El tungsteno tiene el punto de fusión más alto de cualquier metal de uso comercial, 3.410 grados Celsius, y esta única propiedad explica la mayoría de sus aplicaciones industriales. También tiene la densidad más alta de los metales refractarios con aproximadamente 19,25 gramos por centímetro cúbico, la presión de vapor más baja y un coeficiente de expansión térmica de aproximadamente 4,5 x 10^-6 por kelvin, que es cercano al de los vidrios de borosilicato utilizados en las envolturas de las lámparas. Juntas, estas propiedades hicieron del tungsteno el material que convirtió la lámpara incandescente de una curiosidad en un producto práctico, y todavía sustentan su uso en filamentos de lámparas, electrodos de soldadura, fuentes de evaporación y herrajes para hornos de alta temperatura.
Tipos de cables y sistemas dopantes
El alambre de tungsteno se suministra en varias familias, que se distinguen por los aditivos que controlan la estructura del grano y el comportamiento de las emisiones. Los sistemas dopantes no son decorativos; determinan si un filamento se hunde, si un electrodo genera un arco de manera confiable y cuánto tiempo sobrevive la pieza a temperatura.
| Tipo de cable | Suma | Aplicación típica |
|---|---|---|
| Alambre de tungsteno puro | Ninguno | Elementos calefactores, serpentines de evaporación, electrodos de descarga, cables conductores, ganchos y varillas laterales. |
| Alambre de tungsteno dopado | 0,2-0,4% SiO2 con 0,3-0,4% K2O; 0,02-0,05 % Al2O3 | Filamento y alambre de soporte para lámparas incandescentes y en espiral-, tubos catódicos y calentadores de evaporación. |
| Alambre de tungsteno toriado dopado | 0,2-0,4% SiO2, 0,3-0,55% K2O y 0,2-0,5% ThO2 | Hilos calientes para tubos electrónicos, electrodos de soldadura. |
| Alambre de tungsteno toriado | 1,0%, 1,5% o 2,0-2,5% ThO2 | Tubos catódicos, electrodos de descarga de alta intensidad, cables calientes, ganchos y resortes para control de emisiones. |
| Alambre de tungsteno cerado e itriado | 1,5-3,0% CeO2; 2,0-3,0% Y2O3 | Cable calefactor de tubo de impulsos, electrodos de soldadura no-consumibles, electrodos de lámpara de descarga |
| Alambre de tungsteno lantano | 1,0-2,0 % La2O3 | Electrodos de soldadura no-consumibles |
| Alambre de tungsteno-molibdeno | W-20Mo | Ganchos de soporte, portalámparas, calentadores de dispositivos de vacío. |
| Alambre de tungsteno-renio | 1,0-26,0% Re | Filamentos para lámparas, filamentos para dispositivos de microondas, filamentos para tubos de haz de electrones |
Por qué el dopaje afecta el rendimiento
Las adiciones de potasio y aluminio en el alambre de tungsteno dopado no permanecen como óxidos simples. Durante la sinterización y el trefilado, forman burbujas alargadas que fijan los límites de los granos a lo largo del eje del alambre, produciendo la estructura de granos entrelazados conocida como tungsteno que no se hunde. Un filamento de tungsteno puro recristaliza a alta temperatura en granos equiaxiales, luego se hunde por su propio peso y falla. La estructura dopada resiste esa fluencia, razón por la cual los filamentos de las lámparas están hechos de tungsteno dopado en lugar de tungsteno puro y por qué la especificación del dopante aparece en la orden de compra. Las adiciones de óxido de torio funcionan de manera diferente: reducen la función de trabajo de la superficie, por lo que el cable emite electrones más fácilmente y forma un arco con un voltaje más bajo, razón por la cual el tungsteno torio domina en los tubos de electrones y en los electrodos de soldadura de gas inerte de tungsteno.
Estándares y formas de productos
El tungsteno se especifica por la forma del producto y no por un estándar de material único. ASTM B760 cubre placas, láminas y láminas de tungsteno, definiendo dimensiones, tolerancias y requisitos mecánicos para productos de fábrica. ASTM B777 cubre metales de alta densidad con base de tungsteno-, los materiales de dos-fases que combinan tungsteno con aglutinantes de níquel-hierro o níquel-cobre, generalmente en el rango de 90% a 97% de tungsteno; se utilizan cuando se debe combinar alta densidad y maquinabilidad, por ejemplo en protección contra radiación, contrapesos y aplicaciones cinéticas. Para el alambre, los compradores especifican el diámetro, la tolerancia, la resistencia a la tracción y la rectitud junto con el sistema dopante, porque dos alambres con diámetro idéntico pero diferentes dopantes son productos diferentes. Las aleaciones para cojinetes de renio-se especifican cuando la ductilidad después de la recristalización es importante, ya que el renio reduce notablemente la temperatura de transición de dúctil-a-frágil.
