Carburo de wolframio

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El carburo de wolframio o carburo de tungsteno es un compuesto cerámico formado por wolframio y carbono. Pertenece al grupo de los carburos, es un compuesto intersticial con composición química de W3C hasta W6C. Se utiliza fundamentalmente, debido a su elevada dureza, en la fabricación de maquinarias y utensilios para trabajar el acero. De esta característica también recibe el nombre de «vidia» (en alemán widia, como abreviatura de wie diamant (‘como el diamante’).

Debido a su elevada dureza y escasa ductilidad, se elaboran piezas de este material en forma de polvo, añadiendo entre un 6 y un 10 % de cobalto. Los granos del carburo de wolframio empleados en el proceso suelen tener diámetros de aproximadamente 0,5 a 1 micrómetros. El polvo se prensa, y las piezas obtenidas se calientan bajo presión de 10 000 a 20 000 bares, hasta aproximadamente 1600 °C (algo por debajo del punto de fusión del carburo). En estas condiciones, la masa se compacta por sinterización, actuando el cobalto como pegamento entre los granos del carburo.

El acabado final de las piezas sólo se puede realizar con métodos abrasivos. También es posible trabajarlo con máquinas de electroerosión de hilo o penetración.

El tipo de material formado de esta manera se conoce como cermets, de las siglas inglesas ceramic metal.

Historia[editar]

El carburo de wolframio fue descubierto por el químico y Premio Nobel francés Henri Moissan. Moissan adaptó el horno eléctrico para experimentos científicos y descubrió varios carburos, entre ellos el de silicio o carborundum (llamado en su honor «moissanita»). En 1897, buscando conseguir diamantes artificiales, mezcló partículas metálicas de wolframio y de azúcar (por su contenido de carbono), calentando la mezcla a alta temperatura. El resultado fue una masa azul oscura de una gran dureza: el carburo de wolframio. Sin embargo aunque registró su descubrimiento e identificó los componentes, su extrema fragilidad lo hacía inoperante.

Durante la Primera Guerra Mundial se hicieron algunos experimentos en Alemania, sinterizando partículas de carburo de wolframio. Se prensaron en varias formas a alta presión y se trataron térmicamente. De nuevo el producto resultante fue demasiado frágil para procesarlo industrialmente.

En 1907, la empresa estadounidense General Electric había conseguido, gracias al trabajo del ingeniero William Coolidge, desarrollar filamentos de wolframio. Esto permitió sustituir al rutenio y al osmio en la fabricación de bombillas de luz. Pero el wolframio resulto ser muy abrasivo, por lo que para el trefilado de los filamentos de bombillas se debía emplear diamante natural en las trefilas. Sin embargo los núcleos de diamante eran un problema debido al alto coste de la materia prima y a la dificultad de encontrarlos en la Alemania de la postguerra, tras la pérdida de las colonias sudafricanas. Así que sobre 1920 el ingeniero Karl Schröter, junto a su ayudante Baumhauer, comenzaron la búsqueda de un sustituto. No sería hasta el año 1923 cuando unos ingenieros de la fábrica berlinesa de bombillas OSRAM (licenciada por General Electric) lograron sintetizar un producto a base de carburo de wolframio utilizando como aglomerante un 10 % de cobalto. El cobalto dio tenacidad a la aleación resultante lo que permitía su uso industrial. De ese modo, culminaron su búsqueda de varios años para producir un "metal duro como el diamante" (en alemán Metall hart wie Diamant). Este proceso fue aplicado a otros carburos base de la industria de carburos cementados.

