Carbure de tungstène cémenté Exploration complète des propriétés physiques et chimiques, des processus et des applications ( IX )

Partie 3 : Optimisation des performances du carbure cémenté

Chapitre 9 : Multifonctionnalisation du carbure cémenté

La multifonctionnalité du carbure cémenté peut répondre aux besoins complexes de l’aérospatiale (durée de vie > 10 ⁴ heures ± 10³ heures), de la fabrication électronique (résistivité < 12 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm) et des équipements intelligents (temps de réponse < 1 ms ± 0,1 ms) en régulant la conductivité, le magnétisme, la résistance à l’usure, la résistance à la corrosion, l’autolubrification et les capacités de réponse intelligentes. Le carbure cémenté traditionnel est connu pour sa dureté élevée (HV 1800 ± 30) et sa résistance à l’usure (taux d’usure < 0,06 mm³/N·m ± 0,01 mm³/ N·m), mais sa conductivité (~10 MS/m ± 0,1 MS/m), son magnétisme (intensité de magnétisation à saturation < 10 emu/g ± 0,5 emu/g) et son adaptabilité sont insuffisants, ce qui limite son application dans des scénarios multifonctionnels. L’optimisation doit commencer par la microstructure (taille des grains 0,52 μm±0,01 μm), le contrôle de la composition (TiC 5%10%±0,1%, Ni 8%12%±0,1%) et l’ingénierie de surface (profondeur de texture 110 μm±0,1 μm) pour obtenir une amélioration synergique des performances.

discute de la voie multifonctionnelle du carbure cémenté sous les aspects de (1) conductivité électrique et (2) régulation magnétique, (3) performance composite conductrice résistante à l’usure et à la corrosion, (4) autolubrification et anti-adhérence, et (5) carbure cémenté bionique et intelligent . La conductivité électrique et la régulation magnétique sont optimisées par la teneur en Co (10%±1%) et la substitution Ni ; la performance composite conductrice résistante à l’usure et à la corrosion se concentre sur le système WCTiCNi (dureté> HV 1600±30, taux de corrosion<0,01 mm/an±0,001 mm/an) ; l’autolubrification et l’antiadhérence introduisent MoS₂ (5%±0,1%) et la texture de surface (coefficient de frottement<0,2±0,01) ; Le carbure cémenté bionique et intelligent s’appuie sur une structure à gradient (porosité 5 % 20 % ± 1 %) et des matériaux réactifs (taux de déformation < 0,1 % ± 0,01 %), et se tourne vers des applications intelligentes. Ce chapitre fait le lien avec le chapitre 8 (dureté du revêtement Cr₃C₂ > HV 1500 ± 30) et constitue la base du chapitre 10 (Fabrication verte).

9.1 Contrôle de la conductivité électrique et des propriétés magnétiques du carbure cémenté

Français La conductivité électrique (conductivité ~10 MS/m±0,1 MS/m) et les propriétés magnétiques (magnétisation à saturation <10 emu/g±0,5 emu/g) du carbure cémenté affectent directement son application dans les contacts électroniques (résistivité <12 μΩ·cm±0,1 μΩ·cm), les tests magnétiques (sensibilité >95%±2%) et le contrôle qualité. La résistivité élevée du WC (100 μΩ·cm±5 μΩ·cm) doit être optimisée par la phase de liaison Co ou Ni (conductivité >15 MS/m±0,2 MS/m), tandis que le ferromagnétisme du Co (coercivité 100 Oe±10 Oe) fournit une base pour les tests non destructifs. La régulation nécessite un équilibre entre la conductivité, le magnétisme et les propriétés mécaniques ( K ₁ c 1015 MPa·m¹/²±0,5).

Cette section aborde le mécanisme de contrôle et son application du point de vue de la conductivité, de la détection magnétique et du contrôle qualité du carbure cémenté, en combinant la théorie électrique (modèle de Drude), l’analyse magnétique (VSM, précision ± 0,1 um/g) et des cas d’ingénierie. Par exemple, le WC10Co (Co 10 % ± 1 %) présente une conductivité de 10,5 MS/m ± 0,1 MS/m et une magnétisation de 8 um/g ± 0,5 um/g, ce qui répond aux exigences des contacts électroniques et de la détection qualité.

