¿Por qué es vital el tungsteno en tantas industrias? Este extraordinario metal, de extrema dureza y alto punto de fusión, se utiliza en todo tipo de aplicaciones, desde filamentos de bombillas hasta toberas de cohetes. En este artículo, exploramos las propiedades únicas del tungsteno y sus diversas aplicaciones, desde la mejora de la resistencia del acero hasta la creación de superaleaciones. Descubra cómo las excepcionales características de este metal lo hacen indispensable en la tecnología y la industria modernas.
El wolframio tiene un punto de fusión de 3410°C y un punto de ebullición de unos 5900°C. Su conductividad térmica es de 174 w/m-K a 10-100°C, y tiene un índice de evaporación lento a altas temperaturas con un coeficiente de expansión térmica muy bajo.
El coeficiente de dilatación es de 4,5×10-6-K-1 entre 0-100°C.
La resistividad eléctrica del tungsteno es aproximadamente tres veces superior a la del cobre, con un valor de 10-8 ohm/m a 20°C.
El wolframio se caracteriza por su gran dureza, alta densidad (densidad de 19,25 g/cm3), buena resistencia a altas temperaturas y excelentes propiedades de emisión de electrones.
Las propiedades mecánicas del wolframio dependen principalmente de su estado de transformación y del proceso de tratamiento térmico. El tungsteno no puede procesarse bajo presión en estado frío.
La forja, el laminado y el estirado deben realizarse en caliente.
El wolframio tiene una buena plasticidad, y una varilla de wolframio de 1 kg puede convertirse en un alambre fino de sólo 1% mm de diámetro y unos 400 km de longitud.
Este fino alambre conserva cierta resistencia incluso en un entorno de alta temperatura de 3000°C, tiene una alta eficacia luminosa y una larga vida útil, lo que lo convierte en un material excelente para fabricar diversos filamentos de lámparas.
El alambre de tungsteno se utiliza para fabricar lámparas incandescentes, lámparas de tungsteno yodado e incluso las bombillas y tubos más modernos del mundo.
A temperatura ambiente, el wolframio es estable en el aire. A 400-500°C, empieza a sufrir oxidación y forma una densa película protectora superficial de W03 de color negro azulado.
El wolframio no se corroe fácilmente con ácidos, álcalis y agua regia a temperatura ambiente, pero es soluble en una solución mixta de ácido fluorhídrico y agua regia.
80% del wolframio extraído en todo el mundo se utiliza para fundir acero de alta calidad, 15% para producir acero duro y el 5% restante para otros fines.
El tungsteno puede utilizarse para fabricar armas de fuego, toberas de cohetes y metales. herramientas de cortelo que lo convierte en un metal versátil.
El wolframio es un importante elemento de aleación del acero, que mejora su resistencia, dureza y resistencia al desgaste.
Los principales tipos de acero al tungsteno son el acero para herramientas de alta velocidad, el acero para matrices de trabajo en caliente, el acero para herramientas y matrices en serie, las armas militares, el acero para turbinas, el acero magnético, etc.
Herramientas de acero al tungsteno son varias veces o incluso decenas de veces más resistentes que los de acero ordinario.
Cuando el acero al tungsteno se utiliza para fabricar cañones o cilindros de armas, puede mantener una buena elasticidad y resistencia mecánica incluso si el cañón se calienta por la fricción del disparo continuo.
En las máquinas de corte de metales, el tungsteno corte de acero Las herramientas conservan su dureza incluso a temperaturas de hasta 1000°C.
Pulverización o soldadura de wolframio-cromo-cobalto acero aleado con 3%-15% tungsteno sobre la superficie de piezas de acero ordinarias es como dotarlas de una dura "armadura".
Soportan altas temperaturas y presiones, resisten la corrosión, reducen el desgaste y tienen una vida útil varias veces superior.
Debido a las excelentes propiedades y a la amplia gama de aplicaciones del acero al wolframio, para su fabricación se utiliza el 90% del wolframio producido en todo el mundo.
El acero rápido más utilizado contiene 9%-24% de tungsteno, 3,8%-4,6% de cromo, 1%-5% de vanadio, 4%-7% de cobalto y 0,7%-1,5% de carbono.
