Parte 3: Optimización del rendimiento del carburo cementado
Capítulo 9: Multifuncionalización del carburo cementado
La multifuncionalidad del carburo cementado puede satisfacer las complejas necesidades de la industria aeroespacial (vida útil > 10 ⁴ horas ± 10³ horas), fabricación electrónica (resistividad < 12 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm) y equipos inteligentes (tiempo de respuesta < 1 ms ± 0,1 ms) regulando la conductividad, el magnetismo, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, la autolubricación y las capacidades de respuesta inteligente. El carburo cementado tradicional es conocido por su alta dureza (HV 1800 ± 30) y resistencia al desgaste (tasa de desgaste < 0,06 mm³/N·m ± 0,01 mm³/ N·m ), pero su conductividad (~10 MS/m ± 0,1 MS/m), magnetismo (intensidad de magnetización de saturación < 10 emu/g ± 0,5 emu/g) y adaptabilidad son insuficientes, lo que limita su aplicación en escenarios multifuncionales. La optimización debe comenzar desde la microestructura (tamaño de grano 0,52 μm ± 0,01 μm ), control de la composición (TiC 5%10% ± 0,1%, Ni 8%12% ± 0,1 %) e ingeniería de superficie (profundidad de textura 110 μm ± 0,1 μm ) para lograr una mejora sinérgica en el rendimiento.
analiza la ruta multifuncional del carburo cementado desde los aspectos de (1) conductividad eléctrica y (2) regulación magnética, (3) rendimiento compuesto conductor resistente al desgaste y a la corrosión, (4) autolubricación y antiadhesión, y (5) carburo cementado biónico e inteligente . La conductividad eléctrica y la regulación magnética se optimizan mediante el contenido de Co (10 % ± 1 %) y la sustitución de Ni; el rendimiento compuesto conductor resistente al desgaste y a la corrosión se centra en el sistema WCTiCNi (dureza > HV 1600 ± 30, tasa de corrosión <0,01 mm/año ± 0,001 mm/año); la autolubricación y la antiadhesión introducen MoS₂ (5 % ± 0,1 %) y textura superficial (coeficiente de fricción <0,2 ± 0,01); El carburo cementado biónico e inteligente se basa en una estructura de gradiente (porosidad del 5% al 20% ± 1%) y materiales sensibles (tasa de deformación < 0,1% ± 0,01%), y busca aplicaciones inteligentes. Este capítulo se relaciona con el Capítulo 8 (dureza del recubrimiento de Cr₃C₂ > HV 1500 ± 30) y sienta las bases para el Capítulo 10 (Fabricación ecológica).
9.1 Control de la conductividad eléctrica y las propiedades magnéticas del carburo cementado
La conductividad eléctrica (conductividad ~10 MS/m ± 0,1 MS/m) y las propiedades magnéticas (magnetización de saturación <10 emu/g ± 0,5 emu/g) del carburo cementado afectan directamente su aplicación en contactos electrónicos (resistividad <12 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm ), pruebas magnéticas (sensibilidad >95 % ± 2 %) y control de calidad. La alta resistividad del WC (100 μΩ·cm ± 5 μΩ·cm ) debe optimizarse mediante la fase de enlace de Co o Ni (conductividad >15 MS/m ± 0,2 MS/m), mientras que el ferromagnetismo del Co (coercitividad 100 Oe ± 10 Oe) proporciona una base para pruebas no destructivas. La regulación requiere un equilibrio entre conductividad, magnetismo y propiedades mecánicas ( K ₁ c 1015 MPa·m¹/²±0,5).
Esta sección analiza el mecanismo de control y su aplicación desde la perspectiva de la detección de conductividad y magnetismo, así como del control de calidad del carburo cementado, combinando teoría eléctrica (modelo de Drude), análisis magnético (VSM, precisión ±0,1 emu/g) y casos de ingeniería. Por ejemplo, el WC10Co (Co 10 % ± 1 %) tiene una conductividad de 10,5 MS/m ± 0,1 MS/m y una magnetización de 8 emu/g ± 0,5 emu/g, lo que cumple con los requisitos de contactos electrónicos y detección de calidad.
9.1.1 Conductividad eléctrica del carburo cementado (~10 MS/m)
9.1.1.1 Descripción general del principio y la tecnología de conductividad del carburo cementado
La conductividad eléctrica del carburo cementado (objetivo ~10 MS/m ± 0,1 MS/m) está determinada por la conductividad de la fase de enlace Co (15 MS/m ± 0,2 MS/m), y las propiedades semiconductoras del WC (resistividad 100 μΩ·cm ± 5 μΩ·cm) limitan el rendimiento general. La conductividad eléctrica σ sigue el modelo de Drude:
Donde n es la densidad de electrones libres (~10 ² ⁸ m ⁻ ³ ± 10 ² ⁷ m ⁻ ³ ), e es la carga del electrón (1,6×10 ⁻ ¹ ⁹ C), τ es el tiempo de relajación (10 ⁻ ¹ ⁴ s ± 10 ⁻ ¹ ⁵ s) y m es la masa del electrón (9,1×10 ⁻ ³¹ kg). El alto valor n de Co aumenta σ, mientras que los granos de WC (0,52 μm ±0,01 μm) aumentan la dispersión de la interfaz (tasa de dispersión 10 ¹ ⁴ m ⁻ ² ± 10 ¹³ m ⁻ ² ), reduciendo la conductividad. El objetivo de optimización es una resistividad de <12 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm para cumplir con los requisitos de los contactos electrónicos. (El modelo de Drude de conductividad eléctrica (σ) es una teoría clásica que describe el comportamiento del movimiento de los portadores de carga (como los electrones libres) en metales bajo la acción de un campo eléctrico. El modelo fue propuesto por Paul Drude en 1900 y asume que los electrones en los metales se mueven aleatoriamente en la red cristalina como partículas libres y se desplazan direccionalmente bajo la aplicación de un campo eléctrico).
