septiembre 7, 2021
Aunque no tanto como el diamante, estos carburos eran más duros que la mayoría de los materiales duros conocidos hasta entonces. Por tanto, era lógico fabricar, por ejemplo, herramientas y otros componentes extremadamente resistentes de carburo de tungsteno, que incluso superaban con creces la vida útil de las piezas de acero. Sin embargo, este descubrimiento no tuvo éxito al principio, ya que los productos de carburo de tungsteno eran demasiado frágiles, probablemente porque los carburos fundidos contenían casi siempre separaciones de grafito y rechupes. Así pues, Henri Moissan no obtuvo el premio Nobel de química por el descubrimiento del carburo, sino por la investigación y aislamiento del elemento flúor, así como por el lanzamiento del horno eléctrico que lleva su nombre.
¿Significaba esto que había llegado el último capítulo de la corta historia de los carburos de tungsteno? Ni mucho menos, ya que Hugo Lohmann y Otto Voigtländer consiguieron en 1914 fabricar piezas resistentes al desgaste, triturando carburo de tungsteno fundido hasta convertirlo en un polvo muy fino, tras lo cual era prensado y sinterizado. El problema en este caso seguía siendo el mismo: ¡demasiado frágil! Para mejorar la tenacidad, se añadieron metales de hierro, cromo y titanio.
El paso decisivo para el éxito no llegó hasta 1923. Fue entonces cuando Karl Schröter, de la sociedad de investigación Osram-Studiengesellschaft, logró un gran avance en el desarrollo de carburos de tungsteno sinterizados. Para ello, mezcló en primer lugar polvo de carburo de tungsteno (cuya fórmula química es WC) con un 5-10 % de polvo de cobalto, y calentó las piezas prensadas resultantes de dicha mezcla casi hasta el punto de fusión del cobalto. ¿Qué sucedió? Se produjo una fusión eutéctica, ya que el carburo de tungsteno se disuelve en el cobalto. Esta masa fundida humedece los cristales de carburo de tungsteno en forma de soldadura fuerte, y los contrae en un espacio muy pequeño. Durante este proceso de contracción se forma un cuerpo muy denso. ¡Y con unos valores de resistencia jamás conseguidos hasta entonces! Por fin pudo establecerse el carburo de tungsteno en el mercado como material importante: sellado con la primera patente el 30 de marzo de 1923.
Durante estos casi 100 años el desarrollo ha evolucionado bastante. ¿Se ha abandonado la labor pionera en pro del perfeccionamiento? Solo en parte, ya que, sencillamente, no existe un único «carburo de tungsteno». Más bien, los carburos de tungsteno definen un grupo de materiales que se diferencia de otros materiales duros, como la cerámica, el corindón o el diamante, por su elevada dureza y sus propiedades metálicas. El carburo de tungsteno es, por tanto, un material pulvimetalúrgico de dos fases, compuesto por una fase dura y una fase de metal aglutinante.
Imagen con microscopio
En el caso del carburo de tungsteno sinterizado, los carburos de tungsteno duros y frágiles se combinan con metales más bien blandos y, por contra, tenaces (cobalto, níquel o hierro), para formar un tipo de material compuesto. Para ello, en el proceso de sinterización el polvo de carburo de tungsteno en granos de un tamaño de 0,1-20 μm se mezcla con los metales aglutinantes tenaces y, a continuación, se combinan o se compactan a temperaturas entre 1300 °C y 1500 °C y, en ocasiones, también con alta presión que puede alcanzar hasta 100 bar. Al hacerlo, el volumen original se reduce hasta en un 50 por ciento.
Sin embargo, a diferencia de las fusiones simples, en este caso las sustancias de partida no están fundidas, o al menos no todas, sino más bien «aglomeradas». En este sentido, el metal aglutinante ocupa el espacio entre los granos de carburo de tungsteno, y produce una especie de «soldadura fuerte» entre los carburos de tungsteno. Lo más comparable a esta estructura es el hormigón, donde las distintas partículas duras añadidas como, por ejemplo, grava con cemento, se unen firmemente.
