Polvo de cobalto tungstenotambién conocidas como aleaciones de tungsteno-cobalto o WC-Co, se refieren a un material compuesto fabricado combinando polvo de carburo de tungsteno (WC) con polvo aglutinante de cobalto metálico. Este producto pulvimetalúrgico es un popular material de carburo cementado apreciado por su combinación única de propiedades de dureza, tenacidad y resistencia térmica y al desgaste.
Tipos de polvo de wolframio-cobalto
El polvo de wolframio-cobalto está disponible en diferentes composiciones, tamaños, formas y grados para adaptarse a diversas aplicaciones y métodos de procesamiento.
| Tipo | Descripción |
|---|---|
| Composición | Normalmente contiene 84-97% de WC en peso mezclado con 3-16% de cobalto. La proporción se ajusta para optimizar la dureza, resistencia, durabilidad y otras propiedades. |
| Forma de las partículas | El polvo redondo/esférico fluye mejor para un llenado uniforme de la matriz. Los polvos angulares y triturados proporcionan una mejor resistencia compacta. |
| Tamaño de las partículas | Polvo nanoestructurado submicrónico hasta partículas gruesas de más de 100 micras en función del tamaño y los detalles de la pieza final. |
| Los grados | Múltiples grados de calidad basados en la pureza, la distribución granulométrica, la forma, los carburos residuales y otros parámetros. Las calidades superiores se utilizan para aplicaciones más exigentes. |
Métodos de transformación del wolframio-cobalto
El polvo de WC-Co se somete a diversas técnicas de consolidación para crear componentes y piezas acabadas:
- Pulvimetalurgia de prensado y sinterización
- Moldeo por inyección de metales
- Fabricación aditiva, como inyección de aglutinante, fusión de lecho de polvo con láser o haz de electrones
- Revestimientos por pulverización térmica
- Compactación en frío/caliente y prensado de rodillos
- Revestimiento, soldadura fuerte, soldadura blanda
La idoneidad depende de factores como el grado del material, el tamaño final de la pieza, la complejidad, los requisitos de rendimiento y los volúmenes de producción.
Tungsteno Cobalto Composición
El polvo de wolframio y cobalto contiene dos componentes principales: carburo de wolframio y cobalto. Pueden estar presentes otros elementos en función de las necesidades de la aplicación.
| Constituyente | Función | Peso % |
|---|---|---|
| Carburo de wolframio (WC) | Proporciona extrema dureza, solidez y resistencia al desgaste | 84-97% típico |
| Cobalto (Co) | Ligante metálico dúctil que mantiene unidos los carburos | 3-16% típico |
| Carburos de tántalo, titanio y niobio | Añade resistencia a la corrosión para aplicaciones específicas | Hasta 5% opcionalmente |
| Carburo de vanadio | Inhibidor del crecimiento del grano durante el tratamiento térmico | Hasta 2% opcionalmente |
Papel del cobalto
La fase aglutinante de cobalto desempeña funciones críticas en los metales duros de carburo de wolframio:
- Mantiene unidos los granos de WC en una matriz metálica resistente.
- Proporciona tenacidad a la fractura y resistencia al choque a las partículas frágiles de WC
- Permite la deformación y soporta el reparto de cargas
- Permite el tratamiento térmico para mejorar la resistencia
- Determina las propiedades magnéticas
Las concentraciones más elevadas de cobalto suelen mejorar la resistencia y la facilidad de fabricación, al tiempo que reducen la dureza. La relación WC-Co influye directamente en las características físicas, mecánicas, eléctricas y magnéticas.
Propiedades del tungsteno-cobalto
Entre las propiedades clave de los metales duros de cobalto y carburo de wolframio se incluyen:
| Propiedad | Rendimiento |
|---|---|
| Dureza | Hasta 1500 HV o 90 HRA, entre los materiales industriales más duros |
| Resistencia al desgaste | Alta resistencia al desgaste abrasivo y erosivo |
| Dureza | Resistencia a la propagación de grietas de hasta 30 MPa√m |
| Resistencia a altas temperaturas | Puede funcionar hasta 1000°C durante un tiempo limitado |
| Resistencia a la corrosión | Bastante inerte, pero grados específicos ofrecen mejores prestaciones |
| Conductividad térmica | Hasta 100 W/mK para eliminar el calor |
| Conductividad eléctrica | Va de semiconductor a casi metálico según el grado |
| Coeficiente de dilatación térmica | Similar al acero a ~5-7 x 10-6 K-1 |
| Densidad | 11-15 g/cc, más pesado que las aleaciones de titanio |
| Propiedades magnéticas | Determinado por la relación WC-Co, crítica para algunos segmentos |
El equilibrio único entre dureza, resistencia al desgaste y tenacidad a la fractura hace que los carburos cementados sean ideales para soportar presiones, temperaturas, impactos, fricción y entornos corrosivos extremos. Las propiedades se ajustan en función de la composición y los parámetros de procesamiento seleccionados según la aplicación específica y las condiciones de servicio.
