Capítulo 2: Microestructura y estado de fase del carburo cementado
Microestructura y estados de fase del carburo cementado de tungsteno
Gracias a su microestructura y características de fase únicas, el carburo cementado se ha convertido en el núcleo de los materiales de alto rendimiento en la industria moderna. Su microestructura se compone de partículas de carburo duras, una fase de enlace tenaz y un sistema de interfaz complejo. Las características de fase incluyen la distribución de la estructura cristalina, la solución sólida, los defectos y la fase amorfa. Estas características microscópicas determinan el rendimiento del carburo cementado a nivel atómico y cristalino, como la resistencia al desgaste, la tenacidad y la fiabilidad del procesamiento. Este capítulo se centra en la microestructura y la fase del carburo cementado, analizando sistemáticamente las características de las partículas de carburo, la distribución y el papel de la fase de enlace, el mecanismo de formación de la interfaz y los defectos, y la tecnología de caracterización avanzada. Mediante análisis teóricos, datos experimentales y casos reales, este capítulo pretende revelar el mecanismo de regulación de la microestructura en el rendimiento, proporcionar una base científica para la optimización de procesos y la aplicación del carburo cementado, y servir de referencia para la investigación interdisciplinaria en el campo de la ciencia e ingeniería de materiales.
2.1 Características microscópicas de las partículas de carburo
Las partículas de carburo constituyen el esqueleto duro del carburo cementado, compuesto principalmente de carburo de tungsteno (WC), complementado con carburo de titanio ( TiC ), carburo de tántalo ( TaC ), etc., que determinan conjuntamente las propiedades mecánicas y la adaptabilidad ambiental del material. Esta sección analiza las características microscópicas de las partículas de carburo desde la perspectiva del tamaño de grano, la morfología y la sinergia multifásica.
2.1.1 Tamaño y morfología del grano WC
Los granos de carburo de tungsteno (WC) constituyen la principal fase dura del carburo cementado, y su tamaño (0,110 μm) y morfología afectan directamente el rendimiento del material. El WC presenta una estructura cristalina hexagonal (grupo espacial P6m², constante de red a = 2,906 Å, c = 2,837 Å) y su energía de enlace covalente es de aproximadamente 6 eV ± 0,2 eV, lo que le confiere una alta dureza y resistencia al desgaste. La regulación del tamaño de grano es fundamental para optimizar el rendimiento del carburo cementado. Por ejemplo, al reducir el tamaño de grano de 5 μm a 0,5 μm, aumenta la densidad del límite de grano, mejora significativamente la dureza y disminuye ligeramente la tenacidad.
por microscopio electrónico de barrido (MEB ) muestra que el tamaño de grano de WC en el carburo cementado convencional es de 12 ± 0,2 µm, con una morfología prismática (ángulos de 60° a 90°), que expone principalmente los planos cristalinos (0001) y (1010). Esta morfología mejora la resistencia al desgaste debido a la anisotropía (la dureza en la dirección <0001> es aproximadamente un 10 % mayor), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta carga, como herramientas de corte. Por ejemplo, cuando una herramienta de carburo cementado con granos de 1,5 µm corta acero (resistencia a la tracción > 1000 MPa), la pérdida por desgaste es < 0,1 mm y la vida útil es de 12 ± 1 hora.
El carburo cementado a escala nanométrica (granos <0,2 μm) tiende a ser esférico, con una energía superficial de hasta 1 J/m² ± 0,1 J/m² . Debido al aumento en la proporción de límites de grano (>50 %), la dureza se mejora aún más, haciéndolo adecuado para el procesamiento de ultraprecisión, como el corte de obleas de semiconductores (rugosidad superficial Ra <0,01 μm). Sin embargo, los nanogranos son propensos a la aglomeración (tasa de aglomeración 10 % 15 %), lo que resulta en un aumento de la porosidad al 1 % ± 0,2 %. La sinterización por plasma de chispa (SPS, 1200 °C, 50 MPa) controla la aglomeración mediante un calentamiento rápido (>100 °C/min), reduciendo la porosidad a <0,5 % ± 0,1 % y la desviación del tamaño de grano a <5 %.
