Sistemas aglutinantes en el carburo de tungsteno cementado: cobalto, níquel y rendimiento del material
El aglutinante metálico no es simplemente el “cemento” que mantiene unidos los granos de WC. Es una parte integral de la microestructura que influye en la tenacidad, el comportamiento frente a la fisuración, la sinterización, la respuesta a la corrosión y el rendimiento general del material.
Introducción
El carburo de tungsteno cementado es un material compuesto.
Su excepcional rendimiento frente al desgaste proviene principalmente de los duros granos de carburo de tungsteno (WC), pero el comportamiento del material terminado no puede entenderse únicamente a partir de la fase WC.
El aglutinante metálico que rodea y conecta los granos de WC desempeña un papel importante en:
- la cohesión microestructural;
- la tenacidad;
- el comportamiento frente a la fisuración;
- la transferencia de cargas;
- la densificación durante la sinterización;
- el comportamiento de las interfaces WC–aglutinante;
- la respuesta a la corrosión; y
- el rendimiento bajo condiciones mecánicas y ambientales combinadas.
El cobalto es el sistema aglutinante más ampliamente establecido en el carburo de tungsteno cementado, pero los sistemas a base de níquel y otros aglutinantes especialmente formulados pueden ser apropiados para determinadas aplicaciones.
Por lo tanto, la selección del sistema aglutinante no se reduce a una simple elección entre cobalto y níquel. Debe evaluarse conjuntamente con:
- las características de los granos de WC;
- el contenido de aglutinante;
- los aditivos y la formulación;
- las condiciones de fabricación;
- la dureza y tenacidad requeridas;
- los mecanismos de desgaste;
- el entorno químico;
- la temperatura; y
- el diseño del componente.
Este artículo explica cómo los sistemas aglutinantes metálicos influyen en el carburo de tungsteno cementado y por qué la selección del aglutinante debe considerarse como parte de la ingeniería microestructural completa.
1. Función del aglutinante metálico
El aglutinante metálico cumple varias funciones interrelacionadas dentro del carburo de tungsteno cementado.
1.1 Cohesión microestructural
El aglutinante ayuda a conectar los granos de WC para formar una estructura compuesta densa.
Durante la sinterización en fase líquida, el aglutinante participa en:
- la humectación de la fase de carburo;
- la redistribución del material;
- la densificación;
- la reducción de la porosidad; y
- el desarrollo de la microestructura final WC–aglutinante.
La eficacia de este proceso depende de la formulación completa y de las condiciones de procesamiento, no únicamente de la química del aglutinante.
1.2 Tenacidad y comportamiento frente a la fisuración
El WC es extremadamente duro, pero tiene una capacidad limitada para admitir deformación. El aglutinante metálico proporciona una fase más dúctil dentro del material compuesto.
Dependiendo de la microestructura completa, puede contribuir a:
- la deformación plástica localizada;
- la absorción de energía;
- la desviación de las grietas;
- el puenteo de las grietas; y
- la resistencia a la propagación rápida de las grietas.
Estos mecanismos están influidos no solo por el contenido de aglutinante, sino también por:
- las características de los granos de WC;
- la distribución del aglutinante;
- el camino libre medio del aglutinante;
- la porosidad y otros defectos;
- la calidad de las interfaces; y
- el estado de esfuerzos del componente.
1.3 Transferencia de cargas
El aglutinante participa en la transferencia de cargas entre los granos de WC. Esto permite que el material compuesto funcione como un sistema integrado en lugar de como un conjunto de partículas duras aisladas.
Sin embargo, el comportamiento bajo carga depende de la microestructura completa, la geometría del componente, las condiciones de soporte y el estado de los esfuerzos aplicados. Por lo tanto, el aglutinante no debe considerarse como el único responsable de distribuir todos los esfuerzos mecánicos.
1.4 Estabilidad de las fases y de la microestructura
La química del aglutinante influye en las condiciones termodinámicas y cinéticas durante la fabricación del carburo. Puede influir en:
- la solubilidad del carbono y el tungsteno en el aglutinante;
- el comportamiento del crecimiento de los granos;
- la formación o supresión de fases secundarias;
- la química de las interfaces; y
- la estabilidad microestructural final.
Por esta razón, la selección del aglutinante también constituye una consideración metalúrgica y de fabricación.
