Porque é que o tungsténio é vital em tantas indústrias? Este notável metal, com a sua extrema dureza e elevado ponto de fusão, é utilizado em tudo, desde filamentos de lâmpadas a bocais de foguetões. Neste artigo, exploramos as propriedades únicas do tungsténio e as suas várias aplicações, desde o aumento da resistência do aço à criação de superligas. Saiba como as características excepcionais deste metal o tornam indispensável na tecnologia e na indústria modernas.
O tungsténio tem um ponto de fusão de 3410°C e um ponto de ebulição de cerca de 5900°C. A sua condutividade térmica é de 174 w/m-K a 10-100°C, e tem uma taxa de evaporação lenta a altas temperaturas com um coeficiente de expansão térmica muito baixo.
O coeficiente de expansão é de 4,5×10-6-K-1 entre 0-100°C.
A resistividade eléctrica do tungsténio é cerca de três vezes superior à do cobre, com um valor de 10-8 ohm/m a 20°C.
O tungsténio caracteriza-se pela sua elevada dureza, elevada densidade (densidade de 19,25 g/cm3), boa resistência a altas temperaturas e excelentes propriedades de emissão de electrões.
As propriedades mecânicas do tungsténio dependem principalmente do seu estado de transformação e do processo de tratamento térmico. O tungsténio não pode ser processado sob pressão num estado frio.
A forja, a laminagem e o estiramento devem ser efectuados a quente.
O tungsténio tem uma boa plasticidade, e uma barra de tungsténio de 1 kg pode ser estirada num fio fino com um diâmetro de apenas 1% mm e um comprimento de cerca de 400 km.
Este fio fino ainda tem alguma resistência mesmo num ambiente de alta temperatura de 3000°C, tem uma elevada eficiência luminosa e uma longa vida útil, tornando-o um excelente material para o fabrico de vários filamentos de lâmpadas.
O fio de tungsténio é utilizado para fabricar lâmpadas incandescentes, lâmpadas de tungsténio com iodo e até mesmo as mais recentes lâmpadas e tubos em todo o mundo.
À temperatura ambiente, o tungsténio é estável no ar. A 400-500°C, começa a sofrer oxidação e forma uma densa película protetora superficial de W03 azul-preto.
O tungsténio não é facilmente corroído por ácidos, álcalis e água régia à temperatura ambiente, mas é solúvel numa solução mista de ácido fluorídrico e água régia.
80% de tungsténio extraído a nível mundial são utilizados para a fundição de aço de alta qualidade, 15% são utilizados para produzir aço duro e os restantes 5% são utilizados para outros fins.
O tungsténio pode ser utilizado no fabrico de armas de fogo, bicos de foguetes e metais ferramentas de cortetornando-o um metal versátil.
O tungsténio é um importante elemento de liga no aço, que melhora a sua força, dureza e resistência ao desgaste.
Os principais tipos de aço de tungsténio são o aço para ferramentas de alta velocidade, o aço para ferramentas de trabalho a quente, as ferramentas em série e o aço para ferramentas, as armas militares, o aço para turbinas, o aço magnético, etc.
Ferramentas feitas de aço de tungsténio são várias vezes ou mesmo dezenas de vezes mais fortes do que os feitos de aço comum.
Quando o aço de tungsténio é utilizado para fabricar canos ou cilindros de armas, pode manter uma boa elasticidade e resistência mecânica, mesmo que o cano seja aquecido por fricção devido a disparos contínuos.
Nas máquinas de corte de metais, o tungsténio corte de aço As ferramentas mantêm a sua dureza mesmo a temperaturas tão elevadas como 1000°C.
Pulverização ou soldadura de tungsténio-crómio-cobalto liga de aço com 3%-15% de tungsténio na superfície de peças de aço comuns é como dar-lhes uma "armadura" dura.
Suportam temperaturas e pressões elevadas, resistem à corrosão, reduzem o desgaste e têm uma vida útil várias vezes superior.