Síntesis[editar]

Se puede preparar por la reacción de wolframio metálico y carbono a 1400-2000 °C.[1] . La base del proceso es:

\mathrm{W+C=WC}

Inicialmente en la superficie del wolframio se produce la formación de partículas de monocarburo de wolframio a partir del cual se difunde en las partículas de carbono y forma una capa de composición W2C. Tras la recepción de un polvo de WC, wolframio recuperado de su óxido, y negro de carbono. Se toma la cantidad requerida y se mezclan los polvos en briquetas o rociados con grafito en contenedores de compactación y se colocan en el horno. Para la protección del polvo de la oxidación la atmósfera de síntesis es hidrógeno el cual reacciona con el carbono a una temperatura de 1300 °C para dar acetileno. La formación de carburo de wolframio tiene lugar principalmente a través de la fase gaseosa debido al carbono contenido en los gases. Las reacciones de la carburación son las siguientes:

\mathrm{2C+H_2=C_2H_2}
\mathrm{2W+C_2H_2=2WC+H_2}

Si el medio contiene un proceso de monóxido de carbono procede por la reacción

\mathrm{C+CO_2=2CO}
\mathrm{2CO+W=WC+CO_2}

Usualmente, el proceso de obtención de carburo de wolframio se lleva a cabo a una temperatura de 1300-1350 °C si el polvo de wolframio es fino, y 1600 °C si es grueso. El proceso dura de 1 a 2 horas. Los bloques resultantes de carburo de wolframio ligeramente sinterizados se trituran y se tamizan mediante un tamiz.

Existe una variante que en vez del wolframio metálico calienta WO3 con grafito: directamente a 900 °C o en hidrógeno a 670 °C después de la carburación en una atmósfera de argón a 1000 °C.[2]

Otros métodos incluyen un proceso patentado de lecho fluido a baja temperatura del que reacciona tanto wolframio metálico como WO3 con una mezcla de CO/CO2 y H2 entre 900 y 1200 ° C.[3]

Se han investigado métodos deposición de vapor químico incluyen:[1]

reacción de hexacloruro de wolframio con hidrógeno (como agente reductor) y metano (como la fuente de carbono) a 670 °C (1238 °F).
\mathrm{WCl_6 + H_2 + CH_4 \xrightarrow{670 C} WC + 6HCl}
reaccionar hexafluoruro de wolframio con hidrógeno (como agente reductor) y metanol (como fuente de carbono) a 350 °C (662 °F).
\mathrm{WF_6 + 2H_2 + CH_3OH \xrightarrow{350 C} WC + 6HF + H_2O}

Monocristales de carburo de wolframio[editar]

Se pueden obtener cristales simples de WC mediante el cultivo de una masa fundida. Una mezcla la composición Co-40 % y WC se funde en un crisol de alúmina a 1600 °C y, después de la homogeneización de la temperatura de fusión se reduce a 1500 °C con una velocidad de 1-3 °C/min y se mantiene a esta temperatura durante 12 horas. Después la muestra se enfría y la matriz de cobalto se disuelve con ácido clorhídrico hirviendo. También se puede utilizar el método de Czochralski para el crecimiento de grandes cristales individuales (1 cm) [4] .

Propiedades químicas[editar]

Hay dos compuestos bien caracterizados de wolframio y carbono, WC y semicarburo wolframio, W2C. Ambos compuestos pueden estar presentes en los revestimientos y las proporciones pueden depender del método de recubrimiento.[5]

A altas temperaturas, el WC se descompone en wolframio y carbono y esto puede ocurrir durante la alta temperatura de pulverización térmica, por ejemplo, en métodos de HVOF (combustible de oxígeno de alta velocidad) y HEP (plasma de alta energía).[6]

La oxidación de WC empieza a 500-600 °C.[1] Es resistente a ácidos y solo es atacado por el ácido fluorhídrico / ácido nítrico (HF / HNO3 mezclas superiores a la temperatura ambiente).[1] Reacciona con flúor gas en la sala de temperatura y cloro por encima de 400 °C (752 °F) y no es reactivo para secar H2 hasta su punto de fusión.[1] WC se disuelve fácilmente en dilución de peróxido de hidrógeno.[7]

Propiedades físicas[editar]

El carburo de wolframio tiene una densidad de 14,95 g/cm3. Un alto punto de fusión a 2870 °C (5200 °F), un punto de ebullición de 6000 °C (10 830 °F) cuando bajo una presión equivalente a 1 atmósfera estándar (100 kPa),[8] su conductividad térmica es de 84.02 W m-1 K-1,[9] y su coeficiente de expansión térmica de 5,8 µm•m-1•K-1.[10] Capacidad calórica: 200 - 480 J K-1 kg-1.