La regulación de la morfología del grano depende del proceso de sinterización. En la sinterización en fase líquida (1350-1450 °C), los granos de carburo de vanadio (WC) crecen por disolución y reprecipitación, y la relación prismática aumenta hasta >80 % con el tiempo de mantenimiento (12 horas). La adición de inhibidores de grano, como el carburo de vanadio (VC, 0,2 % ± 0,5 %), limita el crecimiento del grano al aumentar la barrera de difusión (aproximadamente un 15 % ± 2 %), y el tamaño se estabiliza entre 0,8 y 1,2 µm. Por ejemplo, la tasa de desgaste de las herramientas de carburo cementado (grano de 0,8 µm) con 0,3 % de VC se reduce en un 20 % y su vida útil se prolonga en un 25 % ± 3 % en el corte a alta velocidad (200 m/min).
El acero de corte de grano grueso (510 μm) es adecuado para brocas de minería debido a su mayor trayectoria de propagación de grietas y mayor tenacidad. Por ejemplo, una broca de carburo con granos de 6 μm tiene una vida útil de más de 200 horas en la perforación de granito (frecuencia de impacto >2000 veces/minuto), lo cual es mejor que la de los materiales de grano fino (vida útil <150 horas). En resumen, el tamaño y la morfología del acero de corte deben optimizarse según los requisitos de la aplicación. Los granos finos (0,52 μm) son adecuados para alta dureza, los granos gruesos (510 μm) para alta tenacidad y la morfología prismática considera la resistencia al desgaste.
2.1.2 Efecto sinérgico de carburos auxiliares como TiC y TaC
Carburos auxiliares (como TiC , TaC , NbC ) mejora el rendimiento general del carburo cementado mediante el fortalecimiento de la solución sólida y el rendimiento complementario. El carburo de titanio ( TiC ) tiene una estructura cristalina cúbica (Fm3m, densidad 4,93 g/cm³ ± 0,05 g/cm ³ ) , dureza HV 18002200, reduce significativamente la densidad del material (de 14,5 g/cm³ a 12 g/cm³ ± 0,1 g/cm ³ ) , y mejora la estabilidad a alta temperatura mediante la formación de una capa protectora de TiO ₂ (1000 °C ganancia de peso por oxidación <1 mg/cm² ± 0,2 mg/cm ² ) . En el corte a alta temperatura (800 °C, aleación de aluminio de aviación), las herramientas de carburo cementado que contienen 15% de TiC tienen una reducción del 30% en el desgaste y una extensión del 50% ± 5% en la vida útil, porque el TiC mejora la resistencia al desgaste adhesivo.
El carburo de tantalio ( TaC , densidad 14,5 g/cm³ ± 0,1 g/ cm³, HV 16002000) mejora la resistencia a la deformación a alta temperatura mediante el fortalecimiento de la solución sólida. El coeficiente de expansión térmica del carburo cementado que contiene 3% de TaC se reduce a 5,0×10 ⁻⁶ /K±0,1×10 ⁻⁶ /K, y la longitud de grieta térmica es <1μm ±0,2μm, lo que es adecuado para toberas de turbinas de gas (temperatura de funcionamiento 1100 °C). TaC también mejora la resistencia de la unión del límite de grano (>50 MPa ±5 MPa) y reduce la tasa de crecimiento de grietas en un 15%. Por ejemplo, una tobera de carburo cementado que contiene 2% de TaC funciona en un flujo de gas (>500 m/s) durante 5000 horas con daño superficial <10μm.
El carburo de niobio ( NbC , HV 1900±50) es conocido por su resistencia a la corrosión. La tasa de corrosión del carburo cementado que contiene 1% de NbC en un entorno ácido (pH 3, HCl) es de solo 0,02 mm/año±0,005 mm/año, lo cual es mejor que la del carburo cementado que contiene Co (0,05 mm/año). El NbC reduce la tasa de erosión química en un 20% mediante la formación de una capa protectora de Nb₂O₅ (espesor <5 nm). En aplicaciones prácticas, los revestimientos de carburo cementado que contienen 1% de NbC han estado funcionando en una planta química (H₂SO₄ , pH 2) durante 3 años sin corrosión evidente en la superficie.
El análisis de difracción de rayos X (DRX) muestra que TiC y TaC forman una solución sólida ( W , Ti,Ta )C con WC, con un cambio de constante de red de 0,1 % ± 0,02 % y un aumento de dureza de 100-200 HV, debido a que la solución sólida mejora la resistencia del límite de grano. La formación de la solución sólida también reduce la energía de interfaz (de 1,5 J/m² a 1,0 J/m² ) y mejora la resistencia al agrietamiento. Por ejemplo, la resistencia al desgaste de un molde de carburo cementado que contiene 10 % de TiC y 3 % de TaC se mejora en un 40 % en el estampado compuesto, y la vida útil supera las 5000 ± 500 horas.