Devido às excelentes propriedades e à vasta gama de aplicações do aço de tungsténio, 90% do tungsténio produzido a nível mundial é utilizado para o seu fabrico.
O aço rápido amplamente utilizado contém 9%-24% de tungsténio, 3,8%-4,6% de crómio, 1%-5% de vanádio, 4%-7% de cobalto e 0,7%-1,5% de carbono.
A caraterística do aço rápido é o facto de se poder auto-regenerar a temperaturas de têmpera elevadas (700-800°C) no ar, pelo que mantém uma elevada dureza e resistência ao desgaste até 600-650°C.
O aço de tungsténio em ligas de aço para ferramentas contém 0,8%-1,2% de tungsténio; o aço ao crómio-tungsténio-silício contém 2%-2,7% de tungsténio; o aço ao crómio-tungsténio contém 2%-9% de tungsténio; e o aço ao crómio-tungsténio-manganês contém 0,5%-1,6% de tungsténio.
O aço de tungsténio é utilizado para fabricar várias ferramentas, tais como brocas, fresas, matrizes de trefilagem, moldes macho e fêmea, ferramentas com suporte de gás e outras peças.
O aço magnético de tungsténio é um aço magnético permanente que contém 5,2%-6,2% de tungsténio, 0,68%-0,78% de carbono e 0,3%-0,5% de crómio.
O aço magnético de tungsténio-cobalto é um material magnético duro que contém 11,5%-14,5% de tungsténio, 5,5%-6,5% de molibdénio e 11,5%-12,5% de cobalto.
Têm uma elevada força de magnetização e força coerciva.
O tungsténio é o principal elemento de liga do aço para ferramentas de alta velocidade, do aço estrutural ligado, do aço para molas, do aço resistente ao calor e do aço inoxidável.
O tungsténio pode ser ligado por reforço de solução sólida, reforço de precipitação e reforço de dispersão para melhorar a sua resistência a altas temperaturas e plasticidade.
Através da formação de ligas, o tungsténio formou uma variedade de ligas de metais não ferrosos que têm um impacto significativo na civilização humana contemporânea.
A adição de rénio (3%-26%) ao tungsténio pode melhorar significativamente a sua ductilidade e temperatura de recristalização.
Depois de uma temperatura elevada adequada recozimento tratamento, algumas ligas de tungsténio-rénio podem atingir um alongamento até 5%, muito superior aos 1%-3% do tungsténio puro ou dopado.
Ligas de tungsténio e tório formadas pela adição de óxido de tório (ThO2) ao tungsténio têm uma elevada capacidade de emissão de electrões térmicos e podem ser utilizados como cátodos quentes para tubos electrónicos, soldadura por arco de árgon eléctrodos, etc.
No entanto, a radioatividade do ThO2 não foi resolvida durante muito tempo. As ligas de cério-tungsténio (W-CeO2) desenvolvidas na China e as ligas de tungsténio de lantânio e de tungsténio de ítrio fabricadas utilizando La2O3 e Y2O3 como dispersantes (teor de óxido geralmente inferior a 2,2%) têm sido amplamente utilizadas como eléctrodos a alta temperatura para o árgon soldadura por arcosoldadura e corte por plasma, fornos de arco não autoconsumíveis, etc., substituindo o W-ThO2 ligas.
As ligas de tungsténio-cobre e tungsténio-prata são um tipo de material compósito metalúrgico em pó composto por elementos que não reagem entre si e não formam novas fases.
As ligas de tungsténio-prata e de tungsténio-cobre não são efetivamente ligas, sendo por isso consideradas pseudo-ligas.
As ligas de tungsténio-prata, normalmente conhecidas como tungsténio-prata de infiltração, contêm 20%-70% de cobre ou prata e têm excelentes propriedades de condutividade eléctrica e térmica do cobre e da prata e o elevado ponto de fusão e propriedades de resistência à corrosão do tungsténio.