Es extremadamente duro, ocupando ~9 en la escala de Mohs, y con un número Vickers de 1700 a 2400.[11] Tiene un módulo de Young de aproximadamente 550 GPa, un módulo de compresibilidad de 439 GPa,[12] y un módulo de cizalladura de 270 GPa.[10] Tiene una resistencia a la tracción de 344,8 MPa.[13] y resistencia a la compresión: 5300 - 7000 MPa

La velocidad de una onda longitudinal (la velocidad del sonido) a través de una varilla delgada de carburo de tungsteno es 6220 m/s.[14]

Con una baja resistividad eléctrica de (~2×10−7 ohm•m), su resistividad es comparable con el de algunos metales (por ejemplo, vanadio: 2 × 10 -7 Ohm•m). [1] [15]

El WC se moja fácilmente tanto por níquel o cobalto fundidos.[16] Investigación del diagrama de fases del sistema de WC-Co muestra que WC y Co forman una pseudo-eutéctico binario. El diagrama de fases muestra también que hay llamados η-carburos con la composición (W,Co)6C que se puede formar y el hecho de que estas fases son frágiles es la razón por la cual el control del contenido de carbono en WC-Co metales duros es importante.[16]

Estructura[editar]

Estructura α-WC, los átomos de carbono se muestran en gris.

Existen dos formas de WC, una estructura, estable a baja temperatura, hexagonal, α-WC (hP2, grupo espacial P6m2, Nº 187),[17] y una estructura cúbica a alta temperatura, β-WC, similar a la de la sal gema.[18] La forma hexagonal se puede visualizar como compuestos de capas de empaquetamiento compacto hexagonal de átomos de metal con capas que se extiende directamente sobre la otra, con átomos de carbono llenado medio de los intersticios dando tanto de wolframio y carbono en un habitual trigonal prismática, de coordinación 6.[17] A partir de las dimensiones de la celda unidad[19] las siguientes longitudes de enlace se pueden determinar, la distancia entre los átomos de wolframio en una capa hexagonal embalado es de 291 pm, la distancia más corta entre los átomos de wolframio en capas adyacentes es 284 pm, y el wolframio longitud de enlace de carbono es de 220 pm. Por consiguiente, la longitud de enlace de wolframio-carbono es comparable a la enlace sencillo en W(CH3)6 (218 pm) en la que hay fuertes perturbaciones coordinación prismática trigonal de wolframio.[20]

Se ha investigado el WC molecular. Esta especie en fase gaseosa tiene una longitud de enlace de 171 pm de 184W12C.[21]

Aplicaciones[editar]

Es un material estratégico. El gobierno estadounidense lo incluye dentro de los materiales de categoría vital junto a otros materiales y productos como el petróleo. Esto significa que se hacen reservas de 6 meses (llamadas stock piles), con las cuales se quiere prever posibles fallos de suministro debido a fenómenos naturales o guerras.

Pero puro es demasiado frágil para su empleo siempre es en forma de carburo cementado.

Herramientas de corte para el mecanizado[editar]

Las herramientas de corte de carburo de wolframio sinterizado son muy resistentes a la abrasión y también puede soportar temperaturas más altas que estándar de las herramientas de acero de alta velocidad. La superficies de corte de carburo se utilizan a menudo para el mecanizado de materiales tales como acero al carbono o acero inoxidable, así como en situaciones en las que otras herramientas usarían de distancia, tales como alta cantidad de series de producción. Debido a que las herramientas de carburo mantienen mejor que otras herramientas el borde de corte afilado, generalmente producen un acabado mejor de las partes, y su resistencia a la temperatura permite un mecanizado más rápido. El material generalmente se llama carburo cementado, cobalto metal duro o carburo de wolframio: se trata de un compuesto de matriz metálica donde las partículas de carburo de wolframio están agregadas y el cobalto metálico es la matriz. Los fabricantes utilizan el carburo de wolframio como material principal en algunas brocas de alta velocidad, ya que puede resistir altas temperaturas y es extremadamente duro. [22] [23] . También se emplea en capas finísimas para recubrir filos de corte aumentando su resistencia al desgaste entre un 15 a un 30%.

