Por que o tungstênio é vital em tantos setores? Esse metal extraordinário, com sua extrema dureza e alto ponto de fusão, é usado em tudo, desde filamentos de lâmpadas até bicos de foguetes. Neste artigo, exploramos as propriedades exclusivas do tungstênio e suas diversas aplicações, desde o aumento da resistência do aço até a criação de superligas. Saiba como as características excepcionais desse metal o tornam indispensável na tecnologia e na indústria modernas.
O tungstênio tem um ponto de fusão de 3410°C e um ponto de ebulição de cerca de 5900°C. Sua condutividade térmica é de 174 w/m-K a 10-100°C, e tem uma taxa de evaporação lenta em altas temperaturas com coeficiente de expansão térmica muito baixo.
O coeficiente de expansão é de 4,5×10-6-K-1 entre 0-100°C.
A resistividade elétrica do tungstênio é aproximadamente três vezes maior do que a do cobre, com um valor de 10-8 ohm/m a 20°C.
O tungstênio é caracterizado por sua alta dureza, alta densidade (densidade de 19,25 g/cm3), boa resistência a altas temperaturas e excelentes propriedades de emissão de elétrons.
As propriedades mecânicas do tungstênio dependem principalmente de seu estado de processamento e do processo de tratamento térmico. O tungstênio não pode ser processado sob pressão em um estado frio.
O forjamento, a laminação e a trefilação devem ser feitos a quente.
O tungstênio tem boa plasticidade, e uma haste de tungstênio de 1 kg pode ser estirada em um fio fino com um diâmetro de apenas 1% mm e um comprimento de cerca de 400 km.
Esse fio fino ainda tem alguma resistência mesmo em um ambiente de alta temperatura de 3.000 °C, tem alta eficiência luminosa e longa vida útil, o que o torna um excelente material para a fabricação de vários filamentos de lâmpadas.
O fio de tungstênio é usado para fabricar lâmpadas incandescentes, lâmpadas de tungstênio com iodo e até mesmo as mais recentes lâmpadas e tubos em todo o mundo.
À temperatura ambiente, o tungstênio é estável no ar. A 400-500°C, ele começa a sofrer oxidação e forma uma densa película protetora de superfície de W03 azul-preto.
O tungstênio não é facilmente corroído por ácidos, álcalis e água régia em temperatura ambiente, mas é solúvel em uma solução mista de ácido fluorídrico e água régia.
80% de tungstênio extraído em todo o mundo é usado para fundir aço de alta qualidade, 15% é usado para produzir aço duro e os 5% restantes são usados para outros fins.
O tungstênio pode ser usado para fabricar armas de fogo, bicos de foguetes e metais ferramentas de corteo que o torna um metal versátil.
O tungstênio é um importante elemento de liga no aço, que melhora sua força, dureza e resistência ao desgaste.
Os principais tipos de aço de tungstênio são aço para ferramentas de alta velocidade, aço para matrizes de trabalho a quente, ferramentas em série e aço para matrizes, armas militares, aço para turbinas, aço magnético, etc.
Ferramentas feitas de aço tungstênio são várias vezes ou até dezenas de vezes mais resistentes do que os feitos de aço comum.
Quando o aço de tungstênio é usado para fabricar canos ou cilindros de armas, ele pode manter uma boa elasticidade e resistência mecânica, mesmo que o cano seja aquecido pelo atrito do disparo contínuo.
Em máquinas de corte de metal, o tungstênio corte de aço As ferramentas mantêm sua dureza mesmo em temperaturas de até 1.000°C.
Pulverização ou soldagem de tungstênio-cromo-cobalto liga de aço com 3%-15% tungstênio na superfície de peças de aço comuns é como dar a elas uma "armadura" rígida.
Eles podem suportar altas temperaturas e pressões, resistir à corrosão, reduzir o desgaste e ter uma vida útil várias vezes maior.
Devido às excelentes propriedades e à ampla gama de aplicações do aço de tungstênio, 90% do tungstênio produzido em todo o mundo é usado para fabricá-lo.
O aço de alta velocidade amplamente utilizado contém 9%-24% de tungstênio, 3,8%-4,6% de cromo, 1%-5% de vanádio, 4%-7% de cobalto e 0,7%-1,5% de carbono.
A característica do aço rápido é que ele pode se auto extinguir em altas temperaturas de têmpera (700-800°C) no ar, de modo que mantém alta dureza e resistência ao desgaste até 600-650°C.
