Il carburo di tungsteno-cobalto (WC-Co) è apprezzato per la sua capacità di resistere a forte usura, pressione e utilizzo ripetuto.
Questa eccezionale durezza lo rende ideale per gli utensili industriali, ma rappresenta anche una grande sfida produttiva. Il materiale è difficile da modellare, costoso da produrre e spesso richiede una quantità di materia prima superiore a quella effettivamente utilizzata nel componente finito.
I ricercatori hanno ora testato un metodo diverso per produrre carburo cementato WC-Co utilizzando la produzione additiva (AM, nota anche come stampa 3D). Il loro approccio potrebbe ridurre gli sprechi e i costi di produzione, preservando al contempo la resistenza e la durezza che rendono il materiale così utile.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista International Journal of Refractory Metals and Hard Materials .
Perché il carburo di tungsteno è così prezioso
I carburi cementati WC-Co sono ampiamente utilizzati in applicazioni che richiedono estrema durezza e resistenza all’usura, tra cui utensili da taglio, punte da trapano, macchine utensili e strumenti per l’edilizia. Il materiale combina il carburo di tungsteno, che conferisce durezza, con il cobalto, che funge da legante metallico tenendo insieme le particelle di carburo.
Attualmente, questi materiali vengono prodotti principalmente tramite metallurgia delle polveri. In questo processo, polveri fini di WC e Co vengono compresse ad alta pressione e riscaldate in macchine di sinterizzazione. La sinterizzazione lega insieme le particelle ad alte temperature senza necessariamente fondere completamente ogni componente.
Questo metodo produce componenti estremamente resistenti, ma presenta degli svantaggi. Il tungsteno e il cobalto sono materie prime costose e la produzione convenzionale può richiedere una grande quantità di materiale, offrendo al contempo una resa relativamente limitata. Per questo motivo, ridurre gli sprechi è particolarmente importante.
I ricercatori hanno esplorato la possibilità che la produzione additiva potesse rappresentare un’alternativa più efficiente. A differenza dei metodi convenzionali, che modellano un pezzo asportando materiale o riempiendo uno stampo, la produzione additiva costruisce un oggetto depositando il materiale solo dove è necessario.
Un laser e un filo riscaldato costruiscono il carburo
Il team ha utilizzato l’irradiazione laser a filo caldo (nota anche come saldatura laser a filo caldo), un processo che combina un raggio laser con un filo di riempimento preriscaldato. Il riscaldamento del filo prima che raggiunga la superficie di lavoro consente di aggiungere materiale più rapidamente ed efficientemente. Ciò può aumentare la velocità di deposizione (la quantità di metallo di riempimento aggiunto) riducendo al contempo la quantità di energia necessaria dal laser.
I ricercatori hanno testato due configurazioni di fabbricazione.
Nel primo caso, il laser è stato puntato sulla parte superiore di una barra di carburo cementato, posizionata davanti alla direzione di costruzione del materiale. Nel secondo caso, il laser ha guidato il processo, irradiando l’area tra la parte inferiore della barra di carburo cementato e il materiale di base (ferro).
Anziché fondere completamente i metalli, entrambi i metodi li ammorbidivano quel tanto che bastava per formare e depositare il carburo cementato. Questa distinzione è importante perché la fusione completa del carburo di tungsteno può alterarne la struttura interna e ridurne le proprietà che ne determinano il valore.
“I carburi cementati sono materiali estremamente duri utilizzati per il taglio di utensili e applicazioni simili, ma sono realizzati con materie prime molto costose come tungsteno e cobalto, il che rende la riduzione del consumo di materiale altamente auspicabile. Grazie alla produzione additiva, il carburo cementato può essere depositato solo dove necessario, riducendo così il consumo di materiale”, ha affermato l’autore corrispondente Keita Marumoto, professore assistente presso la Facoltà di Scienze e Ingegneria Avanzate dell’Università di Hiroshima.
Ottenuti carburi di qualità industriale privi di difetti.
Gli esperimenti hanno dimostrato che questo approccio è in grado di preservare la durezza e l’integrità meccanica associate al carburo cementato WC-Co prodotto con metodi convenzionali. I ricercatori hanno realizzato un materiale di base con una durezza superiore a 1400 HV (un’unità che rappresenta la resistenza alla penetrazione), senza causare difetti o decomposizione.