Los carburos de tungsteno han evolucionado hasta convertirse en una especie de multitalento: Porque siempre que las herramientas y los componentes están sometidos a cargas extremas, se aprovechan todas las ventajas de los carburos de tungsteno. Elevada dureza, resistencia al desgaste y tenacidad, en combinación con otras propiedades de alto rendimiento que se pueden adaptar en gran medida, hacen que el carburo de tungsteno sea el material ideal para numerosas aplicaciones. Actualmente hay disponibles más de cien tipos de carburos de tungsteno diferentes, con las más diversas composiciones para aplicaciones específicas como, por ejemplo, el mecanizado de acero, el laminado en caliente o aplicaciones de fundición por inyección, por nombrar una pequeña selección.
Resumen de las ventajas generales del carburo de tungsteno:
Por su versatilidad, los carburos de tungsteno no se pueden limitar a un ámbito de aplicación determinado. Porque donde otros materiales han capitulado hace tiempo, es precisamente donde destacan los componentes de carburo de tungsteno: en la protección contra el desgaste, la durabilidad y la dureza, así como en el aspecto de la fiabilidad. De este modo, están avanzando hasta convertirse en las superestrellas del arranque de virutas, entre otras cosas, por su amplia variedad entre dureza, resistencia al desgaste y tenacidad: si bien el diamante es el material más duro, su reducida tenacidad a la rotura hace que en muchas aplicaciones no se pueda usar de manera rentable, o no se pueda usar en absoluto. El carburo de tungsteno logra su enorme flexibilidad gracias a su composición que, dependiendo de la aplicación, se puede diseñar más bien tenaz, o bien orientarse hacia una resistencia óptima al desgaste.
En la imagen se puede observar la discrepancia entre los dos parámetros, resistencia al desgaste y tenacidad, basándose en las leyes físicas. Si hubiese un material de corte ideal (que de momento solo existe en teoría), en el diagrama estaría situado «en la parte superior derecha»: tenaz y con la máxima resistencia al desgaste.
Si un material está sometido a cargas externas, ya sean estáticas o dinámicas, inevitablemente se producen tensiones mecánicas. En la aplicación, sobre todo en el caso de cargas por choques, hay que tener en cuenta tanto la estabilidad como la deformabilidad del material. Estas dos propiedades son el fundamento del término tenacidad, la «capacidad de resistencia contra la rotura o la propagación de fisuras». Por tanto, cuanto mayor sea el contenido de metal aglutinante y cuanto mayor sea el tamaño del grano, mayor será la tenacidad.
En virtud de ello, hay grandes diferencias en cuanto al comportamiento de tenacidad de los carburos de tungsteno, lo cual se explica por su microestructura: los carburos de tungsteno con poco aglutinante y con tamaño reducido del grano tienden a un crecimiento de fisuras supercrítico, lo que puede provocar el fallo espontáneo del componente (debido a grietas).
Por el contrario, en carburos de tungsteno con alto contenido de aglutinante y con tamaños de grano gruesos, las fisuras se pueden desviar en la matriz de aglutinante, o incluso se puede detener completamente el avance de la grieta. Este crecimiento de fisuras, denominado subcrítico, suele evitar el fallo espontáneo del componente o, al menos, puede ralentizarlo considerablemente.
Para esos casos, hay clases de carburos de tungsteno diseñados para la máxima tenacidad a la rotura y son necesarios, por ejemplo, para martillos de forjar. Mecanizan la pieza con mucha fuerza y deben resistir una carga por impacto constante sin fallar, es decir, sin romperse. En relación con la composición del carburo de tungsteno, esto significa una proporción de cobalto de hasta el 30 % con un tamaño de grano de 10 µm.
