Carbonato de tungsteno | |||
__ W 4+ __ C 4– Estructura cristalina de carburo de tungsteno hexagonal (α-WC) |
|||
Identificación | |||
---|---|---|---|
N o CAS | |||
N o ECHA | 100,031,918 | ||
N o CE | 235-123-0 | ||
N o RTECS | YO7250000 | ||
PubChem | 2724274 | ||
CHEBI | 82283 | ||
Apariencia | Gris cristalizado sólido | ||
Propiedades químicas | |||
Fórmula bruta | WC | ||
Masa molar | 195,85 ± 0,01 g / mol C 6,13%, W 93,87%, |
||
Propiedades físicas | |||
T ° fusión |
2.785 ° C 2.867 ° C |
||
T ° hirviendo | 6000 ° C | ||
Densidad | 15,63 g · cm -3 a 20 ° C | ||
Precauciones | |||
SGH | |||
Atención H228, P210, P240, P241, P280, P370 + P378, H228 : Matière solide inflammable P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P240 : Mise à la terre/liaison équipotentielle du récipient et du matériel de réception. P241 : Utiliser du matériel électrique/de ventilation/d’éclairage/…/antidéflagrant. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P370+P378 : En cas d’incendie : utiliser … pour l’extinction. |
|||
WHMIS | |||
B4, D2A, |
|||
NFPA 704 | |||
2 1 1 | |||
Transporte | |||
40 : matière solide inflammable ou matière autoréactive ou matière autoéchauffante Numéro ONU : 3178 : SOLIDE INORGANIQUE INFLAMMABLE, N.S.A. Classe : 4.1 Étiquette : 4.1 : Matières solides inflammables, matières autoréactives et matières solides explosibles désensibilisées Emballage : Groupe d'emballage III : matières faiblement dangereuses. |
|||
Unidades de SI y STP a menos que se indique lo contrario. | |||
El carburo de tungsteno es un compuesto químico de fórmula WC. Es un ultra-duro refractario de cerámica , con una rigidez aproximadamente el doble de la de acero y un módulo de Young de aproximadamente 530 a 700 GPa . Su densidad también es el doble que la del acero, intermedia entre la del plomo y el oro . Su dureza es comparable a la del corindón α-Al 2 O 3 , y solo se puede pulir con los abrasivos más duros, como el nitruro de boro cúbico y el diamante .
Generalmente se comercializa en forma de un polvo gris muy inflamable a partir del cual se producen piezas sólidas de carburo de tungsteno por sinterización .
El carburo de tungsteno tiene un punto de fusión de aproximadamente 2870 ° C y un punto de ebullición de aproximadamente 6000 ° C a presión atmosférica . Su conductividad térmica es de 110 W · m -1 · K -1 y su coeficiente de expansión térmica es de 5,5 μm · m -1 · K -1 .
Es un material muy duro , con una dureza Vickers de alrededor de 2.600 y 9 en la escala de Mohs . Tiene un módulo de Young de aproximadamente 530 a 700 GPa , un módulo de incompresibilidad de 630 a 655 GPa , un módulo de corte de 274 GPa , una resistencia a la tracción de 344 MPa , una resistencia a la compresión de 2, 7 GPa y una relación de Poisson de 0,31.
La baja resistividad eléctrica del carburo de tungsteno, alrededor de 0,2 µΩ · m , es comparable a la de ciertos metales como el vanadio .
Hay dos polimorfos de carburo de tungsteno. La forma hexagonal , denominada alfa (α-WC), es estable a temperatura ambiente y pertenece al grupo espacial P 6 m 2 ( n o 187, símbolo Pearson hP 2). Los átomos de tungsteno se apilan uno encima del otro para formar capas hexagonales entre las cuales los átomos de carbono llenan la mitad de los intersticios, lo que le da al conjunto una estructura trigonal prismática regular donde los metales de carbono tienen una coordinación de 6. Es posible deducir la longitud de los enlaces en el cristal de la red cristalina , que da 291 µm entre átomos de tungsteno en capas hexagonales, 284 µm mínimo entre átomos de tungsteno en capas adyacentes y 220 µm para el enlace tungsteno-carbono. Este último es similar al de 218 μm observado en hexametiltungsteno W (CH 3 ) 6, que exhibe una geometría prismática trigonal muy distorsionada.
También existe una forma cúbica , denominada beta (β-WC), estable a alta temperatura, que tiene una estructura cristalina del tipo halita .
La molécula de WC existe en estado gaseoso y exhibe una longitud de enlace medida a 171 µm para 184 W 12 C.
Hay dos compuestos de tungsteno y carbono bien caracterizados: carburo de tungsteno WC y semicarbon de tungsteno W 2 C.. Ambos compuestos pueden estar presentes como revestimientos y su proporción puede depender del método de deposición.
