Carburo di tungsteno
| Carburo di tungsteno | |
|---|---|
 | |
| Caratteristiche generali | |
| Formula bruta o molecolare | WC |
| Massa molecolare (u) | 195,86 |
| Aspetto | solido grigio-nero lucente |
| Numero CAS | numero CAS non valido |
| Numero EINECS | 235-123-0 |
| PubChem | 2724274 |
| SMILES | [C-]#[W+] |
| Proprietà chimico-fisiche | |
| Densità (g/cm3, in c.s.) | 15,63[1] |
| Solubilità in acqua | praticamente insolubile[1] |
| Temperatura di fusione | 2 785 °C (3 058 K)[1] |
| Temperatura di ebollizione | 6 000 °C (6 273 K)[1] |
| Indicazioni di sicurezza | |
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.
Storia
[modifica | modifica wikitesto]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
[modifica | modifica wikitesto]Il carburo di tungsteno si prepara principalmente tramite carburizzazione, facendo reagire tungsteno metallico con nerofumo o grafite a 1400–2000 °C, 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
[modifica | modifica wikitesto]
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 = 291 pm e c = 284 pm.[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
[modifica | modifica wikitesto]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 5,2×10−6 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
[modifica | modifica wikitesto]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
[modifica | modifica wikitesto]
Il carburo di tungsteno è troppo fragile e richiede temperature di fusione o 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
[modifica | modifica wikitesto]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
[modifica | modifica wikitesto]Bibliografia
[modifica | modifica wikitesto]- 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
[modifica | modifica wikitesto]
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Carburo di tungsteno
