WOLFRAMIO

Nombre: Wolframio (supuestamente del proto-nórdico/alemán Wolf Rahm “Baba de Lobo”)

Símbolo: W

Grupo: 6

Período: 6

Bloque: d

Categoría: Metales de transición

Número atómico: 74   

Masa atómica:  183,84 u

Electrones por capa: 2, 8, 18, 32, 12, 2

Electronegatividad: 2,36

Densidad: 19,25 gr/cc

Punto de Fusión: 3422ºC

Punto de Ebullición: 5930ºC

Conductividad Térmica: 170 W (m·K) 

Conductividad Eléctrica: 2 × 10^7 S/m 

Orden Magnético: Paramagnético

Estado Ordinario: Sólido

Estados de Oxidación: +4, +6

Dureza Mohs: 7,5

Dureza Vickers: 3430 MPa

Dureza Brinell: 2570 MPa

Isótopos más estables: W-180 (0,12%), W-182 (26,50%), W-183 (14,31%), W-184 (30,64%) y W-186 (28,46%)

Descubridor: Juan José y Fausto Elhúyar, españoles (1783)

Breve historia del metal 

El Wolframio, también conocido como Tungsteno, fue propuesto como un nuevo elemento, presente en minerales propios de las regiones nórdicas (Península Escandinava), particularmente Suecia (el Wolframio y la mayoría de Lantánidos se asocian a ésta región de Europa históricamente). Aparece en combinación con otros elementos, formando óxidos complejos (Wolframatos) en los que se encuentra junto al Calcio, en la Scheelita (CaWO4) y la Wolframita (Fe,Mn)WO4. 

El primer contacto con el Wolframio fue por parte del sueco Wilhelm Scheele, quien tras tratar la Scheelita (por entonces llamada Tungsten) obtuvo ácido Wolfrámico (H2WO4), pero fue incapaz de aislar el metal. Tiempo después el también sueco Tobern Bergman obtuvo resultados similares, concluyendo, junto al propio Scheele, que sería posible obtener un nuevo elemento a partir de la solución. 

En 1783, los hermanos guipuzcuanos Fausto y Juan José Elhúyar redujeron el ácido, obteniendo por primera vez el metal, acto que fue respaldado por la Real Sociedad Bascongada de Amigos del País. Los hermanos Elhúyar bautizaron al metal como “Volframio” (de la denominación de Bergman, “Wolfram”), no obstante, el nombre del metal pasó a ser “Tungsten” (nombre original de la Scheelita) en la mayoría de países anglo-parlantes y de Europa continental. 

¿Wolframio o Tungsteno?

Dependiendo del país, se utiliza un nombre u otro. En España, Países Bajos, Polonia y Alemania, entre otros se usa “Wolframio” (“Wolfram”). “Tungsteno” es más popular en Estados Unidos, países de América central y del Sur, Canadá, Reino Unido, Irlanda, Australia, entre otros. Irónicamente, tanto en Suecia como Noruega, Dinamarca y Finlandia el elemento se conoce como Volfram o Volframi (dependiendo de la lengua en concreto). No existe un consenso preciso que dictamine cuál de las dos debe emplearse. En circunstancias normales, cualquiera que tenga conocimientos mínimos de metalurgia sabe que éste metal tiene dos nombres. 

El origen de “Tungsteno” proviene del sueco, “Tung” significa pesado, ponderoso, y “Sten”, piedra, ergo Tung + Sten se traduciría en “Piedra pesada”. Ésto hace referencia a la Scheelita, que es más densa que la enorme mayoría de minerales comunes (6 gr/cc). 

“Wolfram” proviene del alemán (o del nórdico) y, -supuestamente- hace alusión a una teoría en la cual un espíritu demoníaco o algo así en forma de Lobo convertía el “buen mineral” contenedor de Estaño (Casiterita) en uno sin uso, inútil (en aquel tiempo, claro) que como sucede en el caso del Cobalto y el Níquel se encargaba de atormentar a los mineros jugándoles una broma pesada, valga la redundancia. Wolfram significaría “Baba” o “saliva” de Lobo, algo que me cuesta mucho creer, pero bueno, yo no pongo (ni me interesa poner o reescribir) las reglas. 

