Tungsteno vs carburo di tungsteno: qual è la differenza?

Tungsteno e carburo di tungsteno sono spesso confusi come la stessa cosa, ma sotto i loro nomi simili si celano proprietà distinte che li distinguono. Mentre entrambi derivano dal raro elemento metallico tungsteno, l'aggiunta di atomi di carbonio nel carburo di tungsteno dà luogo a un composto unico con un proprio set di caratteristiche.

In questo post del blog approfondiremo le principali differenze tra tungsteno e carburo di tungsteno, analizzando fattori quali durezza, fragilità, densità, resistenza alla corrosione e costo.

Cos'è il tungsteno

Il tungsteno, noto anche con il simbolo chimico W, è un elemento metallico naturale. È considerato un metallo raro, che comprende solo circa 1,5 ppm della crosta terrestre. Il tungsteno ha numero atomico 74 e si trova nel periodo 6, gruppo 6 della tavola periodica, il che lo colloca tra i metalli di transizione.

Nella sua forma elementare pura, il tungsteno è un metallo grigio acciaio o bianco stagno. Possiede diverse proprietà notevoli, tra cui il punto di fusione più alto (3422 °C, 6192 °F) e la più alta resistenza alla trazione di tutti i metalli. Il tungsteno ha anche il secondo peso atomico più alto (183,84 u) di tutti gli elementi naturali, dietro solo all'uranio. La sua densità di 19,3 g/cm³ è paragonabile all'oro (19,32 g/cm³) ed è molto più alta di quella del piombo (11,34 g/cm³).

Che cosa è il carburo di tungsteno

Il carburo di tungsteno (WC) è un composto chimico inorganico contenente parti uguali di atomi di tungsteno e carbonio. Noto anche come monocarburo di tungsteno, è il carburo di tungsteno più importante e ampiamente utilizzato.

Gli atomi di tungsteno e carbonio nel WC sono legati insieme in una struttura cristallina esagonale, che determina proprietà del materiale simili alla ceramica. Con una durezza Mohs compresa tra 9 e 9,5, il carburo di tungsteno si avvicina alla durezza del diamante (10). Ha un punto di fusione elevato di 2.870 °C (5.200 °F), sebbene questo sia inferiore al tungsteno puro a causa della presenza di carbonio.

Tipi di leganti per carburo di tungsteno

Sebbene il carburo di tungsteno puro abbia un'eccellente durezza, è fragile e incline a frantumarsi, specialmente sotto impatto. Per migliorarne la tenacità e la durata, le polveri di carburo di tungsteno vengono miscelate con leganti metallici prima di essere sinterizzate in parti solide.

Cobalto (Co)

Il cobalto è il legante più ampiamente utilizzato per il carburo di tungsteno. Il carburo di tungsteno legato al cobalto, spesso chiamato semplicemente carburo, è lo standard del settore per utensili da taglio e parti soggette a usura. Il contenuto di cobalto varia in genere da 3% a 30% in peso, con percentuali di cobalto più elevate che forniscono una maggiore tenacità a scapito di una certa durezza e resistenza all'usura. Il cobalto ha eccellenti proprietà di bagnatura e adesione con il carburo di tungsteno, consentendo la produzione di parti sinterizzate altamente dense e prive di vuoti.

Nichel (Ni)

Il nichel può fungere da legante alternativo al cobalto nei compositi di carburo di tungsteno. Rispetto al cobalto, i leganti di nichel offrono una migliore resistenza alla corrosione e una migliore stabilità chimica, in particolare contro gli ambienti acidi. Tuttavia, i carburi legati al nichel hanno una durezza e una resistenza all'usura inferiori. Il nichel è talvolta utilizzato insieme al cobalto per perfezionare le proprietà del composito di carburo di tungsteno.

Altri leganti

Altri metalli, come il cromo e il ferro, sono meno comunemente utilizzati come leganti unici, ma possono essere combinati con cobalto o nichel per conferire proprietà specifiche:

• Il cromo aumenta la resistenza alla corrosione e all'ossidazione del composito di carburo di tungsteno. Viene spesso utilizzato in combinazione con leganti di nichel.
• Il ferro può fungere da alternativa economica o da aggiunta ai leganti al cobalto. Il carburo di ferro-tungsteno ha una durezza inferiore ma una tenacità superiore rispetto ai gradi legati al cobalto.