São principalmente utilizados em bocais de foguetões, contactos eléctricos e componentes de suporte de semicondutores.
O bocal de um míssil North Star A-3 é feito de tungsténio infiltrado com prata 10%-15%, e o bocal do foguetão utilizado na nave espacial Apollo, que pesa várias centenas de quilogramas, é também feito de tungsténio.
As ligas de tungsténio-molibdénio têm uma resistividade eléctrica mais elevada e uma melhor tenacidade do que o tungsténio puro, tendo sido utilizadas como filamentos em tubos electrónicos e fios de vedação de vidro.
O tungsténio, como elemento de liga, é também mencionado nas ligas de metais não ferrosos, como as superligas. Na década de 1940, para satisfazer os requisitos de materiais a alta temperatura dos motores de turbojacto da aviação, as superligas nasceram no meio do barulho dos tiros.
As superligas são compostas por três tipos de ligas estruturais especiais: à base de níquel, à base de cobalto e à base de ferro.
Conseguem ainda manter uma resistência extremamente elevada, resistência à fluência, resistência à oxidação e resistência à corrosão a altas temperaturas (500-1050°C).
Além disso, podem garantir a ausência de fratura durante a vida útil a longo prazo de vários anos, ou seja, têm as características de resistência à fadiga de alto ciclo e à fadiga de baixo ciclo. Este desempenho é crucial para a indústria aeroespacial, que diz respeito a vidas humanas.
O tungsténio é um importante elemento de liga na indústria do aço, que pode melhorar a força, a dureza e a resistência à corrosão do aço.
As ligas duras (carboneto de tungsténio) que contêm tungsténio 60%-90% têm elevada dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência ao calor e são utilizadas para fabricar brocas, ferramentas de corte e peças resistentes a altas temperaturas.
As ligas de tungsténio-cobre (ou tungsténio-prata) com um teor de tungsténio de 60%-90% são excelentes materiais de contacto e podem ser utilizadas como interruptores eléctricos, disjuntores e soldadura por pontos eléctrodos.
A liga de tungsténio-níquel-cobre pode ser utilizada como ecrã de proteção contra os raios α e γ. Nos motores de foguetões, as tubeiras não arrefecidas feitas de tungsténio podem suportar temperaturas elevadas de 3127°C e pressões e tensões térmicas elevadas.
Pode ser utilizado como material luminescente e alvo de cátodo de raios X nas indústrias de iluminação e eletrónica.
Pode também ser utilizado como elemento de aquecimento de fornos de resistência de alta temperatura. O termopar composto por tungsténio e liga de tungsténio-rénio (26%) pode medir a temperatura desde a temperatura ambiente até 2835°C.
O disseleneto de tungsténio pode ser utilizado como lubrificante para rolamentos de lubrificação sénior, com uma gama de temperaturas de lubrificação de -217°C a 350°C. Os pigmentos compostos de tungsténio têm um brilho brilhante e durabilidade.
As ligas especiais com tungsténio como componente principal incluem:
O fabrico de ligas de tungsténio de alta densidade à base de tungsténio tornou-se um importante domínio de aplicação do tungsténio.
Ao adicionar simultaneamente níquel, ferro, cobre e uma pequena quantidade de outros elementos ao pó de tungsténio, utilizando a tecnologia de sinterização em fase líquida, pode ser produzida uma liga de tungsténio de alta densidade.
Em função da sua composição, as ligas de tungsténio de alta densidade podem ser divididas em dois sistemas de ligas: tungsténio-níquel-ferro e tungsténio-níquel-cobre.
A sua densidade pode atingir 17-18,6 g/cm3 através da sinterização em fase líquida. A sinterização em fase líquida refere-se ao processo de sinterização em que existe uma certa quantidade de fase líquida à temperatura de sinterização quando o pó misto é prensado e formado.
A sua vantagem é que a fase líquida molha as partículas da fase sólida e dissolve uma pequena quantidade de matéria sólida, acelerando grandemente o processo de densificação e crescimento do grão e alcançando uma densidade relativa extremamente elevada.