O aço de tungstênio em ligas de aço para ferramentas contém 0,8%-1,2% de tungstênio; o aço cromo-tungstênio-silício contém 2%-2,7% de tungstênio; o aço cromo-tungstênio contém 2%-9% de tungstênio; e o aço cromo-tungstênio-manganês contém 0,5%-1,6% de tungstênio.
O aço de tungstênio é usado para fabricar várias ferramentas, como brocas, fresas, matrizes de trefilação, moldes macho e fêmea, ferramentas com suporte de gás e outras peças.
O aço magnético de tungstênio é um aço de ímã permanente que contém 5,2%-6,2% de tungstênio, 0,68%-0,78% de carbono e 0,3%-0,5% de cromo.
O aço magnético de tungstênio-cobalto é um material magnético rígido que contém 11,5%-14,5% de tungstênio, 5,5%-6,5% de molibdênio e 11,5%-12,5% de cobalto.
Eles têm alta força de magnetização e força coercitiva.
O tungstênio é o principal elemento de liga em aço para ferramentas de alta velocidade, aço estrutural de liga, aço para molas, aço resistente ao calor e aço inoxidável.
O tungstênio pode ser ligado por meio de reforço de solução sólida, reforço de precipitação e reforço de dispersão para melhorar sua resistência a altas temperaturas e plasticidade.
Por meio de ligas, o tungstênio formou uma variedade de ligas de metais não ferrosos que têm um impacto significativo na civilização humana contemporânea.
A adição de rênio (3%-26%) ao tungstênio pode melhorar significativamente sua ductilidade e temperatura de recristalização.
Após o uso adequado de alta temperatura recozimento tratamento, algumas ligas de tungstênio-rênio podem atingir um alongamento de até 5%, muito maior do que o 1%-3% do tungstênio puro ou dopado.
As ligas de tungstênio-tório formadas pela adição de óxido de tório (ThO2) ao tungstênio têm alta capacidade de emissão de elétrons térmicos e podem ser usados como cátodos quentes para tubos eletrônicos, soldagem a arco de argônio eletrodos, etc.
No entanto, a radioatividade do ThO2 não foi resolvida por um longo tempo. As ligas de cério-tungstênio (W-CeO2) desenvolvidas na China e as ligas de tungstênio-lantânio e tungstênio-ítrio feitas com La2O3 e Y2O3 como dispersantes (teor de óxido geralmente abaixo de 2,2%) têm sido amplamente utilizadas como eletrodos de alta temperatura para argônio soldagem a arcosoldagem e corte a plasma, fornos a arco não autoconsumíveis, etc., substituindo o W-ThO2 ligas.
As ligas de tungstênio-cobre e tungstênio-prata são um tipo de material composto metalúrgico em pó composto por elementos que não reagem entre si e não formam novas fases.
As ligas de tungstênio-prata e tungstênio-cobre não são de fato ligas e, portanto, são consideradas pseudoligas.
As ligas de tungstênio-prata, comumente conhecidas como tungstênio-prata de infiltração, contêm 20%-70% de cobre ou prata e têm excelentes propriedades de condutividade elétrica e térmica do cobre e da prata e o alto ponto de fusão e as propriedades de resistência à corrosão do tungstênio.
Eles são usados principalmente em bicos de foguetes, contatos elétricos e componentes de suporte de semicondutores.
O bocal de um míssil North Star A-3 é feito de tungstênio infiltrado com prata 10%-15%, e o bocal do foguete usado na espaçonave Apollo, que pesa várias centenas de quilos, também é feito de tungstênio.
As ligas de tungstênio-molibdênio têm maior resistividade elétrica e melhor resistência do que o tungstênio puro, e têm sido usadas como filamentos em tubos eletrônicos e fios de vedação de vidro.
O tungstênio, como elemento de liga, também é mencionado em ligas de metais não ferrosos, como as superligas. Na década de 1940, para atender aos requisitos de materiais de alta temperatura dos motores de turbojato da aviação, as superligas surgiram em meio ao 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.
Eles ainda podem manter uma força extremamente alta, resistência à fluência, resistência à oxidação e resistência à corrosão em altas temperaturas (500-1050°C).
Além disso, eles podem garantir que não haja fratura durante a vida útil de longo prazo de vários anos, ou seja, eles têm as características de fadiga de alto ciclo e resistência à fadiga de baixo ciclo. Esse desempenho é fundamental para o setor aeroespacial, que diz respeito a vidas humanas.
