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Carburo de tungsteno

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 gris fino, pero se puede prensar y moldear en formas mediante sinterización [7] para su uso en maquinaria industrial , herramientas de corte , cinceles , abrasivos , proyectiles perforantes y joyería .

El carburo de tungsteno es aproximadamente tres veces más rígido que el acero , con un módulo de Young de aproximadamente 530–700 GPa, [4] [8] [9] [10] y es dos veces más denso que el acero . Es comparable con el corindón (α- Al
2Oh
3) en dureza , acercándose a la del diamante, [7] y se pueden pulir y acabar solo con abrasivos de dureza superior, como nitruro de boro cúbico y polvo de diamante, ruedas y compuestos. Las herramientas de carburo de tungsteno se pueden utilizar a velocidades de corte mucho más altas que el acero de alta velocidad (una mezcla especial de acero para herramientas de corte). [7]

El polvo de carburo de tungsteno fue sintetizado por primera vez por H. Moissan en 1893, y la producción industrial de la forma cementada comenzó entre 20 y 25 años después (entre 1913 y 1918). [8]

Nombramiento

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

Síntesis

Polvo

El polvo de carburo de tungsteno se prepara mediante la reacción del metal de tungsteno (o polvo) y el carbono a 1400–2000 °C. [11] Otros métodos incluyen un proceso de lecho fluidizado a menor temperatura que hace reaccionar el metal de tungsteno (o polvo) o el WO azul.
3con mezcla de gases CO / CO2 y H
2gas entre 900 y 1.200 °C. [12]

El WC también se puede producir calentando WO 3 con grafito , ya sea directamente a 900 °C o en hidrógeno a 670 °C, seguido de carburación en argón a 1000 °C. [13] Los métodos de deposición química de vapor que se han investigado incluyen: [11]

WCl
6+ H
2+ CH
4→ WC + 6 HCl
WF
6+ 2  horas
2+ CH
3OH → WC + 6 HF + H
2Oh

Forma cementada

El carburo de tungsteno sólido se prepara utilizando técnicas de pulvimetalurgia desarrolladas en la década de 1920. [7] El carburo de tungsteno en polvo se mezcla con otro metal en polvo, generalmente cobalto (las alternativas incluyen níquel , hierro y cera de parafina [8] ) que actúa como aglutinante . [7] La ​​mezcla se prensa y luego se sinteriza calentándola a temperaturas de 1400 °C (2550 °F) a 1600 °C (2910 °F); el aglutinante derrite, humedece y disuelve parcialmente los granos de tungsteno, uniéndolos. [7] Los compuestos de cobalto y tungsteno específicamente se conocen por varios nombres comerciales, incluidos Widia y Carboloy. [7]

Propiedades químicas

Hay dos compuestos bien caracterizados de tungsteno y carbono: carburo de tungsteno, WC , y semicarburo de tungsteno , W
2C. Ambos compuestos pueden estar presentes en los recubrimientos y las proporciones pueden depender del método de recubrimiento. [14]

Otro compuesto metaestable de tungsteno y carbono se puede crear calentando la fase WC a altas temperaturas utilizando plasma y luego enfriándola en gas inerte (esferoidización de plasma). [15] Este proceso hace que las partículas de WC macrocristalinas se esferoidicen y dé como resultado la fase WC de alta temperatura no estequiométrica .
1-xExiste en forma metaestable a temperatura ambiente. La fina microestructura de esta fase proporciona una alta dureza (2800–3500 HV) combinada con una 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. [ cita requerida ]

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 los métodos de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF) y plasma de alta energía (HEP). [16]

La oxidación del WC comienza a 500–600 °C (773–873 K). [11] Es resistente a los ácidos y solo es atacado por ácido fluorhídrico / ácido nítrico (HF/ HNO
3) mezclas por encima de la temperatura ambiente. [11] Reacciona con gas flúor a temperatura ambiente y cloro por encima de 400 °C (673 K) y no es reactivo al H seco.
2hasta su punto de fusión. [11] El WC finamente pulverizado se oxida fácilmente en soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno . [17] A altas temperaturas y presiones reacciona con carbonato de sodio acuoso formando tungstato de sodio , un procedimiento utilizado para la recuperación de chatarra de carburo cementado debido a su selectividad. [ cita requerida ]

Propiedades físicas

El carburo de tungsteno tiene un alto punto de fusión de 2.870 °C (3.140 K), un punto de ebullición de 6.000 °C (6.270 K) cuando se encuentra bajo una presión equivalente a 1 atmósfera estándar (101,325 kilopascales), [2] una conductividad térmica de 110 W/m·K, [4] y un coeficiente de expansión térmica de 5,5 μm/m·K. [8]

El carburo de tungsteno es extremadamente duro, con una clasificación de 9 a 9,5 en la escala de Mohs y un número Vickers de alrededor de 2600. [9] Tiene un módulo de Young de aproximadamente 530-700 GPa, [4] [8] [9 ] [10] un módulo volumétrico de 379-381 GPa, [18] y un módulo de corte de 274 GPa. [19] Tiene una resistencia máxima a la tracción de 344 MPa, [10] una resistencia máxima a la compresión de aproximadamente 2,7 GPa y un coeficiente de Poisson de 0,31. [19]