Diagrama de la tenacidad: comparación de clases de carburo de tungsteno con diferentes tamaños de grano
Para determinar la estabilidad mecánica del carburo de tungsteno respectivo, se utiliza con frecuencia la prueba de resistencia a la ruptura por flexión. Las roturas se deben casi siempre a defectos en la estructura y en la superficie del componente. Por tanto, es imprescindible una estructura homogénea del carburo de tungsteno y evitar los defectos en la superficie.
Si se necesita la mayor resistencia posible a la rotura transversal, se emplean clases de carburos de tungsteno con un contenido medio de cobalto, por ejemplo, microbrocas para placas de circuitos impresos. A veces son más finas que un cabello humano, y al taladrar se someten a altas fuerzas de flexión. Para resistir dichas fuerzas, en este tipo de brocas se utilizan clases de carburos de tungsteno con un contenido de cobalto aprox. del 8,5 % y un tamaño de grano de carburo de tungsteno de <0,5 µm.
Diagrama de resistencia a la ruptura por flexión: comparación de clases de carburo de tungsteno con diferentes tamaños de grano
Corrosión: el terror en todos los centros de producción Porque si un material metálico reacciona con su entorno, el resultado inevitable es un cambio cuantificable del material. En la mayoría de los casos, esto afecta al funcionamiento de un componente metálico, pudiendo llegar hasta el fallo absoluto con consecuencias desastrosas para todo el proceso.
Los carburos de tungsteno tampoco son una excepción. Por ejemplo, la corrosión en soluciones acuosas ácidas (pH < 7) provoca un deterioro de la superficie de la fase de aglutinante: en el peor de los casos en la superficie solo queda un esqueleto de carburo de tungsteno. Debido a esta lixiviación del cobalto o Co-Leaching, se debilita la unión de los granos de carburo de tungsteno contiguos, mientras aumenta constantemente la tasa de destrucción. Y si disminuye el valor del pH, se acentúa la tendencia a la corrosión.
Cuando el contenido de metal aglutinante es bajo, la formación del esqueleto de carburo de tungsteno es más fuerte, por lo que esas clases de carburos de tungsteno tienen una resistencia combinada a la corrosión y el desgaste algo más alta que los carburos de tungsteno con mayor contenido de metal aglutinante. Desafortunadamente, esto no basta para solucionar el problema, ya que en la práctica este efecto no es suficiente para prolongar la vida útil de manera significativa. Por tanto, debido a su limitada resistencia a la corrosión, muchas veces los carburos de tungsteno que solo contienen WC-Co no son adecuados en ámbitos de aplicación con condiciones de corrosión difíciles. En esos casos, la única solución es prescindir de los aglutinantes de Co puro y, en su lugar, utilizar materiales como Co/Cr, Co/Ni o Ni/Cr.
En medios fuertemente alcalinos (a partir de pH 11), la fase de carburo, es decir, el carburo de tungsteno, se desprende uniformemente debido a los mecanismos de corrosión. Esto provoca un ligero aumento de la tasa de destrucción, lo cual, a su vez, se manifiesta en un mayor desgaste del componente.
Comparación de clases estándar y clases resistentes a la corrosión (imágenes al microscopio)
Actualmente ya no hay casi ninguna aplicación que se pueda considerar estándar: cada una requiere un enfoque individual. ¿Y en el caso de los carburos de tungsteno? Sucede lo mismo, ya que, dependiendo del uso, algunas propiedades son más importantes que otras. Por eso, lo primero que hay que hacer siempre es seleccionar la clase adecuada de carburo de tungsteno. Al fin y al cabo, con un abanico tan amplio siempre hay una clase óptima para cada caso de aplicación.
En este sentido, es importante que el carburo de tungsteno sea de alta calidad: la porosidad, las características estructurales y los fallos en la microestructura producen efectos negativos importantes sobre las propiedades mecánicas. Para conseguir un resultado óptimo, merece la pena recurrir a la experiencia y el conocimiento específico de los fabricantes de carburos de tungsteno de gama alta. Porque solo así se pueden adaptar de manera selectiva las características deseadas, por ejemplo, añadiendo aditivos que mejoren la resistencia a la temperatura o la corrosión de los carburos de tungsteno.
