Carburo di tungsteno: differenze tra le versioni

Carburo di tungsteno
	Cella unitaria della forma alfa del carburo di tungsteno
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	WC
Massa molecolare (u)	195,86
Aspetto	solido grigio-nero lucente
Numero CAS	12070-12-1
Numero EINECS	235-123-0
PubChem	2724274
SMILES	[C-]#[W+]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	15,63
Solubilità in acqua	praticamente insolubile
Temperatura di fusione	2 785 °C (3 058 K)
Temperatura di ebollizione	6 000 °C (6 273 K)
Indicazioni di sicurezza
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Il carburo di tungsteno è il carburo inorganico con formula WC. In condizioni normali questo composto si presenta come una polvere inodore grigio-nera, usata industrialmente per sinterizzare carburi cementati. Questi materiali sono tra le più dure sostanze note^[2]^[3] e vengono impiegati in macchinari industriali, utensili da taglio, abrasivi, altri strumenti e attrezzi, proiettili e gioielli. Tungsteno e carbonio possono formare anche il subcarburo W₂C e altre fasi non stechiometriche.

Cenni storici

Il carburo di tungsteno fu ottenuto per la prima volta da Henri Moissan nel 1893 facendo reagire acido tungstico e carbone nel suo forno ad arco elettrico.^[4] La produzione industriale di utensili basati sul carburo di tungsteno iniziò circa venti anni dopo^[3] e il primo brevetto fu rilasciato nel 1925.^[5]

Sintesi

Il carburo di tungsteno si prepara principalmente tramite carburizzazione, facendo reagire tungsteno metallico con nerofumo o grafite a 1400–2000 ºC, in atmosfera di idrogeno o sotto vuoto. La dimensione dei grani nel prodotto finale dipende sia dalle condizioni utilizzate che dal materiale di partenza (acido tungstico o paratungstato d'ammonio) usato per ottenere il tungsteno metallico.^[6]^[7]

Altri processi di minore importanza includono la reazione di WO₃ e carbonio,^[8] e processi gas-solido, dove il carbonio è fornito da monossido di carbonio o metano.^[6]

Sono stati descritti anche metodi tramite deposizione chimica da vapore a partire da WCl₆ e WF₆:^[9]

WCl₆ + H₂ + CH₄ → WC + 6 HCl

WF₆ + 2 H₂ + CH₃OH → WC + 6 HF + H₂O

Struttura

La struttura cristallina più comune del carburo di tungsteno WC è quella esagonale presente a temperatura ambiente, denominata α-WC: gruppo spaziale P6m2, con costanti di reticolo a = Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. e c = Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido..^[6] Questa forma esagonale può essere visualizzata come strati di reticoli esagonali semplici di atomi di tungsteno tra loro sovrapposti (cioè non con impacchettamento compatto), mentre gli atomi di carbonio occupano metà degli interstizi in modo che sia tungsteno che carbonio abbiano una coordinazione 6 a prisma trigonale.^[10]

A temperatura più elevata WC dà luogo ad altre forme cristalline stabili. Anche il subcarburo W₂C esiste in varie modificazioni strutturali.^[3]

Proprietà fisiche

Il carburo di tungsteno ha un punto di fusione di 2 785 °C (3 058 K)^[1] una conducibilità termica di 121 W·m⁻¹·K⁻¹^[6] e un coefficiente di espansione termica di 5,2x10⁻⁶ K⁻¹.^[6]

Il carburo di tungsteno è un materiale estremamente duro, situandosi a circa 9 nella Scala di Mohs e a circa 2600 nella Scala Vickers.^[11] Ha un modulo di Young di circa 700 GPa,^[6] un modulo di compressibilità di 630–655 GPa^[3] e un modulo di taglio di 274 GPa.^[3]

Dal punto di vista dell'utilizzo nei carburi cementati le proprietà fisiche più rilevanti di WC sono durezza, modulo di Young e coefficiente di espansione termica, nonché la dimensione dei grani del materiale.^[3]^[6]

