Resistencia a la compresión y límite elástico de tracción del carburo de wolframio

Carburo de tungstenocomo vital material de carburo cementadose utiliza ampliamente en todos los sectores industriales. Sus propiedades mecánicas influyen directamente en la vida útil y la fiabilidad. Tanto el límite elástico de compresión como el límite elástico de tracción sirven como indicadores básicos para evaluar la capacidad de carga de un material. Para comprender estos parámetros es necesario examinarlos desde tres perspectivas: la estructura del material, la metodología de ensayo y las aplicaciones prácticas.

El carburo de wolframio forma una estructura cristalina densamente sinterizada mediante la unión a alta temperatura de átomos de wolframio y carbono, lo que confiere al material una dureza excepcional. El límite elástico de compresión denota el valor de tensión crítica en el que se inicia la deformación plástica bajo una carga de compresión continua, que se suele medir utilizando una máquina universal de ensayos. Durante el ensayo, se colocan probetas cilíndricas entre platos de compresión, sometidas a una presión axial a una velocidad constante. El valor de la tensión correspondiente al punto de inflexión de la curva tensión-deformación define el límite elástico de compresión. Como material cerámico, el carburo de wolframio puro presenta una dureza y fragilidad elevadas, con una resistencia a la tracción relativamente baja influida significativamente por los procesos de fabricación (por ejemplo, densidad de sinterización, tamaño de grano). El carburo de wolframio puro tiene una resistencia a la tracción de 344 MPa. El carburo de wolframio de calidad industrial se combina normalmente con metales aglutinantes como el cobalto (Co) y el níquel (Ni) para unir las partículas de carburo de wolframio, mejorando sustancialmente la fragilidad y aumentando la resistencia a la tracción. Este material compuesto suele denominarse carburo cementado. La resistencia a la compresión de los carburos de wolframio cementados suele oscilar entre 4.000 y 6.000 MPa (580.151-870.226 psi).equivalente a soportar 400-600 kilogramos por milímetro cuadrado. En la tabla siguiente se presentan los valores de resistencia a la tracción y el límite elástico del carburo de tungsteno cementado para grados específicos:

Carburo cementado	Grado	Composición química	Resistencia a la tracción（MPa）	Límite elástico（MPa)
WC-Co Bajo cobalto	YG6	WC-6%Co	1400~1800	1500~1800
WC-Co Cobalto medio	YG8	WC-8%Co	1800~2200	1600~2000
WC-Co Alto cobalto	YG15	WC-15%Co	2400~2800	1200~1500
Granulometría ultrafina WC-Co	YG10X	Granulometría ultrafina WC-10% Co	3000~3500	2000~2500
WC-TiC-Co	YT15	WC-15%TiC-6%Co	1100~1500	1000~1300
WC-Ni-Fe	YN10	WC-10%Ni-5%Fe	1600~2000	1400~1700

El límite elástico del carburo de tungsteno cementado refleja la capacidad del material para resistir la fractura bajo tensión. Durante el ensayo, los extremos de la probeta se sujetan en una máquina de ensayos de tracción. A medida que aumenta la fuerza de tracción, el punto de transición en el que el material pasa de la deformación elástica a la deformación plástica es el límite elástico de tracción. Debido a la fragilidad significativa de los carburos cementados, el límite elástico de tracción del carburo de tungsteno es notablemente inferior a su resistencia a la compresión, que normalmente oscila entre 1000 y 1500 MPa. Esta característica requiere una atención especial para evitar las concentraciones de tensión de tracción en el diseño de componentes de carburo de tungsteno, como el empleo de transiciones redondeadas en los bordes de las herramientas de corte.

La relación de composición del material influye directamente en las propiedades mecánicas. Por cada aumento de 1% en el contenido de cobalto como fase aglutinante, la resistencia a la compresión disminuye aproximadamente 80 MPa, pero mejora la tenacidad. Por ejemplo, un modelo específico de aleación para perforación de rocas mineras con 6% de cobalto alcanza una resistencia a la compresión de 5800 MPa, mientras que una plaquita de corte con 15% de cobalto ve reducida su resistencia a la compresión a 4200 MPa. Controlando el tamaño del grano de carburo de wolframio entre 0,5 y 2 micrómetros se consigue el equilibrio óptimo de resistencia; los granos demasiado finos pueden causar una distribución desigual de la fase aglutinante, mientras que los granos demasiado gruesos son propensos a formar focos de iniciación de grietas.