1.5 Respuesta al entorno
En algunos entornos, el aglutinante metálico puede ser químicamente más activo que la fase WC. El ataque químico al aglutinante puede debilitar el soporte alrededor de los granos de WC y contribuir a una pérdida progresiva de material.
Sin embargo, el comportamiento frente a la corrosión es una propiedad del sistema completo material–entorno. Depende de factores como:
- la química del aglutinante;
- la microestructura del WC;
- los aditivos;
- la química del fluido;
- la temperatura;
- el pH;
- las condiciones electroquímicas;
- las especies disueltas;
- las condiciones de flujo; y
- el desgaste mecánico.
Por lo tanto, la resistencia a la corrosión no debe reducirse únicamente a la química del aglutinante.
2. Contenido de aglutinante y equilibrio dureza–tenacidad
El contenido de aglutinante es una variable importante en el diseño del carburo cementado.
En general, modificar la cantidad relativa de aglutinante metálico cambia el equilibrio entre:
- la dureza;
- la tenacidad;
- la resistencia a la fractura; y
- el comportamiento frente al desgaste.
Una fracción menor de aglutinante generalmente aumenta la proporción relativa de la fase dura de WC. Esto puede favorecer una mayor dureza y una elevada resistencia a determinadas formas de desgaste abrasivo.
Una fracción mayor de aglutinante generalmente aumenta la cantidad de fase metálica dúctil disponible para participar en la deformación y en los mecanismos relacionados con las grietas. En condiciones microestructurales y de carga apropiadas, esto puede favorecer una mayor tenacidad.
Sin embargo, estas tendencias no deben interpretarse como reglas universales. El comportamiento final también depende de:
- el tamaño y la distribución de los granos de WC;
- la química del aglutinante;
- el camino libre medio del aglutinante;
- los aditivos;
- la densidad;
- la porosidad;
- la calidad de la sinterización; y
- las condiciones de servicio.
Por lo tanto, no existe un porcentaje de aglutinante universalmente óptimo.
3. El contenido de aglutinante y las características de los granos de WC deben considerarse conjuntamente
El contenido de aglutinante no puede evaluarse independientemente de la microestructura del WC.
Para un mismo contenido nominal de aglutinante, los cambios en las características de los granos de WC pueden modificar:
- el espaciamiento entre los granos de WC;
- la continuidad y distribución de la fase aglutinante;
- el camino libre medio efectivo del aglutinante;
- la restricción local de la fase metálica;
- la dureza;
- la tenacidad; y
- el comportamiento frente a la fisuración.
Asimismo, dos grados con un tamaño medio de grano de WC similar pueden comportarse de manera diferente si su contenido o distribución de aglutinante es distinto.
El contenido de aglutinante y las características de los granos de WC son variables microestructurales interdependientes. Ninguna debe seleccionarse de forma aislada.
4. Camino libre medio del aglutinante
Un concepto microestructural útil es la distancia efectiva recorrida a través de la fase aglutinante entre los granos de WC, que suele describirse como camino libre medio del aglutinante.
Este parámetro está influido por:
- las características de los granos de WC; y
- el contenido y la distribución del aglutinante.
Los cambios en el espaciamiento del aglutinante pueden influir en:
- la deformación localizada de la fase metálica;
- la desviación de las grietas;
- el puenteo de las grietas;
- la dureza; y
- el comportamiento frente a la fractura.
Sin embargo, el camino libre medio del aglutinante no debe considerarse como un único indicador del rendimiento del carburo. Es una parte del sistema microestructural completo.
5. Sistemas aglutinantes a base de cobalto
El cobalto es el aglutinante más ampliamente establecido para el carburo de tungsteno cementado.
Su uso generalizado refleja varias características ventajosas en materiales WC–Co correctamente diseñados, entre ellas:
- una interacción eficaz con el WC durante la sinterización en fase líquida;
- procesos de fabricación bien establecidos;
- una buena cohesión microestructural;
- una tenacidad útil; y
- una amplia gama de equilibrios dureza–tenacidad disponibles.
Los grados WC–Co pueden diseñarse para numerosas aplicaciones industriales, incluyendo:
- componentes sometidos a desgaste abrasivo;
- componentes para minería y procesamiento de minerales;
- piezas de desgaste para petróleo y gas;
- aplicaciones de conformado y herramientas; y
- componentes generales para servicio severo.