Características principales

El Wolframio es un metal de número atómico 74 perteneciente al grupo de los metales refractorios. Es bastante famoso entre estos últimos y destaca por su gran abanico de posibilidades. Se puede decir que es, dentro de los metales escasos, el más popular, con diferencia. 

En estado puro es de color plateado con un tinte "estañado" muy similar al del Estaño. Muy puro y pulido es brillante, pero se opaca con facilidad con el paso del tiempo mediante la formación del Óxido superficial que lo torna más grisáceo, parecido al Hierro. Es muy duro (el segundo después del Cromo con 7.5 Mohs) y denso (casi tanto como el Oro). Tiene el punto de fusión más elevado de todos los elementos químicos (ya que el Carbono no se funde si no que sublima) y el también el más alto de ebullición, muy cercano al Renio, entre los metales (algunos sitúan al Renio como el primero). 

Es extremadamente robusto, rígido, y en cuando muy puro, lo suficientemente dúctil como para formar alambres muy delgados con el, cosa imposible en otros metales parecidos a el. De precio asequible en comparación a otros metales de su naturaleza, lo podemos encontrar en múltiples aplicaciones que explotan su dureza, resistencia al calor y en menor medida, inercia química. Es indispensable en la industria armamentística y aereoespacial, y forma parte de casi todas las superaleaciones importantes de Níquel, Cobalto o Níquel – Cobalto. Elemento siderófilo (erróneamente catalogado como Litófilo por Goldschmidt), lo podemos encontrar en compañía de los metales ferrosos como subproducto de estos, o también del Manganeso y el Calcio. Es relativamente fácil de obtener, aunque el método involucra varios pasos. Como en la mayoría de metales refractorios, no es necesario obtener el metal puro para poder alearlo, si no que se agrega el óxido (purificado) de Wolframio (típicamente el trióxido, WO3 de color amarillo) al Acero fundido, donde el Oxígeno es liberado con Coque y el metal pasa a ligarse con el Hierro. El Wolframio tiene un papel preponderante en la industria siderúrgica y es en muchos sentidos uno de los metales más importantes a nivel industrial. 

El Wolframio ha sido, es y será sinónimo de cualidades superlativas. Tiene el módulo de resistencia a la tracción (resistencia a la rotura por elongación) más alto de todos los elementos químicos puros, así como el mayor punto de fusión entre los metales (y todos los elementos, si consideramos que el Carbono no funde propiamente dicho, pasa de sólido a gaseoso). Posee el segundo módulo de resistencia a la compresión entre todos los elementos, sólo superado por el Osmio. La dureza del Wolframio es legendaria, aunque no tan alta como la del Cromo (8,5 vs 7,5 del Wolframio), pero al ser más difícil de fracturar que el Cromo se considera (de forma incorrecta) como el elemento más “duro”. No obstante, el Wolframio aventaja al Cromo en su papel como endurecedor en el Acero, entre otras cosas, porque el Carburo que forma (típicamente binario, de fórmula WC) es mucho mejor que los que forma el Cromo. Dichos Carburos son los más estables termodinámicamente entre todos los que existen de combinación metal – Carbono (refractorios) y por ende es el más caro y usado. 

El Wolframio metálico es muy robusto y soporta bien el estrés mecánico, pero si se aplica un impacto seco lo suficientemente fuerte, el metal responde como lo haría uno típicamente frágil, resquebrajándose en lugar de abollarse, como es el caso de los metales maleables como el Cobre, Níquel y los preciosos con uso en joyería. 

El Wolframio tiene el coeficiente de expansión térmica más bajo de todos los metales y elementos en general.

Es además un muy buen conductor térmico y eléctrico. En su caso tiene mérito, dado que normalmente los metales refractorios, duros, no suelen ser buenos conductores ni del calor ni de la electricidad (uno de los motivos por los cuales se eligió al Wolframio para fabricar los filamentos de las bombillas antiguas es su elevado índice de conductividad eléctrica). 

