TUNGSTENO PURO E SUE LEGHE: CLASSIFICAZIONE, TIPI, PROPRIETA’[8,9]

 

 

L’alta temperature di fusione del tungsteno lo rende una scelta molto indicate per le applicazioni strutturali soggette ad alte temperature. A temperature basse viene sfruttato il suo elevato modulo elastico, la sua elevata densità e la sua caratteristica di schermante dalle radiazioni.

 Il tungsteno e le sue leghe sono prodotti mediante metallurgia delle polveri.  Subiscono quindi le fasi di pressatura, sinterizzazione e forgiatura in fogli, barre o fili. Spesso le fasi di forgiatura sono complesse e necessitano della tecnologia “near net shape”.  

I prodotti industriali del tungsteno possono essere divisi in 3 distinti gruppi sulla base del loro comportamento a ricristallizzazione:

Gruppo 1

Del primo gruppo fanno parte il tungsteno non legato fuso ad arco, altre forme di tungsteno puro e il tungsteno legato con renio o molibdeno. Questi materiali, a seguito della prima cristallizzazione,  mostrano una struttura cristallina a grani equiassici. Temperatura di cristallizzazione e dimensione dei grani diminuiscono all’aumentare dello stress indotto a freddo.

Gruppo 2

Il secondo gruppo comprende le polveri tungsteno di purezza “commercial grade”. Come il primo gruppo mostrano la formazione di grani equiassici , ma le temperature di ricristallizzazione sono maggiori dei materiali del primo gruppo. In questo modo questi materiali non mostrano una diminuizione della temperatura di cristallizzazione e della dimensione dei grani all’aumentare dello stress indotto a freddo.

Gruppo 3

Il terzo gruppo comprende il tungsteno AKS (ovvero drogato con alluminio, potassio e silicio), il tungsteno legato con renio, e il tungsteno puro legato con più dell’1% di ThO2. Questi materiali sono caratterizzati da alte temperature di ricristallizzazione (>1800°C) e da un’unica struttura direzione della grana cristallina. Questa struttura è ideale per la produzione di fili in tungsteno in cui si ricerca una microstruttura a grani allungati interconnessi. E’ possibile osservare facilmente questa struttura nel tungsteno AKS e nel tungsteno legato con percentuali variabili dall’ 1 al 5% di Renio. Particolarmente interessante è il tungsteno AKS: durante la trafilatura il potassio contenuto nei grani viene spinto in avanti lungo la direzione di lavorazione. Quando il filo viene scaldato il potassio volatilizza in un filamento lineare di particelle di dimensioni submicrometriche. Queste particelle bloccano i grani allineandoli e comportandosi come una seconda fase dispersa. Le file di particelle diventano più fine e lunghe all’aumentare della deformazione. In questo modo la temperatura di ricristallizzazione cresce e la struttura interconnessa si fa sempre più pronuncita.

 

PROPRIETA’ MECCANICHE E FISICHE DEL TUNGSTENO

Il tungsteno ha un valore di modulo elastico molto alto e una buona resistenza al creep. Tuttavia, la sua alta densità, la sua scarsa duttilità a basse temperature e la sua forte reattività in aria limitano fortemente i sui usi. Le massime temperature di applicazione per il tungsteno vanno dai 1900° ai 2500°C, ma è necessaria una protezione superficiale se si intende lavorare attorno a queste temperature limite in aria.

La lavorazione a freddo conferisce al tungsteno buona resistenza meccanica fortemente direzionata lungo la direzione di lavorazione. La tenacità a temperatura ambiente non è elevata. Se il tungsteno viene trattato termicamente intorno ai 1370°C, si induce una ricristallizzazione che ha come effetto quello di infragilire il materiale. E’ dunque necessario utilizzare elementi in lega per innalzare la temperatura di ricristallizzazione del tungsteno e rendere così migliori le proprietà ad alte temperature.

