El carburo de tungsteno ( fórmula química : WC ) es un compuesto químico (específicamente, un carburo ) que contiene partes iguales de átomos de tungsteno y carbono . En su forma más básica, el carburo de tungsteno es un polvo fino de color gris, pero se puede prensar y darle formas mediante sinterización para su uso en maquinaria industrial , herramientas de corte , cinceles , abrasivos , conchas perforantes 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, [4] [7] [8] [9] y es dos veces más denso que el acero . Es comparable con el corindón (α- Al
2oh
3) en dureza y se puede pulir y terminar sólo con abrasivos de dureza superior, como nitruro de boro cúbico y polvo de diamante, ruedas y compuestos.
Coloquialmente entre los trabajadores de diversas industrias (como la del mecanizado ), el carburo de tungsteno suele denominarse simplemente carburo.
El carburo de tungsteno se prepara mediante la reacción de metal de tungsteno y carbono a 1400-2000 °C. [10] Otros métodos incluyen un proceso de lecho fluido a baja temperatura que hace reaccionar metal de tungsteno o WO azul.
3con mezcla CO / CO 2 y H
2entre 900 y 1.200 °C. [11]
El WC también se puede producir calentando WO 3 con grafito : directamente a 900 °C o en hidrógeno a 670 °C, seguido de carburación en argón a 1000 °C. [12] Los métodos de deposición química de vapor que se han investigado incluyen: [10]
Hay dos compuestos bien caracterizados de tungsteno y carbono, WC y semicarburo de tungsteno , W
2C . Ambos compuestos pueden estar presentes en los recubrimientos y las proporciones pueden depender del método de recubrimiento. [13]
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). [14] Este proceso hace que las partículas de WC macrocristalinas se esferoidicen y da como resultado la fase de WC de alta temperatura no estequiométrica.
1xexistiendo en forma metaestable 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). [15]
La oxidación del WC comienza a 500–600 °C (773–873 K). [10] Es resistente a los ácidos y sólo es atacado por ácido fluorhídrico / ácido nítrico (HF/ HNO
3) mezclas por encima de la temperatura ambiente. [10] Reacciona con flúor gaseoso a temperatura ambiente y cloro por encima de 400 °C (673 K) y no reacciona al H seco.
2hasta su punto de fusión. [10] El WC finamente pulverizado se oxida fácilmente en soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno . [16] 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.
El carburo de tungsteno tiene un alto punto de fusión a 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), [2] una conductividad térmica de 110 W ·m −1 ·K −1 , [4] y un coeficiente de expansión térmica de 5,5 µm·m −1 ·K −1 . [7]
El carburo de tungsteno es extremadamente duro, con una clasificación de entre 9 y 9,5 en la escala de Mohs y con un número de Vickers de alrededor de 2600. [8] Tiene un módulo de Young de aproximadamente 530 a 700 GPa, [4] [7] [8] [ 9] un módulo de volumen de 379-381 GPa, [17] y un módulo de corte de 274 GPa. [18] Tiene una resistencia máxima a la tracción de 344 MPa, [9] una resistencia máxima a la compresión de aproximadamente 2,7 GPa y una relación de Poisson de 0,31. [18]
La velocidad de una onda longitudinal (la velocidad del sonido ) a través de una varilla delgada de carburo de tungsteno es 6220 m/s. [19]
La baja resistividad eléctrica del carburo de tungsteno de aproximadamente 0,2 µ Ω·m es comparable a la de algunos metales (por ejemplo, vanadio 0,2 µ Ω·m). [10] [20]
El WC se humedece fácilmente tanto con níquel como con cobalto fundidos . [21] La investigación del diagrama de fases del sistema WC-Co muestra que WC y Co forman un eutéctico pseudobinario . El diagrama de fases también muestra que existen los llamados η-carburos con composición (W,Co)
6El C que se puede formar y la fragilidad de estas fases hacen que el control del contenido de carbono en los carburos cementados WC-Co sea importante. [21] 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.