La differenza tra tungsteno e carburo di tungsteno

Durezza e durata

Il carburo di tungsteno è significativamente più duro del metallo di tungsteno puro. Sulla scala di durezza di Mohs, il carburo di tungsteno si attesta a circa 9-9,5, quasi duro quanto il diamante (10). Al contrario, il tungsteno ha una durezza di circa 7,5, simile ad altri metalli duri come l'acciaio temprato.

L'estrema durezza del carburo di tungsteno si traduce in eccezionale resistenza all'usura e durevolezza. Gli utensili e i componenti in carburo di tungsteno mantengono un bordo affilato e resistono all'abrasione meglio del tungsteno in condizioni difficili. Tuttavia, la durezza del carburo di tungsteno lo rende anche più fragile.

Fragilità e resistenza all'impatto

Il compromesso per la durezza superiore del carburo di tungsteno è una maggiore fragilità rispetto al tungsteno puro. Il metallo di tungsteno è relativamente duttile e ha una migliore resistenza agli urti. Può sopportare colpi più pesanti senza scheggiarsi o fratturarsi.

Nelle applicazioni con impatti o vibrazioni elevati, il tungsteno è spesso la scelta migliore. Il carburo di tungsteno è più adatto quando è richiesta un'estrema resistenza all'usura ma le forze di impatto sono inferiori, come negli utensili da taglio, nelle matrici e negli abrasivi.

Densità e peso

Il tungsteno è uno dei metalli più densi, con una densità di 19,3 g/cm³, circa 1,7 volte quella del piombo.

Il carburo di tungsteno è leggermente meno denso, circa 15,6 g/cm³, ma è comunque molto più pesante dell'acciaio (7,8 g/cm³).

Resistenza alla corrosione

Sia il tungsteno che il carburo di tungsteno hanno una buona resistenza alla corrosione grazie alla formazione di un sottile strato di ossido sulla loro superficie. Tuttavia, il carburo di tungsteno ha in genere leganti di cobalto o nichel che possono essere più suscettibili alla corrosione in determinati ambienti, in particolare in condizioni acide.

Il tungsteno puro offre generalmente una migliore resistenza alla corrosione in una gamma più ampia di ambienti. Per le applicazioni più esigenti, il tungsteno puro o le leghe di tungsteno sono solitamente preferiti al carburo.

Resistenza al calore

Il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti i metalli a 3422°C (6192°F). Ciò lo rende ideale per applicazioni a temperature estremamente elevate come filamenti di illuminazione, ugelli di motori di razzi ed elettrodi di saldatura.

Il carburo di tungsteno ha un punto di fusione più basso, intorno ai 2870°C (5198°F), ma è comunque eccezionalmente alto rispetto alla maggior parte degli altri materiali. Il carburo di tungsteno mantiene la maggior parte della sua durezza e resistenza a temperature elevate.

Conduttività elettrica

Il tungsteno puro è un buon conduttore di elettricità e viene spesso utilizzato per contatti elettrici ed elettrodi. Ha una resistività di 5,6 μΩ·cm, inferiore a quella del nichel e dell'acciaio al carbonio.

Al contrario, il carburo di tungsteno è più un isolante elettrico, con una resistività molto più elevata, intorno ai 20 μΩ·cm o più, a seconda del materiale legante. Il legante di cobalto nel carburo cementato gli conferisce una certa conduttività, ma molto inferiore al tungsteno puro.

Aspetto

Il tungsteno puro ha una lucentezza metallica bianco-grigiastra simile ad altri metalli.

Il carburo di tungsteno è solitamente di colore grigio opaco, color carbone, a causa del suo contenuto di carbonio e dei materiali leganti. La tonalità esatta può variare a seconda del rapporto tra tungsteno e carburo e della composizione specifica del legante.

Costo

La polvere di carburo di tungsteno è più economica del tungsteno puro perché utilizza meno tungsteno per unità di volume.

Tuttavia, la lavorazione e la sinterizzazione dei componenti in carburo di tungsteno tendono a essere più costose e ad alto consumo energetico. La natura fragile del carburo comporta anche maggiori sprechi nelle operazioni di lavorazione. Quindi, in generale, le parti finite in carburo di tungsteno sono più costose del tungsteno puro.