Así mismo, el Wolframio es -extremadamente- resistente a la deformación por calor. Mientras que otros metales comienzan a arrugarse a partir de cierta temperatura (mucho antes siquiera de alcanzar temperaturas próximas al punto de fusión) el Wolframio permanece rígido hasta bien pasados los 2000ºC, sin dilatarse. El problema es que mucho antes de pasar de los 1000ºC siquiera, el metal comienza a oxidarse con mucha rapidez, a fin de cuentas no es un metal noble ni precioso (algo similar ocurre con el Tantalio y el Renio).

Otra característica interesante del Wolframio es que es altamente resistente al Mercurio líquido (que forma amalgamas de forma espontánea con la mayoría de metales). 

El Wolframio no se puede considerar un metal base ya que no actúa como tal, la enorme mayoría de las veces se usa como aleante, nunca como base salvo raras excepciones en las que lo encontramos sinterizado, de nuevo, sin llegar a actuar como un metal propiamente dicho. 

A colación de ésto es importante destacar que el Wolframio “metálico” que se suele vender, por ejemplo, en forma de tubos para conductos altamente resistentes al calor o piezas en general como las usadas como blindaje nuclear no son Wolframio estrictamente metálico de una sóla fase, si no gránulos del metal compactados a alta presión y calor que finalmente son aglomerados con el uso de un segundo metal en pequeñas dosis que actúa de cementante, éste proceso se sigue también para los Carburos, Nitruros, Boruros y Óxidos. 

Solamente el Wolframio derretido mediante haz (láser) de electrones se puede considerar Wolframio realmente metálico, ya que en su caso los átomos forman largas cadenas propiamente dichas en lugar de una solución cementada, como si fuera un composite. 

Naturalmente, el Wolframio 100% metálico fundido de a una pieza es muy caro y no tiene usos ya que normalmente la versión sinterizada es la que se usa para todo. El problema es que el Wolframio formado mediante sinterización no tiene las mismas propiedades que el fundido de a una sola pieza (proceso costoso ya que el punto de fusión es de más de 3000ºC y sólo se logra en pequeñas dosis mediante haz de electrones) por lo que muchos de los valores “oficiales” del Wolframio, como su dureza Vickers, Brinell, módulo de elasticidad, entre otros, podrían no ser exactos, en todo caso para bien: siempre tendrá mejores propiedades en estado de fundido que en estado sinterizado. 

El Wolframio fundido se vende a coleccionistas en forma de “pepitas” obtenidas mediante el ya citado proceso de fundido mediante haz de electrones, que consigue una temperatura suficiente para derretir el metal, condensarlo y formar pequeñas pepitas con forma de “lágrimas” de forma esferoidea (como bolitas) del metal puro. Fuera de ésto, no tiene mayor relevancia usarlo de ésta forma. 

¿Por qué el Wolframio es tan robusto?

Robusto, rígido, duro, el campeón de los refractorios, denso y duradero, fuerte. El Wolframio, como pasa con otros metales refractorios y el Osmio e Iridio, presenta una estructura cristalina única en la cual los átomos se encuentran tan fuertemente enlazados entre sí que forman cadenas tan estables como para permanecer inalterables hasta más de 3000ºC en una atmósfera inerte. 

Resistencia a la corrosión

La asignatura pendiente del Wolframio. En principio, es inerte en todos los ácidos en frío (diluidos o concentrados) pero todos le atacan lentamente con el paso del tiempo. Añadiendo calor la reacción es más rápida y se vuelve irreversible.

Las bases alcalinas son particularmente peligrosas para el Wolframio, especialmente (como siempre) en caliente. El Wolframio es de los pocos metales que se fragiliza en contacto con el Hidrógeno a temperaturas elevadas, elemento (el Hidrógeno) capaz de malograr la calidad final del Wolframio metálico preparado. 

Es resistente en agua dulce y salada, y moderadamente en ácido Clorhídrico, pero no en Nítrico ni Sulfúrico.  