La velocidad de una onda longitudinal (la velocidad del sonido ) a través de una varilla delgada de carburo de tungsteno es de 6220 m/s. [20]

La baja resistividad eléctrica del carburo de tungsteno de aproximadamente 0,2  μ Ω·m es comparable con la de algunos metales (por ejemplo, el vanadio 0,2  μ Ω·m). [11] [21]

El WC se humedece fácilmente tanto con níquel fundido como con cobalto . [22] La investigación del diagrama de fases del sistema WC-Co muestra que el WC y el Co forman un eutéctico pseudobinario . El diagrama de fases también muestra que existen los llamados carburos η 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 de WC-Co sea importante. [22] En presencia de una fase fundida como el cobalto, se sabe que se produce un crecimiento anormal del grano en la sinterización del carburo de tungsteno, lo que tiene efectos significativos en el rendimiento del material del producto. [ cita requerida ]

Estructura

Carburo de α-tungsteno en la celda unitaria
Estructura α-WC, los átomos de carbono son grises. [5]

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 estructura de sal de roca . [23] La forma hexagonal se puede visualizar como formada por una red hexagonal simple de átomos de metal de capas que se encuentran directamente una sobre otra (es decir, no empaquetadas de manera compacta), con átomos de carbono llenando la mitad de los intersticios que dan al tungsteno y al carbono una coordinación prismática trigonal regular de 6 . [6] A partir de las dimensiones de la celda unitaria [24] se pueden determinar las siguientes longitudes de enlace: la distancia entre los átomos de tungsteno en una capa empaquetada hexagonalmente es de 291 pm, la distancia más corta entre los átomos de tungsteno en capas adyacentes es de 284 pm y la longitud del enlace tungsteno-carbono es de 220 pm. Por lo tanto, la longitud del enlace tungsteno-carbono es comparable al enlace simple en W( CH
3)
6(218 pm) en el que hay una coordinación prismática trigonal del tungsteno fuertemente distorsionada. [25]

Se ha investigado el WC molecular y esta especie en fase gaseosa tiene una longitud de enlace de 171 pm para184
Yo12
C . [26]

Aplicaciones

Herramientas de corte para mecanizado

Brocas y fresas de carburo cementado

Las herramientas de corte de carburo de tungsteno sinterizado -cobalto son muy resistentes a la abrasión y también pueden soportar temperaturas más altas que las herramientas de acero de alta velocidad (HSS) estándar. Las superficies de corte de carburo se utilizan a menudo para mecanizar materiales duros como acero al carbono o acero inoxidable , y en aplicaciones donde las herramientas de acero se desgastarían rápidamente, como la producción de alta cantidad 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 generalmente se llama carburo cementado , carburo sólido, metal duro o cobalto de carburo de tungsteno. Es un compuesto de matriz metálica , donde las partículas de carburo de tungsteno son el agregado y el cobalto metálico sirve como matriz. [27] [28] Se ha descubierto que las propiedades de desgaste y oxidación del carburo cementado se pueden mejorar reemplazando el cobalto con aluminuro de hierro. [29] [30] [31] Las herramientas de corte de carburo de tungsteno se pueden mejorar aún más con recubrimientos como nitruro de aluminio y titanio o nitruro de cromo y titanio para aumentar su estabilidad térmica y prolongar la vida útil de la herramienta. [ cita requerida ]

Munición

El carburo de tungsteno, en su forma sinterizada monolítica, o mucho más a menudo en compuesto de carburo de tungsteno y cobalto cementado (ver arriba), se utiliza a menudo en municiones perforantes , especialmente donde el uranio empobrecido no está disponible o es políticamente inaceptable.
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, los proyectiles W
2El material C estaba reservado para la fabricación de máquinas herramienta y pequeñas cantidades de proyectiles . Es un penetrador eficaz debido a su combinación de gran dureza y muy alta densidad. [32] [33]

La munición de carburo de tungsteno es ahora generalmente del tipo sabot . SLAP, o perforador de blindaje ligero saboteado , donde un sabot de plástico se desprende en la boca del cañón, es uno de los principales tipos de munición de armas pequeñas saboteado. Las camisas que no se descartan, independientemente del material de la camisa, no se perciben como sabots sino como balas. Sin embargo, ambos diseños son comunes en la munición de armas pequeñas designada como perforante de blindaje ligero. Los sabots descartables como los que se usan con el cañón principal M1A1 Abrams son más comunes en la munición de armas de precisión de alta velocidad. [34] [35]

Perforación minera y de cimentaciones

Un conjunto de cono de rodillo tricónico de un escariador de perforación de chimeneas, que muestra los botones de carburo de tungsteno que sobresalen incrustados en los rodillos