O tungstênio é um importante elemento de liga na indústria siderúrgica, que pode melhorar a força, a dureza e a resistência à corrosão do aço.
As ligas duras (carbeto de tungstênio) contendo tungstênio 60%-90% têm alta dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência ao calor, e são usadas para fabricar brocas, ferramentas de corte e peças resistentes a altas temperaturas.
As ligas de tungstênio-cobre (ou tungstênio-prata) com teor de tungstênio de 60%-90% são excelentes materiais de contato e podem ser usadas como interruptores elétricos, disjuntores e soldagem por pontos eletrodos.
A liga de tungstênio-níquel-cobre pode ser usada como uma tela de proteção para raios α e γ. Nos motores de foguete, os bicos não resfriados feitos de tungstênio podem suportar altas temperaturas de 3127°C e alta pressão e estresse térmico.
Ele pode ser usado como material luminescente e alvo de cátodo de raios X nos setores de iluminação e eletrônicos.
Ele também pode ser usado como elemento de aquecimento de forno de resistência de alta temperatura. O termopar composto de tungstênio e liga de tungstênio-rênio (26%) pode medir a temperatura desde a temperatura ambiente até 2835°C.
O disseleneto de tungstênio pode ser usado como lubrificante para rolamentos de lubrificação sênior, com uma faixa de temperatura de lubrificação de -217°C a 350°C. Os pigmentos compostos de tungstênio têm brilho intenso e durabilidade.
As ligas especiais com tungstênio como componente principal incluem:
A fabricação de ligas de tungstênio de alta densidade à base de tungstênio tornou-se um importante campo de aplicação do tungstênio.
Ao adicionar níquel, ferro, cobre e uma pequena quantidade de outros elementos ao pó de tungstênio ao mesmo tempo, usando a tecnologia de sinterização em fase líquida, é possível produzir uma liga de tungstênio de alta densidade.
Dependendo da composição, as ligas de tungstênio de alta densidade podem ser divididas em dois sistemas de liga: tungstênio-níquel-ferro e tungstênio-níquel-cobre.
Sua densidade pode chegar a 17-18,6 g/cm3 por meio da sinterização em fase líquida. A sinterização em fase líquida refere-se ao processo de sinterização no qual há uma certa quantidade de fase líquida na temperatura de sinterização quando o pó misturado é prensado e formado.
Sua vantagem é que a fase líquida molha as partículas da fase sólida e dissolve uma pequena quantidade de matéria sólida, acelerando muito o processo de densificação e crescimento de grãos e alcançando uma densidade relativa extremamente alta.
Por exemplo, no caso do pó de níquel-ferro comumente usado na sinterização em fase líquida, o pó de níquel-ferro derrete durante a sinterização. Embora a solubilidade do tungstênio em estado sólido (95% por volume) no níquel-ferro em estado líquido seja extremamente baixa, o tungstênio em estado sólido é fácil de dissolver no níquel-ferro em estado líquido.
Quando o níquel-ferro líquido molha as partículas de tungstênio e dissolve parte do pó de tungstênio, o formato das partículas de tungstênio muda, e seus poros internos desaparecem imediatamente quando o líquido flui.
O processo continua, e as partículas de tungstênio continuam a se tornar mais grossas e a crescer até produzirem um produto final com densidade de quase 100% e microestrutura ideal.
A liga de tungstênio de alta densidade feita por sinterização em fase líquida não só tem maior densidade do que o tungstênio puro, mas também melhor desempenho de resistência ao impacto. Sua principal aplicação é a fabricação de balas militares perfurantes de alta penetração.
Ligas resistentes ao calor e ao desgaste, como o metal mais refratário, o tungstênio é um dos componentes de muitas ligas resistentes ao calor.
Por exemplo, uma liga composta de 3-15% de tungstênio, 25-35% de cromo, 45-65% de cobalto e 0,5-2,75% de carbono é usada principalmente para peças altamente resistentes ao desgaste, como válvulas em motores de aviação, peças de trabalho de matrizes de estampagem a quente, impulsores de turbina, equipamentos de escavação e revestimentos de superfície de arados.