Usos típicos

Es el metal de transición del período 6 más importante y famoso sólo por detrás del Platino y por supuesto, el Oro. 

El Wolframio tiene muchos usos, pero la enorme mayoría se pueden resumir en tanto tenemos en cuenta sus propiedades en estado puro y las que confiere a las aleaciones en las que es agregado. 

Como endurecedor y para aumentar la rigidez

En una aleación binaria de Hierro – Wolframio en ausencia de Carbono, el Wolframio aumentaría significativamente la rigidez y la dureza del Hierro, pero siquiera un 0,10% de Carbono ya altera por completo el resultado, ni que decir tiene contenidos de entre un 0,90 y un 1,10% de Carbono convierten la mezcla en una aleación muy dura, rígida y más resistente al calor. También es más resistente al desgaste y a la pérdida del endurecimiento que se obtiene mediante tratamiento térmico. El Wolframio es 100% soluble en Hierro a cualquier volumen y puede añadirse al Acero (de cualquier tipo, incluyendo Inoxidables) como óxido sin tener que pasar previamente por el costoso procedimiento de purificación y obtención del metal puro o de gran pureza (>99,9%). 

En los Aceros, se usa el Wolframio en cantidades entre un 2 y hasta un 20%. A mayor contenido (y siempre que la cantidad de Carbono ronde el 1% en masa) más dureza y rigidez se consigue a cambio de una pérdida de ductilidad y maleabilidad. Los Aceros al alto Wolframio son tan rígidos que trabajarlos a martillo resulta virtualmente imposible, incluso para máquinas, ni que decir del brazo del mejor herrero que ya sufre con un Acero al Carbono de cerca del 1% sin tener en consideración la adición del Wolframio.

Con el Wolframio y si el Carbono está presente en un 1% (o alrededor del 1%) éste metal “roba” los átomos de Carbono al Hierro, formando Carburo de Wolframio intergranular que aumenta mucho la dureza y rigidez que logra salvar el Hierro, ya que es lo suficientemente tenaz como para lograr una aleación no-frágil que sin embargo, requiere sí o sí de tratamiento térmico para evitar la fragilización. Las combinaciones de Wolframio con el Acero se usan sólo cuando es necesaria una mezcla de dureza y resistenca al calor muy altas, ya que el Wolframio en sí mismo no es un metal barato. 

Recientemente se ha ido reemplazando al Wolframio por % de Cromo, Vanadio y sobretodo, Molibdeno, que buscan abaratar el coste de la aleación final. El grupo principal de Aceros al Wolframio es el HSS (High Speed Steel), aunque su uso ha entrado en declive en favor del Carburo de Wolframio (sin Hierro/Acero) que es mucho más duro (9 vs los 7-7,5 Mohs del Acero ultra-duro HSS) y se llama “Carburo” a secas muchas veces, algo que no recomiendo ya que se puede confundir con el otro Carburo más usado, el de Silicio. 

El Wolframio mejora la resistencia a la corrosión de los Aceros, pero no tanto como el Cromo y el Molibdeno. La razón es que en un gramo de Wolframio hay miles de millones de átomos menos que en un gramo de Molibdeno y mucho menos aún, de Cromo. Nunca se usa para éste propósito, se considera un efecto beneficioso adicional, pero no se usa específicamente para esto. 

El papel del Wolframio en las aleaciones de Níquel (Superaleaciones) y en menor medida, aunque también notablemente, en las de Cobalto (ej: algunos grados de Stellite, Vitallium). En éste sentido, el Wolframio se usa principalmente para mejorar la estabilidad dimensional (rigidez) evitando la dilatación por expansión térmica a altas temperaturas, con o sin Carbono. 

Carburo de Wolframio

El compuesto más importante del metal es tan famoso como el Wolframio mismo. Lleva usándose desde antes de la Segunda Guerra Mundial y es la forma más “familiar” del elemento en el sentido de que normalmente el Wolframio que se compra es en realidad el Carburo, que no tiene las mismas propiedades que el metal puro, como es lógico. 