Por exemplo, no caso do pó de níquel-ferro normalmente utilizado na sinterização em fase líquida, o pó de níquel-ferro funde durante a sinterização. Embora a solubilidade do tungsténio em estado sólido (95% em volume) no níquel-ferro em estado líquido seja extremamente baixa, o tungsténio em estado sólido é fácil de dissolver no níquel-ferro em estado líquido.
Quando o níquel-ferro líquido molha as partículas de tungsténio e dissolve parte do pó de tungsténio, a forma das partículas de tungsténio muda e os seus poros internos desaparecem imediatamente quando o líquido flui.
O processo continua, e as partículas de tungsténio continuam a engrossar e a crescer até produzirem um produto final com uma densidade de quase 100% e uma microestrutura óptima.
A liga de tungsténio de alta densidade fabricada por sinterização em fase líquida não só tem uma densidade mais elevada do que o tungsténio puro, mas também um melhor desempenho em termos de resistência ao impacto. A sua principal aplicação é o fabrico de balas militares perfurantes de alta penetração.
Ligas resistentes ao calor e ao desgaste, sendo o metal mais refratário, o tungsténio é um dos componentes de muitas ligas resistentes ao calor.
Por exemplo, uma liga composta por 3-15% de tungsténio, 25-35% de crómio, 45-65% de cobalto e 0,5-2,75% de carbono é utilizada principalmente para peças fortemente resistentes ao desgaste, tais como válvulas em motores de aviação, peças de trabalho de matrizes de estampagem a quente, impulsores de turbinas, equipamento de escavação e revestimentos de superfície de arados.
Na tecnologia aeroespacial e de foguetões, bem como noutros sectores que exigem uma elevada resistência térmica de peças de máquinas, motores e alguns instrumentos, o tungsténio e as ligas com outros metais refractários (tântalo, nióbio, molibdénio, rénio) são utilizados como materiais resistentes ao calor.
Atualmente, são utilizadas 35-40 marcas conhecidas de superligas, muitas das quais têm o tungsténio como um dos seus principais componentes (ver quadro).
| Liga metálica | Composição(％) | ||||||||||
| Cr | Ni | Co | Mo | W | Nb | Ti | Al | Fe | C | Outros | |
| Base Fe-Ni | 19.9 | 9.0 | 1.25 | 1.25 | 0.4 | 0.3 | 66.8 | 0.30 | 1.10Mn，0.6Si | ||
| Base de Ni 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 |
| Base da empresa 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 Máximo 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 | |
O teor de tungsténio nestas ligas varia entre um mínimo de 0,6% e um máximo de 15% e, embora não represente uma grande proporção, a sua procura em aplicações de engenharia a alta temperatura, como a indústria aeroespacial e as centrais térmicas, é significativa.
Estima-se que, a nível mundial, mais de dois terços das superligas sejam utilizadas na indústria aeroespacial, um sétimo nas centrais eléctricas nucleares e de turbinas a gás e outro sétimo nas operações e transportes marítimos.
As ligas duras à base de carboneto de tungsténio têm elevada dureza, resistência ao desgaste e propriedades refractárias.
Estas ligas contêm carboneto de tungsténio de 85% a 95% e cobalto de 5% a 14%, que actua como um metal de ligação, proporcionando a resistência necessária à liga.
São principalmente utilizados em certas ligas para o tratamento do aço, contendo também titâniocarbonetos de tântalo e de nióbio.
Todas estas ligas são fabricadas através de processos de metalurgia do pó. Quando aquecidas a 1000-1100 ℃, continuam a manter uma elevada dureza e resistência ao desgaste.
A velocidade de corte de liga dura excede largamente a velocidade de corte mesmo das melhores ferramentas de corte em aço para ferramentas. As ligas duras são principalmente utilizadas em ferramentas de corte, ferramentas de extração mineira, matrizes de trefilagem, etc.