Como en todos los metales duros, la fase dura de WC confiere al carburo de tungsteno su elevada dureza, dureza en caliente y resistencia al desgaste, mientras que el metal aglutinante proporciona la tenacidad del material. Con un módulo de elasticidad extremadamente alto, el carburo de tungsteno apenas se deforma plásticamente. Esta combinación de propiedades ya hace que el carburo de tungsteno resulte interesante para muchas aplicaciones. Sin embargo, la auténtica ventaja es que las propiedades se pueden variar en muchos aspectos, por lo que los carburos de tungsteno se pueden utilizar en ámbitos de aplicación muy diversos según las necesidades, tanto en aplicaciones con mucha tensión por impacto o flexión, o por sufrir un alto grado de desgaste.
Los carburos de tungsteno que se utilizan con más frecuencia son, con diferencia, los basados en WC y Co. No solo se emplean en el arranque de virutas de metal (grupo de aplicación ISO K), sino también en productos para el mecanizado de madera y piedra, así como para muchas piezas de desgaste. Además de los carburos de tungsteno sencillos de WC-Co, hay carburos mixtos que contienen también carburos de titanio, tantalio o niobio. Se utilizan tanto para el arranque de virutas de acero (grupo de aplicación ISO P) como para el serrado de metal.
Las numerosas clases de carburos de tungsteno que se necesitan para las más diversas aplicaciones se diferencian en tres puntos básicos: el tamaño medio del grano de WC (fase α), el contenido de metal aglutinante (fase β) y el contenido de otras uniones por aleación (fase γ). Con estos tres parámetros, especialmente el tamaño del grano de WC y el contenido de metal aglutinante, se pueden variar considerablemente las propiedades del material.
Entre otras cosas, el carburo de tungsteno debe su entrada triunfal al equilibrio entre dureza y resistencia al desgaste, así como a su tenacidad. Las propiedades precisas se determinan a través de la composición del carburo de tungsteno. Es decisiva la elección de los tamaños de grano utilizados. En este sentido, cuanto más fina sea la aleación, mayor será su dureza y su resistencia al desgaste.
• Grano Nanofino < 0,2 μm
• Grano Ultrafino 0,2-0,5 μm
• Grano Superfino 0,5-0,8 μm
• Grano Fino 0,8-1,3 μm
• Grano Normal 1,3-2,5 μm
• Grano Grueso 2,5-6,0 μm
• Grano Extragrueso > 6,0 μm
Por ejemplo, el grano superfino. Normalmente, estas clases se utilizan para materiales abrasivos que tienden a la acumulación de material y, por tanto, a un elevado desgaste. Consiguen la máxima estabilidad de cantos y, al mismo tiempo, tienen una menor tendencia a la adhesión. Las clases de grano normales forman el compromiso ideal entre tenacidad y resistencia al desgaste, y no sirven sólo de relleno. se utilizan frecuentemente, entre otras cosas, en metales no ferrosos o en acero.
Comparación de tamaños de grano (imágenes al microscopio)
La fase de aglutinante metálico de la mayoría de los carburos de tungsteno está formada por cobalto. El cobalto representa aproximadamente entre el 4 % y el 30 % de la masa total (en las clases que se utilizan para el arranque de virutas, hasta el 12 %) y mejora considerablemente la resistencia a la ruptura por flexión en comparación con el carburo de tungsteno puro. En la historia de la investigación sobre carburos de tungsteno se ha ensayado con diferentes metales como fase aglutinante, pero el cobalto se ha impuesto definitivamente: es el que se liga con más fuerza con el carburo de tungsteno y lo humedece muy bien, ya que ambos se endurecen en estructura hexagonal.