La prueba adopta el método de cuatro sondas (corriente 1 mA ± 0,01 mA, precisión ± 0,01 μΩ·cm) y el tamaño de muestra es de 10 × 10 × 5 mm ± 0,1 mm. Por ejemplo, la resistividad de WC10Co (Co 10 % ± 1 %) es de 11 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm, que es mejor que los 15 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm de WC6Co. La mejora de la conductividad no solo reduce el calor Joule (<0,1 W/cm² ± 0,01 W/cm²), sino que también mejora la eficiencia de transmisión de la señal (> 99 % ± 1 %). Esta sección analiza mediante el mecanismo, las pruebas y la optimización. ( El método de cuatro sondas es una técnica precisa para medir la conductividad eléctrica o resistividad de materiales, especialmente adecuada para la caracterización de semiconductores, películas delgadas y materiales conductores. Este método reduce la influencia de la resistencia de contacto y los factores geométricos mediante el uso de cuatro sondas (generalmente agujas o electrodos de metal) para mejorar la precisión de la medición ) .
9.1.1.2 Análisis del mecanismo de conductividad eléctrica en carburos cementados
Los carburos cementados, con carburo de tungsteno (WC) como fase dura y cobalto (Co) o níquel (Ni) como fase aglutinante, son materiales compuestos con alta dureza, alta resistencia al desgaste y buena conductividad eléctrica. El mecanismo de su conductividad eléctrica se ve afectado principalmente por la composición del material, la microestructura y las propiedades de transporte de electrones. Con base en la teoría clásica y la investigación moderna, este artículo analiza brevemente el mecanismo de conductividad del carburo cementado:
(1) Contribución de la fase de enlace
Papel dominante del cobalto en la conductividad: Como fase altamente conductora, el cobalto presenta una resistividad de aproximadamente 6 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm y domina la transmisión de corriente mediante la formación de una red continua (fracción volumétrica del 10 % ± 1 %). Los electrones libres del cobalto se desplazan direccionalmente bajo la acción de un campo eléctrico, que constituye la principal fuente de conductividad del carburo cementado.
Sustitución del níquel
La adición de níquel (8%-12% ± 0,1%, resistividad de aproximadamente 7 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm) puede reemplazar al cobalto y reducir aún más la resistividad a < 11 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm. El nivel de Fermi del níquel (aproximadamente 7 eV ± 0,1 eV) es similar al del cobalto, y la conductividad es comparable, pero la resistencia a la corrosión es mejor (densidad de corriente de corrosión icorr < 10 ⁻ ⁶ A/cm ² ± 10 ⁻ ⁷ A/cm ²), lo que lo hace adecuado para aplicaciones en entornos hostiles.
Efecto del contenido de la fase aglutinante
A medida que aumenta la proporción de la fase de enlace (por ejemplo, del 6% al 15%), la conductividad aumenta significativamente debido al aumento del número de caminos de migración de electrones; por el contrario, a medida que disminuye la fase de enlace, la conductividad disminuye.
(2) Limitación de la fase dura
Baja conductividad eléctrica del carburo de tungsteno
El WC tiene características de enlace covalente (la energía de enlace WC es de aproximadamente 700 kJ/mol ± 10 kJ/mol), baja movilidad electrónica (< 10 cm² / V · s ± 1 cm² / V · s) y alta resistividad (aproximadamente 100 μΩ·cm ± 5 μΩ·cm), y su contribución a la conductividad general es limitada.
Efecto de partículas
Las partículas de WC se dispersan en la fase aglutinante, lo que dificulta el libre movimiento de electrones y hace que la conductividad disminuya al aumentar el contenido de WC.
(3) Influencia de la microestructura
Tamaño de grano y densidad del límite de grano
El tamaño del grano es de aproximadamente 0,5 μm ± 0,01 μm, lo que aumenta la densidad del límite de grano (> 10 ¹ ⁴ m ⁻ ² ± 10 ¹³ m ⁻ ² ), lo que resulta en una mayor dispersión de la interfaz y un aumento de la resistividad de aproximadamente el 10 % ± 2 %. Aunque los granos finos aumentan la dureza, no son propicios para la conductividad.
Uniformidad de la distribución de la fase de enlace
La uniformidad de la distribución de Co o Ni (desviación < 0,1 % ± 0,02 %) es crucial para la conductividad. La segregación (> 0,5 % ± 0,1 %) puede provocar un aumento local de la resistividad de aproximadamente un 20 % ± 3 %, lo que afecta el rendimiento general.
Continuidad de la red
El análisis SEM mostró que la red Co/Ni en la aleación WC-10%Ni tenía alta continuidad (> 95% ± 2%), y EDS confirmó que la distribución de Ni era uniforme (desviación < 0,1% ± 0,02%), lo que mejoró significativamente la conductividad.
Porosidad y defectos
La porosidad o las microfisuras en el material aumentan la dispersión de electrones y reducen la conductividad.
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