La característica del acero rápido es que puede autotemplarse a altas temperaturas de revenido (700-800°C) en el aire, por lo que mantiene una gran dureza y resistencia al desgaste hasta los 600-650°C.
El acero al tungsteno en acero aleado para herramientas contiene 0,8%-1,2% de tungsteno; el acero al cromo-tungsteno-silicio contiene 2%-2,7% de tungsteno; el acero al cromo-tungsteno contiene 2%-9% de tungsteno; y el acero al cromo-tungsteno-manganeso contiene 0,5%-1,6% de tungsteno.
El acero al wolframio se utiliza para fabricar diversas herramientas, como brocas, fresas, matrices de trefilado, moldes macho y hembra, herramientas con soporte de gas y otras piezas.
El acero magnético de tungsteno es un acero de imán permanente que contiene 5,2%-6,2% de tungsteno, 0,68%-0,78% de carbono y 0,3%-0,5% de cromo.
El acero magnético tungsteno-cobalto es un material magnético duro que contiene 11,5%-14,5% de tungsteno, 5,5%-6,5% de molibdeno y 11,5%-12,5% de cobalto.
Tienen una gran fuerza de magnetización y coercitiva.
El wolframio es el principal elemento de aleación del acero rápido para herramientas, el acero estructural aleado, el acero para muelles, el acero resistente al calor y el acero inoxidable.
El wolframio puede alearse mediante refuerzo por solución sólida, refuerzo por precipitación y refuerzo por dispersión para mejorar su resistencia a altas temperaturas y su plasticidad.
A través de la aleación, el wolframio ha formado una variedad de aleaciones de metales no ferrosos que tienen un impacto significativo en la civilización humana contemporánea.
La adición de renio (3%-26%) al wolframio puede mejorar significativamente su ductilidad y su temperatura de recristalización.
Después de una temperatura recocido tratamiento, algunas aleaciones de wolframio-renio pueden alcanzar un alargamiento de hasta 5%, muy superior a los 1%-3% del wolframio puro o dopado.
Aleaciones de tungsteno-torio formadas mediante la adición de óxido de torio (ThO2) al wolframio tienen una elevada capacidad de emisión térmica de electrones y pueden utilizarse como cátodos calientes para tubos electrónicos, soldadura por arco de argón electrodos, etc.
Sin embargo, la radiactividad del ThO2 no se ha resuelto durante mucho tiempo. Las aleaciones de cerio-tungsteno (W-CeO2) desarrolladas en China, y las aleaciones de lantano-tungsteno e itrio-tungsteno fabricadas utilizando La2O3 e Y2O3 como dispersantes (contenido de óxido generalmente inferior a 2,2%) se han utilizado ampliamente como electrodos de alta temperatura para argón soldadura por arcosoldadura y corte por plasma, hornos de arco no autoconsumibles, etc., sustituyendo el W-ThO2 aleaciones.
Las aleaciones de wolframio-cobre y wolframio-plata son un tipo de material compuesto pulvimetalúrgico formado por elementos que no reaccionan entre sí ni forman nuevas fases.
Las aleaciones de wolframio-plata y wolframio-cobre no son realmente aleaciones, por lo que se consideran pseudoaleaciones.
Las aleaciones de wolframio y plata, comúnmente conocidas como wolframio plateado por infiltración, contienen cobre o plata 20%-70% y poseen las excelentes propiedades de conductividad eléctrica y térmica del cobre y la plata y las propiedades de alto punto de fusión y resistencia a la corrosión del wolframio.
Se utilizan principalmente en toberas de cohetes, contactos eléctricos y componentes de soporte de semiconductores.
La tobera de un misil North Star A-3 está hecha de tungsteno infiltrado con plata 10%-15%, y la tobera del cohete utilizado en la nave espacial Apolo, de varios cientos de kilogramos, también está hecha de tungsteno.
Las aleaciones de wolframio y molibdeno tienen mayor resistividad eléctrica y mejor tenacidad que el wolframio puro, y se han utilizado como filamentos en tubos electrónicos y alambres de sellado de vidrio.