Aplicaciones más allá de los filamentos
La iluminación moderna todavía consume alambre de tungsteno, pero los volúmenes más grandes ahora se destinan al hardware industrial. El tungsteno se utiliza para serpentines y botes de evaporación en la metalización al vacío, para elementos calefactores y escudos contra la radiación en hornos de alta-temperatura donde un elemento metálico debe sobrevivir por encima de los 2000 grados Celsius, para electrodos de lámparas de descarga y para electrodos de soldadura por arco no-consumibles. Los compuestos de cobre-tungsteno y plata-tungsteno, producidos por infiltración en lugar de fusión, sirven como contactos eléctricos y electrodos de soldadura por resistencia porque combinan la resistencia a la erosión del arco de tungsteno con una matriz metálica conductora. El cromo-tungsteno y otros aceros de tungsteno siguen siendo una salida más pequeña pero establecida en la cadena de suministro de ferroaleaciones.
Notas de adquisiciones
Tres parámetros deciden si un pedido de alambre de tungsteno funcionará como se espera. La tolerancia del diámetro controla si el filamento se ajusta a la herramienta de bobinado. La resistencia a la tracción y el alargamiento en el diámetro especificado predicen la rotura por manipulación durante el bobinado y el montaje. El contenido y la distribución dopantes deciden el comportamiento ante las altas-temperaturas. Debido a que la estructura de la burbuja dopada depende del historial de procesamiento termomecánico, el abastecimiento de la misma ruta de proceso es siempre más importante para el alambre de tungsteno que para la mayoría de los productos metálicos refractarios. Los compradores deberían solicitar el análisis de dopantes y el comportamiento de recristalización en el certificado en lugar de aceptar una especificación que indique únicamente la pureza y el diámetro.
Preguntas frecuentes
Q:¿Por qué se utiliza tungsteno para los filamentos de las lámparas?
R: Tiene el punto de fusión más alto de cualquier metal comercial a 3410 grados Celsius, la presión de vapor más baja y un coeficiente de expansión térmica de aproximadamente 4,5 x 10^-6 por kelvin que coincide con las envolturas de vidrio de borosilicato.
Q:¿Qué es el alambre de tungsteno que no-se comba?
A: Alambre de tungsteno dopado que contiene 0,2-0,4 % de SiO2 con 0,3-0,4 % de K2O y pequeñas adiciones de Al2O3. Los dopantes forman burbujas alargadas que fijan los límites de los granos, dando una estructura de grano entrelazada resistente a la fluencia en lugar de una estructura equiaxial combada.
Q:¿Cuál es la diferencia entre electrodos de tungsteno toriados, ceriados y lantanos?
R: Los electrodos toriados contienen entre 1,0 % y 2,5 % de ThO2 y ofrecen el arranque de arco más sencillo; Los tipos ceriados e itriados usan 1,5-3,0 % de CeO2 o 2,0-3,0 % Y2O3, y los tipos lantanos usan 1,0-2,0 % La2O3, todos para servicios de soldadura no consumibles.
Q:¿Qué normas ASTM se aplican a los productos de fábrica de tungsteno?
R: ASTM B760 cubre placas, láminas y láminas de tungsteno, y ASTM B777 cubre metales-base de tungsteno de alta densidad con aglutinantes de níquel-hierro o níquel-cobre, generalmente en el rango de 90% a 97% de tungsteno.
Q:¿Por qué utilizar alambre de tungsteno-renio?
R: Las adiciones de renio de 1,0% a 26,0% reducen la temperatura de transición de dúctil-a-frágil, por lo que el cable sobrevive a la manipulación y al ciclo térmico después de la recristalización, lo cual es importante para los filamentos de tubos de haz de electrones y dispositivos de microondas.
Q:¿Qué debe incluir una especificación de compra de alambre de tungsteno?
R: Diámetro y tolerancia, resistencia a la tracción y alargamiento, rectitud, el sistema dopante y su análisis, y el comportamiento de recristalización, ya que la historia del proceso, más que la pureza por sí sola, determina el rendimiento a altas-temperaturas.