Carburo de wolframio

El carburo de wolframio o carburo de tungsteno es un compuesto cerámico formado por wolframio y carbono. Pertenece al grupo de los carburos, 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 Widia, como abreviatura del alemán "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 bar, hasta aproximadamente 1.600 °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

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 diamante artificial, 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 I 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.

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).

Esa búsqueda había comenzado 3 años antes. El ingeniero Karl Schröter, junto a su ayudante Baumhauer, se planteó sustituir los núcleos de diamante natural utilizados como montura en las trefilas que se usaban para el trefilado de los filamentos de bombillas; de wolframio blando pero muy muy abrasivo.

Este sistema de trefilado desarrollado por General Electric en 1907 (método del ingeniero William Coolidge), había consagrado el uso del wolframio como el mejor metal disponible y el más económico, sustituyendo al rutenio y al osmio.

Sin embargo los núcleos de diamante eran un problema debido al alto coste de la materia prima y a la dificultad de encontrarla en la Alemania de la postguerra, sobre todo tras la pérdida de las colonias sudafricanas.

Por ello el éxito de este primer Metalduro fue inmediato. Aunque caro de producir, era mucho más económico que el diamante, y más tenaz. Su menor resistencia al desgaste quedaba compensada por su resistencia a la rotura.

Fabricantes de Herramientas

El fabricante de acero Krupp, proveedor de Osram, se mostró de inmediato interesado en el descubrimiento y compró en 1925 los derechos de producción.

Krupp quiso desarrollar el invento aplicándolo también como material para herramienta de corte. En recuerdo de la motivación de sus descubridores, patentó este nuevo material con el nombre acrónimo WIDIA (Wie Diamant=Como el diamante), pero antes tuvo que librar una batalla legal con la empresa alemana Walter (de Tubingen), que había desarrollado un material similar llamado DINYT.

Hubo un acuerdo entre Krupp y Walter: este último renunciaba a sus derechos sobre el nuevo material, y a cambio Krupp se comprometía a no fabricar herramientas de fresado durante 40 años.

Las primeras herramientas de corte se mostraron en la Feria de Leizpig en 1927 en el stand de la empresa Robert Zapp distribuidora universal por entonces de todos los productos Krupp. Para economizar el material, las herramientas se construían con el mango de acero y en el extremo se soldaba el filo de Metalduro. Su inventor fue Walter Dahwil, ingeniero Jefe de Desarrollo en el nuevo departamento de Krupp, y servía para tornear piezas de fundición gris e hileras de metalduro.

Paralelamente, General Electric desarrolló su propio Metalduro. En 1925, bajo la dirección de Samuel Hoyt, se creó un departamento en Michigan llamado Carbolloy, con objeto de producir este material a un coste menor. Hoyt consiguió reducirlo a la cuarta parte en menos de 5 años. El material perdió entonces su aura de metal exótico y empezó a ser considerado por los ingenieros para desarrollar nuevas aplicaciones.

Durante los años 30, la empresa Distribuidora deKrupp y General Electric acordaron un cartel que excluía la competencia. Krupp no interferiría en los negocios americanos de GE, y GE no entraría en el mercado europeo. Durante unos años se mantuvo un precio artificialmente alto que reportó grandes ganancias a ambas compañías. Las autoridades antitrust de la época comenzarían años más tarde a presionar sobre el cartel. A pesar de ello, en Europa empezaron a florecer competidores que se dedicaron a fabricar variedades con distintas aleaciones e ingredientes:

• Paul Schwarkopf, fundador de Plansee, una acería austriaca, agregó un nuevo ingrediente al WC en 1929. Este elemento, el Carburo de Titanio, proporcionaba una gran resistencia a la abrasión que producían las virutas largas de los aceros, al rozar con la superficie de desprendimiento de las herramientas de tornear. Dio origen a los primeros "Cermets".

• Magnus Tigerschiold, Jefe de Ingeniería de Materiales de la acería sueca Fagersta, conocedor del nuevo material y su tecnología, creyó necesario aceptar el reto lanzado hacía unos años por el gigante del acero alemán: junto a la crisis del 29, el nuevo material era un gran riesgo para el negocio tradicional de Fagertsta. Además de acero de construcción, producía acero rápido y extrarrápido para fabricación de herramientas de corte. En 1932 lanzaron su propio Metalduro con la marca SECO -del latín “Yo Corto”-

• Philip McKenna, fundador de Kennametal Inc en 1937 soslayó el cartel Widia-Carboloy, patentando una nueva calidad de Metalduro para trabajar aceros. Las acusaciones de colaboracionismo con la Alemania Nazi contra General Electric favorecieron una gran prosperidad a Kennametal durante la Segunda Guerra Mundial, convirtiéndose en el primer proveedor del ejército USA, suministrando munición y blindajes de Metalduro para los tanques Sherman.

• En 1932 la Acería Bohler comienza la fabricación en Düsseldorf de las herramientas soldadas marca Bohlerit.

• En Francia, Henry Garih funda Safety, la cual con el tiempo daría origen al conglomerado Frances Ugine Carbon.
• En Suíza nace la marca Stellram, desarrollada por la empresa Sterling.
• En Inglaterra se crea Wimet(Acrónimo de Widia Metal).

• En Japón, el fundador de la empresa Toshiba Electric, gran admirador de Thomas Alva Edison en su juventud y padre de la electrificación de Japón, patenta en 1931 su metalduro "Tungaloy". En 1935 fabrican las primeras herramientas con plaquita de fijación mecánica, unos años antes que Kennametal.
• Más tarde, Mitsubishi abre su planta de producción de herramientas soldadas de metalduro.
• Sumitomo se incorpora a la nueva tecnología en 1934 con el lanzamiento de su marca Igetaloy.

• En 1942, la compañía sueca Sandvik comienza la fabricación de herramientas soldadas marca Coromant(Acronimo de Corona y Diamante)Corona era la marca comercial con la que se conocía el HSS de Sandvik en la época.

Reciben la licencia de la empresa LUMPA, que fabricaba bombillas, y que cambió su actividad para producir armamento.

• En 1952, Stef Wertheimer funda Israelian Carbide-Iscar en las inmediaciones del puerto de Haifa en Israel.
• Al fin de la 2ª Guerra Mundial los aliados entraron en la Factoría de Essen donde se producía el Metalduro Widia. Allí interrogaron durante semanas a los técnicos y responsables de Producción sobre sus métodos. El resumen escrito fue llamado el "Informe BIOS" y serviría durante años como manual de fabricación de metalduro, secretamente distribuido a varios países de influencia anglo-americana

Datos fisicoquímicos

• densidad: 14,95 g/cm³
• resistencia a la presión: 5300 - 7000 MPa
• módulo de elasticidad: 600 GPa
• coeficiente de expansión térmica: 4,5 - 5,6 x 10^-6 K^-1
• conductividad térmica: 60 - 80 W m^-1 K^-1
• capacidad calórica: 200 - 480 J K^-1 kg^-1
• dureza según Vickers: 1550 kgf mm^-2

Aplicaciones

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.

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.

Capas finísimas de estos materiales se utilizan para recubrir filos de corte aumentando su resistencia al desgaste(15-30%)

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.

Es un material estratégico. El gobierno estadounidense lo incluye dentro de los materiales de categoría vital junto a otros materiales y productos como el petroleo.

Esto significa que se hacen reservas de 6 meses las llamadas Stok Piles, con las cuales se quiere prever posibles fallos de suministro debido a fenómenos naturales o guerras.