El carburo de tungsteno se utiliza ampliamente en la minería en brocas de perforación de roca con martillo superior, martillos de fondo de pozo , cortadores de rodillos , cinceles de arado de pared larga , picos de cizalladora de pared larga , escariadores de perforación de chimeneas y máquinas perforadoras de túneles . En estas aplicaciones, también se utiliza para componentes resistentes al desgaste y la corrosión en el control de entrada para filtros de pozos, subconjuntos, anillos de sellado y bujes comunes en la perforación de petróleo y gas. [36] Generalmente se utiliza como un 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 blanda que lo contiene también se desgasta, exponiendo aún más inserto de botón. [ cita requerida ]

Nuclear

Una base cuadrada de bloques de metal, con un cuadrado de metal más pequeño en la parte superior, en el centro, y un bloque de Cooper (el "núcleo") contenido en su centro. Una regla a lo largo de un lado de la base muestra aproximadamente 10,5 pulgadas (270 mm) cuadrados.
Una recreación del experimento involucrado en el incidente del núcleo demoníaco de 1945. La esfera de plutonio está rodeada de bloques de carburo de tungsteno que actúan como reflectores de neutrones .

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, en particular 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 el núcleo del demonio , lo que provocó que la masa subcrítica se volviera supercrítica con los neutrones reflejados . Cayó en coma y murió 25 días después del accidente. [37] [38] [39]

Uso deportivo

Neumático de bicicleta Nokian con clavos de carburo de tungsteno. Los clavos están rodeados de aluminio.

Los bastones de trekking , utilizados por muchos excursionistas para mantener el equilibrio y reducir la presión en las articulaciones de las piernas, generalmente utilizan puntas de carburo para ganar tracción cuando se colocan sobre superficies duras (como rocas); las puntas de carburo duran mucho más que otros tipos de puntas. [40]

Aunque las puntas de los bastones de esquí no suelen estar 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. [ cita requerida ]

Se pueden insertar puntas de carburo afiladas (conocidas como tacos) 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 la moto de nieve. 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. [41]

Los neumáticos de automóviles, motocicletas y bicicletas con tacos de carburo de tungsteno proporcionan una mejor tracción sobre el hielo. Por lo general, se prefieren a los tacos de acero debido a su mayor resistencia al desgaste. [42]

El carburo de tungsteno se puede utilizar en herrería , el herrado de caballos , para mejorar la tracción en superficies resbaladizas como carreteras o hielo. Se pueden utilizar clavos para cascos con punta de carburo para fijar las herraduras ; [43] en los Estados Unidos, se puede soldar boro (astillas de carburo de tungsteno en una matriz de metal más blando como bronce o acero dulce) a pequeñas áreas de la parte inferior de la herradura antes de colocarla. [44] : 73 

Instrumentos quirúrgicos y médicos

El carburo de tungsteno también se utiliza para fabricar instrumentos quirúrgicos destinados a cirugía abierta (tijeras, fórceps, pinzas hemostáticas, mangos de cuchillas, etc.) y cirugía laparoscópica (pinzas, tijeras/cortadores, portaagujas, cauterizadores, etc.). Son mucho más costosos que sus homólogos de acero inoxidable y requieren un manejo delicado, pero ofrecen un mejor rendimiento. [45]

Joyas

Anillo de carburo de tungsteno

El carburo de tungsteno, generalmente 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. [46] [47] Incluso con una alta resistencia al impacto, esta extrema dureza también significa que ocasionalmente puede romperse en determinadas circunstancias. [48] 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 18k. Además de su diseño y alto pulido, parte de su atractivo para los consumidores es su naturaleza técnica. [46] Es posible que se requieran herramientas especiales, como alicates de bloqueo, si dicho anillo debe quitarse rápidamente (por ejemplo, debido a una emergencia médica después de una lesión en la mano acompañada de hinchazón). [49]

Otro

Carburo de tungsteno esférico bajo microscopio electrónico de barrido , aumento x950, Material Laboratory

El carburo de tungsteno se utiliza ampliamente para fabricar la bola giratoria en las puntas de los bolígrafos que dispersan la tinta durante la escritura. [50]

El guitarrista inglés Martin Simpson utiliza un slide de carburo de tungsteno hecho a medida para su guitarra . [51] [ se necesita una mejor fuente ] La dureza, el peso y la densidad del slide le otorgan un sustain y un volumen superiores en comparación con los slides estándar de vidrio, acero, cerámica o latón. [ cita requerida ]

Se ha investigado el carburo de tungsteno por su posible uso 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 de trióxido de tungsteno por hidrógeno en presencia de agua y la isomerización de 2,2-dimetilpropano a 2-metilbutano. [52] Se ha propuesto como reemplazo del catalizador de iridio en propulsores satelitales propulsados ​​por hidracina . [53]

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. [54]

Toxicidad

Los principales riesgos para la salud asociados con el carburo de tungsteno se relacionan con la inhalación de polvo, que provoca fibrosis pulmonar similar a la silicosis . [55] El Programa Nacional de Toxicología de Estados Unidos también prevé que el carburo de tungsteno cementado con cobalto sea un carcinógeno humano . [56]

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Fuentes citadas

Enlaces externos

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