Municiones[editar]

El carburo de wolframio se utiliza a menudo en munición perforante, en especial cuando no está disponible o es políticamente inaceptable el uso de uranio empobrecido. Se trata de un penetrador eficaz debido a su combinación de gran dureza y densidad muy alta. [24] [25] (ver:capacidad de penetración) Los escuadrones de cazadores de carros de la Luftwaffe alemana emplearon los proyectiles de W2C por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial. Debido a las limitadas reservas alemanas de wolframio, de material W2C se reservará para hacer máquinas herramientas y un pequeño número de proyectiles.

La munición de carburo de wolframio puede ser de tipo Sabot (una flecha grande rodeada por un cilindro de descarte de empuje) o una munición de calibre reducido, donde el cobre se utiliza u otro material relativamente blando para revestir el núcleo de penetración duro, las dos partes están separadas solamente en el impacto. Este último es más común en las armas de pequeño calibre, mientras que los zuecos son generalmente empleados en cañones. [26] [27]

Nuclear[editar]

El carburo de wolframio es también un eficaz reflector de neutrones y como tal fue utilizado durante las primeras investigaciones sobre las reacciones nucleares en cadena, en particular para las armas. Un accidente de criticidad se produjo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos el 21 de agosto de 1945, cuando Harry K. Daghlian, Jr. dejó caer accidentalmente un ladrillo de carburo de wolframio en una esfera de plutonio, haciendo que el masa subcrítica se convirtiera en supercrítica debido a los neutrones reflejados.

Deportes[editar]

Los deportistas emplean carburos duros, en especial de carburo de wolframio, en los bastones que golpean las superficies duras. Bastones utilizados por muchos excursionistas para el equilibrio y para reducir la presión sobre las articulaciones de las piernas, generalmente utilizan puntas de carburo con el fin de ganar fuerza cuando se coloca en el disco superficies (como una roca). Las puntas de carburo duran mucho más que otros tipos de punta [28]

Mientras esquí polo consejos no son generalmente hechas de metal duro, ya que no tienen que ser especialmente difícil, incluso para romper a través de las capas de hielo, consejos rollerski general son. Skiroll emula el esquí de fondo y es utilizado por muchos esquiadores de entrenar durante el clima cálido meses.

Picos de carburo de afilado de punta (conocidos como pernos) se pueden insertar en las pistas de accionamiento de motos de nieve. Estos tacos mejoran la tracción sobre superficies heladas. Segmentos más largos en forma de V encajan en varillas ranuradas llamadas bastones de desgaste en cada una de esquí de motos de nieve. El carburo relativamente afilado bordes mejorar la dirección en superficies difíciles heladas. Las puntas de carburo reducen el desgaste y los segmentos se encontró cuando la moto de nieve debe cruzar caminos y otras superficies abrasivas.[29]

Algunos de los neumáticos de los fabricantes ofrecen los neumáticos de bicicleta con tachuelas de metal duro para una mejor tracción sobre hielo. Estos se prefieren generalmente a los postes de acero debido a su resistencia superior al desgaste. [30]

El carburo de wolframio puede usarse en herraje, el herraje de caballos, para mejorar la tracción en superficies resbaladizas como carreteras o hielo. Clavos de pezuñas punta de carburo se pueden usar para unir los zapatos,[31] o, alternativamente, boro, carburo de tungsteno en una matriz de metal más blando, puede ser soldada a pequeñas áreas de la parte inferior del zapato antes de su montaje. [32]

Instrumental quirúrgico[editar]

También se utiliza para la fabricación de instrumentos quirúrgicos destinados a la cirugía abierta (tijeras, pinzas, pinzas, cuchillas manijas, etc) y la cirugía laparoscópica (pinzas, tijeras / cortador, porta agujas, cauterización, etc.) Son mucho más caros que sus homólogos de acero inoxidable y requieren un manejo delicado, pero dan un mejor rendimiento.[33]