Sin embargo, no existe un único “nivel de rendimiento WC–Co”. Los distintos grados WC–Co pueden variar considerablemente en:
- las características de los granos de WC;
- el contenido de cobalto;
- los aditivos;
- la dureza;
- la tenacidad;
- el comportamiento frente a la corrosión; y
- el proceso de fabricación.
6. Limitaciones de los sistemas a base de cobalto
Los aglutinantes a base de cobalto son ampliamente utilizados, pero no necesariamente son adecuados para todos los entornos.
Las posibles limitaciones pueden incluir:
- susceptibilidad al ataque químico en determinados medios;
- disolución preferencial del aglutinante bajo ciertas condiciones electroquímicas;
- cambios en el comportamiento frente a la oxidación a temperaturas elevadas; y
- consideraciones ambientales, de salud o regulatorias específicas de la aplicación.
La importancia de estas limitaciones depende en gran medida del entorno real de servicio. Un carburo con aglutinante de cobalto que funciona bien en un fluido o rango de temperatura puede comportarse de manera diferente en otro entorno.
La presencia de un entorno ácido, salino, oxidante o de temperatura elevada debe dar lugar a una evaluación del material específica para la aplicación, no al rechazo automático del cobalto.
7. Sistemas aglutinantes a base de níquel
Los aglutinantes a base de níquel se utilizan en algunos grados de carburo cementado cuando se requiere un equilibrio diferente entre comportamiento químico y mecánico.
Dependiendo de la formulación y del entorno de operación, los sistemas a base de níquel pueden ofrecer ventajas en determinadas condiciones químicamente agresivas.
Entre las razones para considerar un aglutinante a base de níquel se incluyen:
- una mayor resistencia a determinados medios corrosivos;
- una menor sensibilidad a ciertas formas de ataque preferencial del aglutinante;
- un comportamiento diferente frente a la oxidación;
- requisitos específicos relacionados con las propiedades magnéticas; o
- compatibilidad con el diseño de un grado especializado.
El níquel no es universalmente más resistente a la corrosión que el cobalto en todas las condiciones.
El comportamiento frente a la corrosión depende de:
- la química de la aleación;
- la composición del fluido;
- el pH;
- las condiciones oxidantes o reductoras;
- los cloruros y otras especies disueltas;
- la temperatura;
- el flujo;
- el desgaste; y
- las interacciones electroquímicas.
Por lo tanto, un grado a base de níquel debe seleccionarse según el entorno real y no simplemente por una etiqueta general de “resistente a la corrosión”.
8. Comportamiento mecánico de los grados a base de níquel
Cambiar de cobalto a níquel implica más que modificar el comportamiento frente a la corrosión. También puede modificar:
- la respuesta a la sinterización;
- la interacción WC–aglutinante;
- el comportamiento del crecimiento de los granos;
- la resistencia del aglutinante;
- la tenacidad;
- la dureza; y
- el diseño microestructural general.
Por esta razón, el WC–Ni no debe tratarse como un sustituto directo del WC–Co con el mismo porcentaje nominal de aglutinante.
Un grado a base de níquel correctamente diseñado puede ofrecer un rendimiento excelente, pero sus propiedades deben evaluarse como las de un sistema de material distinto.
9. Sistemas aglutinantes a base de níquel aleado
Los aglutinantes a base de níquel pueden alearse con otros elementos para ajustar:
- el comportamiento frente a la corrosión;
- la resistencia a la oxidación;
- las propiedades mecánicas;
- la respuesta a la sinterización; y
- la estabilidad microestructural.
Los sistemas aglutinantes a base de níquel que contienen cromo son un ejemplo. También pueden utilizarse otros enfoques de aleación dependiendo del fabricante, el diseño del grado y la aplicación prevista.
La composición química específica no debe prescribirse a partir de una regla genérica, a menos que haya sido validada para el entorno de servicio.
Para la selección de materiales OEM, una pregunta más útil suele ser:
¿Qué química de aglutinante y qué grado de carburo han sido validados para esta combinación de desgaste, química, temperatura y cargas mecánicas?