O carboneto de tungsténio pode manter uma boa dureza mesmo a temperaturas superiores a 1000 ℃, o que o torna uma ferramenta ideal para cortar e triturar.
O pó de tungsténio (ou W03) é misturado com negro de fumo e depois cementado a uma determinada temperatura em hidrogénio ou vácuo para produzir carboneto de tungsténio (WC).
O WC é depois misturado com um agente de ligação metálico, o cobalto, numa proporção específica.
Após a pulverização, moldagem, sinterização e outros processos, os produtos de liga dura, tais como ferramentas de corte, moldes, rolos e rocha de impacto perfuração bits são produzidos.
As ligas duras atualmente utilizadas à base de carboneto de tungsténio podem ser divididas em quatro categorias: carboneto de tungsténio-cobalto, carboneto de tungsténio-titânio-cobalto, carboneto de tungsténio-titânio-tântalo (nióbio) carboneto-cobalto e ligas duras ligadas ao aço.
Das cerca de 50 000 toneladas de tungsténio consumidas globalmente todos os anos, as ligas duras à base de carboneto de tungsténio representam aproximadamente 63%.
De acordo com relatórios recentes, a produção global total de ligas duras é de cerca de 33 000 toneladas por ano, consumindo 50% a 55% do fornecimento total de tungsténio.
O tungsténio e as suas ligas são amplamente utilizados nas indústrias eletrónica e de fontes de luz eléctrica.
O filamento de tungsténio com desempenho anti-flacidez é utilizado para fabricar várias lâmpadas de iluminação e filamentos de tubos electrónicos.
O filamento de tungsténio dopado com rénio é utilizado para fabricar termopares com uma vasta gama de medição de temperatura (0-2500 ℃), uma boa relação linear entre a temperatura e o potencial termoelétrico, uma resposta rápida à temperatura (3 segundos) e um custo relativamente baixo, o que o torna um termopar ideal para medições numa atmosfera de hidrogénio.
Tirando partido do elevado ponto de fusão do tungsténio sem comprometer a sua integridade mecânica, torna-se um tipo de fonte de emissão iónica térmica para a eletrónica, como fontes de electrões para microscópios electrónicos de varrimento e microscópios electrónicos de transmissão.
É também utilizado como filamento em tubos de raios X.
Nos tubos de raios X, os electrões gerados pelo filamento de tungsténio são acelerados para colidir com os ânodos de tungsténio e de liga de tungsténio-rénio, emitindo raios X a partir do ânodo.
A energia do feixe de electrões produzido pelo filamento de tungsténio tem de ser extremamente elevada para gerar raios X, pelo que os pontos da superfície atingidos pelo feixe de electrões estão muito quentes.
Por conseguinte, são utilizados ânodos rotativos na maioria dos tubos de raios X. Os filamentos de tungsténio de grandes dimensões são também utilizados como elementos de aquecimento em fornos de vácuo.
Na indústria eletrónica, em especial no fabrico de circuitos integrados, a tecnologia de formação de películas em substratos por deposição química de vapor (CVD) é um processo completamente diferente da produção de materiais a granel de tungsténio (materiais em bloco) utilizando a tecnologia da metalurgia do pó.
A fonte de tungsténio mais comum utilizada no processo de deposição CVD é o hexafluoreto de tungsténio (WF6).
O WF6 é um líquido à temperatura ambiente, mas quando flui com gás hidrogénio sobre a peça a revestir, combina-se com o gás devido à sua pressão de vapor extremamente elevada e deposita-se seletivamente na superfície da peça de trabalho a cerca de 300°C através da reação de WF6+3H2→W+6HF.
As vias de tungsténio formadas por deposição em circuitos integrados podem ser ligadas a outro fio horizontal na placa de circuitos como pequenas fichas metálicas.
O diâmetro destes pequenos tampões é de 0,4 milímetros com uma relação comprimento/diâmetro de 2,5, e pode ser reduzido para 0,1 milímetros no futuro, atingindo uma relação comprimento/diâmetro de 5.
