Carburo de tungsteno

Carburo de tungsteno (fórmula química: WC) es un compuesto químico (específicamente, un carburo) que contiene partes iguales de tungsteno y átomos de carbono. En su forma más básica, el carburo de tungsteno es un polvo gris fino, pero puede ser presionado y formado en formas a través de sinterización para uso en maquinaria industrial, herramientas de corte, chisels, abrasivos, conchas de armadura y joyería.

El carburo de tungsteno es aproximadamente dos veces más rígido que el acero, con un módulo de Young de aproximadamente 530–700 GPa y tiene el doble de densidad que el acero. Es comparable al corindón (α-Al2O3) en dureza y puede pulirse y terminarse sólo con abrasivos de dureza superior, como nitruro de boro cúbico y polvo, ruedas y compuestos de diamante.

Denominación

Históricamente conocido como Wolfram, Wolf Rahm, el mineral de wolframita se carburó y cementó con un aglutinante creando un compuesto que ahora se llama "carburo de tungsteno". Tungsteno en sueco significa "piedra pesada".

Coloquialmente entre los trabajadores de diversas industrias (como el mecanizado), el carburo de tungsteno a menudo se denomina simplemente carburo.

Síntesis

El carburo de tungsteno se prepara mediante la reacción de metal de tungsteno y carbono a 1400-2000 °C. Otros métodos incluyen un proceso de lecho fluido a baja temperatura que hace reaccionar tungsteno metálico o WO3 azul con una mezcla de CO/CO2 y H
₂ entre 900 y 1.200 °C.

WC también se puede producir calentando WO₃ con grafito: directamente a 900 °C o en hidrógeno a 670 °C y luego carburación en argón a 1000 °C. Los métodos de deposición química de vapor que se han investigado incluyen:

• hexacloruro de tungsteno reaccionando con hidrógeno (como agente de reducción) y metano (como fuente de carbono) a 670 °C (943 K)

WCl
₆ + H
₂ + CH
₄ → WC + 6 HCl

• hexafluoruro de tungsteno reaccionando con hidrógeno (como agente de reducción) y metanol (como fuente de carbono) a 350 °C (623 K)

WF
₆ + 2H
₂ + CH
₃Oh. → WC + 6 HF + H
₂O

Propiedades químicas

Hay dos compuestos bien caracterizados de tungsteno y carbono, WC y semicarburo de tungsteno, W
₂C. Ambos compuestos pueden estar presentes en revestimientos y las proporciones pueden depender del método de revestimiento.

Se puede crear otro compuesto metaestable de tungsteno y carbono calentando la fase WC a altas temperaturas usando plasma y luego enfriándola en gas inerte (esferoidización de plasma). Este proceso hace que las partículas macrocristalinas de WC se esferoidicen y da como resultado la fase de alta temperatura no estequiométrica WC
_1-x existente en un meta -forma estable a temperatura ambiente. La fina microestructura de esta fase proporciona una alta dureza (2800-3500 HV) combinada con buena tenacidad en comparación con otros compuestos de carburo de tungsteno. La naturaleza metaestable de este compuesto da como resultado una estabilidad reducida a altas temperaturas.

A altas temperaturas, el WC se descompone en tungsteno y carbono y esto puede ocurrir durante la pulverización térmica a alta temperatura, por ejemplo, en métodos de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF) y plasma de alta energía (HEP).

La oxidación del WC comienza entre 500 y 600 °C (773–873 K). Es resistente a los ácidos y sólo es atacado por ácido fluorhídrico/ácido nítrico (HF/HNO
₃) mezclas por encima de la temperatura ambiente. Reacciona con flúor gaseoso a temperatura ambiente y cloro por encima de 400 °C (673 K) y no reacciona al H
₂ arriba hasta su punto de fusión. El WC en polvo fino se oxida fácilmente en soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno. A altas temperaturas y presiones reacciona con carbonato de sodio acuoso formando tungstato de sodio, procedimiento utilizado para la recuperación de chatarra de carburo cementado debido a su selectividad.

