Un composto di tungsteno e carbonio, non un acciaio
Il carburo di tungsteno è un composto chimico di formula WC: un atomo di tungsteno e uno di carbonio, per una massa molare di circa 195,9 grammi per mole. Non è una lega e non è un acciaio. È una ceramica nel senso tecnico del termine, cioè un solido tenuto insieme da legami molto forti fra atomi di specie diverse, e da quei legami vengono sia la durezza sia il difetto che le sta sempre accanto, la fragilità.
La forma stabile a temperatura ambiente ha reticolo esagonale, con costanti di cella di 291 e 284 picometri. Come polvere si ottiene facendo reagire tungsteno metallico con nerofumo o grafite fra 1400 e 2000 °C, in atmosfera di idrogeno o sotto vuoto. Il prodotto della reazione è una polvere grigia, non un pezzo, e da lì in avanti il problema smette di essere chimico e diventa di formatura: un materiale che fonde a 2785 °C non si cola in forma e non si forgia.
Dalla polvere al pezzo: la sinterizzazione del carburo
La strada seguita è la sinterizzazione, e più precisamente la sinterizzazione in fase liquida. La polvere di carburo viene macinata insieme a una polvere metallica finissima, pressata in uno stampo che le dà la forma quasi definitiva e poi portata in forno, all’incirca fra 1200 e 1600 °C. A quella temperatura il carburo resta solido, mentre il metallo aggiunto fonde: bagna i grani, ne dissolve parzialmente la superficie e li salda l’uno all’altro riempiendo i vuoti lasciati dalla pressatura.
Il pezzo che esce dal forno ha ritirato in modo sensibile, perché i pori sono spariti, ed è denso. Non è però finito: la durezza raggiunta rende impraticabile qualunque lavorazione con utensile da taglio, e ogni superficie che deve andare a misura si ottiene per rettifica con mole diamantate. Da qui le forme semplici dei componenti in questo materiale, ricavate dallo stampo, e non geometrie fresate o filettate.
Il legante metallico, e perché il carburo da solo non basta
Il metallo mescolato alla polvere si chiama legante ed è di norma cobalto. Il composito che ne esce ha un nome proprio, metallo duro, e non va confuso con il carburo puro: circa metà dei metalli duri prodotti sono a base di carburo di tungsteno e cobalto, con un tenore di WC fra il 70 e il 95% in massa. Le proporzioni correnti del legante vanno da pochi punti percentuali fino a valori vicini al 30%, con la fascia fra il 5 e il 12% come più frequente.
Quel tenore è la leva con cui si regola il materiale, insieme alla dimensione dei grani di carburo, che va dal mezzo micrometro a una decina. Più legante e grani più grossi danno un pezzo che assorbe gli urti e si scheggia meno, ma è meno duro e si consuma prima; meno legante e grani fini danno il contrario. Non esiste un metallo duro buono in assoluto: esistono ricette scelte sapendo in anticipo se il pezzo prenderà colpi o strofinerà.
Le durezze del carburo di tungsteno, e a quali condizioni valgono
I numeri circolano spesso senza le condizioni cui si riferiscono, e la differenza è larga. Il carburo puro, come composto, viene indicato attorno a 9 sulla scala di Mohs e attorno a 2600 in scala Vickers. Il metallo duro sinterizzato è un’altra cosa, perché contiene il legante, che è tenero: le durezze ottenibili sui gradi commerciali vanno all’incirca da 850 a 1950 HV30, cioè misurate con penetratore Vickers sotto un carico di trenta chilogrammi forza, e il valore dipende dalla ricetta.
Il modulo elastico del composito sta fra i 530 e i 700 GPa, dell’ordine del triplo di quello di un acciaio: sotto carico si flette molto meno. È un pregio su una superficie di presa, che non deve cedere mentre stringe, ed è un difetto su un pezzo che dovrebbe piegarsi invece di rompersi. Le due proprietà sono la stessa proprietà letta da due lati.
Perché il carburo sta sui becchi e non nell’intero strumento
La domanda ha quattro risposte che convergono. La prima è la fragilità: un materiale con quel modulo non si deforma prima di cedere, e uno strumento articolato lavora a flessione a ogni chiusura. La seconda è il peso, e non è quello che ci si aspetta: il carburo di tungsteno ha densità di circa 15,6 grammi per centimetro cubo contro i 7,7 di un acciaio inossidabile, quindi un attrezzo massiccio peserebbe il doppio in mano a chi lo tiene per ore.
La terza è la formatura, già vista: anelli, snodi, dentature e profili si ricavano per stampaggio e asportazione dal pieno, operazioni che qui non sono praticabili. La quarta è che non servirebbe, perché il consumo avviene solo dove il metallo tocca l’ago, il filo o il tessuto. La soluzione adottata è quindi un inserto, cioè una piastrina sinterizzata alloggiata in una sede ricavata nell’acciaio e unita per brasatura, con un metallo d’apporto che fonde al di sotto del punto di fusione di entrambe le parti. Quando la superficie si consuma si sostituisce la piastrina, non l’attrezzo.
Carburo di tungsteno, tungsteno metallico e gli altri carburi
Le tre cose si confondono nel parlato e sono distinte. Il tungsteno metallico è un elemento, non un composto: è il metallo con il punto di fusione più alto, 3422 °C, ha densità di 19,25 grammi per centimetro cubo ed è duttile abbastanza da essere trafilato in filamenti sottilissimi. Il suo carburo fonde più in basso, a 2785 °C, e pesa meno, il che è controintuitivo e dipende dal carbonio che si infila nel reticolo allargandolo. Circa due terzi del tungsteno estratto finisce comunque in carburi cementati.
Carburo, poi, è un nome di famiglia: esistono il carburo di silicio, quello di titanio e quello di tantalio, e negli stessi metalli duri i carburi di titanio e di tantalio compaiono accanto al tungsteno per modificarne il comportamento a caldo. Dire soltanto carburo, su un utensile o su uno strumento, non identifica il materiale. Va infine distinta la piastrina massiccia dal rivestimento: un inserto sinterizzato è un corpo spesso qualche millimetro che si consuma per anni prima di sparire, mentre un riporto ottenuto per spruzzatura termica è uno strato sottile depositato sopra un altro metallo. Entrambi si descrivono come carburo di tungsteno, ma il primo è il pezzo e il secondo è la sua pelle.