El carburo de tungsteno se descompone en tungsteno y carbono a alta temperatura, y esto puede ocurrir cuando se pulveriza a alta temperatura, por ejemplo, mediante los métodos HVOF y HEP .
El carburo de tungsteno comienza a oxidarse a partir de 500 a 600 ° C . Es resistente a los ácidos y solo es atacado por mezclas de ácido fluorhídrico HF y ácido nítrico HNO 3caliente. Reacciona con flúor F 2a temperatura ambiente y con cloro Cl 2por encima de 400 ° C . Permanece químicamente inerte frente al hidrógeno H 2secar hasta su punto de fusión. Los polvos de carburo de tungsteno finamente divididos se oxidan rápidamente en soluciones de peróxido de hidrógeno H 2 O 2. A altas temperaturas y presiones, reacciona con el carbonato de calcio CaCO 3para formar tungstato de sodio Na 2 WO 4, proceso utilizado para el reciclaje de residuos de carburo cementado .
El carburo de tungsteno en polvo se puede obtener haciendo reaccionar una mezcla de polvos de tungsteno y negro de humo o grafito a una temperatura de 1400 a 2000 ° C al vacío o en una atmósfera de hidrógeno:
W + C ⟶ WC.Para obtener bloques de WC, calentando una mezcla de tungsteno-carbono en un tubo de carbono o un horno de alta frecuencia a aproximadamente 2800 ° C .
La producción generalmente comienza a partir de mineral de tungsteno, desechos de tungsteno, scheelita , ácido túngstico H 2 WO 4o paratungstato de amonio (NH 4 ) 10 (H 2 W 12 O 42 ) 4H 2 O. Existen varios métodos para la producción de polvos de carburo de tungsteno. Por ejemplo, el polvo de ácido túngstico se reduce a tungsteno a 750 ° C mediante hidrógeno . Las partículas de metales se cementan a 1400 ° C . Este método se utiliza para polvos finos con un tamaño medio de partícula de 1 μm :
H 2 WO 4+ 3 H 2⟶ W + 4 H 2 O ; W + C ⟶ WC.Los óxidos de tungsteno (1), ácido túngstico (2), paratungstato de amonio (3) y scheelita (4) también se pueden combinar con carbono directamente:
(1) WO 3+ 4 C ⟶ WC + 3 CO ; (2) H 2 WO 4+ 4 C ⟶ WC + 3 CO + H 2 O ; (3) (NH 4 ) 10 W 12 O 41 ⋅5H 2 O+ 48 C ⟶ 12 WC + 10 NH 3+ 10 H 2 O+ 36 CO ; (4) CaWO 4+ 4 C ⟶ WC + CaO + 3 CO .Tungsteno y óxido de tungsteno (IV) WO 2también se puede combinar con carbono con gases como monóxido de carbono CO y metano CH 4 :
WO 2+ CH 4⟶ WC + 2 H 2 O.Se puede formar carburo de tungsteno muy fino haciendo reaccionar tungsteno o residuos de tungsteno con cloro Cl 2, luego por reducción con hidrógeno H 2, y finalmente por tratamiento con carbono:
W + 3 Cl 2⟶ WCl 6 ; WCl 6+ 3 H 2⟶ W + 6 HCl ; W + C ⟶ WC.Las herramientas de corte sinterizadas de carburo de tungsteno-cobalto son muy resistentes a la abrasión y también pueden soportar temperaturas más altas que las herramientas estándar de acero de alta velocidad . A menudo se utilizan en el mecanizado de materiales resistentes tales como acero al carbono y acero inoxidable , así como en aplicaciones en las herramientas en acero s' se desgastan rápidamente. Dado que las herramientas de carburo de tungsteno retienen un filo mejor que las de acero, generalmente producen piezas con un mejor acabado, mientras que su resistencia a las altas temperaturas permite un mecanizado más rápido. Este material se denomina generalmente carburo cementado o carburo de tungsteno-cobalto. Es un compuesto de matriz metálica tipo cermet en el que la matriz es de cobalto y el refuerzo es de carburo de tungsteno. Este material se encuentra en diversas herramientas como sierras , taladros , cortadores y, en general, herramientas de torno .
El carburo de tungsteno se usa en algunas municiones antitanque , especialmente como una alternativa al uso de uranio empobrecido , pero también se pueden usar otras aleaciones de tungsteno para esto. Carburo de tungsteno y semicarbon W 2 Cson perforadores efectivos utilizados en particular por los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial debido a su gran dureza y su altísima densidad . En la munición actual, el carburo de tungsteno se puede usar en forma monolítica sinterizada , pero se usa más a menudo en forma de carburo cementado ( carburo de tungsteno- cermet de cobalto).