El wolframio, como elemento de aleación, también se menciona en aleaciones de metales no férreos, como las superaleaciones. En la década de 1940, para satisfacer los requisitos de materiales de alta temperatura de los motores turborreactores de aviación, las superaleaciones nacieron entre rugientes disparos.
Las superaleaciones se componen de tres tipos de aleaciones estructurales especiales: a base de níquel, a base de cobalto y a base de hierro.
Pueden mantener una resistencia extremadamente alta, resistencia a la fluencia, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión a altas temperaturas (500-1050°C).
Además, pueden garantizar la ausencia de fracturas durante la vida útil a largo plazo de varios años, es decir, tienen las características de resistencia a la fatiga de alto ciclo y a la fatiga de bajo ciclo. Este rendimiento es crucial para la industria aeroespacial, que afecta a vidas humanas.
El wolframio es un importante elemento de aleación en la industria siderúrgica, que puede mejorar la resistencia, la dureza y la resistencia a la corrosión del acero.
Las aleaciones duras (carburo de wolframio) que contienen wolframio 60%-90% tienen una gran dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y resistencia al calor, y se utilizan para fabricar brocas, herramientas de corte y piezas resistentes a altas temperaturas.
Las aleaciones de tungsteno-cobre (o tungsteno-plata) con un contenido de tungsteno de 60%-90% son excelentes materiales de contacto y pueden utilizarse como interruptores eléctricos, disyuntores y soldadura por puntos electrodos.
La aleación de tungsteno-níquel-cobre puede utilizarse como pantalla de blindaje contra los rayos α y γ. En los motores de cohetes, las toberas no refrigeradas fabricadas con tungsteno pueden soportar altas temperaturas de 3127 °C y altas presiones y tensiones térmicas.
Puede utilizarse como material luminiscente y blanco catódico de rayos X en las industrias de iluminación y electrónica.
También puede utilizarse como elemento calefactor de hornos de resistencia de alta temperatura. El termopar compuesto de aleación de tungsteno y tungsteno-renio (26%) puede medir la temperatura desde temperatura ambiente hasta 2835°C.
El diseleniuro de tungsteno puede utilizarse como lubricante para cojinetes de lubricación superior, con una gama de temperaturas de lubricación de -217°C a 350°C. Pigmentos compuestos de tungsteno tienen brillo brillante y durabilidad.
Entre las aleaciones especiales con el wolframio como componente principal figuran:
La fabricación de aleaciones de alta densidad basadas en tungsteno se ha convertido en un importante campo de aplicación del tungsteno.
Añadiendo al mismo tiempo níquel, hierro, cobre y una pequeña cantidad de otros elementos al polvo de tungsteno mediante la tecnología de sinterización en fase líquida, se puede producir una aleación de tungsteno de alta densidad.
En función de su composición, las aleaciones de tungsteno de alta densidad pueden dividirse en dos sistemas de aleación: tungsteno-níquel-hierro y tungsteno-níquel-cobre.
Su densidad puede alcanzar 17-18,6 g/cm3 mediante sinterización en fase líquida. La sinterización en fase líquida se refiere al proceso de sinterización en el que hay una cierta cantidad de fase líquida a la temperatura de sinterización cuando el polvo mezclado se prensa y se forma.
Su ventaja es que la fase líquida moja las partículas de la fase sólida y disuelve una pequeña cantidad de materia sólida, lo que acelera enormemente el proceso de densificación y crecimiento del grano y consigue una densidad relativa extremadamente alta.
Por ejemplo, en el caso del polvo de níquel-hierro utilizado habitualmente en la sinterización en fase líquida, el polvo de níquel-hierro se funde durante la sinterización. Aunque la solubilidad del wolframio en estado sólido (95% en volumen) en el níquel-hierro en estado líquido es extremadamente baja, el wolframio en estado sólido se disuelve fácilmente en el níquel-hierro en estado líquido.
Una vez que el níquel-hierro líquido humedece las partículas de wolframio y disuelve parte del polvo de wolframio, la forma de las partículas de wolframio cambia y sus poros internos desaparecen inmediatamente al entrar el líquido.