Los granos de WC tienen un diámetro de 10 µm a 0,5 µm, los pequeños mejoran tanto la dureza como la estabilidad. Tienen formas prismáticas. Entre ellos se encuentra una matriz de cobalto. En el caso ideal solo hay carburo de tungsteno y cobalto, en caso de que no haya suficiente carbono en el material se forma la fase Eta, un carburo con la composición Co3W3C, que disminuye la estabilidad. Un exceso de carbono provoca que haya carbono elemental (grafito), que también reduce la estabilidad. Una parte del carbono y del tungsteno está disuelta en el cobalto.
Las aplicaciones especiales, también en el caso del carburo de tungsteno, requieren un tratamiento especial. Los aditivos de aleación especiales permiten optimizaciones que, por pequeñas que sean, pueden ser decisivas para las aplicaciones respectivas. Por ejemplo, a veces se utilizan cantidades reducidas de carburo de vanadio (VC, hasta el 0,8 %), carburo de cromo (Cr3C2) o carburo de tantalio-niobio (ambos hasta el 2 %) como aditivos de dotación, porque permiten una estructura de grano fino.
El carburo de tungsteno es un auténtico multitalento y el mejor en su categoría en los más diversos sectores n cuanto a resistencia al desgaste: tanto en la técnica de conformado de metales, el serrado, taladrado y escariado, el fresado, el corte por chorro de agua con abrasivo, el perfilado y cepillado, el conformado y moldeado, la trituración o el corte por ultrasonido : no hay alternativas para el carburo de tungsteno optimizado para aplicaciones específicas.
Existe una amplia gama de productos de carburo de tungsteno extremadamente resistentes al desgaste que, a su vez, abarcan numerosos componentes muy diferentes para las más diversas industrias. En el mecanizado de madera y piedra, el carburo de tungsteno se utiliza, por ejemplo, en forma de dientes de sierra circular y placas para brocas de hormigón armado. En la industria automovilística se fabrican componentes para evitar desgaste para sistemas Common-Rail de carburo de tungsteno. En la industria de petróleo y gas, por el contrario, las piezas de carburo de tungsteno minimizan los tiempos de inactividad en los oleoductos o gaseoductos y en las perforaciones de exploración.
Para el troquelado, curvado, estampado, conformado, compresión de polvo o corte de precisión: con piezas activas de carburo de tungsteno se consiguen elevadas tasas producción y grandes cantidades de piezas. En definitiva las condiciones ideales para la producción rentable de grandes series. De esto se encarga la estabilidad optimizada de los filos de las herramientas de corte y troquelado, así como su fiabilidad y la estabilidad de los procesos, su mayor resistencia a la ruptura por flexión y la mejor resistencia a la tensión en combinación con una menor tendencia a la corrosión que además aparecerá de manera más lenta.
Actualmente, también se fabrican con carburo de tungsteno cajas de reloj resistentes al rayado, piezas para el conformado de metal y la construcción de herramientas, focalizadores para chorro de agua, sputter targets para recubrimientos de carbonos como diamante (DLC), herramientas de alta presión para la fabricación de diamantes artificiales o piezas en bruto para fresas madre y cuchillas rotativas. Algunas clases especiales, autorizadas por la Food and Drug Administration estadounidense, se utilizan incluso en la tecnología médica y en la industria de alimentación.
El carburo de tungsteno desempeña un papel destacado en el arranque de virutas, ya que ofrece una resistencia al desgaste mucho mayor que el acero de corte rápido (HSS), soporta mayores temperaturas de trabajo y se puede optimizar mucho mejor según los requisitos de los distintos procesos. Al mismo tiempo, es más económico, por ejemplo, que las herramientas de diamante policristalino.
Aunque actualmente las cosas no sean como en la fase inicial de la investigación, el desarrollo y la producción de carburo de tungsteno siguen siendo un campo amplio en el que aún quedan muchas opciones por explorar. Para ello, las empresas innovadoras trabajan a diario para poder ofrecer el carburo de tungsteno optimizado para la aplicación correspondiente.
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