Reattività

Il carburo di tungsteno si presenta come una polvere di colore grigio con lucentezza metallica, praticamente insolubile in acqua e in acidi diluiti, ma solubile in miscele di acido nitrico e acido fluoridrico.^[6] In soluzione acquosa viene ossidato facilmente dal perossido di idrogeno.^[12] WC solido viene attaccato dal fluoro a temperatura ambiente e dal cloro sopra i 400 ºC. All'aria si ossida sopra i 600 ºC.^[6]

Applicazioni

Il carburo di tungsteno è troppo fragile e richiede temperature di sinterizzazione troppo elevate per essere usato puro.^[3] Per usi pratici lo si unisce a metalli di transizione, principalmente cobalto o nichel lavorandolo a partire da polveri, con tecniche di sinterizzazione a temperature intorno ai 1200–1500 ºC. Il composto che ne deriva è un materiale ceramico-metallico denominato carburo cementato, metallo duro o widia (dal tedesco wie diamant, come il diamante, per la sua particolare caratteristica di durezza). Circa il 50% dei carburi cementati sono prodotti con carburo di tungsteno e cobalto, e contengono il 70-95% di WC.^[6]

Per ottenere del metallo duro possono essere aggiunti anche altri elementi come cromo o tantalio, allo scopo di evitare la crescita dei grani di carburo, fungendo da inibitori. Le polveri di carburo di tungsteno e del metallo subiscono tre passaggi:

Macinazione, per mescolare tra di loro polveri di diversa qualità e creare una miscela omogenea di polveri.
Riscaldamento a 100 °C con aggiunta di legante (cobalto) per formare una massa solida grazie all'unione dei granelli.
Sinterizzazione tra 1200 e 1600 °C, per consentire al cobalto di fondere, saldare i grani ed eliminare le porosità.

Tossicità / Indicazioni di sicurezza

Il carburo di tungsteno solido non è considerato pericoloso secondo il regolamento CLP. Rischi per la salute sono legati all'inalazione di polveri che possono provocare fibrosi ai polmoni. I dati disponibili suggeriscono che il danno sia dovuto principalmente al cobalto presente nel carburo cementato.^[1]

Note

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f GESTIS 2018
^ Housecroft e Sharpe 2008
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Kurlov e Gusev 2013
^ Moissan 1893
^ Schröter e Jenssen 1925
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j Tulhoff e Stark 2002
^ Lengauer e Eder 2006
^ Lassner e Schubert 2002
^ Pierson 1992
^ Wells 2012
^ Groover 2010, p. 56
^ Nakajima et al. 1999

Bibliografia

GESTIS, Tungsten carbide, su gestis-en.itrust.de, 2018. URL consultato il 5 settembre 2018. Pagina del carburo di tungsteno nel data base GESTIS.
(EN) M. P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, 4ª ed., John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0470-467008.
(EN) C. E. Housecroft e A. G. Sharpe, Inorganic chemistry, 3ª ed., Harlow (England), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6.
(EN) A. S. Kurlov e A. I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Cham, Springer, 2013, ISBN 978-3-319-00524-9.
(FR) H. Moissan, Préparation au four électrique de quelches métaux réfractares: tungstène, molybdène, vanadium, in Compt. Rend., vol. 116, 1893, pp. 1125-1227.
(EN) E. Lassner e W.-D. Schubert, Tungsten, Tungsten Alloys, and Tungsten Compounds, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2002, DOI:10.1002/14356007.a27_229.
(EN) W. Lengauer e A. Eder, Carbides: Transition Metal Solid-state Chemistry, in Encyclopedia of Inorganic Chemistry, 2ª ed., John Wiley & Sons, 2006, DOI:10.1002/9781119951438.eibc0032.pub2, ISBN 9780470862100.
(EN) H. Nakajima, T. Kudo e N. Mizuno, Reaction of Metal, Carbide, and Nitride of Tungsten with Hydrogen Peroxide Characterized by ¹⁸³W Nuclear Magnetic Resonance and Raman Spectroscopy, in Chem. Mater., vol. 11, n. 3, 1999, pp. 691–697, DOI:10.1021/cm980544o.
(EN) H. O. Pierson, Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications, Noyes, 1992, ISBN 0-8155-1300-3.
(EN) K. Schröter e W. Jenssen, Tool and die (PDF), in U.S. Patent, 1,551,333., brevettato il 25 agosto 1925.
(EN) H. Tulhoff e H. C. Stark, Carbides, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2002, DOI:10.1002/14356007.a05_061.
(EN) A. F. Wells, Structural Inorganic Chemistry, 5ª ed., Oxford University Press, 2012, ISBN 0199657637.