El proceso continúa, y las partículas de wolframio siguen engrosándose y creciendo hasta obtener un producto final con una densidad cercana a 100% y una microestructura óptima.
La aleación de tungsteno de alta densidad fabricada mediante sinterización en fase líquida no sólo tiene mayor densidad que el tungsteno puro, sino también mejores prestaciones de resistencia al impacto. Su principal aplicación es la fabricación de balas militares perforantes de alta penetración.
Aleaciones resistentes al calor y al desgaste, como metal más refractario, el wolframio es uno de los componentes de muchas aleaciones resistentes al calor.
Por ejemplo, una aleación compuesta por tungsteno 3-15%, cromo 25-35%, cobalto 45-65% y carbono 0,5-2,75% se utiliza principalmente para piezas muy resistentes al desgaste, como válvulas de motores de aviación, piezas de trabajo de matrices de estampación en caliente, rodetes de turbinas, equipos de excavación y revestimientos superficiales de rejas de arado.
En la tecnología aeroespacial y de cohetes, así como en otros sectores que requieren una gran resistencia térmica de las piezas de máquinas, motores y algunos instrumentos, el wolframio y las aleaciones con otros metales refractarios (tántalo, niobio, molibdeno, renio) se utilizan como materiales resistentes al calor.
En la actualidad, se utilizan entre 35 y 40 marcas conocidas de superaleaciones, muchas de las cuales tienen el wolframio como uno de sus componentes principales (véase la tabla).
| Aleación | Composición(％) | ||||||||||
| Cr | Ni | Co | Mo | W | Nb | Ti | Al | Fe | C | Otros | |
| Base Fe-Ni | 19.9 | 9.0 | 1.25 | 1.25 | 0.4 | 0.3 | 66.8 | 0.30 | 1,10Mn，0,6Si | ||
| Ni base Rene80 Rene95 MAR-M247 INMA-6000E | 14.0 14.0 8.25 15.0 | 60.0 61.0 59.0 68.5 | 9.5 8.0 10.0 | 4.0 3.5 0.7 2.0 | 4.0 3.5 10.0 4.0 | 3.5 | 5.0 2.5 1.0 2.5 | 3.0 3.5 5.5 4.5 | <0.3 <0.5 | 0.17 0.16 0.15 0.05 | 0,015B,0,03Zr 0,01B,0,05Zr 0.015B 1.1Y2O3,2.0Ta, 0,01B,0,15Zr |
| Co base Haynesm25 (L605) Haynesl88 S-816 X-40 WI-52 MAR-M3O2 MAR-M5O9 J-1570 | 20.0 22.0 20.0 22.0 21.0 21.5 23.5 20.0 | 10.0 22.0 20.0 10.0 10.0 28.0 | 50.0 37.0 42.0 57.5 63.5 58.0 54.5 46.0 | 4.0 | 15.0 14.5 4.0 7.5 11.0 10.0 7.0 | 4.0 | 0.2 4.0 | 3.0 3,0 Máx 4.0 1.5 2.0 0.5 2.0 | 0.10 0.10 0.38 0.50 0.45 0.85 0.6 0.2 | 1,5Mn 0,90La 0,5Mn,0,5Si 2,0Nb+Ta 9,0Ta,0,005B,0,2Zr 0,5Zr | |
El contenido de wolframio en estas aleaciones oscila entre un mínimo de 0,6% y un máximo de 15%, y aunque no ocupa una gran proporción, su demanda en aplicaciones de ingeniería de alta temperatura, como la industria aeroespacial y las centrales térmicas, es significativa.
Se calcula que, a escala mundial, más de dos tercios de las superaleaciones se utilizan en la industria aeroespacial, una séptima parte en centrales nucleares y de turbinas de gas, y otra séptima parte en operaciones marítimas y transporte.
Las aleaciones duras a base de carburo de wolframio tienen una gran dureza, resistencia al desgaste y propiedades refractarias.
Estas aleaciones contienen carburo de wolframio de 85% a 95% y cobalto de 5% a 14%, que actúa como metal aglutinante, proporcionando la resistencia necesaria a la aleación.