Devido à sua excelente condutividade e à ausência de reação com os materiais circundantes, o método CVD é a única forma de preencher canais e purificar superfícies que não requerem tungsténio.
O tungsténio, um material utilizado na iluminação eléctrica de vácuo, está disponível sob a forma de fio de tungsténio, fita de tungsténio e vários componentes forjados para a produção de tubos de electrões, eletrónica de rádio e tecnologia de raios X.
O tungsténio é o melhor material para o fabrico de filamentos tecidos brancos e filamentos em espiral. A sua elevada temperatura de funcionamento (2200-2500°C) garante uma elevada eficiência luminosa, enquanto a sua baixa taxa de evaporação assegura uma longa duração do filamento.
O fio de tungsténio é utilizado para fabricar cátodos aquecidos diretamente e eléctrodos de grelha para tubos de oscilação electrónicos, cátodos para rectificadores de alta tensão, aquecedores de cátodo auxiliares em vários instrumentos electrónicos.
O tungsténio é também utilizado como ânodo e cátodo para tubos de raios X e tubos de descarga de gás, bem como contactos para equipamento de rádio e eléctrodos para pistolas de soldadura de hidrogénio atómico.
O fio de tungsténio e as varetas de tungsténio são utilizados como elementos de aquecimento para fornos de alta temperatura (até 3000°C). Os aquecedores de tungsténio podem funcionar em atmosferas de hidrogénio, atmosferas inertes ou vácuos.
Outras aplicações do tungsténio incluem os seus compostos, que podem ser utilizados como catalisadores na indústria petroquímica e como retardadores de chama, mordentes, pigmentos, corantes, materiais fluorescentes, tintas decorativas e lubrificantes sólidos nas indústrias têxtil e de plásticos.
O tungstato de sódio é utilizado para produzir certos tipos de tintas e pigmentos e na indústria têxtil para pesar tecidos e fabricar tecidos à prova de fogo e à prova de água, misturando-os com sulfato de amónio e fosfato de amónio.
É também utilizado no fabrico de tungsténio metálico, ácido túngstico e sais de tungstato, bem como em corantes, pigmentos, tintas, galvanoplastia e como catalisador. O ácido túngstico é um mordente para têxteis e um catalisador para a produção de gasolina de alta octanagem na indústria química.
O dissulfureto de tungsténio é utilizado como lubrificante sólido e catalisador na síntese orgânica, como na produção de gasolina sintética.
As ligas de tungsténio-cobre (10%-40% cobre) e de tungsténio-prata fabricadas por metalurgia do pó são excelentes materiais de contacto devido à sua boa condutividade eléctrica, condutividade térmica e resistência ao desgaste.
São normalmente utilizados no fabrico de peças de trabalho, tais como contactos de interruptores, disjuntores e eléctrodos de soldadura por pontos.
As ligas de alta densidade contendo 90%-95% de tungsténio, 1%-6% de níquel e 1%-4% de cobre, bem como as ligas que utilizam ferro em vez de cobre (~5%), são utilizadas para fabricar rotores de giroscópios, pesos de equilíbrio para aeronaves e superfícies de controlo, escudos de radiação e cestos de materiais.
Em resumo, o tungsténio, quer seja utilizado como elemento de liga, carboneto de tungsténio, ou na sua forma metálica ou composta, é um material importante indispensável em vários sectores da economia nacional e da tecnologia de ponta, incluindo as indústrias siderúrgica, de maquinaria, mineira, petrolífera, de foguetes, aeroespacial e eletrónica.
A China possui as maiores reservas totais de tungsténio do mundo.
As minas de tungsténio de Pangushan, Xihuashan e Dajishan, na província de Jiangxi, são as maiores regiões produtoras de tungsténio do mundo.
As minas de tungsténio em províncias como Hunan, Guangxi e Guangdong também possuem reservas abundantes.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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