Aplicaciones de tungsteno-cobalto
Gracias a sus excepcionales propiedades de dureza y desgaste combinadas con su solidez y resistencia térmica, los materiales de carburo de wolframio y cobalto gozan de un uso industrial muy amplio en los siguientes segmentos:
| Industria | Aplicaciones comunes |
|---|---|
| Minería | Herramientas y brocas de perforación, insertos y dientes de perforación de rocas, medios de cribado |
| Petróleo y gas | Herramientas de fondo de pozo, herramientas con cable, bolas de fracturación, manguitos, perforación de pozos |
| Construcción | Herramientas de fresado y planificación de carreteras, herramientas de zanjeo, sierras circulares |
| Metalurgia | Plaquitas de torneado, matrices de conformación en frío, fresas rotativas, cortadoras, básculas de rodillos |
| Carpintería | Herramientas de corte, sierras circulares, astilladoras, cepilladoras y regruesadoras |
| Automotor | Portaboquillas de inyección, válvulas y asientos |
| Aeroespacial | Matrices de trefilado, matrices de extrusión, herramientas de estampado |
| Electrónica | Cuchillas para cortar obleas semiconductoras |
| Médico y dental | Cuchillas y brocas quirúrgicas |
| Procesado de alimentos | Placas picadoras de carne, matrices de extrusión |
Las propiedades únicas del carburo de tungsteno-cobalto le permiten superar a los aceros para herramientas convencionales, los aceros inoxidables y otros materiales de la competencia en condiciones de servicio extremas.
Especificaciones del polvo de wolframio-cobalto
El polvo de carburo de tungsteno y cobalto para prensado y sinterizado cumple diversas especificaciones internacionales:
| Estándar | Descripción |
|---|---|
| ISO 2768 | Tolerancias geométricas de los polvos de carburo cementado |
| ISO 4499 | Métodos de medición de la granulometría del carburo cementado |
| ASTM B771 | Norma para el polvo de carburo de cobre-tungsteno para moldeo por inyección |
| JIS R 1601 | Clasificación de los polvos de carburo cementado |
Métricas clave del polvo junto con los valores típicos según ISO 2768:
| Parámetro | Alcance típico |
|---|---|
| Tamaño de las partículas | 0,2 a 120 micras |
| Forma de las partículas | Redondo, angular o aplastado |
| Densidad aparente | 3-8 g/cc |
| Densidad del grifo | 4-12 g/cc |
| Superficie específica | 0,1 a 20 m2/g |
| Contenido en solución sólida | Hasta 5% opcionalmente |
| Carbono residual | 0,1% máx. |
| Oxígeno residual | 0,6% máx |
Los fabricantes proporcionan TDS y COA detallados que especifican la composición química, las características físicas y los criterios de inspección para cada grado de polvo adaptado a las aplicaciones objetivo. Se ofrecen mezclas personalizadas para necesidades únicas.
Carburo de wolframio frente a metales duros de cobalto
Diferencias clave al comparar las calidades estándar de carburo de wolframio con los polvos de metal duro ricos en cobalto:
| Parámetro | Carburo de tungsteno | Cobalto Hardmetal |
|---|---|---|
| Composición | 94-97% WC con 3-6% Co | 84-90% WC con 10-16% Co |
| Dureza | Hasta 92 HRA (>1500 HV) | Hasta 62 HRA (~700 HV) |
| Dureza | Mayor riesgo de fractura por fragilidad | Resistencia a la propagación de grietas de hasta 30 MPa√m |
| Fuerza | Resistencia a la rotura transversal de 2.000 a 3.000 MPa | Resistencia a la rotura transversal de 4.500 a 5.500 MPa |
| Resistencia al desgaste | Resistencia extrema a la abrasión y la erosión | Desgaste inferior pero excelente |
| Resistencia a la corrosión | Propenso a la oxidación y al ataque químico si no está protegido por un aglutinante | Mejor protección contra la corrosión gracias a una capa de cobalto más gruesa |
| Respuesta magnética | Ligeramente magnético debido a las trazas de cobalto del aglutinante | Ferromagnético debido al mayor contenido de cobalto |
Compromisos
El aumento del contenido de cobalto mejora la tenacidad y la resistencia a la corrosión, al tiempo que reduce la dureza y el desgaste. Elija el grado en función de la propiedad más crítica que necesite: dureza extrema frente a resistencia y durabilidad.