10. Cobalto–níquel y otros sistemas aglutinantes diseñados
Algunos materiales de carburo cementado utilizan sistemas aglutinantes mixtos o aleados en lugar de sistemas predominantemente a base de cobalto o níquel.
Estos sistemas pueden desarrollarse para equilibrar propiedades como:
- la tenacidad;
- la resistencia a la corrosión;
- el comportamiento frente a la oxidación;
- la respuesta magnética;
- el comportamiento durante la sinterización; y
- el rendimiento frente al desgaste.
También existen sistemas que contienen hierro y otros aglutinantes especializados. Su idoneidad depende del diseño completo del grado.
No deben clasificarse automáticamente como inferiores, superiores o de bajo costo únicamente en función del elemento principal del aglutinante.
11. Carburos sin aglutinante convencional o con contenido muy bajo de aglutinante
Algunos materiales de carburo especializados contienen muy poco aglutinante metálico convencional, mientras que otros están diseñados sin una fase aglutinante convencional rica en cobalto o níquel.
Dependiendo de su composición y proceso de fabricación, estos materiales pueden proporcionar:
- una dureza muy elevada;
- una alta resistencia al desgaste dimensional;
- un comportamiento diferente a temperaturas elevadas; o
- una mayor resistencia a determinadas formas de ataque químico.
Sin embargo, reducir o eliminar el aglutinante metálico convencional también modifica:
- la tenacidad;
- el comportamiento frente a la fractura;
- la capacidad de fabricación;
- la densificación y el comportamiento durante la sinterización; y
- la sensibilidad a las cargas mecánicas.
Por lo tanto, estos materiales son soluciones especializadas y no grados de carburo universalmente superiores.
12. Ataque preferencial del aglutinante
En determinados entornos químicos, el aglutinante metálico puede ser atacado más rápidamente que la fase WC. Este fenómeno suele describirse como ataque preferencial del aglutinante.
A medida que el aglutinante se degrada, la estructura local de WC puede perder soporte. La secuencia puede incluir:
- ataque químico o electroquímico al aglutinante;
- debilitamiento del soporte local WC–aglutinante;
- mayor exposición de las interfaces de los granos de WC;
- aflojamiento o desprendimiento de los granos de WC; y
- aceleración de la pérdida mecánica de material.
Esto es especialmente importante cuando la corrosión interactúa con:
- la abrasión;
- la erosión por partículas;
- el flujo de lodos abrasivos; o
- las cargas mecánicas repetidas.
13. Efectos electroquímicos
El carburo de tungsteno cementado es un material multifásico. Por lo tanto, pueden desarrollarse interacciones electroquímicas entre el aglutinante metálico y la estructura que contiene WC cuando el material se expone a un electrolito.
El comportamiento resultante depende de:
- la química del aglutinante;
- la composición del carburo;
- la química del fluido;
- el potencial eléctrico o electroquímico;
- el contenido de oxígeno;
- las sales disueltas;
- la temperatura; y
- el estado superficial.
En determinadas condiciones, el aglutinante puede disolverse preferentemente. En otras, distintas reacciones o películas superficiales pueden modificar el proceso de corrosión.
Por esta razón, el comportamiento electroquímico debe evaluarse para el medio real de servicio.
14. Medios ácidos y químicamente agresivos
Los fluidos ácidos o químicamente agresivos pueden aumentar el riesgo de degradación del aglutinante en algunos sistemas de carburo cementado.
Sin embargo, una descripción general como “servicio ácido” no es suficiente para seleccionar un aglutinante. El rendimiento real puede depender de:
- la especie ácida;
- su concentración;
- el pH;
- la temperatura;
- el potencial oxidante;
- los sólidos disueltos;
- los cloruros;
- la velocidad de flujo;
- el tiempo de exposición; y
- el desgaste mecánico simultáneo.
Las diferentes formulaciones a base de cobalto o níquel pueden comportarse de manera distinta bajo estas condiciones. Para aplicaciones críticas en servicio químico, las pruebas o un historial de servicio validado son especialmente útiles.
15. Temperatura elevada y oxidación
A temperaturas elevadas, el comportamiento del carburo cementado puede cambiar porque tanto la fase WC como el aglutinante metálico pueden participar en la oxidación u otras reacciones dependientes de la temperatura.
