Densidad de ferrotungsteno: valores de trabajo, cálculo y función industrial

La densidad del ferrowolframio es una de las pocas propiedades de la aleación que se puede predecir con confianza antes de que se funda un solo calor, porque se deriva directamente de las proporciones de los dos metales que contiene. La cifra es importante tanto desde el punto de vista comercial como técnico: la densidad impulsa el comportamiento de sedimentación y disolución en la cuchara de fabricación de acero, y es la razón por la que la aleación aparece en contrapesos, rotores giroscópicos y protección contra la radiación. Este artículo proporciona los valores de trabajo, muestra cómo se calculan y explica qué aleja una densidad medida de la calculada.

En qué consiste el ferrotungsteno

El ferro tungsteno es una aleación maestra de tungsteno y hierro que se utiliza para introducir tungsteno en acero y hierro fundido. El material comercial se fabrica mediante reducción carbotérmica de concentrado de mineral de tungsteno en un horno eléctrico, con material que contiene hierro-cargado de modo que el tungsteno reducido se disuelva en hierro líquido en lugar de producirse como metal puro. El resultado es una aleación densa y quebradiza que solidifica como una mezcla de fases intermetálicas, principalmente compuestos FeW y Fe2W, junto con una cantidad limitada de matriz rica en hierro-.

Elemento principal:tungsteno, típicamente del 70 al 85 por ciento en masa en calidades comerciales.

Balance:hierro, con pequeñas y controladas cantidades de carbono, silicio, fósforo y azufre.

Formas de producto:trozos fundidos, fracciones trituradas y cribadas, y polvo fino para la producción de alambre tubular y briquetas.

Comportamiento de fusión:la aleación se funde en un rango en lugar de en un solo punto, porque las fases presentes difieren en composición.

Valores típicos de densidad por grado

Debido a que la aleación es una mezcla, su densidad se encuentra entre la densidad del tungsteno puro, aproximadamente 19,25 g/cm³, y la densidad del hierro puro, aproximadamente 7,87 g/cm³. La regla de mezcla para la densidad no es un simple promedio ponderado de las dos cifras, ya que lo que se conserva es el volumen y no la densidad:

1 / ρaleación=(w(W) / ρ(W)) + (w(Fe) / ρ(Fe)), donde w denota fracción de masa.

Por lo tanto, los valores calculados aumentan de aproximadamente 13,4 a aproximadamente 15,8 g/cm³ en toda la gama comercial. El material comercial sólido en la ventana habitual de FeW75 a FeW80 normalmente se cotiza en aproximadamente 14,0 a 15,5 g/cm³, y la cifra calculada representa una aleación libre de poros-de exactamente la composición indicada. A modo de contexto, el acero al carbono y de baja aleación tiene entre 7,75 y 8,05 g/cm³ y el plomo, aproximadamente 11,34 g/cm³, por lo que una aleación maestra para rodamientos de tungsteno-es aproximadamente 1,8 veces más densa que el acero y notablemente más densa que el plomo.

Factores que cambian la densidad medida

Una cifra de laboratorio tomada de un lote entregado rara vez coincide exactamente con el valor calculado. Las diferencias son explicables y cada una apunta a una propiedad que vale la pena especificar en la orden de compra:

Proporción de tungsteno a hierro:el factor dominante. Cada punto porcentual adicional de tungsteno aumenta la densidad de la aleación.

Contenido de carbono:las adiciones de carbono reducen ligeramente la densidad, tanto porque el carbono es ligero como porque cambia la proporción de las fases presentes.

Elementos residuales:el molibdeno y otros residuos pesados ​​pueden sustituir al tungsteno y cambiar el resultado en cualquier dirección, por lo que los grados se compran según una especificación química en lugar de un nombre nominal.

Porosidad y contracción:Los lingotes y trozos fundidos contienen huecos, por lo que la densidad de una pieza medida puede caer por debajo del valor calculado incluso cuando la química es correcta.

Escoria atrapada e inclusiones no-metálicas:más livianos que la aleación, reducen la densidad promedio y también reducen la recuperación de tungsteno en la cuchara.