El efecto sinérgico de los carburos auxiliares también se refleja en la adaptabilidad ambiental. En un entorno cálido y húmedo (40 °C, 90 % de humedad), el TiC y el NbC reducen la tasa de corrosión en un 10 %-15 % a través de la capa de pasivación; a alta temperatura (1000 °C), el TaC inhibe la oxidación del WC (la volatilización de WO₃ se reduce en un 20 %). La optimización de la relación TiC / TaC / NbC (5:1:0,5) puede equilibrar la dureza (HV 1800±30), la tenacidad (K₁c 12 MPa·m¹ /² ± 0,5) y la resistencia a la corrosión. Por ejemplo, la vida útil de las herramientas de carburo cementado que contienen un 12 % de TiC en la perforación marina (salinidad del 3,5 %) se extiende en un 30 %, lo que es mejor que los materiales tradicionales que contienen Co (vida útil <2000 horas).
2.2 Distribución y función de la fase de enlace
La fase de enlace (principalmente cobalto (Co) y níquel ( Ni)) actúa como la matriz tenaz del carburo cementado, conectando las partículas de carburo y regulando la tenacidad, la resistencia a la corrosión y el rendimiento del procesamiento. Su distribución uniforme y proporcional son clave para la optimización de la microestructura.
2.2.1 Comportamiento de humectación del límite de grano de Co y Ni
El comportamiento de humectación de la fase de enlace durante la sinterización determina la densidad y la distribución de fases del carburo cementado. El cobalto (Co, estructura FCC, punto de fusión 1495 °C ± 10 °C) humedece los granos de WC en la sinterización en fase líquida (1350-1450 °C), con un ángulo de contacto de tan solo 5° ± 1°, y la energía de la interfaz disminuye de 1,5 J/m² a 0,5 J/m² ± 0,1 J/m² , lo que impulsa la densificación (porosidad <0,1 % ± 0,02 %). La microscopía electrónica de transmisión (MET) muestra que el espesor de la capa de Co es de 520 nm ± 2 nm, la tasa de segregación es <5 % y se forma una red de enlace continua. El cambio en la energía libre de Gibbs del proceso de humectación (ΔG≈50 kJ/mol±5 kJ/mol) promueve el reordenamiento del grano, y el coeficiente de difusión de Co D_Co≈10 ⁻⁹ m² /s ±0,1× 10 ⁻⁹ m² /s (1400 °C) determina la uniformidad de distribución.
El níquel (Ni, punto de fusión 1455 °C) tiene una humectabilidad ligeramente inferior, con un ángulo de contacto de 10° ± 2° y una energía interfacial de 0,7 J/m² ± 0,05 J/m² , pero tiene una resistencia a la corrosión más fuerte. La pérdida de peso del carburo cementado que contiene Ni en la prueba de niebla salina (ASTM B117, 168 horas) es <0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm² , que es mejor que la de los materiales que contienen Co (pérdida de peso 0,2 mg/cm² ) . Agregar cromo (Cr, 0,5%2%) puede reducir el ángulo de contacto a 7° ± 1°, formando una solución sólida de CrCo o CrNi , y la energía de enlace interfacial aumenta a >60 MPa ± 5 MPa. Por ejemplo, una válvula de carburo cementado que contiene 12 % de Ni tiene una tasa de corrosión de <0,03 mm/año ± 0,005 mm/año después de operar en agua de mar (pH 8, salinidad 3,5 %) durante 5 años.
El comportamiento de humectación es crucial para la estabilidad microestructural. Un contenido excesivo de Co (>20%) o insuficiente de carbono (<5,8%) puede generar una fase η frágil (W₃Co₃C ) , reduciendo la tenacidad (K₁c ) a 5 MPa·m¹ /² ± 0,5. El control preciso del contenido de carbono (5,8%-6,2%) y la temperatura de sinterización (1380-1420 °C) garantiza una capa de Co uniforme (desviación de espesor <10%). En casos reales, las herramientas de carburo que contienen un 10% de Co han mejorado la unión del límite de grano en un 15% y han prolongado la vida útil de corte en un 20% ± 2% gracias a una humectación optimizada (ángulo de contacto <6°).