Hay dos formas de WC, una forma hexagonal , α-WC ( hP2 , grupo espacial P 6 m2, No. 187), [5] [6] y una forma cúbica de alta temperatura, β-WC, que tiene la roca estructura de la sal . [22] La forma hexagonal se puede visualizar como formada por una simple red hexagonal 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 un prismático trigonal regular. , 6 coordinación . [6] A partir de las dimensiones de la celda unitaria [23] 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 distancia más corta entre los átomos de tungsteno en capas contiguas es 284 pm La longitud del enlace de carbono es de 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. [24]
Se ha investigado el WC molecular y esta especie en fase gaseosa tiene una longitud de enlace de 171 pm para184
W.12
C . [25]
Las herramientas de corte de carburo de tungsteno sinterizado y cobalto 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 mecanizar materiales resistentes como acero al carbono o acero inoxidable , y en aplicaciones donde las herramientas de acero se desgastarían rápidamente, como la producción de grandes cantidades y alta precisión. Debido a que las herramientas de carburo mantienen un filo 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 suele denominarse carburo cementado , carburo sólido, metal duro o carburo de tungsteno y cobalto. Es un compuesto de matriz metálica , donde las partículas de carburo de tungsteno son el agregado y el cobalto metálico sirve como matriz. [26] [27] Se ha descubierto que las propiedades de desgaste y oxidación del carburo cementado se pueden mejorar reemplazando el cobalto con aluminuro de hierro. [28] [29] [30] Las herramientas de corte de carburo de tungsteno se pueden mejorar aún más con recubrimientos como nitruro de titanio y aluminio o nitruro de titanio y cromo para aumentar su estabilidad térmica y prolongar la vida útil de la herramienta.
El carburo de tungsteno, en su forma monolítica sinterizada, o mucho más a menudo en el 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.
2Los proyectiles C fueron utilizados por primera vez por los escuadrones de cazacarros de la Luftwaffe alemana en la Segunda Guerra Mundial . Sin embargo, debido a las limitadas reservas alemanas de tungsteno, W
2El material C estaba reservado para fabricar máquinas herramienta y pequeñas cantidades de proyectiles . Es un penetrador eficaz por su combinación de gran dureza y altísima densidad. [31] [32]
Actualmente, la munición de carburo de tungsteno 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. [33] [34]
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. [35] 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.
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. Un accidente de criticidad ocurrió en el Laboratorio Nacional de Los Álamos el 21 de agosto de 1945 cuando Harry Daghlian dejó caer accidentalmente un ladrillo de carburo de tungsteno sobre una esfera de plutonio , conocida como núcleo demoníaco , provocando que la masa subcrítica se volviera supercrítica con los neutrones reflejados . Entró en coma y murió 25 días después del accidente. [36] [37] [38]
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. [39]
Mientras que 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 púas afiladas con punta 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. [40]
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. [41]
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 ; [42] 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. [43] : 73
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. [44]
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. [45] [46] Incluso con una alta resistencia al impacto, esta dureza extrema también significa que ocasionalmente puede romperse bajo ciertas circunstancias. [47] 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. [45] 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). [48]
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. [49]
El guitarrista inglés Martin Simpson utiliza un slide de guitarra de carburo de tungsteno hecho a medida . [50] La dureza, el peso y la densidad de la diapositiva le dan un sustento y un volumen superiores en comparación con las diapositivas estándar de vidrio, acero, cerámica o latón.
Se ha investigado el uso potencial del carburo de tungsteno 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. [51] Se ha propuesto como reemplazo del catalizador de iridio en los propulsores de satélites propulsados por hidracina . [52]
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. [53]
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 . [54] El Programa Nacional de Toxicología de Estados Unidos también prevé que el carburo de tungsteno cementado con cobalto sea un carcinógeno humano . [55]
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