El carburo de tungsteno se usa ampliamente en equipos de perforación minera como martillos de fondo , varios tipos de brocas que se usan en la industria del petróleo , máquinas de perforación de túneles y herramientas que se usan en la minería de carbón de corte largo . El carburo generalmente se monta como insertos en una pieza de acero que forma la masa de la herramienta: a medida que los insertos se desgastan, exponen más acero, que a su vez se desgasta, al exponer otros insertos de carburo, que se apoderan del pozo.
Los taladros de carburo de tungsteno también se utilizaron en la Luna , por ejemplo, en la misión Apolo 17 .
El carburo de tungsteno también es un reflector de neutrones eficaz y, por lo tanto, se utilizó en las primeras implementaciones de reacciones en cadena , especialmente en las primeras armas nucleares . Por lo tanto, se utilizó un disco de carburo de tungsteno como reflector de neutrones en la bomba nuclear Little Boy utilizada para el bombardeo de Hiroshima .
Un accidente de criticidad se produjo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en 21 de agosto 1945 durante un error en el manejo de los ladrillos de carburo de tungsteno utilizados como reflectores de neutrones alrededor de un grado militar plutonio esfera , lo que resulta en 25 días después de la muerte de Harry Daghlian Jr. , a continuación, un investigador del proyecto Manhattan , tras un síndrome de radiación aguda .
El carburo de tungsteno, generalmente en forma de carburo cementado , en ocasiones se elige como material para anillos y alianzas debido a su gran dureza y especial resistencia al rayado. Es aproximadamente diez veces más duro que el oro de 18 caracteres y se necesitan herramientas especiales para quitar los casquillos de carburo de tungsteno en una emergencia, por ejemplo, después de una lesión en la mano acompañada de hinchazón.
Los bastones de trekking, utilizados por muchos excursionistas para mantener el equilibrio y reducir la tensión en las articulaciones de las piernas, suelen utilizar puntas de carburo cementado para ganar tracción cuando se colocan sobre superficies duras, como rocas. Las puntas de carburo duran mucho más que otros tipos de puntas.
Se pueden insertar puntas afiladas de carburo en las pistas de conducción de las motos de nieve . Estos tacos mejoran la tracción en superficies heladas. Los segmentos más largos en forma de V encajan en varillas ranuradas llamadas varillas de desgaste debajo de cada esquí de motonieve. Los bordes de carburo relativamente afilados mejoran la dirección en superficies heladas más duras. Las puntas y segmentos de carburo reducen el desgaste que se produce cuando la moto de nieve tiene que atravesar carreteras y otras superficies abrasivas.
Los tacos de carburo de tungsteno en neumáticos para nieve de automóviles, motocicletas y bicicletas, destinados a proporcionar agarre en el hielo, ofrecen una mejor resistencia al desgaste que los picos de acero . Asimismo, el carburo de tungsteno se puede utilizar en la fabricación de caballos para mejorar la adherencia del hierro en superficies resbaladizas como carreteras o hielo.
La investigación se ha centrado en el uso de carburo de tungsteno como catalizador , destacando analogías con el platino al catalizar la producción de agua a partir de hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente, la reducción del trióxido de tungsteno WO 3por hidrógeno en presencia de agua, la isomerización de 2,2-dimetilpropano (neopentano C (CH 3 ) 4) a 2-metilbutano (isobutano CH 3 CH 2 CH (CH 3 ) 2).
Se ha propuesto el carburo de tungsteno como sustituto del iridio como catalizador para la descomposición de la hidrazina N 2 H 2.en micropropulsores de satélites de telecomunicaciones.
En la construcción, este material se utiliza en particular en la reparación de carreteras con cepilladoras de pavimentos : la cepilladora de picos está equipada con rotores de alta resistencia plantados con puntas de carburo de tungsteno que giran a alta velocidad, las puntas muy duras atacan el pavimento.
Está presente como inserto al final de los puntos de trazado de calidad que utilizan los caldereros para trazar sobre chapa y los alicatadores para marcar el corte de las baldosas de barro.
Debido a su muy alta estabilidad (evidenciada por su densidad y resistencia mecánica), el carburo de tungsteno es muy difícil de reciclar. Sin embargo, es posible hacerlo gracias al "proceso de zinc" que permite separar los componentes y, por lo tanto, encontrar polvo de tungsteno y polvo de carbón . Este proceso requiere una gran cantidad de energía y, por tanto, es muy caro.
El otro problema con el carburo de tungsteno es su toxicidad, las herramientas de carburo de tungsteno a menudo contienen cobalto (que actúa como aglutinante, hasta un pequeño porcentaje). Ésta, dañina para el cuerpo humano, puede estar presente en micropartículas de carburo inhaladas y permanecer durante mucho tiempo en el sistema respiratorio, lo que implica toxicidad a largo plazo y riesgos de cáncer. Los estudios demuestran que es incluso más peligroso que el cobalto desarmado .