La importancia de estos fenómenos depende de:
- la temperatura;
- el tiempo de exposición;
- la atmósfera;
- la disponibilidad de oxígeno;
- los ciclos térmicos;
- la química del aglutinante;
- la estructura de los granos de WC;
- los recubrimientos o tratamientos superficiales; y
- las cargas mecánicas.
No existe una temperatura universal por encima de la cual todos los carburos con aglutinante de cobalto dejen de ser adecuados o los carburos a base de níquel sean automáticamente preferibles.
El rendimiento a temperaturas elevadas debe evaluarse como un problema completo de material y condiciones de servicio.
16. Interacción entre erosión y corrosión
La erosión y la corrosión pueden interactuar de forma que aceleren la degradación del material. Por ejemplo:
- el impacto de las partículas puede eliminar o alterar una película superficial;
- pueden quedar expuestas nuevas superficies del aglutinante y del carburo;
- el ataque químico puede debilitar la fase aglutinante;
- el debilitamiento del soporte de los granos puede aumentar el desprendimiento de WC; y
- la erosión continua puede exponer más material fresco.
Por lo tanto, la pérdida total de material puede ser diferente de la esperada al considerar la erosión y la corrosión por separado.
Esta interacción es particularmente relevante en:
- lodos abrasivos;
- sistemas de procesamiento de minerales;
- corrientes de procesos químicos que contienen sólidos;
- equipos de control de flujo; y
- otras aplicaciones de fluidos en servicio severo.
17. Selección del aglutinante para condiciones de erosión–corrosión
No existe un sistema aglutinante universal para todas las aplicaciones que combinan erosión y corrosión.
La elección adecuada depende del equilibrio entre:
- la resistencia a la erosión por partículas;
- la resistencia al desgaste abrasivo;
- la resistencia a la corrosión del aglutinante;
- la tenacidad;
- las cargas de impacto;
- la temperatura;
- la química del fluido; y
- la geometría del componente.
Un aglutinante a base de níquel o aleado puede resultar ventajoso en algunos entornos. Un grado a base de cobalto puede seguir siendo apropiado en otros.
La decisión correcta requiere evaluar el sistema completo de desgaste y corrosión.
18. Sistema aglutinante y desgaste abrasivo
Cuando domina el desgaste abrasivo, una dureza elevada suele ser importante. Esto puede llevar a considerar grados con:
- una fracción relativamente alta de WC;
- características adecuadas de los granos de WC; y
- un nivel de aglutinante compatible con la confiabilidad mecánica requerida.
Sin embargo, el contenido de aglutinante más bajo posible no es automáticamente la mejor solución.
Si el componente también experimenta:
- impactos;
- flexión;
- vibración;
- cargas en los bordes;
- esfuerzos de montaje; o
- ciclos térmicos,
puede requerirse una mayor tenacidad. Por lo tanto, el contenido de aglutinante debe adaptarse a las condiciones completas de carga y desgaste.
19. Sistema aglutinante y cargas de impacto
Cuando el impacto o el choque mecánico son importantes, puede ser necesario un grado de mayor tenacidad. Esto puede implicar ajustar:
- el contenido de aglutinante;
- las características de los granos de WC;
- la química del aglutinante; y
- la microestructura general.
Sin embargo, aumentar el contenido de aglutinante no garantiza por sí solo una resistencia adecuada al impacto.
El rendimiento del componente también depende en gran medida de:
- la geometría;
- el espesor de las secciones;
- las condiciones de soporte;
- las concentraciones de esfuerzos;
- el estado superficial;
- el montaje; y
- la distribución de las cargas.
El sistema aglutinante y el diseño del componente deben considerarse conjuntamente.
20. Sistema aglutinante e interacción entre corrosión y desgaste
Cuando la corrosión y el desgaste mecánico ocurren simultáneamente, el aglutinante debe evaluarse frente al entorno químico real, mientras que el grado completo de carburo debe seguir proporcionando un rendimiento mecánico y frente al desgaste adecuado.
Los factores relevantes incluyen:
- la química del fluido;
- el pH;
- los cloruros u otras especies disueltas;
- la temperatura;
- las partículas abrasivas;
- las condiciones de flujo;
- la presión;
- los impactos; y
- la duración del servicio.
Este enfoque es más confiable que seleccionar automáticamente un aglutinante a base de níquel siempre que exista corrosión.
