 % menor. Sin embargo, cuando la temperatura supera los 800 °C, la fase de unión (como el cobalto) comienza a ablandarse, lo que resulta en una disminución significativa de la resistencia y dureza generales del material. Tomando como ejemplo el YG8, su dureza puede caer a 500-600 HV a 1000 °C. Además, la resistencia a la oxidación del carburo cementado a altas temperaturas también se verá comprometida. El carburo de tungsteno se convertirá en óxido de tungsteno (WO₃ ) en un entorno oxidante de alta temperatura, lo que provocará desprendimiento de la superficie y afectará la vida útil. Por el contrario, el carburo cementado con carburo de titanio ( TiC ) agregado (como YT15) muestra una mejor resistencia a la oxidación a 800 °C, pero su resistencia aún disminuirá entre un 20% y un 30%.
La resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas del carburo cementado son indicadores clave para su aplicación en entornos hostiles. En cuanto a la resistencia a la corrosión, el carburo cementado con níquel ofrece un mejor rendimiento en diversos medios, mientras que el carburo cementado con cobalto es susceptible a la corrosión en entornos ácidos. En cuanto a la resistencia a las altas temperaturas, el carburo cementado es estable por debajo de los 600 °C, pero su dureza y resistencia a la oxidación disminuyen significativamente a temperaturas más altas. Estas características determinan la aplicabilidad del carburo cementado en diferentes escenarios de aplicación y constituyen una base importante para su selección y uso.
El carburo cementado ( WCCo ) en entornos hostiles es clave para su aplicación en los campos químico, marino y aeronáutico. Por ejemplo, en soluciones ácidas (pH < 3 ± 0,1), el carburo cementado debe resistir fuertes ataques químicos; en niebla salina marina (> 1000 horas ± 100 horas), debe prevenir las picaduras; en motores de aeronaves (> 1000 °C ± 10 °C), debe mantener la resistencia y la resistencia a la oxidación. Sin embargo, la actividad electroquímica de la fase de enlace Co (potencial de corrosión E_corr ~ 0,3 V ± 0,02 V frente a SCE) induce fácilmente la corrosión, y el WC se oxida a altas temperaturas para formar WO₃ (espesor > 1 μm ± 0,1 μm), lo que resulta en una degradación del rendimiento. La estrategia de optimización debe comenzar desde la microestructura (grano WC 0,52 μm ± 0,01 μm, Co 6 % 12 % ± 1 %), aditivos (como Cr ₃ C ₂ 0,5 % ± 0,01 %) y protección de la superficie (espesor del revestimiento 520 μm ± 0,1 μm) para lograr una mejora sinérgica en la resistencia a la corrosión y la resistencia a altas temperaturas.
Se analiza el comportamiento y la ruta de optimización de WCCo en entornos ácidos, de niebla salina y de alta temperatura desde cuatro aspectos: mecanismo de resistencia a la corrosión , rendimiento a altas temperaturas , Método de optimización del rendimiento , pruebas y evaluación. El mecanismo de resistencia a la corrosión revela la naturaleza de la corrosión a través de la teoría electroquímica (curva de Tafel, i_corr <10 ⁻⁶ A/cm² ± 10 ⁻⁷ A/cm²); el rendimiento a alta temperatura se centra en la resistencia a la oxidación (ganancia de peso <0,5 mg/cm² ± 0,05 mg/cm²) y la fatiga térmica (grietas <0,1 mm ± 0,01 mm); el método de optimización propone una fase de unión a base de Ni (tasa de corrosión <0,01 mm/año ± 0,001 mm/año) y un recubrimiento de Cr₃C₂ (dureza >HV 1500 ± 30); las pruebas y la evaluación combinan ISO 9227, ASTM G59 y la prueba de choque térmico (>500 veces ± 50 veces) para proporcionar una base cuantitativa.