Joyería[editar]

El carburo de wolframio, por lo general en forma de un carburo cementado (partículas de carburo unidas por un 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 resistencia de alto impacto, esta dureza extrema también significa que en ocasiones puede ser destruida en determinadas circunstancias.[34] El carburo de tungsteno es aproximadamente 10 veces más duro que el oro de 18 quilates. Además de su diseño y alto brillo, que forma parte de su atractivo para los consumidores es su carácter técnico. [35]

Otros[editar]

El carburo de wolframio es ampliamente utilizado para hacer que la bola que gira en las puntas de los bolígrafos y otros artefactos similares que dispersan tinta durante la escritura. [36]

Es un material común usado en la fabricación de bloques patrón, que se utiliza como un sistema para producir longitudes de precisión en metrología dimensional.

El guitarrista inglés Martin Simpson es conocido el uso de un carburo de tungsteno slide guitar hecho a medida.[37] La dureza, el peso y la densidad de la diapositiva dan superiores sostener y volumen en comparación con el estándar de vidrio, acero, cerámica, o diapositivas de bronce.

Se ha investigado su uso potencial como un catalizador y se ha encontrado para asemejarse 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 el hidrógeno en la presencia de agua, y el isomerización de 2,2-dimetilpropano a 2-metilbutano.[38] Se ha propuesto como un reemplazo del catalizador de iridio pala la hidrazina accionado propulsores de satélite. [39]

El carburo de wolframio se emplea, sobre todo, en la elaboración de utensilios de corte para trabajar metales o el acero. También se construyen algunas piezas que requieren elevada resistencia térmica o mecánica, como cojinetes de ejes, etc.

Es muy usado en la forma de insertos, en las herramientas (trépanos) de perforación de pozos petroleros.

Frente a los metales duros tiene la ventaja de mantener su dureza incluso a elevadas temperaturas.

En los últimos años, también se han elaborado materiales parecidos a base de nitruro de titanio o carburo de titanio que, incluso, pueden tener una resistencia térmica más elevada.

También se usa muy frecuentemente en matricería.

Su empleo en la fabricación moderna de todo tipo de máquinas y automóviles permite obtenerlos a un coste relativamente bajo.

Toxicidad[editar]

Los riesgos de salud principales en carburo se relacionan con la inhalación de polvo, dando lugar a fibrosis.[40] El cobalto-carburo de tungsteno también se anticipa razonablemente que sea un cancerígeno para el ser humano por el Programa Nacional de Toxicología de EE.UU. [41]

Referencias[editar]

  1. a b c d e f Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications. William Andrew Inc.. 1992. ISBN 0-8155-1300-3. 
  2. «A study on the synthesis of nanostructured WC–10 wt% Co particles from WO3, Co3O4, and graphite». Journal of Materials Science 46 (19):  p. 6323. 2011. doi:10.1007/s10853-010-4937-y. 
  3. Lackner, A. and Filzwieser A. "Gas carburizing of tungsten carbide (WC) powder" Patente USPTO nº 6447742 (2002)
  4. Тот Л. (1974). Карбиды и нитриды переходных металлов. Мир. pp. 21-23. — 296 с. 
  5. «Comparative study of WC-cermet coatings sprayed via the HVOF and the HVAF Process». Journal of Thermal Spray Technology 7 (2):  pp. 213–218. 1998. doi:10.1361/105996398770350954. 
  6. «Microstructural evaluation of tungsten carbide-cobalt coatings». Journal of Thermal Spray Technology 1 (2):  pp. 147–152. 1992. doi:10.1007/BF02659015. 
  7. «Reaction of Metal, Carbide, and Nitride of Tungsten with Hydrogen Peroxide Characterized by 183W Nuclear Magnetic Resonance and Raman Spectroscopy». Chemistry of Materials 11 (3):  pp. 691–697. 1999. doi:10.1021/cm980544o. 
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