Además de la inclusión y las grandes agregaciones de Ag (o WC), el defecto principal dentro del material AgWC es la estructura suelta (ver Fig.1), que puede destruirse fácilmente por el arco, por lo tanto, aumenta el consumo de contacto.
Figura 1. Imagen de fractura de material AgWC con defectos
Figura 2. Imagen de estructura suelta dentro del material AgWC.
La Fig. 2 es una imagen ampliada de la estructura suelta, donde las partículas de WC expuestas están rodeadas por una red de Ag no continua, lo que indica que Ag no se infiltró en esta área en el proceso. En realidad, la naturaleza de la infiltración es el transporte de Ag líquido en el esqueleto del producto, por lo que analizamos este proceso de transporte mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) y proporcionamos ciertos métodos para mejorar la infiltración sobre esa base.
II. Experimento
El proceso básico del material AgWC consiste en: mezcla de polvo, granulación, compactación, sinterización, infiltración y postratamiento. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6390A para comprobar la morfología de la fractura, y una máquina de ensayos universal SANS-CMT para medir la resistencia a la fractura. Cabe destacar que los materiales de contacto son más propensos a romperse cuando la estructura se encuentra suelta bajo una fuerza externa; por esta razón, en este trabajo se registró la resistencia a la fractura para representar la resistencia de la unión del material de contacto.
3. Resultados y discusión
1. Transporte de Ag líquido en el esqueleto del producto.
Durante la infiltración, la Ag fundida, impulsada por la fuerza capilar, se infiltra en el esqueleto del producto y llena la red porosa interna. Si bien el transporte de Ag líquido comienza con la fusión y finaliza con la solidificación, los experimentos demuestran que cada etapa del proceso anterior a la infiltración influye significativamente en el transporte de Ag. Por lo tanto, observamos la morfología de la fractura del producto después de cada etapa para describir el proceso completo.
El polvo de AgWC mezclado se compacta en un esqueleto con cierta porosidad durante la compactación. La Fig. 3(a) muestra la fractura del esqueleto después de la compactación en matriz, donde las partículas de Ag y WC se distribuyen alternativamente a través de poros estrechos, formando una red interna en el esqueleto.
El esqueleto no se utiliza para la infiltración directamente después de la compactación, sino que siempre debe sinterizarse bajo la protección de una atmósfera reductora, lo que se denomina presinterización. Como se muestra en la Fig. 3(b), la estructura interna del esqueleto experimentó cambios notables durante la presinterización: las partículas de Ag se sinterizaron con fuerza y se envolvieron alrededor de las partículas de WC circundantes. Los pequeños poros descargados durante la sinterización se agregaron en poros grandes simultáneamente. Por lo tanto, el proceso de presinterización es muy similar a una infiltración primaria, durante la cual las partículas de Ag se infiltraron en las estructuras circundantes, lo que resultó en la redistribución de la red de poros en el esqueleto.
Figura 3. Imágenes de fractura de (a) esqueleto de AgWC después de la compactación, (b) esqueleto de AgWC después de la presinterización y (c) producto de AgWC después de la infiltración.
Durante la infiltración, las placas de Ag debajo del esqueleto se fundieron y se infiltraron en el interior a través de la red de poros formada durante la presinterización. Como se muestra en la Fig. 3(c), la vena destacada está desgarrando Ag, que envuelve completamente las partículas de WC y llena el poro dentro del esqueleto.
2. Métodos para mejorar la infiltración de AgWC
Aquí se sugieren dos métodos para una mejor infiltración de material de AgWC con base en el análisis anterior:
a) Mejorar la dinámica de transporte de Ag líquido
La principal fuerza impulsora de la infiltración es la fuerza capilar, que se puede analizar en términos de energía interfacial. Tomemos como ejemplo las partículas líquidas de Ag y WC: una menor energía interfacial se traduce en una mejor humectabilidad, lo que resulta en una mayor fuerza capilar. Si bien la energía interfacial está determinada principalmente por las propiedades instintivas de las moléculas de Ag y WC, existen al menos dos métodos para reducirla.
b) Utilizar aditivos adecuados, por ejemplo, Cu y Ni.
Por un lado, estos aditivos se disuelven en Ag en cierto grado, por otro, la energía interfacial entre WC y aditivos es mucho menor que la de Ag. Como resultado, los aditivos desempeñan el papel de surfactante y reducen la energía interfacial total. La Fig. 4(a) y la Fig. 4(b) muestran la fractura de materiales AgWC con y sin aditivos. Se puede concluir que los aditivos podrían mejorar significativamente la infiltración y, por lo tanto, reducir los defectos dentro del material.