 

LEGHE A BASE DI TUNGSTENO

Tre sono le leghe di tungsteno commercializzate:

·        Tungsteno- ThO2

·        Tungsteno – Molibdeno

·        Tungsteno – Renio

Le leghe tungsteno – ossido di torio consiste in una matrice di tungsteno con all’interno una seconda fase dispersa di torio. La dispersione di torio intensifica l’emissione termoionica di elettroni, che a sua volta la capacità di accensione dell’elettrodo di tungsteno nella saldatura ad arco. Inoltre migliora la resistenza al creep a temperature superiori ai 1700°C

Leghe di tungsteno – metallo pesante (Tungsten Heavy-Metal Alloys, WHAs )

Queste sono delle leghe con un contenuto di tungsteno variabile tra il 90 e il 98%. La maggior parte di queste leghe è bifasica, dove la fase principale (principal phase) è composta da tungsteno puro, mentre la fase secondaria (binder phase) è composta da un metallo di transizione ad alto peso molecolare e tungsteno. Di conseguenza le  WHAs derivano  le loro proprietà fondamentali dada quelle della fase principale che provvede all’alta densità e all’alto modulo elastico. Sono queste le proprietà fondamentali che caratterizzano questa famiglia di materiali. .

Gli usi attuali delle WHAs spaziano in un grande range di applicazioni:

·        Pesi per il bilancio di aircraft, rotori di elicotteri e missili.

·        Penetratori ad alta energia per mezzi pesanti blindati

·        Schermatura di radiazioni

·        Contenitori di isotopi radioattivi

·        Proiettili ad alte prestazioni per caccia subacquea

·        Componenti per giroscopi

·        Pesi di bilanciamento per barche da regata e automobili da competizione

 

Molte applicazioni che necessitano di masse ad alto peso specifico (come pesi per bilanciamento di un determinato sistema, masse inerziali, penetratori ad alta energia, schermi per radiazioni, etc…), sfruttano le leghe pesanti di tungsteno  in quanto sono il compromesso ideale tra ingombro, costo e prestazioni. Simile per caratteristiche è l’uranio, ma la sua potenziale pericolosità ne limita fortemente gli utilizzi.   

 

I metalli in lega più comuni che costituiscono le leghe tungsteno – metallo pesante sono: nichel, ferro, rame e cobalto. La scelta della lega dipende da molti fattori. In primis vi è la densità della lega che l’applicazione specifica necessita; in secondo luogo è necessario valutare la resistenza a corrosione, il carattere magnetico e  le proprietà meccaniche.  

La prima lega che sviluppata fu la W-Ni-Cu.  Questo sistema ternario è ad oggi ancora usato, anche se solo occasionalmente. Oggi infatti questa lega è stata sostituita, nel suo campo di applicazioni, dalla W-Ni-Fe, che assicura migliore resistenza alla corrosione e migliori proprietà meccaniche. Questa lega soddisfa tutti i requisiti che una WHAs deve avere. Le più comuni leghe industriali di questo tipo sono la 93 W - 4.9 Ni - 2.l Fe e       95 W-4 Ni – l Fe. L’aggiunta di un ulteriore elemento come il Cobalto ( generalmente 5…15%) induce un aumento di duttilità e resistenza meccanica. La presenza di tale elemento in lega provoca un indurimento per soluzione della fase secondaria a cui corrisponde macroscopicamente un aumento della resistenza della lega.  

 

Per applicazioni particolare, dove sono necessarie elevate proprietà meccaniche, si ricorre alla lega ternaria W-Ni-Co con rapporto nichel/cobalto compreso tra 2 e 9. Queste leghe subiscono un trattamento di tempra e invecchiamento, in modo tale da indurre la precipitazione di composti intermetallici (generalmente Co3W) .

 

Per ciò che concerne le leghe quaternarie la più utilizzata è la W-Mo-Ni-Fe, dove l’aggiunta di molibdeno  conferisce migliore resistenza meccanica del verde,  limita la dissoluzione del tungsteno  e inibisce la crescita di sferuliti.