O carboneto de WC, como material essencial na indústria moderna, sempre foi um foco de pesquisa na área da ciência dos materiais para otimização de desempenho. Neste estudo, WC-TiC, WC-TaC e WC-TiC-TaC foram preparados por sinterização por prensagem a quente (HP). Os efeitos da adição de TaC, adição de TiC e sua coadição na evolução microestrutural e nas propriedades do WC foram avaliados sistematicamente.

Histórico da pesquisa

Nos últimos anos, vários pesquisadores tentaram preparar carboneto de tungstênio (WC) sem ligantes de alta densidade usando vários métodos de processamento, como sinterização por prensagem a quente (HP), sinterização por plasma de faísca (SPS) e sinterização sem pressão (PS).

Os resultados indicam que, sem condições de alta pressão, uma temperatura de sinterização acima de 1.800 °C é necessária para preparar WC sem ligantes por meio da sinterização em fase sólida. No entanto, em processos práticos de sinterização, as altas temperaturas necessárias para uma alta densificação podem facilmente levar à descarbonetação do WC, formando, por fim, a fase W₂C.

Nanoescala ou submicron Pós para WC são normalmente utilizados para obter grãos finos e aprimorar as propriedades mecânicas do WC, reduzindo a temperatura de sinterização. No entanto, os nanopós são propensos à oxidação, formando uma camada superficial de óxido que consome carbono durante a sinterização, levando à formação da fase W₂C descarbonetada. A presença de W₂C aumenta a fragilidade e reduz o módulo de Young, degradando assim as propriedades mecânicas do material.

Na prática, como os óxidos de superfície ou o oxigênio adsorvido nos nanopós consomem carbono, uma certa quantidade de carbono adicional deve ser introduzida durante a sinterização para obter um material puro e de alto desempenho. Banheiro. A adição de carbono ajuda a obter WC puro sem reduzir o módulo de Young e melhora a sinterabilidade, mas também promove o crescimento de grãos.

O WC de alta densidade sem ligantes segue o princípio de Hall-Petch: quanto menor o tamanho do grão, maior a dureza (resistência). Portanto, inibir o crescimento dos grãos do WC é essencial para obter produtos de WC com maior dureza (resistência).

Um método eficaz para suprimir Grão WC O crescimento é a adição de carbonetos de metais de transição como inibidores do crescimento de grãos, como Cr₃C₂, VC, TaC, TiC e ZrC. Entre estes, TiC e TaC normalmente contêm vacâncias de carbono em suas estruturas cristalinas e existem como compostos não estequiométricos, o que significa que suas estruturas cristalinas permanecem inalteradas apesar das flutuações no teor de carbono.

Tanto o TiC quanto o TaC podem dissolver o WC e formar soluções sólidas, promovendo o processo de densificação e inibindo eficazmente o crescimento de grãos do WC, melhorando assim as propriedades mecânicas. Estudos relatam que a adição de TiC e TaC pode aumentar a dureza e a resistência à corrosão do WC, expandindo suas aplicações em selos mecânicos e componentes deslizantes. Além disso, a adição de TiC pode reduzir o desgaste da ferramenta causado por interações químicas próximas à aresta de corte.

Entretanto, os efeitos da adição de TaC, adição de TiC e sua adição sinérgica na microestrutura e propriedades do WC ainda requerem investigação abrangente.

Importância da Pesquisa

Liquid-phase sintered WC carbide (WC-Co) consist of a hard tungsten carbide phase and a cobalt (Co) binder phase. They possess high hardness and wear resistance, making them widely used in metal cutting and rock drilling tools. The presence of the Co binder phase enhances the sintering ability of tungsten carbide and improves its fracture toughness, but it reduces the hardness, Young’s modulus, and corrosion resistance of the tungsten carbide WC carbide, limiting its application under extreme conditions. Therefore, the development of binder-free tungsten carbide WC carbides serves as a supplement to traditional WC carbides. However, due to the high melting point, rigid covalent bonds, and low diffusion mobility of binder-free tungsten carbide, it is difficult to achieve high densification during sintering.

Os carbonetos WC-Co tradicionais são amplamente utilizados em processos de corte, ferramentas de mineração e outros campos devido às suas excelentes propriedades abrangentes. No entanto, embora a presença da fase ligante de Co melhore a tenacidade do material, ela inevitavelmente reduz sua dureza, resistência ao calor e resistência à corrosão. À medida que a indústria moderna continua a aumentar os requisitos de desempenho dos materiais, o desenvolvimento de carbonetos WC sem ligantes tornou-se uma direção importante para superar os gargalos de desempenho dos materiais existentes.

Os principais desafios enfrentados pelos carbonetos de WC sem ligantes incluem:

Dificuldade na densificação da sinterização: devido ao alto ponto de fusão (2870°C) e ao baixo coeficiente de difusão do WC.

Tendência de crescimento de grãos: os grãos de WC tendem a crescer anormalmente durante a sinterização em alta temperatura.

Formação de fases descarbonetadas: fases W₂C quebradiças são facilmente formadas durante a sinterização.

Para abordar essas questões, este estudo seleciona TiC e TaC como aditivos com base nas seguintes considerações:

Ambos são carbonetos de metais de transição e têm boa compatibilidade com WC.

Eles podem inibir eficazmente o crescimento de grãos de WC.

They can improve sintering performance without significantly impairing the material’s hardness.

Métodos Experimentais

Neste experimento, pós de TiC, TaC e pó nano-WC puro foram utilizados como matérias-primas para preparar carbonetos isentos de ligantes WC-TiC, WC-TaC e WC-TiC-TaC por meio da tecnologia de sinterização por prensagem a quente. Os efeitos das adições de TiC, TaC e TiC-TaC na microestrutura e nas propriedades dos carbonetos de WC isentos de ligantes foram estudados sistematicamente.