Se utilizan principalmente en determinadas aleaciones para la transformación del acero, que también contienen titaniocarburos de tantalio y niobio.
Todas estas aleaciones se fabrican mediante procesos pulvimetalúrgicos. Cuando se calientan a 1000-1100 ℃, siguen manteniendo una gran dureza y resistencia al desgaste.
La velocidad de corte de aleación dura supera con creces la velocidad de corte incluso de las mejores herramientas de corte de acero para herramientas. Las aleaciones duras se utilizan principalmente en herramientas de corte, herramientas de minería, matrices de trefilado, etc.
El carburo de wolframio puede mantener una buena dureza incluso a temperaturas superiores a 1000 ℃, lo que lo convierte en una herramienta ideal para cortar y amolar.
El polvo de wolframio (o W03) se mezcla con negro de humo y luego se carbura a cierta temperatura en hidrógeno o al vacío para producir carburo de wolframio (WC).
A continuación, el WC se mezcla con un aglutinante metálico, el cobalto, en una proporción específica.
Tras la pulverización, el moldeo, la sinterización y otros procesos, los productos de aleaciones duras como herramientas de corte, moldes, rodillos y roca de impacto perforación se producen bits.
Las aleaciones duras a base de carburo de wolframio que se utilizan en la actualidad pueden dividirse en cuatro categorías: carburo de wolframio-cobalto, carburo de wolframio-titanio-cobalto, carburo de wolframio-titanio-carburo de tántalo (niobio)-cobalto y aleaciones duras ligadas al acero.
De las aproximadamente 50.000 toneladas de wolframio que se consumen en el mundo cada año, las aleaciones duras a base de carburo de wolframio representan aproximadamente 63%.
Según informes recientes, la producción mundial total de aleaciones duras es de unas 33.000 toneladas al año, consumiendo entre 50% y 55% del suministro total de wolframio.
El tungsteno y sus aleaciones se utilizan ampliamente en las industrias electrónica y de fuentes de luz eléctrica.
El filamento de tungsteno con rendimiento antidescuelgue se utiliza para fabricar diversas bombillas y filamentos de tubos electrónicos.
El filamento de tungsteno dopado con renio se utiliza para fabricar termopares con un amplio rango de medición de temperatura (0-2500 ℃), una buena relación lineal entre la temperatura y el potencial termoeléctrico, una respuesta rápida a la temperatura (3 segundos) y un coste relativamente bajo, lo que lo convierte en un termopar ideal para mediciones en atmósfera de hidrógeno.
Aprovechando el alto punto de fusión del tungsteno sin comprometer su integridad mecánica, se convierte en un tipo de fuente de emisión térmica de iones para la electrónica, como las fuentes de electrones para microscopios electrónicos de barrido y de transmisión.
También se utiliza como filamento en los tubos de rayos X.
En los tubos de rayos X, los electrones generados por el filamento de wolframio se aceleran para chocar con los ánodos de wolframio y aleaciones de wolframio y renio, emitiendo rayos X desde el ánodo.
La energía del haz de electrones producido por el filamento de tungsteno debe ser extremadamente alta para generar rayos X, por lo que los puntos de la superficie golpeados por el haz de electrones están muy calientes.
Por ello, en la mayoría de los tubos de rayos X se utilizan ánodos giratorios. Los filamentos de tungsteno de gran tamaño también se utilizan como elementos calefactores en hornos de vacío.
En la industria electrónica, especialmente en la fabricación de circuitos integrados, la tecnología de formación de películas sobre sustratos mediante deposición química en fase vapor (CVD) es un proceso completamente diferente de la producción de materiales de tungsteno a granel (materiales en bloque) mediante tecnología pulvimetalúrgica.
La fuente de tungsteno más utilizada en el proceso de deposición CVD es el hexafluoruro de tungsteno (WF6).
El WF6 es un líquido a temperatura ambiente, pero cuando fluye con gas hidrógeno sobre la pieza a recubrir, se combina con el gas debido a su presión de vapor extremadamente alta, y se deposita selectivamente en la superficie de la pieza a unos 300°C mediante la reacción de WF6+3H2→W+6HF.
