Esplorando le proprietà, i gradi e gli usi industriali del carburo di tungsteno

Immagina un materiale più duro dell'acciaio, con una resistenza all'usura superiore all'acciaio super rapido, in grado di eseguire tagli ad alta velocità anche a temperature estreme. Questo è il carburo cementato, un materiale ingegneristico che gioca un ruolo fondamentale nell'industria moderna. Questo articolo approfondisce le caratteristiche, la classificazione e le diverse applicazioni di questi "denti industriali".

Cos'è il carburo cementato?

Il carburo cementato, come suggerisce il nome, è una lega composta principalmente da carburi metallici duri legati con metalli del gruppo del ferro. L'esempio più rappresentativo è la lega WC-Co, in cui il carburo di tungsteno (WC) funge da fase dura e il cobalto (Co) da legante. Il processo di fabbricazione prevede la miscelazione di polveri di WC e Co, seguita dalla sinterizzazione a 1400°C per formare un materiale con eccezionale durezza e modulo elastico. Il carburo cementato è secondo solo al diamante in termini di durezza, il che lo rende ideale per applicazioni che richiedono un'estrema resistenza all'usura, come utensili da taglio e stampi.

Carburo cementato vs. Acciaio super rapido: un confronto delle prestazioni

Nella lavorazione dei metalli, l'acciaio super rapido (HSS) e il carburo cementato sono due materiali per utensili comuni. Per comprendere meglio i vantaggi del carburo cementato, confrontiamo le loro proprietà:

La tabella rivela che il carburo cementato supera l'HSS in termini di durezza, modulo elastico, resistenza alla compressione, conducibilità termica e densità. Tuttavia, presenta un coefficiente di espansione termica, resistenza agli urti e tenacità alla frattura inferiori. Questo rende il carburo cementato più adatto per il taglio di precisione ad alta velocità, ma meno capace di resistere ai carichi da impatto.

Vantaggi del carburo cementato

• Eccezionale durezza e resistenza all'usura: La caratteristica più notevole del carburo cementato è la sua estrema durezza, seconda solo al diamante. Rispetto all'HSS e all'acciaio per utensili, offre una resistenza all'usura superiore, prolungando significativamente la durata di stampi, dispositivi e altri componenti, riducendo al contempo la frequenza di manutenzione.
• Eccezionale stabilità dimensionale: Grazie al suo elevato modulo elastico e alla resistenza alla compressione, il carburo cementato resiste alla deformazione, rendendolo ideale per la produzione di componenti di precisione che richiedono tolleranze ristrette.
• Riciclabilità: Il carburo cementato è un materiale ecologico che può essere riciclato, in linea con i principi dello sviluppo sostenibile.

Limitazioni del carburo cementato

• Fragilità: Nonostante la sua estrema durezza, il carburo cementato è relativamente fragile, con alcuni gradi soggetti a scheggiature o fratture in caso di impatto.
• Costo più elevato: L'inclusione di metalli rari come il tungsteno e il cobalto aumenta i costi di produzione.
• Difficile da lavorare: La sua durezza, seconda solo al diamante, richiede utensili specializzati come mole diamantate, smerigliatrici e macchine EDM per la lavorazione.

Proprietà fisiche

• Durezza: Supera di gran lunga l'acciaio e l'acciaio inossidabile, superato solo dal diamante.
• Densità: Circa il doppio dell'acciaio, paragonabile all'oro.
• Resistenza ed elasticità: Combina un'elevata durezza con un'eccellente resistenza ed elasticità.
• Prestazioni ad alta temperatura: Mantiene la durezza a temperature elevate con un'usura minima.

Processo di fabbricazione

Il carburo cementato non è un metallo naturale, ma una lega ingegnerizzata artificialmente. È composto principalmente da carburo di tungsteno (WC) e cobalto (Co). L'alto punto di fusione del WC (~2900°C) esclude i metodi di fusione tradizionali. Invece, viene impiegata la metallurgia delle polveri: le polveri di WC e Co vengono miscelate e sinterizzate a 1300–1500°C, con il Co che funge da legante durante la sinterizzazione.

