Por que devemos estudar carbonetos nanocerâmicos ligados? Como todos sabemos, o carboneto WC-Co consiste em uma fase dura (WC) e uma fase de ligação (metal ferroso). Em ambientes agressivos, a fase de ligação é mais suscetível à corrosão e oxidação do que a fase dura, o que limita sua aplicação em alguns campos. Portanto, a redução do teor da fase de ligação é considerada uma solução para esse problema. Além disso, o Co metálico é um material caro e tem um certo impacto na saúde humana. É necessário reduzir a aplicação de Co em carbonetos, visando à redução de custos e à saúde humana.

Carboneto nanocerâmico à base de WC em fase ligada refere-se a um tipo de produto de carboneto que não contém ou contém uma pequena quantidade de agente de ligação metálico (<0,5% por fração mássica). Apresenta excelente resistência ao desgaste, resistência à corrosão, excelente polimento e resistência à oxidação incomparáveis em comparação com o carboneto tradicional.

O carboneto nanocerâmico à base de WC em fase ligada é uma combinação de dureza cerâmica e tenacidade de carboneto, e seus produtos foram lançados no exterior. Com sua excelente resistência ao desgaste e à corrosão, pode ser usado na fabricação de bicos de jateamento de areia, materiais de embalagem eletrônica, peças resistentes ao desgaste de vedações deslizantes para serviços pesados, etc. Com seu excelente desempenho de corte, pode ser usado como materiais para ferramentas e brocas, especialmente para o processamento de titânio/ligas de titânio, o que melhora significativamente a eficiência do trabalho. E com sua resistência à oxidação e excelente polimento, pode ser usado como materiais de molde e decorativos.

Características do carboneto nanocerâmico ligado:

A estrutura monofásica e o teor de carbono do carboneto de fase nanocerâmica ligada são muito sensíveis ao teor de carbono. Para carbonetos tradicionais contendo fases de ligação, existe uma certa faixa de teor de carbono para manter uma estrutura de fase normal. Se essa faixa for excedida, ocorrerá a formação de uma fase n frágil ou carbono livre. Em contraste, o teor de carbono adequado do carboneto de fase nanocerâmica ligada à base de WC não é flutuante como o da liga WC-Co, mas sim fixo.

2Projeto de composição e propriedades de carboneto nanocerâmico ligado

Carbonetos nanocerâmicos ligados, que combinam perfeitamente propriedades mecânicas e de resistência ao desgaste, são um dos materiais cerâmicos mais amplamente utilizados na engenharia. No entanto, na maioria dos materiais cerâmicos, a existência de fases de ligação metálica não só confere a esses materiais compósitos excelente tenacidade à flexão, como também afeta certas propriedades, o que limita seu uso. Além disso, o baixo ponto de fusão do metal Co também limita significativamente a aplicação de ferramentas de corte WC-Co em usinagem de alta velocidade, que é propensa a desgaste adesivo e desgaste por oxidação. Além disso, a baixa resistência à corrosão, o alto custo e a toxicidade do Co também limitam a aplicação do carboneto WC-Co na indústria mecânica. Portanto, a substituição parcial ou total da fase de ligação Co pode expandir a aplicação do carboneto. Nos últimos anos, as fases de ligação cerâmica têm atraído ampla atenção na comunidade científica como um novo tipo de substituto do Co.

 

Estudo específico usando nanocerâmicas como fase ligante em ligas de metais duros

O Instituto de Pesquisa da Universidade de Shandong, na China, selecionou Al2O3, ZrO2 e MgO em nanoescala como fase ligante para ligas de metal duro de WC. A microestrutura e as propriedades mecânicas das ligas de metal duro foram comparadas, e o mecanismo de tenacificação dos óxidos nanocerâmicos foi explorado. O artigo relacionado, intitulado "Nanocerâmica substituindo cobalto em carboneto cimentado como fase ligante: é viável?", foi publicado no Journal of Alloys and Compounds.

Link do artigo:

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0925838821043784

 

 

 

 

 

4Mecanismo de ligantes cerâmicos que melhoram a tenacidade de materiais de carboneto

fig.1 Micrografias TEM de carboneto nanocerâmico ligado: (a) discordâncias em WC-6Al2O3, (b) discordâncias em WC-6ZrO2, (c) discordâncias em WC-6MgO e (d) microestruturas intragranulares e intergranulares de WC-6ZrO2.

Após a sinterização, os grãos de WC mantiveram seu tamanho de grão inicial, e a segunda fase suprimiu significativamente o crescimento de grãos da matriz de WC, limitando a migração dos contornos de grão. Deslocamentos foram observados em todos os três materiais de carboneto nanocerâmico ligado, o que aumentou a tolerância do carboneto. Além disso, verificou-se que alguns grãos de ZrO₂ em nanoescala estavam distribuídos ao longo dos contornos de grão de WC, enquanto mais nanogrãos de ZrO₂ estavam distribuídos dentro dos grãos de WC, formando as chamadas nanoestruturas intragranulares. Em comparação com a fase ligante cerâmica nos contornos de grão de WC, as cerâmicas dentro dos grãos de WC eram menores em tamanho.

fig.2 Mecanismo de têmpera do WC-6Al2O3

fig.3 O mecanismo de têmpera do WC-6ZrO2

fig.4 O mecanismo de endurecimento do WC-6AMgO

Durante o processo de sinterização e resfriamento em alta temperatura, tensões residuais de tração são geradas ao redor da fase ligante cerâmica devido às diferenças no coeficiente de expansão térmica, o que é favorável à deflexão da trinca quando esta atinge o campo de tensões. Quando uma carga externa é aplicada ao material ligante nanocerâmico, a diferença no módulo de elasticidade causa uma redistribuição da tensão microscópica, aumentando assim a tenacidade do material. Todos os três materiais de carboneto nanocerâmico apresentam formação de pontes de trincas, reduzindo efetivamente a energia de propagação da trinca. Trincas sem ramificação também foram encontradas no carboneto, aumentando significativamente o consumo de energia da propagação da trinca principal e efetivamente retardando a propagação da trinca.

fig.5 Espectros de XRD da superfície polida e da superfície fraturada do espécime WC-6ZrO2

Durante o processo de fratura do carboneto de WC-ZrO2, quando uma tensão externa é aplicada ao carboneto, ocorre uma concentração de tensão próxima à ponta da trinca, promovendo a transformação de t-ZrO2 em m-ZrO2 monoclínico. Essa transformação impede significativamente a propagação da trinca, aumentando o relaxamento da tensão próximo à ponta da trinca. Além disso, a expansão de volume causada pela transformação de fase comprime a matriz circundante, o que favorece o fechamento da trinca. Além disso, a transformação de fase superficial pode gerar tensão compressiva, aumentando significativamente a tenacidade do material.

Conclusão

Em resumo, em comparação com o carboneto de WC-Co tradicional, o carboneto nanocerâmico ligado apresenta uma melhor combinação de tenacidade à fratura e dureza. Comparado ao carboneto microcerâmico ligado, a dureza e a tenacidade à fratura do carboneto nanocerâmico ligado são simultaneamente aprimoradas. Essa excelente dureza do carboneto nanocerâmico ligado é crucial para aplicações de usinagem de alta velocidade e espera-se que se torne um material candidato para ferramentas de usinagem de alta velocidade.