Las vías de tungsteno formadas por deposición en circuitos integrados pueden conectarse a otro cable horizontal de la placa de circuito como pequeños tapones metálicos.
El diámetro de estos pequeños tapones es de 0,4 milímetros, con una relación longitud-diámetro de 2,5, y puede reducirse a 0,1 milímetros en el futuro, alcanzando una relación longitud-diámetro de 5.
Debido a su excelente conductividad y a la ausencia de reacción con los materiales circundantes, el método CVD es la única forma de rellenar canales y purificar superficies que no requieren tungsteno.
El tungsteno, un material utilizado en la iluminación eléctrica de vacío, está disponible en forma de alambre de tungsteno, cinta de tungsteno y diversos componentes forjados para la producción de tubos de electrones, radioelectrónica y tecnología de rayos X.
El tungsteno es el mejor material para fabricar filamentos blancos tejidos y filamentos en espiral. Su elevada temperatura de funcionamiento (2200-2500°C) garantiza una gran eficacia luminosa, mientras que su baja tasa de evaporación asegura una larga vida útil del filamento.
El alambre de tungsteno se utiliza para fabricar cátodos de calentamiento directo y electrodos de rejilla para tubos de oscilación electrónica, cátodos para rectificadores de alta tensión, calentadores auxiliares de cátodos en diversos instrumentos electrónicos.
El wolframio también se utiliza como ánodo y cátodo para tubos de rayos X y tubos de descarga de gas, así como contactos para equipos de radio y electrodos para pistolas de soldadura atómica de hidrógeno.
El alambre de tungsteno y las varillas de tungsteno se utilizan como elementos calefactores para hornos de alta temperatura (hasta 3000°C). Los calentadores de tungsteno pueden funcionar en atmósferas de hidrógeno, atmósferas inertes o vacíos.
Otras aplicaciones del wolframio son sus compuestos, que pueden utilizarse como catalizadores en la industria petroquímica, y como retardantes de llama, mordientes, pigmentos, tintes, materiales fluorescentes, pinturas decorativas y lubricantes sólidos en las industrias textil y del plástico.
El tungstato sódico se utiliza para producir ciertos tipos de pinturas y pigmentos, y en la industria textil para lastrar tejidos y fabricar telas ignífugas e impermeables mezclándolo con sulfato amónico y fosfato amónico.
También se utiliza en la fabricación de wolframio metálico, ácido túngstico y sales de tungstato, así como en tintes, pigmentos, tintas, galvanoplastia y como catalizador. El ácido túngstico es un mordiente para textiles y un catalizador para producir gasolina de alto octanaje en la industria química.
El disulfuro de wolframio se utiliza como lubricante sólido y catalizador en síntesis orgánica, como en la producción de gasolina sintética.
Las aleaciones de tungsteno-cobre (10%-40% cobre) y tungsteno-plata fabricadas por pulvimetalurgia son excelentes materiales de contacto debido a su buena conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia al desgaste.
Se utilizan habitualmente en la fabricación de piezas de trabajo como contactos de interruptores, disyuntores y electrodos de soldadura por puntos.
Las aleaciones de alta densidad que contienen 90%-95% de wolframio, 1%-6% de níquel y 1%-4% de cobre, así como las aleaciones que utilizan hierro en lugar de cobre (~5%), se utilizan para fabricar rotores de giroscopios, contrapesos para aviones y superficies de control, escudos contra la radiación y cestas de material.
En resumen, el wolframio, ya se utilice como elemento de aleación, carburo de wolframio o en su forma metálica o compuesta, es un material importante indispensable en diversos sectores de la economía nacional y la tecnología punta, como la siderurgia, la maquinaria, la minería, el petróleo, los cohetes, la industria aeroespacial y la electrónica.
China posee las mayores reservas totales de wolframio del mundo.
Las minas de tungsteno de Pangushan, Xihuashan y Dajishan, en la provincia de Jiangxi, son las mayores regiones productoras de tungsteno del mundo.
Las minas de wolframio de provincias como Hunan, Guangxi y Guangdong también cuentan con abundantes reservas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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