Densidad aparente de los lotes triturados:Cuando el producto se tritura y tamiza, la masa por volumen vertido del lecho empacado es siempre menor que la densidad sólida de las partículas, y depende de la distribución del tamaño y la forma de las partículas más que de la química.

Por esta última razón, una cifra de densidad no tiene sentido a menos que se indique la base. Los compradores deben exigir que el certificado distinga la densidad de las partículas sólidas de la densidad aparente, y deben fijar la fracción de tamaño al mismo tiempo, porque una fracción fina y una fracción gruesa de química idéntica no se comportarán de la misma manera en la masa fundida.

Por qué la densidad es importante en la práctica

En la cuchara de fabricación de acero y en el horno, la alta densidad es una ventaja operativa. Una adición densa penetra en la capa de escoria, llega rápidamente al metal líquido y se disuelve allí, mientras que una adición ligera puede flotar, oxidarse en la superficie y perderse en la escoria. Esta es la razón por la que el tungsteno se carga como ferrowolframio en lugar de como óxido o como un polvo fino, y por qué el tamaño se adapta a la práctica: trozos para la carga del horno, fracciones finas para alambre tubular donde se necesita una tasa de adición controlada.

Fuera del taller de fundición, la densidad de la aleación es la razón por la que se selecciona:

Lastre y contrapesos:la masa más alta en el volumen más pequeño, para superficies de control de aeronaves, contrapesos de elevación y grúas y aplicaciones de carreras.

Inercia giratoria:rotores giroscópicos y llantas de volante, donde se requiere una masa compacta de alta-densidad.

Blindaje radiológico:El material para cojinetes de tungsteno-ofrece un rendimiento de protección similar al del plomo con un espesor mucho menor, sin la toxicidad del plomo ni las restricciones de manipulación.

Partes del gradiente de densidad:Componentes construidos deliberadamente con una capa exterior más ligera y un núcleo denso, o al revés, para colocar la masa donde controla la vibración o el equilibrio.

El mecanizado y el procesamiento siguen la misma lógica. Una aleación densa, dura y quebradiza es lenta de cortar, por lo que generalmente se le da acabado mediante rectificado con grados abrasivos adecuados para piezas duras y de baja-ductibilidad, y rara vez se suelda. Cuando se requiere una pieza terminada, la cifra de densidad influye directamente en los cálculos de peso y, por lo tanto, en el tamaño de la pieza solicitada.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuál es la densidad del ferro tungsteno?
El material comercial sólido se cotiza comúnmente en aproximadamente 14,0 a 15,5 g/cm³ para contenidos de tungsteno del 70 al 85 por ciento. Los valores calculados de poros-libres para los mismos grados van desde aproximadamente 13,4 a 15,8 g/cm³.

P: ¿Por qué la densidad del ferro tungsteno no es el promedio del tungsteno y el hierro?
La densidad es masa por unidad de volumen, por lo que los volúmenes se combinan en lugar de las densidades. La regla de mezcla suma el volumen que ocupa cada componente, por lo que la aleación es más ligera que el tungsteno que contiene.

P: ¿Es el ferro tungsteno más pesado que el plomo?
Sí. El plomo pesa aproximadamente 11,34 g/cm³, frente a aproximadamente 14 g/cm³ o más de la aleación, por lo que se prefiere el material de rodamiento de tungsteno-para contrapesos compactos y blindaje.

P: ¿Un mayor contenido de tungsteno siempre significa una mayor densidad?
Dentro del rango FeW70 a FeW85, sí. Los lotes reales pueden desviarse si hay porosidad, inclusiones de escoria o elementos residuales pesados, por lo que la densidad se verifica junto con el análisis químico.

P: ¿Cuál es la diferencia entre la densidad sólida y la densidad aparente del ferro tungsteno?
La densidad sólida describe el material de la propia partícula. La densidad aparente describe un montón empaquetado de producto triturado y es menor porque los huecos entre las partículas se cuentan en el volumen.

P: ¿Por qué se debe triturar el ferrotungsteno hasta obtener un tamaño graduado?
La velocidad de disolución, el método de carga y la recuperación dependen del tamaño de las partículas. La carga del horno tolera grumos, mientras que las adiciones de alambre de cuchara y núcleo necesitan una fracción de tamaño más angosto y fino.