Na tecnologia aeroespacial e de foguetes, bem como em outros setores que exigem alta resistência térmica de peças de máquinas, motores e alguns instrumentos, o tungstênio e as ligas com outros metais refratários (tântalo, nióbio, molibdênio, rênio) são usados como materiais resistentes ao calor.
Atualmente, existem de 35 a 40 marcas conhecidas de superligas usadas, muitas das quais têm o tungstênio como um de seus principais componentes (consulte a tabela).
| 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 tungstênio nessas ligas varia de um mínimo de 0,6% a um máximo de 15% e, embora não ocupe uma grande proporção, a demanda por elas em aplicações de engenharia de alta temperatura, como o setor aeroespacial e as usinas de energia térmica, é significativa.
Estima-se que, globalmente, mais de dois terços das superligas sejam usadas no setor aeroespacial, com um sétimo usado em usinas nucleares e de turbinas a gás e outro sétimo usado em operações e transporte marítimos.
As ligas duras à base de carbeto de tungstênio têm alta dureza, resistência ao desgaste e propriedades refratárias.
Essas ligas contêm carboneto de tungstênio de 85% a 95% e cobalto de 5% a 14%, que atua como um metal agente de ligação, proporcionando a resistência necessária à liga.
Eles são usados principalmente em certas ligas para o processamento de aço, contendo também titâniotântalo e carbetos de nióbio.
Todas essas ligas são fabricadas por meio de processos de metalurgia do pó. Quando aquecidas a 1000-1100 ℃, elas ainda mantêm alta dureza e resistência ao desgaste.
A velocidade de corte de liga dura A velocidade de corte das ferramentas de corte excede em muito a velocidade de corte até mesmo das melhores ferramentas de corte de aço para ferramentas. As ligas duras são usadas principalmente em ferramentas de corte, ferramentas de mineração, matrizes de trefilação, etc.
O carboneto de tungstênio pode manter uma boa dureza mesmo em temperaturas acima de 1000 ℃, o que o torna uma ferramenta ideal para corte e esmerilhamento.
O pó de tungstênio (ou W03) é misturado com negro de fumo e, em seguida, cementado a uma determinada temperatura em hidrogênio ou vácuo para produzir carbeto de tungstênio (WC).
O WC é então misturado com um agente de ligação de metal, o cobalto, em uma proporção específica.
Após a pulverização, a moldagem, a sinterização e outros processos, os produtos de liga dura, como ferramentas de corte, moldes, rolos e rochas de impacto perfuração bits são produzidos.
As ligas duras à base de carbeto de tungstênio usadas atualmente podem ser divididas em quatro categorias: carbeto de tungstênio-cobalto, carbeto de tungstênio-titânio-cobalto, carbeto de tungstênio-titânio-tântalo (nióbio)-cobalto e ligas duras com ligação de aço.
Das cerca de 50.000 toneladas de tungstênio consumidas globalmente a cada ano, as ligas duras à base de carboneto de tungstênio respondem por aproximadamente 63%.
De acordo com relatórios recentes, a produção global total de ligas duras é de cerca de 33.000 toneladas por ano, consumindo de 50% a 55% do suprimento total de tungstênio.
O tungstênio e suas ligas são amplamente utilizados nos setores de eletrônicos e de fontes de luz elétrica.
O filamento de tungstênio com desempenho antiesmagamento é usado para fabricar várias lâmpadas e filamentos de tubos eletrônicos.
O filamento de tungstênio dopado com rênio é utilizado para fabricar termopares com uma ampla faixa de medição de temperatura (0-2500 ℃), boa relação linear entre temperatura e potencial termoelétrico, resposta rápida à temperatura (3 segundos) e custo relativamente baixo, o que o torna um termopar ideal para medições em uma atmosfera de hidrogênio.
Aproveitando o alto ponto de fusão do tungstênio sem comprometer sua integridade mecânica, ele se torna um tipo de fonte de emissão de íons térmicos para eletrônicos, como fontes de elétrons para microscópios eletrônicos de varredura e microscópios eletrônicos de transmissão.
Ele também é usado como filamento em tubos de raios X.
Nos tubos de raios X, os elétrons gerados pelo filamento de tungstênio são acelerados para colidir com os ânodos de tungstênio e de liga de tungstênio-rênio, emitindo raios X a partir do ânodo.
A energia do feixe de elétrons produzido pelo filamento de tungstênio deve ser extremamente alta para gerar raios X, de modo que os pontos da superfície atingidos pelo feixe de elétrons ficam muito quentes.