Los cambios de temperatura afectan de forma no lineal a los indicadores de resistencia. Los datos experimentales muestran que cuando la temperatura de funcionamiento supera los 600°C, la resistencia a la compresión del carburo de wolframio disminuye a un ritmo de 0,8% por grado Celsius. Por ejemplo, la resistencia a la compresión de un anillo de estanqueidad de un motor de aviación que funciona a 800°C disminuye de 5200 MPa a temperatura ambiente a 3200 MPa. La causa principal de la reducción de la resistencia a altas temperaturas es la propagación de microfisuras debido a la tensión térmica; la adición de elementos como el cromo y el vanadio puede mejorar la estabilidad a altas temperaturas.

En la perforación petrolífera, los cortadores de PDC deben soportar simultáneamente la compresión de la formación y la tensión del impacto. Un modelo específico de cortador emplea un diseño de estructura gradiente: la capa superficial presenta granos de carburo de tungsteno refinados a 0,8 micrómetros, mientras que el núcleo mantiene granos de 2 micrómetros. Las pruebas muestran una resistencia a la compresión de 5500 MPa y una resistencia a la tracción de 1300 MPa, lo que se traduce en una vida útil 40% mayor en comparación con una estructura homogénea. En el corte de metales, el diseño del ángulo de desprendimiento de la herramienta de corte afecta directamente al estado de tensión; un diseño de ángulo de desprendimiento negativo convierte las fuerzas de corte en tensión de compresión, aprovechando plenamente la ventaja de la resistencia a la compresión del material.

El control de calidad exige prestar especial atención a la detección de defectos. Una porosidad superior a 0,05% puede reducir la resistencia a la compresión en 15%. Las pruebas ultrasónicas pueden detectar defectos internos superiores a 0,1 mm. El análisis de fallos de un lote de matrices de estampación en frío reveló un poro sin sinterizar de 0,3 mm en el interior de la matriz, lo que provocó que la resistencia real a la compresión fuera sólo 72% del valor nominal.

La investigación sobre la modificación de materiales ha logrado un gran avance: nano-El carburo de tungsteno estructurado en capas mantiene una resistencia a la compresión de 4800 MPa, al tiempo que aumenta la resistencia a la tracción hasta 1800 MPa. Esta estructura, creada depositando alternativamente capas de carburo de tungsteno de 5 nm de espesor y capas metálicas de 2 nm de espesor, inhibe eficazmente la propagación de grietas. Los datos de laboratorio indican que la resistencia a la fractura del material modificado se multiplicó por 2,3, y se ha aplicado en la fabricación de matrices de estampación de precisión.

La selección real debe considerar exhaustivamente las condiciones de trabajo. Para aplicaciones con cargas de impacto frecuentes, deben elegirse formulaciones con menor resistencia a la compresión pero mayor tenacidad. Para entornos de alta presión sostenida, se priorizan los materiales con una resistencia a la compresión máxima. Por ejemplo, tras sustituir la cabeza del martillo de una trituradora de mina por una fórmula con alto contenido en cobalto (12%), aunque la resistencia a la compresión disminuyó a 4500 MPa, la vida útil aumentó 3 veces porque la mayor tenacidad del material resistió eficazmente los impactos cíclicos.

El análisis de casos de fallo revela la interdependencia de los indicadores de resistencia. La fractura de una jaula de rodamientos de precisión se debió a que la resistencia a la tracción de la materia prima era de sólo 980 MPa, por debajo del requisito de diseño de 1200 MPa. Un análisis más detallado demostró que la baja temperatura de sinterización provocaba una resistencia insuficiente de la unión de los límites de grano; aunque la dureza cumplía la norma, la resistencia real era inadecuada. Este caso demuestra que la selección de materiales no puede basarse únicamente en la dureza; es esencial realizar pruebas exhaustivas de las propiedades mecánicas.

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