Carburo de wolframio vs. carburo de wolframio cobalto
Es importante distinguir entre carburo de wolframio polvo (WC puro sin aglutinante de cobalto) y carburo de wolframio cobalto (compuesto WC+polvo de Co).
| Métrica | Carburo de tungsteno | Carburo de wolframio Cobalto |
|---|---|---|
| Componentes | Carburo de wolframio puro sin cobalto | Mezcla de polvos WC+Co íntimo |
| Dureza | Dureza extremadamente alta, muy quebradizo | Reducción de la dureza compensada por el endurecimiento del cobalto |
| Aplicaciones | Uso limitado en forma de WC puro sin aglutinante | La mayoría de los usos comerciales requieren cobalto como aglutinante |
| Tratamiento | Desafío para sinterizar polvo de WC puro | Consolidación más fácil con cobalto para reforzar el producto |
| Precio | Menos costoso como componente único | Mayor coste debido al contenido de cobalto |
| Disponibilidad | Menos utilizados | Muy disponible |
Así pues, los polvos de carburo de wolframio y cobalto son más versátiles y aplicables a la mayoría de los casos de uso en la producción de piezas de metal duro.
Calidades del polvo de wolframio-cobalto
El polvo de carburo de wolframio y cobalto está disponible comercialmente en una amplia gama de composiciones y grados estandarizados para satisfacer las necesidades de rendimiento:
| Grado | Descripción | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Micrograno | Polvo muy fino <1 micra para componentes más pequeños y complejos | Herramientas en miniatura, electrónica |
| Submicron | Partículas de menos de 1 micra con una superficie moderada | Plaquitas indexables, matrices de embutición |
| Ultrafino | Polvo de ~1-5 micras para mejorar las propiedades | Herramientas de corte, picos de minería |
| Fino | Partículas de tamaño medio de 5-10 micras para un mejor flujo y empaquetamiento | Herramientas de extracción de metal, piezas de desgaste |
| Estándar | Polvo de uso general de 10-30 micras | Construcción, carpintería, herramientas de conformado |
| Medio/grueso | Partículas más grandes >30 micras con mayor tenacidad | Minería, petróleo y gas, grandes piezas |
Las designaciones de grado superior denotan una calidad superior con un control más estricto de parámetros críticos del polvo como la distribución del tamaño de las partículas, la forma, los niveles de pureza, el contenido de oxígeno/carbono y la microestructura.
Los polvos de primera calidad mejoran la densidad sinterizada, la consistencia del rendimiento y la fiabilidad de los componentes acabados de carburo cementado. Sin embargo, el coste también aumenta sustancialmente para los grados más finos y puros de tungsteno-cobalto optimizados para aplicaciones avanzadas.
Análisis de costes del polvo de wolframio-cobalto
Los precios varían en función de la composición, la calidad, el volumen de los pedidos y las condiciones del mercado:
| Polvo | Precio medio |
|---|---|
| Comercial estándar 10-30 micras | $27 a $37 por libra |
| Grano fino submicrónico 1-5 micras | $45 a $55 por libra |
| Ultrafino de gran pureza <1 micra | $90 a $110 por libra |
| Grados especiales enriquecidos con aglutinante o cobalto | $80 a $250+ por libra |
- La volatilidad del precio del wolframio afecta directamente a los costes del polvo
- Las calidades médicas y aeroespaciales de mayor pureza tienen precios más elevados
- Los pedidos a granel de miles de libras suponen un importante ahorro de costes
Con el aumento de los costes de la energía, las materias primas y el transporte, los precios del carburo de wolframio y el cobalto en polvo han sufrido presiones al alza, pero se espera que se estabilicen a medida que los mercados equilibren la oferta y la demanda. Considere análisis del coste total del ciclo de vida para la toma de decisiones, ya que los grados de mayor rendimiento pueden proporcionar una productividad y durabilidad superiores que se traducen en menores costes de $/pieza.
preguntas frecuentes
¿Qué es el carburo cementado?