Pó nano-WC de alta pureza (com tamanho médio de partícula de 50 nm) foi utilizado como material de matriz, com a adição de 10% em peso de TiC TP3T, 10% em peso de TaC TP3T e 5% em peso de TiC TP3T + 5% em peso de TaC TP3T, respectivamente. As amostras foram preparadas pelos seguintes processos:

1. Moagem e mistura de matéria-prima (usando etanol como meio, por 24 horas).

2. Secagem e peneiramento.

3. Sinterização por prensagem a quente (1800°C, 30 MPa, mantendo por 1 hora).

4. Resfriamento do forno.

Vários métodos de caracterização foram utilizados para analisar sistematicamente as propriedades do material:

1.Análise de XRD para composição de fase.

2. Observação SEM para microestrutura.

3. Testador de dureza Vickers para propriedades mecânicas.

4. Ensaios de atrito e desgaste para avaliação da resistência ao desgaste.

Resultados da pesquisa

Os resultados mostram que:

1. Sob a temperatura de sinterização de 800 °C, a densidade relativa de todas as amostras atinge mais de 99%, e o tamanho médio dos grãos é inferior a 600 nm. Entre elas, o TaC tem o efeito inibitório mais significativo no crescimento dos grãos de WC (com um tamanho médio de grãos de 370,1 nm), mas há uma fase descarbonetada de W₂C.

2. O WC-TiC, que não possui fase descarbonetada e apresenta boa uniformidade microestrutural, apresenta a maior tenacidade à fratura e resistência à flexão, com valores de 5,68 MPa·m¹/² e 1027,48 MPa, respectivamente. O WC-TaC possui granulometria fina e contém fases W₂C frágeis, apresentando a melhor dureza e resistência ao desgaste, com uma dureza de 2662,8 HV0,3 e uma taxa de desgaste de apenas 1,3×10⁻⁷ mm³/(N·m).

3. Devido à alta dureza, alta densidade e pequeno tamanho de grão de todas as amostras, o desgaste abrasivo é o principal mecanismo de desgaste em ensaios de atrito e desgaste. Entre eles, a superfície de desgaste do WC-TaC apresenta sulcos rasos e apenas um pequeno número de cavidades finas, demonstrando excelente resistência ao desgaste.

Fig.4 Propriedades de atrito e desgaste de WC-TiC, WC-TaC e WC-TiC-TaC

Conclusões

(1) A adição de TiC, TaC e TiC-TaC contribui para melhorar o desempenho de sinterização de WC sem ligantes e limitar o crescimento de grãos de WC. A densidade relativa de todas as amostras atinge mais de 99%. TaC tem um efeito inibitório mais significativo no crescimento de grãos de WC. WC-TaC exibe o menor tamanho de grão com a faixa de distribuição mais estreita, com um tamanho de grão médio de 370,1 nm, mas forma uma fase descarbonetada W₂C quebradiça. Os tamanhos de grão das amostras de WC-TiC e WC-TiC-TaC são maiores do que os de WC-TaC, com faixas de distribuição relativamente estreitas; seus tamanhos de grão médios são 450,7 nm e 510,3 nm, respectivamente, e nenhuma fase descarbonetada é gerada.

(2) O WC-TiC apresenta a maior tenacidade à fratura, resistência à flexão e o melhor desempenho de polimento, com tenacidade à fratura e resistência à flexão atingindo 5,68 MPa·m¹/² e 1027,48 MPa, respectivamente. Devido à formação da fase frágil W₂C, o WC-TaC atinge a maior dureza, chegando a 2662,8 HV0,3.

(3) O principal mecanismo de desgaste de WC-TiC, WC-TaC e WC-TiC-TaC é o desgaste abrasivo. WC-TaC exibe a mais excelente resistência ao desgaste, com uma taxa de desgaste de apenas 1,3×10⁻⁷ mm³/(N·m), que é 92,9% e 94,3% menor que a de WC-TiC (1,84×10⁻⁶ mm³/(N·m)) e WC-TiC-TaC (2,27×10⁻⁶ mm³/(N·m)), respectivamente.  

Fig.5 Morfologia da superfície de desgaste de WC-TiC, WC-TaC e WC-TiC-TaC

(4) Este estudo não apenas revela o mecanismo de influência de diferentes aditivos nas propriedades de carbonetos de WC sem ligantes, mas também fornece insights importantes para o futuro design de materiais. É particularmente notável que o carboneto de WC-TaC, com uma dureza ultra-alta de 2662,8 HV0,3 e uma taxa de desgaste extremamente baixa de apenas 1,3×10⁻⁷ mm³/(N·m), demonstra potencial de aplicação sob condições extremas de desgaste. Além disso, todas as amostras exibem desgaste abrasivo como a principal característica em testes de atrito e desgaste; em particular, o excelente desempenho da amostra de WC-TaC, com apenas ranhuras de aração rasas e um pequeno número de cavidades finas em sua superfície, indica amplas perspectivas para tais materiais em usinagem de precisão e aplicações em ambientes severos. Essas descobertas não apenas enriquecem o sistema teórico de carbonetos de WC, mas também fornecem importante suporte técnico para o desenvolvimento de ferramentas de corte de alto desempenho de próxima geração e componentes resistentes ao desgaste. Com o aprofundamento de pesquisas futuras, temos motivos para esperar que esses materiais desempenhem um papel revolucionário na indústria aeroespacial, na fabricação de precisão e em outros campos.