21. Química del aglutinante y tratamientos superficiales
Los recubrimientos u otros tratamientos superficiales pueden ser útiles en algunas aplicaciones, pero no deben considerarse una solución universal al ataque del aglutinante.
Su rendimiento depende de:
- la química del recubrimiento;
- la integridad del recubrimiento;
- la adherencia;
- el grado del sustrato;
- la temperatura de operación;
- los impactos;
- el mecanismo de desgaste;
- la geometría del componente; y
- que el recubrimiento permanezca intacto durante el servicio.
Si el recubrimiento se elimina o daña por abrasión, erosión, impacto o fisuración, el comportamiento del carburo subyacente en el entorno de servicio vuelve a ser importante.
Por lo tanto, el tratamiento superficial debe complementar, y no sustituir, una selección adecuada del material base.
22. Distribución del aglutinante y consistencia de fabricación
Seleccionar la química y el contenido adecuados del aglutinante es solo una parte del desafío. El aglutinante también debe distribuirse de forma uniforme dentro de la microestructura.
Las variables de fabricación que pueden influir en la distribución del aglutinante incluyen:
- la preparación de los polvos;
- la consistencia de las materias primas;
- la formulación;
- la molienda;
- el mezclado;
- el prensado;
- el control del carbono;
- la sinterización; y
- el enfriamiento.
Una distribución local deficiente puede crear regiones con diferentes:
- dureza;
- tenacidad;
- respuesta a la corrosión;
- comportamiento frente al desgaste; y
- resistencia a la fisuración.
Para aplicaciones de servicio severo, la consistencia de fabricación es, por lo tanto, tan importante como la composición nominal del aglutinante.
23. Química del aglutinante y equilibrio de carbono
El equilibrio de carbono es una parte importante de la metalurgia del carburo cementado.
La relación entre:
- el WC;
- el aglutinante;
- el carbono;
- el tungsteno; y
- los posibles elementos de aleación
influye en las fases que se desarrollan durante la sinterización.
Un equilibrio de carbono inadecuado puede contribuir a la formación de fases no deseadas o a otros cambios en la microestructura. La ventana de procesamiento aceptable depende de la formulación específica del grado.
Por esta razón, el control del carbono es principalmente una responsabilidad de fabricación e ingeniería de materiales, y no un simple parámetro que deba incluirse en un plano OEM.
24. ¿Qué debe especificar un OEM?
Para la mayoría de los componentes OEM, el plano no necesita especificar la formulación completa del aglutinante.
Los requisitos más útiles pueden incluir:
- un grado de carburo aprobado o una designación de material acordada;
- las condiciones de la aplicación;
- el comportamiento frente al desgaste requerido;
- el entorno corrosivo;
- el rango de temperatura;
- las cargas mecánicas;
- la dureza u otras propiedades acordadas del material;
- los requisitos dimensionales; y
- las normas aplicables de material o inspección.
Cuando el entorno químico sea crítico, la especificación también puede definir:
- la composición relevante del fluido;
- las especies corrosivas;
- el rango de pH cuando corresponda;
- la temperatura; y
- la duración o el tipo de exposición en servicio.
Debe especificarse una química de aglutinante determinada cuando exista una razón técnica validada para hacerlo.
De lo contrario, permitir que el fabricante de carburo seleccione y valide el grado completo puede proporcionar mayor flexibilidad para alcanzar el rendimiento requerido.
25. Marco práctico para seleccionar el aglutinante
Paso 1 — Identificar los mecanismos de falla dominantes
Determinar si el rendimiento está limitado principalmente por:
- abrasión;
- erosión;
- fractura;
- impacto;
- corrosión;
- interacción entre corrosión y desgaste;
- degradación termomecánica; o
- una combinación de mecanismos.
Paso 2 — Definir el entorno químico
Identificar:
- la composición del fluido;
- el pH cuando sea relevante;
- las sales disueltas o especies corrosivas;
- las condiciones oxidantes o reductoras;
- los sólidos transportados; y
- la duración de la exposición.
Paso 3 — Definir las cargas mecánicas
Evaluar:
- la compresión;
- los impactos;
- la flexión;
- la vibración;
- las cargas cíclicas;
- los esfuerzos de contacto; y
- las cargas de montaje.