Altri progetti

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Portale Chimica

Portale Materiali

[GESTIS-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f GESTIS 2018

[Hou08-2] Housecroft e Sharpe 2008

[Kur13-3] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Kurlov e Gusev 2013

[4] Moissan 1893

[5] Schröter e Jenssen 1925

[Tul02-6] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j Tulhoff e Stark 2002

[Len06-7] Lengauer e Eder 2006

[Las02-8] Lassner e Schubert 2002

[9] Pierson 1992

[10] Wells 2012

[11] Groover 2010, p. 56

[12] Nakajima et al. 1999

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-Il '''carburo di tungsteno''' è un composto inorganico ampiamente utilizzato nell'industria e le sue caratteristiche vengono sfruttate in vari settori.
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+Il '''carburo di tungsteno''' è il [[Carburi|carburo]] [[composto inorganico|inorganico]] con [[Formula chimica|formula]] WC. In [[condizioni normali]] questo composto si presenta come una polvere inodore grigio-nera, usata industrialmente per [[Sinterizzazione|sinterizzare]] [[Widia|carburi cementati]]. Questi materiali sono tra le più dure sostanze note<ref name=Hou08>{{Cita|Housecroft e Sharpe 2008 ||Hou08}}</ref><ref name=Kur13>{{Cita|Kurlov e Gusev 2013 ||Kur13 }}</ref> e vengono impiegati in macchinari industriali, [[Materiali per utensili da taglio|utensili da taglio]], [[abrasivi]], altri strumenti e attrezzi, [[Proiettile perforante|proiettili]] e [[Gioielleria|gioielli]]. [[Tungsteno]] e [[carbonio]] possono formare anche il subcarburo W<sub>2</sub>C e altre fasi non stechiometriche.
-Per ottenere del metallo duro vengono aggiunti anche altri elementi come il [[cromo]] o il [[tantalio]], allo scopo di evitare la crescita dei grani di carburo, fungendo da inibitori.
+== Cenni storici ==
+Il carburo di tungsteno fu ottenuto per la prima volta da [[Henri Moissan]] nel 1893 facendo reagire [[acido tungstico]] e carbone nel suo forno ad arco elettrico.<ref>{{Cita|Moissan 1893||Moi93 }}</ref> La produzione industriale di utensili basati sul carburo di tungsteno iniziò circa venti anni dopo<ref name=Kur13/> e il primo brevetto fu rilasciato nel 1925.<ref>{{Cita|Schröter e Jenssen 1925||Sch25 }}</ref>
+== Sintesi ==
+Il carburo di tungsteno si prepara principalmente tramite carburizzazione, facendo reagire tungsteno metallico con [[nerofumo]] o [[grafite]] a 1400–2000&nbsp;ºC, in atmosfera di idrogeno o sotto vuoto. La dimensione dei grani nel prodotto finale dipende sia dalle condizioni utilizzate che dal materiale di partenza ([[acido tungstico]] o [[paratungstato d'ammonio]]) usato per ottenere il tungsteno metallico.<ref name=Tul02>{{Cita|Tulhoff e Stark 2002 ||Tul02}}</ref><ref name=Len06>{{Cita|Lengauer e Eder 2006 ||Len06 }}</ref>
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+== Struttura ==
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+La struttura cristallina più comune del carburo di tungsteno WC è quella esagonale presente a temperatura ambiente, denominata α-WC: [[gruppo spaziale]] P{{overline|6}}m2, con [[costanti di reticolo]] a = {{M|291|p|m}} e c = {{M|284|p|m}}.<ref name=Tul02/> Questa forma esagonale può essere visualizzata come strati di reticoli esagonali semplici di atomi di tungsteno tra loro sovrapposti (cioè non con [[Impacchettamento compatto di sfere|impacchettamento compatto]]), mentre gli atomi di carbonio occupano metà degli interstizi in modo che sia tungsteno che carbonio abbiano una coordinazione 6 a prisma trigonale.<ref>{{Cita|Wells 2012 ||Wel12 }}</ref>
