Resistenza alla compressione e alla trazione del carburo di tungsteno

Carburo di tungsteno forma una struttura cristallina densamente sinterizzata attraverso il legame ad alta temperatura di atomi di tungsteno e carbonio, che conferisce al materiale una durezza eccezionale. Come materiale ceramico, il carburo di tungsteno puro presenta un'elevata durezza e fragilità, con una resistenza alla trazione relativamente bassa, influenzata in modo significativo dai processi di produzione (ad esempio, densità di sinterizzazione, dimensione dei grani). Il carburo di tungsteno puro ha una resistenza alla trazione pari a 344 MPa. Il carburo di tungsteno di tipo industriale è in genere combinato con metalli leganti come il cobalto (Co) e il nichel (Ni) per legare le particelle di carburo di tungsteno, migliorando sostanzialmente la fragilità e aumentando la resistenza alla trazione. Questo materiale composito viene comunemente definito carburo cementato. I carburi di tungsteno cementati dimostrano generalmente una resistenza alla compressione compresa tra 4.000 e 6.000 MPa (580.151-870.226 psi).equivalente a resistere a 400-600 chilogrammi per millimetro quadrato. La tabella seguente presenta i carichi di rottura e di snervamento del carburo di tungsteno cementato per gradi specifici:

Metallo duro cementato	Grado	Composizione chimica	Resistenza alla trazione (MPa)	Resistenza allo snervamento (MPa)
WC-Co Basso contenuto di 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
Granulometria ultrafine WC-Co	YG10X	Granulometria ultrafine 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

Il carico di snervamento a trazione del carburo di tungsteno cementato riflette la capacità del materiale di resistere alla frattura sotto tensione. Durante il test, le estremità del provino vengono bloccate in una macchina per prove di trazione. All'aumentare della forza di trazione, il punto di transizione in cui il materiale passa dalla deformazione elastica alla deformazione plastica è il limite di snervamento a trazione. A causa della notevole fragilità dei carburi cementati, il carico di snervamento a trazione del carburo di tungsteno è nettamente inferiore alla sua resistenza alla compressione, che in genere varia da 1000 a 1500 MPa. Questa caratteristica richiede un'attenzione particolare per evitare concentrazioni di tensioni di trazione quando si progettano componenti in carburo di tungsteno, ad esempio utilizzando transizioni arrotondate sui bordi degli utensili da taglio.

Il rapporto di composizione del materiale influenza direttamente le proprietà meccaniche. Per ogni aumento di 1% del contenuto di cobalto come fase legante, la resistenza alla compressione diminuisce di circa 80 MPa, ma la tenacità migliora. Ad esempio, un modello specifico di lega per la perforazione di rocce minerarie con 6% di cobalto raggiunge una resistenza alla compressione di 5800 MPa, mentre un inserto da taglio con 15% di cobalto vede la sua resistenza alla compressione ridotta a 4200 MPa. Controllando la dimensione dei grani di carburo di tungsteno tra 0,5 e 2 micrometri si ottiene il bilanciamento ottimale della resistenza; grani troppo fini possono causare una distribuzione non uniforme della fase legante, mentre grani troppo grossi sono inclini a formare siti di innesco di cricche.

Le variazioni di temperatura influenzano in modo non lineare gli indicatori di resistenza. I dati sperimentali mostrano che quando la temperatura di esercizio supera i 600°C, la resistenza alla compressione del carburo di tungsteno diminuisce a un tasso di 0,8% per grado Celsius. Ad esempio, la resistenza alla compressione di un anello di tenuta di un motore aeronautico operante a 800°C diminuisce da 5200 MPa a temperatura ambiente a 3200 MPa. La causa principale della riduzione della resistenza alle alte temperature è la propagazione di microcricche dovuta alle sollecitazioni termiche; l'aggiunta di elementi come cromo e vanadio può migliorare la stabilità alle alte temperature.

Nella perforazione petrolifera, le frese PDC devono resistere contemporaneamente alla compressione della formazione e alla tensione d'impatto. Un modello specifico di fresa impiega una struttura a gradiente: lo strato superficiale presenta grani di carburo di tungsteno raffinati a 0,8 micrometri, mentre il nucleo mantiene grani di 2 micrometri. I test dimostrano una resistenza alla compressione di 5500 MPa e una resistenza alla trazione di 1300 MPa, che si traduce in una vita utile 40% più lunga rispetto a una struttura omogenea. Nel taglio dei metalli, il design dell'angolo di spoglia dell'utensile da taglio influisce direttamente sullo stato di sollecitazione; un design con angolo di spoglia negativo converte le forze di taglio in sollecitazioni di compressione, sfruttando appieno il vantaggio della resistenza alla compressione del materiale.

Il controllo di qualità richiede un'attenzione particolare al rilevamento dei difetti. Una porosità superiore a 0,05% può ridurre la resistenza alla compressione di 15%. I test a ultrasuoni possono rilevare difetti interni di dimensioni superiori a 0,1 mm. L'analisi dei guasti di un lotto di stampi per l'intestazione a freddo ha rivelato un poro non sinterizzato di 0,3 mm all'interno dello stampo, che ha causato una resistenza alla compressione effettiva di soli 72% rispetto al valore nominale.

La ricerca sulla modifica dei materiali ha raggiunto una svolta: nano-Il carburo di tungsteno strutturato a strati mantiene una resistenza alla compressione di 4800 MPa e aumenta la resistenza alla trazione a 1800 MPa. Questa struttura, creata depositando alternativamente strati di carburo di tungsteno dello spessore di 5 nm e strati di metallo dello spessore di 2 nm, inibisce efficacemente la propagazione delle cricche. I dati di laboratorio indicano che la tenacità alla frattura del materiale modificato è aumentata di 2,3 volte ed è stato applicato nella produzione di stampi di precisione.

La scelta effettiva deve considerare in modo completo le condizioni di lavoro. Per applicazioni con carichi d'urto frequenti, si dovrebbero scegliere formulazioni con una resistenza alla compressione inferiore ma una tenacità superiore. Per gli ambienti ad alta pressione prolungata, la priorità è data ai materiali con una resistenza alla compressione massima. Ad esempio, dopo aver sostituito la testa del martello di un frantoio da miniera con una formula ad alto contenuto di cobalto (12%), sebbene la resistenza alla compressione sia scesa a 4500 MPa, la durata di vita è aumentata di 3 volte perché la maggiore tenacità del materiale ha resistito efficacemente agli impatti ciclici.

L'analisi dei casi di guasto rivela l'interdipendenza degli indicatori di resistenza. La frattura di una gabbia per cuscinetti di precisione è stata ricondotta alla resistenza alla trazione della materia prima di soli 980 MPa, inferiore ai requisiti di progetto di 1200 MPa. Un'ulteriore analisi ha mostrato che la bassa temperatura di sinterizzazione ha portato a un'insufficiente forza di legame dei confini dei grani; sebbene la durezza fosse conforme allo standard, la resistenza effettiva era inadeguata. Questo caso dimostra che la selezione del materiale non può basarsi solo sulla durezza; è essenziale eseguire test completi sulle proprietà meccaniche.

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