Introduzione al carburo di tungsteno

Il carburo cementato è un materiale composito costituito da carburo di tungsteno (WC) e cobalto (Co), caratterizzato da durezza, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione estremamente elevate. Questa lega è ampiamente utilizzata nella produzione di utensili da taglio, stampi e componenti resistenti all'usura. Il processo di produzione del carburo cementato prevede la metallurgia delle polveri, nella quale il carburo di tungsteno funge da «nucleo duro» e il cobalto da legante, collegando saldamente tra loro le particelle di carburo di tungsteno. Inoltre, possono essere aggiunti, secondo necessità, altri elementi come il carburo di titanio (TiC) o il carburo di tantalio (TaC) per migliorarne le prestazioni.

Sono trascorsi esattamente cento anni dall'invenzione del carburo cementato.

All'inizio degli anni Venti, Karl Schröter, ingegnere presso OSRAM, un'azienda tedesca produttrice di lampadine, inventò il carburo cementato WC-Co per trovare un materiale alternativo al costoso stampo in diamante utilizzato per trafilare i filamenti di tungsteno. Nel 1923 depositò il primo brevetto per il carburo cementato (brevetto tedesco n. 420.689), ottenendone l'autorizzazione nel 1925.

Nel 1926, KRUPP, un colosso dell'industria militare che aveva ottenuto il brevetto, produsse il primo lotto di carburo cementato commerciale, utilizzato come testina da taglio per la lavorazione meccanica e capace di aumentare esponenzialmente l'efficienza produttiva. Il prodotto suscitò scalpore in tutto il mondo e divenne rapidamente un materiale strategico dal prezzo elevato. All'epoca, il prezzo di un grammo di carburo cementato era superiore a quello di un grammo d'oro.

Tipi di carburo cementato

01 Carburo cementato tungsteno-cobalto

Questo tipo di carburo cementato contiene solo carburo di tungsteno e cobalto, oppure carburo cementato WC-Co puro con una quantità molto ridotta (generalmente non superiore all'1%) di altri additivi. Lo standard internazionale (ISO) lo definisce carburo cementato di tipo K, mentre lo standard nazionale del mio Paese lo definisce carburo cementato di tipo tungsteno-cobalto (YG); per esempio, YG6 (WC-6Co), ovvero un carburo cementato contenente il 6% di cobalto (frazione massica), mentre la parte restante è costituita da carburo di tungsteno. Questa è la composizione del primo carburo cementato commerciale al mondo.

02 Carburo cementato tungsteno-cobalto-titanio

Il carburo cementato tungsteno-cobalto-titanio, oltre a carburo di tungsteno e cobalto, contiene anche una certa quantità (superiore all'1%) di carburo di titanio (TiC), formando il carburo cementato tungsteno-cobalto-titanio (WC-TiC-Co), definito di tipo P nello standard internazionale e di tipo YT nello standard nazionale. La quantità di carburo di titanio è generalmente inferiore a quella del carburo di tungsteno; se la quantità di carburo di titanio supera quella del carburo di tungsteno, si parla di «carburo cementato a base di carburo di titanio» o, più precisamente, di «cermet a base di carburo di titanio».

03 Carburo cementato tungsteno-cobalto-titanio-tantalio (niobio)

La terza categoria è costituita dal carburo cementato WC-TiC-TaC(NbC)-Co, ottenuto aggiungendo alla seconda categoria una certa quantità di carburo di tantalio (TaC) e/o carburo di niobio (NbC). È definito di categoria M negli standard internazionali e di categoria YW negli standard nazionali.

Esistono anche carburi cementati WC-Ni, nei quali il nichel (Ni) sostituisce il cobalto, oppure carburi cementati legati all'acciaio, nei quali una lega di ferro (acciaio) sostituisce il cobalto. Gli ingegneri possono progettare composizioni diverse per ottenere carburi cementati con proprietà differenti e soddisfare i requisiti d'impiego dei vari settori applicativi, sostituendo il WC e il Co del WC-Co con carburi metallici come carburo di titanio, carburo di tantalio, carburo di niobio, carburo di molibdeno e carburo di cromo, oppure con metalli come nichel, ferro e cromo.

Prestazioni del carburo cementato

(1) Elevata durezza e buona resistenza all'usura. La durezza del carburo cementato è compresa tra 80 e 94 HRA, mentre la durezza massima dell'acciaio per utensili dopo tempra e indurimento è di soli 80 HRA o poco più. Per molto tempo, il carburo cementato è stato il materiale con la seconda durezza più elevata dopo il diamante. In effetti, la prima generazione di carburo cementato fu chiamata «Widia» (dal tedesco Wie Diamant, che significa «come il diamante»), poiché era stata inventata per sostituire il diamante. Si può quindi affermare che il carburo cementato è nato per la durezza.

(2) Elevata resistenza e modulo elastico. La resistenza alla flessione del carburo cementato tipico può raggiungere 3000~5000 MPa (N/mm2) e il materiale non si deforma facilmente.

(3) Resistenza al calore e alla corrosione. In generale, il carburo cementato resiste bene alla corrosione atmosferica, agli acidi, agli alcali e ad altri agenti corrosivi, oltre a essere difficilmente ossidabile.

Queste caratteristiche lo rendono il materiale migliore per i componenti strutturali resistenti all'usura impiegati in ambienti ad alta temperatura e corrosivi.

Impieghi del carburo cementato

Materiale per utensili

Come utensile per la lavorazione meccanica, il carburo cementato rappresenta il principale impiego del carburo cementato e consuma più della metà della produzione di carburo cementato. Fin dalla sua invenzione, il carburo cementato è stato il miglior materiale per utensili da lavorazione meccanica.

Materiale per stampi

Il carburo cementato è utilizzato principalmente per filiere per trafilatura a freddo, stampi per punzonatura a freddo, stampi per estrusione a freddo, stampi per ricalcatura a freddo e altri stampi per la lavorazione a freddo.

Strumenti di misura e componenti resistenti all'usura

Il carburo cementato viene utilizzato per i riporti superficiali e i componenti soggetti a facile usura degli strumenti di misura, per i cuscinetti di precisione delle rettificatrici, per le piastre e le barre di guida delle rettificatrici senza centri, per le punte da tornio e per altri componenti resistenti all'usura.

Carburo cementato speciale

Con il progresso della scienza e della tecnologia, anche la produzione di materiali in carburo cementato di alta gamma si è sviluppata rapidamente. Con l'aumento dei requisiti tecnici dei prodotti nelle industrie a valle, la domanda di mercato di materiali in carburo cementato ha continuato a crescere. Anche la tecnologia di produzione dei materiali in carburo cementato è stata migliorata e gli attuali materiali speciali in carburo cementato sono ampiamente utilizzati nell'industria militare, nel settore aerospaziale, nella lavorazione meccanica, nella metallurgia, nelle trivellazioni petrolifere, negli utensili per l'estrazione mineraria, nelle comunicazioni elettroniche, nell'edilizia e in altri settori. Nei settori delle armi e delle apparecchiature ad alta tecnologia, della ricerca scientifica e tecnologica all'avanguardia e dell'energia nucleare, vengono inoltre utilizzati prodotti in carburo cementato ad alto contenuto tecnologico e con elevata stabilità qualitativa.