El carburo cementado es un material compuesto fabricado mezclando partículas de carburo con una fase aglutinante, normalmente cobalto. Cobalto carburo de tungsteno (también llamado cobalto tungsteno, WC-Co o cobalto carburo) hecha usando polvo de carburo de tungsteno como el componente de carburo es un tipo muy popular de carburo cementado gracias a sus propiedades únicas.
¿Cuáles son las diferentes calidades del carburo de wolframio?
El carburo de tungsteno en polvo está disponible en diferentes grados en función de la pureza, el tamaño de las partículas, el contenido de carbono/oxígeno y otros parámetros. Las designaciones comunes de polvo de carburo de tungsteno incluyen tamaños de partícula micrograno, submicrónico, fino, estándar y grueso. Además, los carburos cementados se diferencian por su composición: un mayor contenido de cobalto lo convierte en un grado rico en cobalto con mayor resistencia y tenacidad en comparación con los grados estándar, lo que optimiza la dureza y el rendimiento frente al desgaste. Las calidades especiales también pueden incorporar otros carburos, como carburos de tántalo, titanio o niobio.
¿Cómo fabricar piezas de carburo de wolframio?
El proceso de consolidación preferido para fabricar componentes acabados de carburo de wolframio y cobalto es la pulvimetalurgia de prensado y sinterización:
- Pesar las cantidades apropiadas de polvos de WC y Co.
- Molienda por bolas para mezclar y homogeneizar íntimamente
- Compactación en piezas "verdes" utilizando troqueles y aplicando presión
- Desbobinado y presinterizado de piezas para darles resistencia a la manipulación
- Sinterización a alta temperatura justo por debajo del punto de fusión del cobalto
- Los tratamientos térmicos adicionales pueden mejorar aún más las propiedades
La flexibilidad de la pulvimetalurgia, unida a las excelentes propiedades de los carburos, hace que esta técnica sea muy popular para la fabricación a escala comercial.
¿De qué color es el carburo de wolframio?
En forma de polvo, el carburo de wolframio cobalto suele presentar un color gris oscuro. El aspecto final varía en función de la composición: el carburo de wolframio puro sin cobalto puede parecer gris claro. Un mayor contenido de cobalto confiere un color más metálico. Las piezas de carburo de tungsteno totalmente sinterizadas reflejan diferencias en la proporción de polvo inicial. En general, algún tono de gris es el color más representativo.
¿Es magnético el carburo de wolframio?
El carburo de wolframio en sí no es magnético. Sin embargo, la respuesta magnética viene determinada por el porcentaje de aglutinante de cobalto en las aleaciones WC-Co. Las calidades con 6% o menos de cobalto generalmente sólo muestran una débil atracción magnética. Las composiciones ricas en cobalto con más de 10% de Co se vuelven ferromagnéticas. Esto facilita las técnicas de separación magnética para recuperar componentes de carburo cementado gastados y desgastados para su reciclaje.
¿Es peligroso el carburo de wolframio?
Como ocurre con la mayoría de los polvos industriales, al manipular carburo de wolframio cobalto se deben tomar ciertas precauciones sanitarias y de seguridad:
- Debe evitarse la inhalación de polvo
- Garantizar una ventilación adecuada
- Utilizar EPI: mascarillas, guantes, gafas según sea necesario.
- Evitar el contacto con la piel o la ingestión
- Revisar las FDS para gestionar adecuadamente los riesgos
En estado sólido, el carburo de wolframio es relativamente inerte y no se considera tóxico. Sin embargo, el típico aglutinante de cobalto puede provocar sensibilización cutánea o respiratoria en algunas personas. En general, los carburos cementados no plantean riesgos significativos para la salud si se manipulan con cuidado según las directrices.
Conclusión
El carburo de wolframio y cobalto se ha convertido en el carburo cementado más utilizado en metalurgia, minería, construcción, energía y numerosas aplicaciones industriales, gracias a su extrema dureza, resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste. La personalización de la composición del polvo de WC y Co y del proceso de consolidación permite obtener perfiles de propiedades a medida. La fiabilidad de los componentes, la consistencia y la vida útil de las herramientas dependen de la calidad y el grado del polvo de wolframio-cobalto seleccionado como materia prima. A medida que los pioneros sigan superando los límites del rendimiento, los avances en carburos cementados respaldarán los futuros avances en una amplia gama de tecnologías de vanguardia.