9.1.1 Conductivité électrique du carbure cémenté (~10 MS/m)

9.1.1.1 Aperçu du principe et de la technologie de conductivité du carbure cémenté

La conductivité électrique du carbure cémenté (cible d’environ 10 MS/m ± 0,1 MS/m) est dominée par la conductivité de la phase de liaison Co (15 MS/m ± 0,2 MS/m), et les propriétés semi-conductrices du WC (résistivité de 100 μΩ·cm ± 5 μΩ·cm) limitent les performances globales. La conductivité électrique σ suit le modèle de Drude :

Où n est la densité électronique libre (~10 ² ⁸ m ⁻ ³ ± 10 ² ⁷ m ⁻ ³ ), e est la charge électronique (1,6×10 ⁻ ¹ ⁹ C), τ est le temps de relaxation (10 ⁻ ¹ ⁴ s±10 ⁻ ¹ ⁵ s), et m est la masse électronique (9,1×10 ⁻ ³¹ kg). La valeur élevée de n du Co augmente σ, tandis que les grains de WC ( 0,52 μm±0,01 μm ) augmentent la diffusion de l’interface (taux de diffusion 10 ¹ ⁴ m ⁻ ² ± 10 ¹³ m ⁻ ² ), réduisant la conductivité. L’objectif d’optimisation est une résistivité < 12 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm pour répondre aux exigences des contacts électroniques. (Le modèle de conductivité électrique de Drude (σ) est une théorie classique utilisée pour décrire le comportement des porteurs de charge (tels que les électrons libres) dans les métaux sous l’action d’un champ électrique. Ce modèle a été proposé par Paul Drude en 1900 et suppose que les électrons des métaux se déplacent aléatoirement dans le réseau cristallin sous forme de particules libres et dérivent de manière directionnelle sous l’effet d’un champ électrique.)

Le test adopte la méthode à quatre sondes (courant 1 mA ± 0,01 mA, précision ± 0,01 μΩ·cm), et la taille de l’échantillon est de 10 × 10 × 5 mm ± 0,1 mm. Par exemple, la résistivité du WC10Co (Co 10 % ± 1 %) est de 11 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm , ce qui est meilleur que 15 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm du WC6Co . L’amélioration de la conductivité réduit non seulement la chaleur Joule (< 0,1 W/cm² ± 0,01 W/cm² ), mais améliore également l’efficacité de la transmission du signal (> 99 % ± 1 %). Cette section analyse le mécanisme, les tests et l’optimisation. ( La méthode des quatre sondes est une technique précise pour mesurer la conductivité électrique ou la résistivité des matériaux, particulièrement adaptée à la caractérisation des semi-conducteurs, des films minces et des matériaux conducteurs. Cette méthode réduit l’influence de la résistance de contact et des facteurs géométriques en utilisant quatre sondes (généralement des aiguilles ou des électrodes métalliques) pour améliorer la précision de la mesure. )

9.1.1.2 Analyse du mécanisme de conductivité électrique dans les carbures cémentés

Les carbures cémentés, dont la phase dure est le carbure de tungstène (WC) et la phase de liaison est le cobalt (Cobalt, Co) ou le nickel (Ni). Ce matériau composite présente une dureté élevée, une résistance élevée à l’usure et une bonne conductivité électrique. Le mécanisme de sa conductivité électrique est principalement influencé par la composition du matériau, sa microstructure et ses propriétés de transport d’électrons. S’appuyant sur la théorie classique et la recherche moderne, cet article analyse brièvement le mécanisme de conductivité du carbure cémenté :

(1) Contribution de la phase de liaison

Rôle dominant du cobalt dans la conductivité : Phase hautement conductrice, le cobalt présente une résistivité d’ environ 6 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm et domine la transmission du courant en formant un réseau continu (fraction volumique 10 % ± 1 %). Les électrons libres du cobalt dérivent de manière directionnelle sous l’action d’un champ électrique, principale source de conductivité du carbure cémenté.

Substitution du nickel

L’ajout de nickel (8%-12% ± 0,1%, résistivité d’environ 7 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm) peut remplacer le cobalt et réduire encore la résistivité à < 11 μΩ·cm ± 0,1 μΩ·cm. Le niveau de Fermi du nickel (environ 7 eV ± 0,1 eV) est similaire à celui du cobalt, et la conductivité est comparable, mais la résistance à la corrosion est meilleure (densité de courant de corrosion icorr < 10 ⁻ ⁶ A/cm ² ± 10 ⁻ ⁷ A/cm ² ), ce qui le rend adapté aux applications en environnements difficiles.

Effet de la teneur en phase liante

À mesure que la proportion de la phase de liaison augmente (par exemple de 6 % à 15 %), la conductivité augmente de manière significative en raison de l’augmentation du nombre de chemins de migration des électrons ; à l’inverse, à mesure que la phase de liaison diminue, la conductivité diminue.

(2) Limitation de la phase dure

Faible conductivité électrique du carbure de tungstène

Le WC présente des caractéristiques de liaison covalente (l’énergie de liaison du WC est d’environ 700 kJ/mol ± 10 kJ/mol), une faible mobilité électronique (< 10 cm² / V · s ± 1 cm² / V · s) et une résistivité élevée (environ 100 μΩ·cm ± 5 μΩ·cm), et sa contribution à la conductivité globale est limitée.

Effet de particules

Les particules de WC sont dispersées dans la phase liante, ce qui entrave la libre circulation des électrons et entraîne une diminution de la conductivité avec l’augmentation de la teneur en WC.