Propiedades físicas

El carburo de tungsteno tiene un alto punto de fusión de 2870 °C (3140 K), un punto de ebullición de 6000 °C (6270 K) cuando está bajo una presión equivalente a 1 atmósfera estándar (101,325 kilopascales), una conductividad térmica de 110 W ·m⁻¹·K⁻¹, y un coeficiente de expansión térmica de 5,5 μm·m⁻¹·K⁻¹ .

El carburo de tungsteno es extremadamente duro, con una clasificación de entre 9 y 9,5 en la escala de Mohs y un número de Vickers de alrededor de 2600. Tiene un módulo de Young de aproximadamente 530 a 700 GPa, un módulo de volumen de 379- 381 GPa y un módulo de corte de 274 GPa. Tiene una resistencia máxima a la tracción de 344 MPa, una resistencia máxima a la compresión de aproximadamente 2,7 GPa y una relación de Poisson de 0,31.

La velocidad de una onda longitudinal (la velocidad del sonido) a través de una varilla delgada de carburo de tungsteno es 6220 m/s.

La baja resistividad eléctrica del carburo de tungsteno, de aproximadamente 0,2 µΩ·m, es comparable a la de algunos metales (por ejemplo, vanadio, 0,2 µΩ·m).

El WC se humedece fácilmente tanto con níquel como con cobalto fundidos. La investigación del diagrama de fases del sistema W-C-Co muestra que WC y Co forman un eutéctico pseudobinario. El diagrama de fases también muestra que existen los llamados carburos η con composición (W,Co)
₆C que se pueden formado y la fragilidad de estas fases hace que el control del contenido de carbono en los carburos cementados WC-Co sea importante. En presencia de una fase fundida como el cobalto, se sabe que se produce un crecimiento anormal de grano en la sinterización de carburo de tungsteno, lo que tiene efectos significativos en el rendimiento del material del producto.

Estructura

Hay dos formas de WC, una forma hexagonal, α-WC (hP2, grupo espacial P6m2, No. 187) y una forma cúbica de alta temperatura, β-WC, que tiene la estructura de sal gema. La forma hexagonal se puede visualizar como una red hexagonal simple de átomos metálicos de capas que se encuentran directamente una encima de la otra (es decir, no muy juntas), con átomos de carbono llenando la mitad de los intersticios, lo que da tanto al tungsteno como al carbono una coordinación prismática trigonal regular.. A partir de las dimensiones de la celda unitaria, se pueden determinar las siguientes longitudes de enlace: la distancia entre los átomos de tungsteno en una capa empaquetada hexagonalmente es 291 pm, la distancia más corta entre los átomos de tungsteno en capas contiguas es 284 pm y la longitud del enlace carbono tungsteno es 220 pm. Por lo tanto, la longitud del enlace tungsteno-carbono es comparable a la del enlace simple en W(CH
₃)
₆ (218 pm) en el que hay una coordinación prismática trigonal fuertemente distorsionada del tungsteno.

WC molecular ha sido investigado y esta especie de fase de gas tiene una longitud de unión de 171 pm para ¹⁸⁴
W¹²
C.

Aplicaciones

Herramientas de corte para mecanizado

Las herramientas de corte de carburo de tungsteno sinterizado son muy resistentes a la abrasión y también pueden soportar temperaturas más altas que las herramientas estándar de acero de alta velocidad (HSS). Las superficies de corte de carburo se utilizan a menudo para el mecanizado de materiales duros como el acero al carbono o el acero inoxidable, y en aplicaciones donde las herramientas de acero se usarían rápidamente, como la alta calidad y la producción de alta precisión. Debido a que las herramientas de carburo mantienen un borde de corte afilado mejor que las herramientas de acero, generalmente producen un mejor acabado en las piezas, y su resistencia a la temperatura permite un mecanizado más rápido. El material generalmente se llama carburo cementado, carburo sólido, cobalto de carburo duro o tungsteno. Es un compuesto de matriz metálica, donde las partículas de carburo de tungsteno son el agregado, y el cobalto metálico sirve como matriz. Se ha encontrado propiedades de desgaste y oxidación de carburo cementado se puede mejorar reemplazando el cobalto con aluminida de hierro. Las herramientas de corte de carburo de tungsteno pueden mejorarse aún más con revestimientos como nitruro de aluminio de titanio o nitruro de cromo de titanio para aumentar su estabilidad térmica y prolongar la vida útil de las herramientas.