Figura 4. Imágenes de fractura de materiales AgWC (a) con aditivos y (b) sin aditivos
Para aumentar la temperatura de infiltración. Bajo presión fija, una temperatura más alta resulta en una energía cinética promedio más alta de la molécula que conduce a una mayor separación molecular, significa una atracción molecular menor y finalmente una energía interfacial más baja. Por lo tanto, aumentar la temperatura es el método más eficiente para mejorar la infiltración. La Fig. 5 presenta los datos de resistencia a la fractura de productos infiltrados a diferentes temperaturas. Se puede ver que la resistencia a la fractura aumenta con el aumento de la temperatura de infiltración, lo que demuestra que el aumento de la temperatura mejora el proceso de infiltración.
Figura 5. Datos de resistencia a la fractura de materiales AgWC infiltrados a 1100 ℃ (curva negra), 1200 ℃ (curva roja) y 1300 ℃ (curva verde).
a) Para ampliar el 'corredor de transporte' de Ag líquida
Un excelente proceso de infiltración necesita que Ag se infiltre completamente en el esqueleto. Cualquier área mal infiltrada se convertirá en un defecto y disminuirá la capacidad antierosión del producto. Como se discutió anteriormente, Ag se infiltra dentro del esqueleto a través de la red de poros formada en la etapa del proceso de compactación. Sin embargo, por un lado, estos poros son demasiado estrechos para que fluya la Ag líquida, lo que definitivamente extenderá el tiempo de infiltración, por otro lado, cierta cantidad de poros diminutos se atascarán en el interior y finalmente se convertirán en defectos. Por lo tanto, la red de poros debe ensancharse para un mejor transporte de Ag líquida.
b) Para aumentar la temperatura de presinterización.
Como se mencionó anteriormente, la red de poros dentro del esqueleto se redistribuye y el tamaño de poro aumenta debido a la infiltración primaria en el proceso de presinterización, lo que infiere que la presinterización es una forma efectiva de ensanchar el canal de poros. Debido a que la presinterización es similar a la infiltración, un aumento adecuado de la temperatura probablemente mejore el grado de sinterización del esqueleto, induciendo así una red de poros más amplia. Se puede observar en la Fig. 6 que el tamaño de poro en el esqueleto aumenta con el aumento de la temperatura de sinterización. La resistencia a la fractura del producto también aumenta con la temperatura de presinterización (ver Fig. 7), lo que implica una mejora en el proceso de infiltración.
Figura 6. Imágenes de fractura del esqueleto de AgWC sinterizado a (a) 1000 ℃, (b) 1100 ℃ y (c) 1200 ℃.
c) Para agregar agente formador de poros.
Generalmente, el agente poroso se añade durante el proceso de mezcla de polvos y se elimina tras la compactación en matriz. Cuanto mayor sea el tamaño de partícula del agente, mejor será el resultado. El agente poroso ocupa el espacio de los poros originales en el esqueleto durante la compactación y libera poros mucho más grandes al retirarse. Estos poros grandes se rellenan con Ag tras la infiltración, como se muestra en la Fig. 8 (las islas lisas en la estructura). Además, los espacios ocupados por partículas de Ag en el esqueleto se convierten en canales porosos durante la infiltración como resultado de la fusión de Ag, lo que en realidad ofrece un corredor de transporte externo para la Ag líquida. Por esta razón, aumentar el tamaño de las partículas de Ag equivale, hasta cierto punto, a añadir agente poroso.
Figura 7. Datos de resistencia a la fractura del material AgWC producido con temperaturas de presinterización de 1000 ℃ (curva negra), 1100 ℃ (curva roja) y 1200 ℃ (curva verde).
Figura 8. Imagen de fractura del material AgWC fabricado con agente poroso.
IV. Conclusión
En este trabajo se observó la morfología estructural del material AgWC después de cada etapa del proceso mediante SEM y se analizó el mecanismo de transporte de Ag líquida durante la infiltración. Con base en esta discusión, se propusieron dos métodos para mejorar la infiltración del material AgWC: primero, reducir la energía interfacial entre Ag y WC, lo cual podría lograrse añadiendo aditivos adecuados como Cu y Ni, y aumentando la temperatura de infiltración; segundo, ampliar el corredor de infiltración para la Ag líquida, lo cual podría lograrse aumentando la temperatura de presinterización y añadiendo un agente porógeno. Este resultado también podría aplicarse a otros materiales fabricados mediante infiltración.