Portanto, os ânodos rotativos são usados na maioria dos tubos de raios X. Os filamentos de tungstênio de grande porte também são usados como elementos de aquecimento em fornos a vácuo.
No setor de eletrônicos, especialmente na fabricação de circuitos integrados, a tecnologia de formação de filmes em substratos usando a deposição de vapor químico (CVD) é um processo completamente diferente da produção de materiais a granel de tungstênio (materiais em bloco) usando a tecnologia de metalurgia do pó.
A fonte de tungstênio mais comum usada no processo de deposição CVD é o hexafluoreto de tungstênio (WF6).
O WF6 é um líquido em temperatura ambiente, mas quando flui com gás hidrogênio sobre a peça a ser revestida, ele se combina com o gás devido à sua pressão de vapor extremamente alta e se deposita seletivamente na superfície da peça a cerca de 300°C por meio da reação de WF6+3H2→W+6HF.
As vias de tungstênio formadas por deposição em circuitos integrados podem ser conectadas a outro fio horizontal na placa de circuito como pequenos plugues de metal.
O diâmetro desses pequenos plugues 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 maneira de preencher canais e purificar superfícies que não exigem tungstênio.
O tungstênio, um material usado na iluminação elétrica a vácuo, está disponível na forma de fio de tungstênio, fita de tungstênio e vários componentes forjados para a produção de tubos de elétrons, rádio-eletrônicos e tecnologia de raios X.
O tungstênio é o melhor material para a fabricação de filamentos de tecido branco e filamentos em espiral. Sua alta temperatura de operação (2200-2500°C) garante alta eficiência luminosa, enquanto sua baixa taxa de evaporação garante longa vida útil do filamento.
O fio de tungstênio é usado para fabricar cátodos com aquecimento direto e eletrodos de grade para tubos de oscilação eletrônica, cátodos para retificadores de alta tensão, aquecedores de cátodo auxiliares em vários instrumentos eletrônicos.
O tungstênio também é usado como ânodo e cátodo para tubos de raios X e tubos de descarga de gás, além de contatos para equipamentos de rádio e eletrodos para pistolas de soldagem de hidrogênio atômico.
O fio de tungstênio e as hastes de tungstênio são usados como elementos de aquecimento para fornos de alta temperatura (até 3000°C). Os aquecedores de tungstênio podem operar em atmosferas de hidrogênio, atmosferas inertes ou vácuos.
Outras aplicações do tungstênio incluem seus compostos, que podem ser usados como catalisadores no setor petroquímico e como retardadores de chama, mordentes, pigmentos, corantes, materiais fluorescentes, tintas decorativas e lubrificantes sólidos nos setores têxtil e de plásticos.
O tungstato de sódio é usado 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 d'água, misturando-os com sulfato de amônio e fosfato de amônio.
Também é usado na fabricação de tungstênio metálico, ácido túngstico e sais de tungstato, além de 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 no setor químico.
O dissulfeto de tungstênio é usado como lubrificante sólido e catalisador em síntese orgânica, como na produção de gasolina sintética.
As ligas de tungstênio-cobre (10%-40% cobre) e tungstênio-prata fabricadas por metalurgia do pó são excelentes materiais de contato devido à sua boa condutividade elétrica, condutividade térmica e resistência ao desgaste.
Eles são comumente usados na fabricação de peças de trabalho, como contatos de interruptores, disjuntores e eletrodos de solda a ponto.
Ligas de alta densidade contendo 90%-95% de tungstênio, 1%-6% de níquel e 1%-4% de cobre, bem como ligas que usam ferro em vez de cobre (~5%), são usadas para fabricar rotores de giroscópios, pesos de equilíbrio para aeronaves e superfícies de controle, escudos de radiação e cestas de materiais.
Em resumo, o tungstênio, seja usado como elemento de liga, carboneto de tungstênio ou em sua forma metálica ou composta, é um material importante e indispensável em vários setores da economia nacional e da tecnologia de ponta, incluindo os setores de aço, maquinário, mineração, petróleo, foguetes, aeroespacial e eletrônico.
A China tem as maiores reservas totais de tungstênio do mundo.
As minas de tungstênio em Pangushan, Xihuashan e Dajishan, na província de Jiangxi, são as maiores regiões produtoras de tungstênio do mundo.
As minas de tungstênio em províncias como Hunan, Guangxi e Guangdong também têm reservas abundantes.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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