Cos'è il Carburo di Tungsteno?

Carburo di tungsteno (metallo duro)

I carburi cementati, o metalli duri come vengono spesso chiamati, sono materiali costituiti da grani di carburo di tungsteno (WC) molto duri "cementati" in una matrice legante di una lega di cobalto o nichel resistente mediante sinterizzazione in fase liquida. I carburi cementati combinano l'elevata durezza e resistenza dei carburi metallici (WC, TiC, TaC) o carbonitruri (ad es. TiCN) con la tenacità e la plasticità di un legante in lega metallica (Co, Ni, Fe), in cui le particelle dure sono distribuite uniformemente per formare un composito metallico. Il carburo di tungsteno è il più metallico dei carburi e di gran lunga la fase dura più importante. Più particelle di carburo duro ci sono all'interno del materiale, più è duro ma meno resistente si comporta durante il carico; e, viceversa, aumenti significativi della tenacità si ottengono con una maggiore quantità di legante metallico a scapito della durezza.

Nel campo dei materiali ingegneristici, i carburi cementati svolgono un ruolo cruciale in quanto combinano elevata durezza e resistenza con una buona tenacità all'interno di un'ampia gamma di proprietà, e costituiscono quindi il gruppo di materiali duri più versatile per applicazioni ingegneristiche e di utensileria.

Tipicamente un metallo duro al carburo di tungsteno può avere un valore di durezza di 1600 HV, mentre l'acciaio dolce sarebbe nella regione di 160 HV, un fattore 10 inferiore.

Sebbene chiamato metallo duro, il carburo di tungsteno è in realtà un materiale composito con particelle dure di carburo di tungsteno incorporate in una matrice più morbida di cobalto metallico.

La formula chimica del carburo di tungsteno è WC.

Il carburo di tungsteno viene preparato per reazione di tungsteno metallico e carbonio a 1400–2000 °C. Altri metodi includono un processo brevettato a letto fluido a bassa temperatura che fa reagire tungsteno metallico o WO3 blu con miscela CO/CO2 e H2 tra 900 e 1200 °C.

Quali sono le proprietà del metallo duro?

Proprietà meccaniche:

Le proprietà meccaniche riflettono la capacità di un materiale di resistere a una forza di un certo tipo che, tuttavia, quando applicata, richiede una definizione più accurata. Per chiarezza ci sono vari tipi di forza a cui si oppone la resistenza, a seconda delle condizioni di carico; per i metalli duri le resistenze più importanti all'interno delle proprietà meccaniche sono la resistenza alla compressione, alla trazione, all'abrasione, alla fatica e alla rottura trasversale da urto.

  Proprietà fisiche:

Il carburo di tungsteno ha un punto di fusione elevato a 2.870 °C (5.200 °F), un punto di ebollizione di 6.000 °C (10.830 °F) quando sottoposto a una pressione equivalente a 1 atmosfera standard (100 kPa), una conducibilità termica di 110 W·m−1·K−1 e un coefficiente di espansione termica di 5,5 µm·m−1·K−1.

Il carburo di tungsteno è estremamente duro, con un valore di circa 9 sulla scala di Mohs e con un numero Vickers di circa 2600. Ha un modulo di Young di circa 530–700 GPa, un modulo di massa di 630–655 GPa e un modulo di taglio di 274 GPa. Ha una resistenza alla trazione ultima di 344 MPa, una resistenza alla compressione ultima di circa 2,7 GPa e un coefficiente di Poisson di 0,31.

La velocità di un'onda longitudinale (la velocità del suono) attraverso un'asta sottile di carburo di tungsteno è di 6220 m/s.

La bassa resistività elettrica del carburo di tungsteno di circa 0,2 µΩ·m è paragonabile a quella di alcuni metalli (ad es. vanadio 0,2 µΩ·m).

Il WC è facilmente bagnato sia dal nichel fuso che dal cobalto. L'indagine sul diagramma di fase del sistema W-C-Co mostra che WC e Co formano un eutettico pseudo binario. Il diagramma di fase mostra anche che ci sono i cosiddetti η-carburi con composizione (W,Co) 6C che possono essere formati e la fragilità di queste fasi rende importante il controllo del contenuto di carbonio nei metalli duri WC-Co.

Proprietà chimiche:

Esistono due composti ben caratterizzati di tungsteno e carbonio, WC e semicarburo di tungsteno, W 2C. Entrambi i composti possono essere presenti nei rivestimenti e le proporzioni possono dipendere dal metodo di rivestimento.

  Ad alte temperature il WC si decompone in tungsteno e carbonio e questo può verificarsi durante la spruzzatura termica ad alta temperatura, ad esempio, nei metodi high velocity oxygen fuel (HVOF) e high energy plasma (HEP).

L'ossidazione del WC inizia a 500–600 °C (932–1.112 °F). È resistente agli acidi ed è attaccato solo da miscele di acido fluoridrico/acido nitrico (HF/HNO3) al di sopra della temperatura ambiente. Reagisce con il gas fluoro a temperatura ambiente e con il cloro al di sopra di 400 °C (752 °F) ed è inerte all'H2 secco fino al suo punto di fusione. Il WC finemente polverizzato si ossida prontamente in soluzioni acquose di perossido di idrogeno. Ad alte temperature e pressioni reagisce con il carbonato di sodio acquoso formando tungstato di sodio, una procedura utilizzata per il recupero di rottami di carburo cementato.