Carburo de wolframio

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 su extrema fragilidad lo hacía inoperante, si bien no obstante registró su descubrimiento e identificó los componentes.

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, lo que permitió sustituir al rutenio y al osmio en la fabricación de bombillas de luz. Pero el wolframio resultó 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 tenían el inconveniente del alto coste de la materia prima y la dificultad de encontrarlos en la Alemania de la postguerra, tras la pérdida de las colonias sudafricanas. Por ello, alrededor de 1920, el ingeniero Karl Schröter junto a su ayudante Baumhauer, comenzaron la búsqueda de un sustituto; aunque 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 proporcionó tenacidad a la aleación resultante, lo que permitía su uso industrial, y con ello se alcanzó el objetivo de 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.

Existen varios métodos de síntesis. Veamos algunos de ellos.

Un método de obtención consiste en la reacción de wolframio metálico y carbono a 1400-2000 °C,[4] siendo la base del proceso:

${\displaystyle \mathrm {W+C=WC} }$

El proceso comienza con wolframio (que en su estado nativo se presenta en forma de óxido) y negro de carbono. 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. 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:

${\displaystyle \mathrm {2C+H_{2}=C_{2}H_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {2W+C_{2}H_{2}=2WC+H_{2}} }$

O bien con monóxido de carbono por la reacción:

${\displaystyle \mathrm {C+CO_{2}=2CO} }$

${\displaystyle \mathrm {2CO+W=WC+CO_{2}} }$

El proceso habitual 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, durando el proceso de 1 a 2 horas. Los bloques resultantes de carburo de wolframio ligeramente sinterizados se trituran y se tamizan.

Existe una variante que en lugar de wolframio metálico utiliza WO₃ directamente (es decir, el wolframio en su estado corriente en la naturaleza), mezclado con grafito, en un proceso de fusión a 900 °C; o bien en hidrógeno a 670 °C después de la carburación en una atmósfera de argón a 1000 °C.[5]

Otros métodos utilizan un proceso patentado llamado «de lecho fluido» en el cual reaccionan a baja temperatura wolframio metálico y WO₃ con una mezcla de CO/CO₂ y H₂ entre 900 y 1200 °C.[6]

Otro método es el de deposición de vapor químico:[4]

reacción de hexacloruro de wolframio con hidrógeno (como agente reductor) y metano (como la fuente de carbono) a 670 °C.

${\displaystyle \mathrm {WCl_{6}+H_{2}+CH_{4}{\xrightarrow {670C}}WC+6HCl} }$

reaccionar hexafluoruro de wolframio con hidrógeno (como agente reductor) y metanol (como fuente de carbono) a 350 °C.

${\displaystyle \mathrm {WF_{6}+2H_{2}+CH_{3}OH{\xrightarrow {350C}}WC+6HF+H_{2}O} }$

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.[8]

A altas temperaturas el WC se descompone en wolframio y carbono y esto puede ocurrir durante la pulverización térmica (proceso que tiene lugar a alta temperatura). Por ejemplo, en métodos de HVOF (combustible de oxígeno de alta velocidad) y HEP (plasma de alta energía).[9]

La oxidación de WC empieza a 500-600 °C.[4] Es resistente a ácidos y solo es atacado por el ácido fluorhídrico/ácido nítrico (HF/HNO₃ mezclas superiores a la temperatura ambiente).[4] Reacciona con flúor gas a temperatura ambiente y con cloro por encima de 400 °C y no es reactivo con el H₂ seco hasta su punto de fusión.[4] El WC finalmente pulverizado se disuelve fácilmente en soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno.[10]

El carburo de wolframio tiene una densidad de 15,66 g/cm³.[11] Un alto punto de fusión a 2870 °C, un punto de ebullición de 6000 °C a 1 atmósfera estándar (100 kPa).[12] Su conductividad térmica es de 84,02 W m^-1 K^-1,[13] y su coeficiente de expansión térmica de 5,8 µm•m^-1•K^-1.[14] Capacidad calórica: 200 - 480 J K^-1 kg^-1.

Es extremadamente duro, ocupando ~9 en la escala de Mohs, número Vickers de 1700 a 2400.[15] Tiene un módulo de Young de aproximadamente 550 GPa, un módulo de compresibilidad de 439 GPa,[16] y un módulo de cizalladura de 270 GPa.[14] Su resistencia a la tracción es de 344,8 MPa.[17] y 5300-7000 MPa de resistencia a compresión.

La velocidad de una onda longitudinal (la velocidad del sonido) a través de una varilla delgada de carburo de tungsteno es 6220 m/s.[18]

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).[4][19]

El WC se moja fácilmente tanto por níquel o cobalto fundidos.[20] Investigación del diagrama de fases del sistema de WC-Co muestra que WC y Co forman un seudo 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.[20]

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

Existen dos formas de WC, una estructura hexagonal, α-WC (hP2, grupo espacial P6m2, N.º 187),[21] estable a baja temperatura y una estructura cúbica, β-WC, similar a la de la sal gema, estable a alta temperatura.[22] La forma hexagonal se puede apreciar como capas de empaquetamiento compacto hexagonal de átomos de metal con capas que se extienden directamente la una 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.[21] A partir de las dimensiones de la celda unidad,[23] la distancia entre los átomos de wolframio en una capa hexagonal es de 291 pm, la distancia más corta entre los átomos de wolframio en capas adyacentes es 284 pm. La longitud de enlace entre el wolframio y el 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.[24]

Se ha investigado el WC molecular. Esta especie en fase gaseosa tiene una longitud de enlace de 171 pm de ¹⁸⁴W¹²C.[25]

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, lo que significa que se almacenan reservas para 6 meses, ante posibles fallos de suministro debido a fenómenos naturales o guerras.

Debido a su fragilidad no se emplea en estado puro sino en un compuesto de carburo cementado.

Los riesgos de salud principales en carburo se relacionan con la inhalación de polvo, dando lugar a fibrosis.[44] 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.[45]