Fonti di materie prime

Le principali fonti di WC includono Cina, Russia e Corea del Sud. Il cobalto viene estratto dai minerali in Finlandia, Canada, Australia e Repubblica Democratica del Congo.

Applicazioni

• Utensili da taglio: Punte, frese e utensili per torni per la lavorazione dei metalli.
• Stampi: Stampi per lattine di alluminio per bevande, stampi per la formatura di polveri per componenti di motori automobilistici e stampi per componenti elettronici come smartphone.
• Macchinari edili: Utensili per la perforazione di roccia dura e il taglio di pavimentazione in asfalto.

Classificazione funzionale

• Grado di taglio: Classificato come tipo P (per acciaio), tipo M (per uso generale) e tipo K (per ghisa) in base al materiale del pezzo.
• Grado resistente all'usura: Ulteriormente suddiviso per tipo di legante, dimensione dei grani di WC e durezza.

I produttori sviluppano spesso gradi specializzati per affrontare sfide specifiche, adattando le proprietà a diverse esigenze.

Analisi comparativa

Carburo cementato vs. Ceramica

La ceramica si avvicina al diamante in termini di durezza (9+ sulla scala Mohs contro 10 del diamante), superando il tungsteno e altri metalli duri. Tuttavia, le proprietà del carburo cementato possono essere regolate con precisione regolando la dimensione dei grani di WC, il contenuto di legante e gli additivi, offrendo versatilità per varie applicazioni.

Carburo cementato vs. Cermet

Entrambi sono compositi di polveri di carburo/nitruro legati con metallo. Il carburo cementato utilizza principalmente WC con leganti Co/Ni, mentre il cermet si basa su composti di titanio (TiC, TiCN) legati con Ni/Co. La loro distinzione principale risiede nella composizione.

Carburo cementato vs. HSS

Il carburo cementato eccelle in termini di durezza, resistenza al calore e resistenza, mentre l'HSS offre una maggiore tenacità agli urti. Il costo varia in modo significativo a causa delle materie prime e dei metodi di produzione, il che richiede una valutazione equilibrata in base all'applicazione e ai cicli di sostituzione.

Punti deboli

• Tenacità inferiore: Rispetto alle leghe di acciaio convenzionali, la fragilità del carburo cementato può portare a scheggiature o sfaldamenti dei bordi.
• Alta densità: Il suo peso, il doppio di quello dell'acciaio, può essere uno svantaggio in alcune applicazioni.

Cause di fessurazione

I coefficienti di espansione termica differenziali tra il carburo cementato e i metalli possono causare fessurazioni nei componenti con accoppiamento interferenziale quando le temperature di esercizio si discostano in modo significativo dai valori di progetto. Anche le forze ad alto impatto possono indurre la fessurazione, richiedendo un'attenta considerazione dei requisiti di tenacità alla frattura.

Selezione del carburo cementato per il taglio

La scelta del materiale dipende dalle caratteristiche e dallo spessore del pezzo. Per prestazioni di taglio e mantenimento del bordo ottimali, si preferisce spesso il carburo cementato a grana ultrafine (composto da particelle di WC submicroniche).

Vantaggi degli utensili in carburo cementato

Un vantaggio chiave è il mantenimento della durezza ad alte temperature, garantendo prestazioni stabili anche durante la lavorazione ad alta velocità che aumenta le temperature degli utensili.

Intervallo di durezza

Gli intervalli di durezza tipici vanno da HRA88 a HRA92. Una maggiore durezza aumenta la resistenza all'usura, ma riduce la resistenza agli urti, aumentando il rischio di scheggiature.

Composizione primaria

Il componente principale del carburo cementato è il WC, legato con Co o Ni. Possono essere incorporati additivi come il cromo (Cr) per adattare le proprietà a specifiche applicazioni.