Paso 4 — Definir las condiciones de temperatura
Considerar:
- la temperatura normal de operación;
- las temperaturas transitorias;
- los ciclos térmicos;
- los gradientes térmicos; y
- los materiales circundantes.
Paso 5 — Definir el equilibrio de propiedades requerido
Determinar el equilibrio necesario entre:
- la dureza;
- la tenacidad;
- la resistencia a la abrasión;
- la resistencia a la erosión;
- la resistencia a la corrosión;
- la estabilidad térmica; y
- la resistencia al desgaste dimensional.
Paso 6 — Evaluar conjuntamente el aglutinante y la microestructura del WC
Revisar:
- la química del aglutinante;
- el contenido de aglutinante;
- las características de los granos de WC;
- los aditivos y la formulación;
- la distribución del aglutinante;
- la porosidad; y
- la consistencia de fabricación.
Paso 7 — Validar el grado candidato
Para aplicaciones exigentes, la validación puede incluir:
- la inspección del material;
- ensayos de corrosión o desgaste en laboratorio;
- ensayos mecánicos representativos;
- la evaluación de prototipos;
- pruebas de campo; o
- una comparación con un historial de servicio establecido.
26. El principio de ingeniería
El aglutinante no es simplemente un “pegamento” metálico. Es una parte estructural, metalúrgica y química del material compuesto de carburo de tungsteno cementado.
Su efecto no puede separarse de:
- las características de los granos de WC;
- el contenido de aglutinante;
- los aditivos y la formulación;
- el control de fabricación;
- la geometría del componente;
- las cargas mecánicas;
- la temperatura; y
- la química del entorno de servicio.
En general:
- los aglutinantes a base de cobalto proporcionan una plataforma ampliamente probada para numerosas aplicaciones de carburo cementado;
- los aglutinantes a base de níquel y los sistemas aleados pueden ofrecer ventajas en determinados entornos químicamente exigentes;
- aumentar el contenido de aglutinante puede modificar el equilibrio dureza–tenacidad, pero no determina por sí solo el rendimiento;
- el comportamiento frente a la corrosión debe evaluarse con respecto al medio real de servicio; y
- un cambio de aglutinante no debe utilizarse para compensar un problema independiente de geometría, montaje o carga.
La pregunta correcta no es simplemente:
“¿Este carburo debe utilizar cobalto o níquel?”
La pregunta correcta es:
“¿Qué microestructura WC–aglutinante proporciona el rendimiento mecánico, tribológico, químico y de fabricación requerido para este componente específico?”
Conclusión
El aglutinante metálico es uno de los elementos que definen el carburo de tungsteno cementado.
Contribuye a:
- la cohesión microestructural;
- la tenacidad;
- el comportamiento frente a la fisuración;
- la sinterización;
- la transferencia de cargas;
- la respuesta a la corrosión; y
- la confiabilidad general en servicio.
El cobalto es la plataforma aglutinante más establecida para numerosos grados industriales de carburo, mientras que los sistemas a base de níquel y otros aglutinantes especialmente formulados pueden proporcionar alternativas útiles cuando se requiere un equilibrio diferente entre rendimiento mecánico y ambiental.
Sin embargo, la química del aglutinante por sí sola no define el rendimiento del carburo. El comportamiento final depende de la interacción entre la química del aglutinante, el contenido de aglutinante, las características de los granos de WC, la uniformidad microestructural, la calidad de fabricación, el diseño del componente y las condiciones de servicio.
Por esta razón, la selección del aglutinante no debe basarse en reglas simplificadas como:
- “bajo contenido de cobalto para el desgaste”;
- “alto contenido de cobalto para los impactos”;
- “níquel para la corrosión”; o
- “níquel para temperaturas elevadas”.
Estas tendencias pueden servir como puntos de partida útiles, pero la decisión final sobre el material debe reflejar el entorno de ingeniería completo.
El mejor sistema aglutinante no es necesariamente el cobalto, el níquel ni el que presente de forma aislada la mayor resistencia a la corrosión o tenacidad.
Es el sistema aglutinante que permite que la microestructura completa del carburo cementado proporcione la combinación requerida de resistencia al desgaste, confiabilidad mecánica, resistencia ambiental y consistencia de fabricación en la aplicación real.