Munición

El carburo de tungsteno, en su forma monolítica sinterizada, o mucho más a menudo en su compuesto de cobalto y carburo de tungsteno cementado (ver arriba), se usa a menudo en municiones perforantes, especialmente donde el uranio empobrecido no está disponible o es políticamente inaceptable. W
₂C fueron utilizados por primera vez por los escuadrones de cazadores de tanques de la Luftwaffe alemana en la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, debido a las limitadas reservas alemanas de tungsteno, W
El material ₂C estaba reservado para fabricar máquinas herramienta y pequeñas cantidades de proyectiles.. Es un penetrador eficaz por su combinación de gran dureza y altísima densidad.

La munición de carburo de tungsteno ahora es generalmente del tipo sabot. SLAP, o penetrador de armadura ligera saboteado, donde un sabot de plástico se descarta en la boca del cañón, es uno de los principales tipos de munición de armas pequeñas saboteadas. Las chaquetas que no se desechan, independientemente del material de la chaqueta, no se perciben como zuecos sino como balas. Sin embargo, ambos diseños son comunes en municiones ligeras perforantes para armas pequeñas. Los zuecos descartables, como los que se utilizan con el arma principal M1A1 Abrams, son más comunes en la munición de precisión para armas de alta velocidad.

Perforación minera y fundición

El carburo de tungsteno se utiliza ampliamente en la minería en brocas de martillo superior para roca, martillos de fondo de pozo, cortadores de rodillos, cinceles de arado de pared larga, picos de corte de pared larga, escariadores de perforación y máquinas perforadoras de túneles. En estas aplicaciones también se utiliza para componentes resistentes al desgaste y a la corrosión en el control de entrada de filtros de pozos, subconjuntos, anillos de sellado y casquillos comunes en la perforación de petróleo y gas. Generalmente se utiliza como inserto de botón, montado en una matriz circundante de acero que forma la sustancia de la broca. A medida que el botón de carburo de tungsteno se desgasta, la matriz de acero más suave que lo contiene también se desgasta, exponiendo aún más inserto del botón.

Nuclear

El carburo de tungsteno también es un reflector de neutrones eficaz y, como tal, se utilizó durante las primeras investigaciones sobre reacciones nucleares en cadena, particularmente para armas. El 21 de agosto de 1945 se produjo un accidente de criticidad en el Laboratorio Nacional de Los Álamos cuando Harry Daghlian dejó caer accidentalmente un ladrillo de carburo de tungsteno sobre una esfera de plutonio, conocida como núcleo demoníaco, lo que provocó que la masa subcrítica se volviera supercrítica con los neutrones reflejados. Entró en coma y murió 25 días después del accidente.

Uso deportivo

Los bastones de trekking, utilizados por muchos excursionistas para mantener el equilibrio y reducir la presión en las articulaciones de las piernas, generalmente usan puntas de carburo para ganar tracción cuando se colocan sobre superficies duras (como roca); Las puntas de carburo duran mucho más que otros tipos de puntas.

Aunque las puntas de los bastones de esquí generalmente no están hechas de carburo, ya que no necesitan ser especialmente duras ni siquiera para atravesar capas de hielo, las puntas de los esquís sobre ruedas suelen estarlo. El esquí sobre ruedas emula el esquí de fondo y muchos esquiadores lo utilizan para entrenar durante los meses de clima cálido.

Se pueden insertar puntas afiladas de carburo (conocidas como pernos) en las orugas de las motos de nieve. Estos tacos mejoran la tracción en superficies heladas. Los segmentos más largos en forma de V encajan en varillas ranuradas llamadas varillas de desgaste debajo de cada esquí de motonieve. Los bordes de carburo relativamente afilados mejoran la dirección en superficies heladas más duras. Las puntas y segmentos de carburo reducen el desgaste que se produce cuando la moto de nieve debe cruzar carreteras y otras superficies abrasivas.