La misurazione HV si riferisce alla durezza Vickers, un test che valuta la resistenza di un materiale all’indentazione da parte di una punta dura. Un valore superiore a 1400 HV colloca il carburo risultante tra i materiali più resistenti comunemente utilizzati nell’industria, al di sotto di sostanze superdure come lo zaffiro e il diamante.
I risultati suggeriscono che la produzione additiva può realizzare stampi in carburo cementato senza difetti rilevanti, sebbene i risultati varino a seconda della configurazione di fabbricazione.
Il metodo di saldatura a barra ha causato la decomposizione di parte del WC vicino alla porzione superiore della struttura realizzata, creando difetti nel materiale finale. Il metodo di saldatura laser ha evitato alcuni di questi problemi, ma inizialmente ha faticato a mantenere la durezza richiesta.
I ricercatori hanno affrontato questo problema aggiungendo uno strato intermedio a base di lega di nichel. Hanno inoltre controllato e monitorato attentamente la temperatura in modo che rimanesse al di sopra del punto di fusione del cobalto, ma al di sotto della temperatura di crescita dei grani. La crescita dei grani si verifica quando i cristalli microscopici all’interno di un materiale aumentano di dimensioni, il che può modificarne la durezza e le prestazioni meccaniche.
Grazie a questi accorgimenti, il team è riuscito a produrre carburo cementato tramite manifattura additiva senza comprometterne la durezza.
Una nuova strategia per modellare materiali estremamente duri
I risultati forniscono una base per ulteriori sviluppi, ma rimangono diverse sfide. I ricercatori intendono ridurre le crepe, migliorare la durabilità e determinare come produrre forme più complesse.
“L’approccio di formare materiali metallici ammorbidendoli anziché fondendoli completamente è innovativo e ha il potenziale per essere applicato non solo ai carburi cementati, che sono stati al centro di questo studio, ma anche ad altri materiali”, ha affermato Marumoto.
Il lavoro futuro si concentrerà sulla produzione di utensili da taglio pratici, sulla sperimentazione del processo con materiali aggiuntivi e sulla ricerca di modi per rendere i componenti finiti ancora più resistenti.
Se la tecnica potesse essere perfezionata per la produzione su larga scala, consentirebbe ai produttori di applicare il costoso carburo solo dove necessario. Ciò renderebbe gli utensili avanzati meno dispendiosi ed economici, pur mantenendo l’estrema durezza richiesta per l’uso industriale.
Lo studio è stato condotto da Keita Marumoto e Motomichi Yamamoto della Facoltà di Scienze e Ingegneria Avanzate dell’Università di Hiroshima.
Punti salienti
Abstract
Nella fabbricazione di carburo cementato WC-Co, le proprietà meccaniche dell’oggetto fabbricato si deteriorano in presenza di difetti di porosità e W₂C , generato dalla decomposizione del WC. Per fabbricare oggetti in carburo cementato privi di tali difetti, questo studio ha esaminato la produzione additiva utilizzando il metodo laser a filo caldo con carburo cementato sinterizzato a forma di barra (WC-16%Co). Per valutare l’effetto del metodo di irradiazione del raggio laser sul carburo cementato fabbricato, sono stati eseguiti due metodi di fabbricazione: uno in cui la barra guida la direzione di fabbricazione (il laser irradia direttamente la parte superiore della barra di carburo cementato) e uno in cui il laser guida la direzione di fabbricazione (il laser irradia tra la parte inferiore della barra di carburo cementato e il materiale di base). Con la barra guida, è stata osservata la decomposizione del WC nella parte superiore dell’oggetto, dove il laser ha irradiato direttamente, e sono stati rilevati numerosi difetti. Tuttavia, con l’ausilio del laser, la decomposizione del WC è stata soppressa, ma l’elemento Fe del materiale di base ha invaso la struttura realizzata, causando una diminuzione della durezza. La realizzazione di uno strato intermedio costituito da una lega a base di Ni per sopprimere l’influenza del materiale di base ha permesso di ottenere un oggetto in carburo cementato WC-Co con una durezza sufficiente di oltre 1400 HV, senza decomposizione del WC o difetti.
Materiale fornito dall’Università di Hiroshima . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Keita Marumoto, Takashi Abe, Keigo Nagamori, Hiroshi Ichikawa, Akio Nishiyama, Motomichi Yamamoto. Effect of the hot-wire laser irradiation method and a Ni-based alloy middle layer on mechanical properties and microstructure in additive manufacturing of WC–Co cemented carbide. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2026; 136: 107624 DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2025.107624
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