Por ejemplo, la pérdida de peso del WC a base de Ni (Ni 10% ± 1%) en niebla salina es <0,08 mg/cm² ± 0,01 mg/cm²; la dureza de las herramientas recubiertas de Cr₃C₂ a 1000 °C ± 10 °C es >HV 1200 ± 30, y la vida útil es >5000 ± 500 horas. Este capítulo está perfectamente conectado con el Capítulo 6 (Tasa de desgaste del recubrimiento <0,06 mm³/N·m ± 0,01 mm³/ N · m) y el Capítulo 7 (K₁ c 820 MPa·m¹/² ± 0,5), sentando las bases para el Capítulo 9 (Materiales compuestos multifuncionales).
8.1 Mecanismo de resistencia a la corrosión del carburo cementado
La resistencia a la corrosión del carburo cementado es fundamental para su larga vida útil en entornos químicos agresivos (como ácidos, niebla salina y alcalinos). Su tasa de pérdida de peso se controla habitualmente a 0,1 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² , lo que demuestra una buena estabilidad y una resistencia eficaz a la corrosión en entornos ácidos (pH < 3 ± 0,1), niebla salina (concentración de NaCl 5 % ± 0,1 %) y alcalinos (pH > 10 ± 0,1). El proceso de corrosión es impulsado principalmente por la actividad electroquímica de la fase de enlace (como el cobalto, Co), y su densidad de corriente de corrosión ( i_corr ) es de aproximadamente 10 ⁻⁵ A/cm² ± 10 ⁻⁶ A/cm² , lo que hace que el cobalto se disuelva preferentemente, lo que a su vez hace que las partículas de carburo de tungsteno (WC) (tamaño 0,52 μm ± 0,01 μm ) se caigan, formando picaduras de corrosión con un diámetro de aproximadamente 110 μm ± 0,1 μm . Aunque el WC en sí tiene una estabilidad química extremadamente alta y su tasa de disolución es extremadamente baja (< 10 ⁻⁸ g/cm² · h ± 10 ⁻⁹ g/cm² · h), si la fuerza de unión entre el WC y la interfaz de la fase de unión (> 100 MPa ± 10 MPa) es insuficiente, es probable que se produzca pelado en la interfaz, acelerando significativamente el fallo por corrosión. Para mejorar la resistencia a la corrosión, es necesario reducir la densidad de corriente de corrosión de la fase de unión (objetivo i_corr < 10 ⁻⁶ A/cm² ± 10 ⁻⁷ A/cm² ) , mejorando su estabilidad electroquímica (potencial de corrosión E_corr > 0,2 V ± 0,02 V frente a SCE) y mejorando la fuerza de unión de la interfaz WC-Co.
A partir del comportamiento electroquímico del WC y la fase de enlace, la corrosión es esencialmente un proceso electroquímico. El cobalto actúa como el ánodo para la disolución oxidativa (Co → Co ² ⁺ + 2e ⁻ ) , mientras que el WC, debido a su alta inercia química, a menudo participa en la reacción como el cátodo. Este efecto galvánico es la principal fuerza impulsora de la corrosión. En un entorno ácido (pH < 3 ± 0,1), los iones H ⁺ aceleran la reacción de disolución del cobalto, mientras que en un entorno de niebla salina (NaCl 5% ± 0,1%), los iones Cl ⁻ pueden destruir la película de pasivación en la superficie del cobalto, lo que lleva a un aumento de las picaduras. El análisis microscópico muestra que las picaduras de corrosión se concentran principalmente en la interfaz WC-Co, lo que indica que la unión interfacial insuficiente es el factor clave en el fallo. Este mecanismo se ha verificado mediante el estudio de la teoría electroquímica y normas de ensayo (como ISO 9227 y ASTM G59). En casos reales, la tasa de pérdida de peso del carburo cementado WC-10Co en un entorno de niebla salina es de 0,09 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² , lo que refleja la limitación de su resistencia a la corrosión.
En general, el mecanismo de resistencia a la corrosión del carburo cementado implica principalmente la disolución electroquímica de la fase de enlace y la falla de la interfaz , que se manifiesta como picaduras y desprendimiento de partículas en entornos ácidos y de niebla salina. Al reducir la densidad de corriente de corrosión, mejorar la estabilidad electroquímica y aumentar la fuerza de enlace de la interfaz, se puede mejorar eficazmente su resistencia a la corrosión, lo que respalda teóricamente su aplicación en entornos hostiles.
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