+A temperatura più elevata WC dà luogo ad altre forme cristalline stabili. Anche il subcarburo W<sub>2</sub>C esiste in varie modificazioni strutturali.<ref name=Kur13/>
+== Proprietà fisiche ==
+Il carburo di tungsteno ha un punto di fusione di {{converti|2785|°C|K|0}}<ref name=GESTIS/> una conducibilità termica di 121&nbsp;W·m<sup>−1</sup>·K<sup>−1</sup><ref name=Tul02/> e un coefficiente di espansione termica di 5,2x10<sup>−6</sup>&nbsp;K<sup>−1</sup>.<ref name=Tul02/>
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+Il carburo di tungsteno si presenta come una polvere di colore grigio con lucentezza metallica, praticamente insolubile in acqua e in acidi diluiti, ma solubile in miscele di [[acido nitrico]] e [[acido fluoridrico]].<ref name=Tul02/> In soluzione acquosa viene ossidato facilmente dal [[perossido di idrogeno]].<ref>{{Cita|Nakajima et al. 1999 ||Nak99 }}</ref> WC solido viene attaccato dal fluoro a temperatura ambiente e dal cloro sopra i 400&nbsp;ºC. All'aria si ossida sopra i 600&nbsp;ºC.<ref name=Tul02/>
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+[[File:Schneidplättchen aus Widia.jpg|thumb|Placchette di carburo di tungsteno cementato]]
+[[File:Drill bit 2-italy.JPG|thumb|Testa di un alesatore a rulli triconico, che mostra i gli inserti sporgenti in carburo cementato]]
+Il carburo di tungsteno è troppo fragile e richiede temperature di sinterizzazione troppo elevate per essere usato puro.<ref name=Kur13/> Per usi pratici lo si unisce a metalli di transizione, principalmente [[cobalto]] o [[nichel]] lavorandolo a partire da polveri, con tecniche di [[sinterizzazione]] a temperature intorno ai 1200–1500&nbsp;ºC. Il composto che ne deriva è un materiale ceramico-metallico denominato carburo cementato, metallo duro o [[widia]] (dal [[Lingua tedesca|tedesco]] ''wie diamant'', come il diamante, per la sua particolare caratteristica di durezza). Circa il 50% dei carburi cementati sono prodotti con carburo di tungsteno e cobalto, e contengono il 70-95% di WC.<ref name=Tul02/>
+Per ottenere del metallo duro possono essere aggiunti anche altri elementi come [[cromo]] o [[tantalio]], allo scopo di evitare la crescita dei grani di carburo, fungendo da inibitori.
 Le polveri di carburo di tungsteno e del metallo subiscono tre passaggi:
 # Macinazione, per mescolare tra di loro polveri di diversa qualità e creare una miscela omogenea di polveri.
 # Riscaldamento a 100&nbsp;°C con aggiunta di legante ([[cobalto]]) per formare una massa solida grazie all'unione dei granelli.
-# [[Sinterizzazione]] tra {{formatnum:1200}} e {{formatnum:1600}} °C, per consentire al cobalto di fondere, saldare i grani ed eliminare le [[porosità]].
+# [[Sinterizzazione]] tra 1200 e 1600 °C, per consentire al cobalto di fondere, saldare i grani ed eliminare le [[porosità]].
+== Tossicità / Indicazioni di sicurezza ==
-È facilmente ossidato dall'azione dell'[[perossido di idrogeno|acqua ossigenata]] che ne indebolisce notevolmente la resistenza meccanica.