Los neumáticos de automóviles, motocicletas y bicicletas con clavos de carburo de tungsteno proporcionan una mejor tracción sobre hielo. Generalmente se prefieren a los montantes de acero debido a su superior resistencia al desgaste.

El carburo de tungsteno se puede utilizar en herradura, herraje de caballos, para mejorar la tracción en superficies resbaladizas como carreteras o hielo. Se pueden utilizar clavos con punta de carburo para sujetar los zapatos; En los Estados Unidos, el borio (virutas de carburo de tungsteno en una matriz de metal más blando como bronce o acero dulce) se puede soldar a pequeñas áreas de la parte inferior del zapato antes de calzarlo.

Instrumentos quirúrgicos y médicos

El carburo de tungsteno también se utiliza para fabricar instrumentos quirúrgicos destinados a cirugía abierta (tijeras, fórceps, hemostáticos, mangos de cuchillas, etc.) y cirugía laparoscópica (pinzas, tijeras/cortadores, portaagujas, cauterio, etc.). Son mucho más costosos que sus homólogos de acero inoxidable y requieren un manejo delicado, pero ofrecen un mejor rendimiento.

Joyas

El carburo de tungsteno, típicamente en forma de carburo cementado (partículas de carburo soldadas entre sí por metal), se ha convertido en un material popular en la industria de la joyería nupcial debido a su extrema dureza y alta resistencia al rayado. Incluso con una alta resistencia al impacto, esta extrema dureza también significa que ocasionalmente puede romperse en determinadas circunstancias. Algunos consideran que esto es útil, ya que un impacto rompería un anillo de tungsteno, eliminándolo rápidamente, donde los metales preciosos se doblarían y requerirían corte. El carburo de tungsteno es aproximadamente 10 veces más duro que el oro de 18 quilates. Además de su diseño y alto brillo, parte de su atractivo para los consumidores es su naturaleza técnica. Es posible que se necesiten herramientas especiales, como alicates de bloqueo, si dicho anillo debe retirarse rápidamente (por ejemplo, debido a una emergencia médica tras una lesión en la mano acompañada de hinchazón).

Otro

El carburo de tungsteno se usa ampliamente para fabricar la bola giratoria en las puntas de los bolígrafos que dispersa la tinta durante la escritura.

El guitarrista inglés Martin Simpson utiliza una corredera de guitarra de carburo de tungsteno hecha a medida. La dureza, el peso y la densidad de la diapositiva le dan un sostenido y un volumen superiores en comparación con las diapositivas estándar de vidrio, acero, cerámica o latón.

El carburo de tungsteno ha sido investigado por su uso potencial como catalizador y se ha descubierto que se parece al platino en su catálisis de la producción de agua a partir de hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente, la reducción del trióxido de tungsteno por hidrógeno en presencia de agua y la isomerización de 2,2-dimetilpropano a 2-metilbutano. Se ha propuesto como sustituto del catalizador de iridio en los propulsores de satélites propulsados por hidracina.

Se ha utilizado un recubrimiento de carburo de tungsteno en discos de freno en aplicaciones automotrices de alto rendimiento para mejorar el rendimiento, aumentar los intervalos de servicio y reducir el polvo de los frenos.

Toxicidad

Los principales riesgos para la salud asociados con el carburo de tungsteno se relacionan con la inhalación de polvo, lo que provoca fibrosis pulmonar similar a la silicosis. El Programa Nacional de Toxicología de Estados Unidos también prevé que el carburo de tungsteno cementado con cobalto sea un carcinógeno humano.

Fuentes citadas

• Kurlov, Alexey S.; Gusev, Aleksandr I. (2013). Carburos de tungsteno: Estructura, Propiedades y aplicación en Hardmetals. Springer Science & Business Media. doi:10.1007/978-319-00524-9. ISBN 978-319-00524-9. LCCN 2013942113. S2CID 136700223.