La fase Ni tiene ventajas obvias en ambientes corrosivos y de alta temperatura. En vapor a alta temperatura (500 °C, 10 MPa), la pérdida de peso por corrosión del carburo cementado que contiene 12% Ni se reduce en un 30% ± 5%, y la estabilidad de la interfaz mejora en un 10%. El análisis TEM muestra que el espesor de la capa de Ni es de 1015 nm ± 1 nm, y Cr se segrega (0,5% 1%) para formar una capa protectora de Cr₂O ₃ , que mejora la resistencia a la corrosión. Por ejemplo, un revestimiento de carburo cementado que contiene NiCr ha estado funcionando en una planta química (HCl, pH 2) durante 3 años, y el daño superficial es <5 μm. El comportamiento de humectación de Co y Ni debe optimizarse según la aplicación. Co es adecuado para alta tenacidad y Ni es adecuado para resistencia a la corrosión.
2.2.2 Efecto de la relación de fases de unión en el rendimiento
La relación de la fase de unión (5% 20%) es un parámetro clave para regular el rendimiento del carburo cementado. Cuando la relación de Co aumenta del 5% al 20%, la tenacidad aumenta significativamente ( K ₁c aumenta de 8 a 18 MPa·m¹ / ² ± 0,5) , pero la dureza disminuye (HV 2000 a 1400 ± 30). El carburo cementado que contiene 10% de Co (espesor de la capa de Co 1015 nm) tiene una dureza de HV 1800 ± 30 y una tenacidad de K₁c 12 MPa·m¹ / ² ± 0,5, que es adecuado para herramientas de corte. En el mecanizado de alta velocidad (200 m/min ), la cantidad de desgaste es <0,1 mm y la vida útil es de 15 horas ± 1 hora. El carburo cementado con un 20 % de Co presenta una alta tenacidad y es adecuado para brocas de perforación de roca. Su vida útil al impacto es de más de 300 ± 20 horas.
El contenido de níquel está entre el 5% y el 15%, la dureza disminuye de HV 1900 a HV 1500 ± 30, y la resistencia a la corrosión es excelente, con una tasa de corrosión de <0,03 mm/año ± 0,005 mm/año. El revestimiento de carburo cementado que contiene un 12% de Ni ha estado funcionando en un entorno ácido (pH 3, H₂SO₄ ) durante 3 años sin corrosión evidente en la superficie; el electrodo que contiene un 15% de Ni ha estado funcionando en una reacción electroquímica (densidad de corriente >100 mA/cm² ) durante 5000 horas con un rendimiento estable. El análisis del espectro de energía (EDS) muestra que la desviación de la distribución de Co y Ni es <3% ± 0,5%, lo que refleja la alta uniformidad del proceso de sinterización.
La fase de unión también afecta la adaptabilidad ambiental.
En un entorno cálido y húmedo (40 °C, 90 % de humedad), un alto contenido de Co (>15 %) puede causar microcorrosión y reducir la tenacidad en un 5 % ± 1 %; el carburo cementado a base de Ni es más estable y la tenacidad disminuye en un <2 %. A alta temperatura (800 °C), la fase de Co tiene una plasticidad mejorada, K₁ c aumenta en un 5 %, pero la dureza disminuye en un 10 %; la fase de Ni tiene una mayor estabilidad a alta temperatura y la dureza disminuye en un <5 %. Optimizar la relación de mezcla de Co/Ni (1:1 a 2:1) puede lograr un equilibrio de rendimiento. Por ejemplo, el carburo cementado que contiene 10 % de Co y 5 % de Ni tiene una dureza de HV 1700 ± 30, K₁ c 14 MPa·m ¹ / ² ± 0,5 y una extensión de la vida útil del 25 % ± 3 % en la perforación marina.
La relación de fases de unión debe tener en cuenta el efecto sinérgico del tamaño del grano.
Los granos finos (0,51 μm) con alto contenido de Co (15 % 20 %) presentan la mejor tenacidad; los granos gruesos (510 μm) con bajo contenido de Ni (5 % 8 %) presentan una alta resistencia a la corrosión. En aplicaciones prácticas, la deformación de las matrices de estampación de carburo cementado (granos de 1,5 μm) con un 12 % de Co es <0,01 mm en impactos de alta frecuencia (>10 ⁴ veces/hora), lo que aumenta la vida útil en un 30 % ± 5 %.
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