+Il carburo di tungsteno solido non è considerato pericoloso secondo il [[regolamento CLP]]. Rischi per la salute sono legati all'inalazione di polveri che possono provocare [[fibrosi]] ai polmoni. I dati disponibili suggeriscono che il danno sia dovuto principalmente al cobalto presente nel carburo cementato.<ref name=GESTIS/>
 == Note ==
 <references/>
+== Bibliografia ==
+* {{cita web |autore= GESTIS |anno= 2018 |url= http://gestis-en.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_en/491085.xml?f=templates$fn=default.htm$3.0 |titolo= Tungsten carbide |opera= |editore= |accesso= 5 settembre 2018 |cid=GESTIS}} Pagina del carburo di tungsteno nel data base GESTIS.
+* {{Cita libro|autore = M. P. Groover |titolo = Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems |editore = John Wiley & Sons |città =  |anno = 2010 |ed =4 |lingua =inglese |url =https://books.google.it/books?id=QU-Qvud3OvoC&pg=PA56 |pp = |volume = |capitolo = |url_capitolo = |isbn = 978-0470-467008 |doi = |cid =Gro10 |citazione = }}
+* {{cita libro|cognome= C. E. Housecroft e A. G. Sharpe |titolo=Inorganic chemistry |ed=3 |anno=2008 |editore=Pearson Education Limited |città=Harlow (England) |lingua=inglese|isbn= 978-0-13-175553-6 |cid=Hou08 }}
+* {{Cita libro|autore = A. S. Kurlov |autore2= A. I. Gusev |titolo = Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals |editore = Springer |città = Cham |anno = 2013 |ed = |lingua =inglese |url =https://books.google.it/books?id=vcLBAAAAQBAJ&pg=PA6 |isbn = 978-3-319-00524-9 |doi = |cid = Kur13 |citazione = }}
+* {{cita pubblicazione |autore = H. Moissan |anno = 1893 |titolo = Préparation au four électrique de quelches métaux réfractares: tungstène, molybdène, vanadium |rivista = Compt. Rend. |volume = 116 |numero =  |pp = 1125-1227 |url =https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k30724/f1227.item |doi =  |cid =Moi93 |lingua=fr}}
+* {{cita libro|autore=E. Lassner |autore2= W.-D. Schubert |titolo=[[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]]|ed= |anno= 2002 |editore=Wiley-VCH |città=|lingua=inglese |doi=10.1002/14356007.a27_229 |capitolo= Tungsten, Tungsten Alloys, and Tungsten Compounds |cid=Las02}}
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+* {{cita pubblicazione |autore = H. Nakajima |autore2= T. Kudo |autore3= N. Mizuno |anno = 1999 |titolo = Reaction of Metal, Carbide, and Nitride of Tungsten with Hydrogen Peroxide Characterized by <sup>183</sup>W Nuclear Magnetic Resonance and Raman Spectroscopy |rivista = Chem. Mater. |volume = 11 |numero = 3 |pp = 691–697 |url = |doi = 10.1021/cm980544o |cid =Nak99 |lingua=en}}
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+* {{cita libro|autore=H. Tulhoff |autore2= H. C. Stark |titolo=[[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]]|ed= |anno= 2002 |editore=Wiley-VCH |città=|lingua=inglese |doi=10.1002/14356007.a05_061 |capitolo= Carbides |cid=Tul02}}
+* {{Cita libro|autore = A. F. Wells |titolo = Structural Inorganic Chemistry |editore = Oxford University Press |città =  |anno = 2012 |ed = 5 |lingua =inglese |url = |pp = |volume = |capitolo = |url_capitolo = |isbn = 0199657637 |doi = |cid =Wel12 |citazione = }}
 == Altri progetti ==

Carburo di tungsteno: differenze tra le versioni

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Cenni storici

Sintesi

Struttura

Proprietà fisiche

Reattività

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Carburo di tungsteno: differenze tra le versioni

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