Achieving low friction and superior wear resistance in WC cemented carbides via CoxFeNiCrCu HEA/VC co-doping

Resumen Técnico: Logro de baja fricción y resistencia al desgaste superior en carburos cementados de WC mediante el codopaje de HEA CoxFeNiCrCu/VC

Planteamiento del problema
Las herramientas de corte de alta precisión enfrentan desafíos operativos severos, incluyendo temperaturas extremas, alta presión e impactos intensos, lo que conduce a un desgaste rápido de la herramienta. Aunque el carburo de tungsteno (WC) es el estándar de la industria para la resistencia al desgaste, las aleaciones convencionales de WC-Co enfrentan limitaciones críticas. Estas incluyen la escasez y el alto costo del cobalto (Co), su clasificación como un carcinógeno del Grupo 1 y las preocupaciones ambientales respecto a la contaminación por Co. Además, el desajuste significativo en los coeficientes de expansión térmica entre la fase dura de WC y el ligante de Co debilita la unión interfacial a altas temperaturas, acelerando el desgaste y comprometiendo la vida útil de la herramienta. Aunque los ligantes de Aleaciones de Alta Entropía (HEA) han surgido como alternativas prometedoras debido a su fuerza superior y capacidades de refinación de grano, los estudios existentes suelen utilizar aleaciones de composición fija y carecen de elementos funcionales específicos (como el Cu de baja resistencia al corte) para optimizar el rendimiento tribológico de autolubricación. Adicionalmente, la evolución dinámica del endurecimiento por solución sólida en respuesta a la variación del contenido de elementos base (específicamente el Co) permanece poco explorada.

Metodología
Para abordar estas brechas, los autores diseñaron un nuevo sistema de ligante de múltiples elementos principales, CoxFeNiCrCu, con contenido de cobalto variable (x = 1.0, 1.5, 2.0 relaciones molares). Este sistema se combinó con microaleación de Carburo de Vanadio (VC) para actuar como un inhibidor del crecimiento de grano.

• Síntesis de materiales: Los polvos del ligante HEA se prepararon mediante aleación mecánica de polvos de Co, Fe, Ni, Cr y Cu. Estos se mezclaron con polvo de WC (relación de masa 90:10) y cantidades variables de VC (0–15% respecto a la masa del ligante). Una aleación de WC-Co tradicional sirvió como control.
• Procesamiento: Los polvos mezclados se sometieron a sinterización por prensado en caliente al vacío a 1450 °C bajo 30 MPa de presión.
• Caracterización: El estudio empleó difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de energía dispersiva (EDS) para analizar la composición de fase y la microestructura. Las propiedades mecánicas (dureza, tenacidad a la fractura, resistencia a la flexión) se evaluaron mediante indentación Vickers y pruebas de flexión en tres puntos. El rendimiento tribológico se evaluó mediante pruebas de fricción de deslizamiento en seco contra bolas cerámicas de Si₃N₄, midiendo el coeficiente de fricción (COF) y el volumen de desgaste.

Contribuciones clave y resultados
El estudio demuestra que la combinación sinérgica de un ligante HEA ajustable y la microaleación con VC desacopla efectivamente la tradicional compensación entre dureza y tenacidad.

1. Evolución microestructural:

   • El ligante HEA refina intrínsecamente los granos de WC, reduciendo el tamaño promedio de 4.01 μm (en WC-Co) a un rango de 2.55–2.96 μm.
   • El aumento del contenido de Co en el ligante (x = 1.0 a 2.0) induce una transformación de fase de una estructura FCC única a una solución sólida dual FCC/BCC.
   • Si bien el VC refina eficazmente los granos en el sistema convencional de WC-Co (reduciendo el tamaño a 3.12 μm), su efecto es marginal en el sistema HEA debido a la adsorción competitiva entre el ligante HEA y el VC sobre la superficie del WC.

2. Propiedades mecánicas:

   • Dureza y Resistencia: El ligante WC-Co1.5FeNiCrCu produjo el equilibrio óptimo, alcanzando 1635 HV y 1454 MPa de resistencia a la flexión.
   • Optimización Sinérgica: La adición de 10% de VC al ligante óptimo (WC-Co1.5FeNiCrCu) mejoró aún más el rendimiento, resultando en una dureza máxima de 1842 HV, una resistencia a la flexión de 1523.66 MPa y una tenacidad a la fractura de 11.38 MPa·m¹/². Esto representa una mejora significativa sobre la línea base de WC-Co convencional.

3. Desempeño Tribológico:

   • Los compuestos ligados con HEA exhibieron coeficientes de fricción más bajos (0.298–0.308) en comparación con el WC-Co (0.323).
   • El compuesto WC-Co1.5FeNiCrCu10%VC logró el coeficiente de fricción más bajo de 0.256 y una reducción del 49.2% en el volumen de desgaste en comparación con la línea base de WC-Co.
   • Mecanismos de Desgaste: La resistencia al desgaste superior se atribuye a la formación de una capa de glaseado de Cr₂O₃ in situ mediante reacciones triboquímicas, que actúa como una película protectora. Además, la microestructura refinada suprimió la delaminación y el desgaste abrasivo severo (surcado).

Significancia
El artículo sostiene que este enfoque proporciona una vía prometedora para el desarrollo de materiales de próxima generación con resistencia al desgaste. Al aprovechar la capacidad intrínseca de refinación de grano del ligante HEA CoxFeNiCrCu y el ajuste microestructural del VC, el estudio logra con éxito un excepcional equilibrio entre resistencia-tenacidad y un desempeño tribológico superior sin depender de los ligantes de cobalto tradicionales. El trabajo destaca el potencial de los ligantes de múltiples elementos principales que contienen elementos funcionales específicos (como el Cu para baja resistencia al corte y el Cr para la resistencia a la oxidación) para superar las limitaciones de los carburos cementados convencionales en aplicaciones de mecanizado de alto rendimiento.