Dado que ya he descrito previamente el compuesto y sus usos en el apartado de Carburos (ver sección Carbono). Se forma con facilidad; no hace falta agregar el metal puro y luego hacerlo reaccionar con Carbono, si no que se agrega directamente el Óxido (típicamente WO3) en presencia de una saturación de Carbono. Digo saturación porque los % de Carbono han de ser lo suficientemente alto, ya sea como coque o cualquier otra forma de suministro de Carbono para que el Oxígeno se desprenda por completo, formando CO2. Cuando el Oxígeno es removido, la alta afinidad del Wolframio hace que éste asborba el Carbono y forme finalmente el Carburo sin mayor inconveniente que el propio gasto de recursos necesarios para llevar a cabo la reacción, que involucra altas temperaturas = más combustible quemado. 

El Carburo de Wolframio, también conocido como “Widia” por el alemán o simplemente como “Carburo” (ésto último también se aplica al Carburo de Silicio) se usa para brocas, lijas, abrasivos en general. Es un polvo de color gris “acerado” que se muele para dismunir el tamaño del grano, hasta tal punto que éstos llegan a ser solamente observables mediante microscopio. Una vez reducidos en tamaño, son cementados con un aglomerante como el Cobalto o el Níquel para formar la pieza final. 

El Cobalto se usa para piezas de Widia más resistentes al calor y que presentan mayor rigidez y dureza. Los grados de Widia con Cobalto se encuentran entre los materiales más rígidos y compactos del mundo, soportando índices altos de Gigapascales mediante presión. 

El Níquel se usa típicamente en mezclas más tenaces (pero menos rígidas), más resistentes a la corrosión, en compañía de combinaciones de Cromo – Molibdeno para mejorar la resistencia al ataque químico. 

Usos del Carburo de Wolframio en Joyería

El carburo de Wolframio se ha convertido en una opción de moda para su uso como material en la llamada joyería alternativa, y más específicamente, en la fabricación de anillos de tipo alianza.

Mucho se ha hablado y debatido acerca de las propiedades de este material (erróneamente llamado metal o aleación). Mientras que algunos afirman que un anillo hecho con carburo de wolframio podría resistir el calor de la superficie del Sol, otros claman que es de hecho un mero composite quebradizo, fácil de pulverizar. En este apartado despejaremos de una vez por todas las dudas al respecto de este material. ¿De qué está hecho? ¿Cómo lo fabrican? ¿Es cierto que es “indestructible”? Y lo que es más importante a mi modo de ver, ¿vale realmente lo que cuesta?

Empezaré diciendo que el carburo de wolframio en sí mismo es un polvo de color grisáceo, extremadamente duro (9.5 Mohs) que se sintetiza a partir de la combinación química de los elementos wolframio y carbono a altas temperaturas. 

No es un metal ni tampoco una cerámica, sino una combinación de estos dos, es decir, un cermet. 

En estado puro es un polvo muy duro, quebradizo y resistente a la corrosión, funde a altas temperaturas (sobre los 2800 Cº) y se lleva usando desde antes del siglo XX como material de partida para la fabricación de herramientas de corte que explotan su principal virtud: la dureza. 

No sería hasta los años 80's que se comenzaría a explorar la posibilidad de usarlo en el campo de la joyería, si bien su popularidad explotó definitivamente en la primera década de este siglo. 

Pero, si es un polvo, ¿cómo le dan la forma de anillo?

Lo que usted ve cuando mira un anillo de carburo de wolframio es en realidad un composite sinterizado. No se trata en ningún caso del polvo previamente mencionado, sino de éste último conformado (aglomerado) gracias a un metal ferroso que actúa de “pegamento” entre las partículas del carburo. En la industria de la joyería suele usarse el níquel en detrimiento del cobalto ya que el primero es mucho más tenaz y resistente a la corrosión que el segundo. Realmente, un anillo de carburo de wolframio es una mezcla del polvo que le da nombre y un metal o aleación de este último que refuerzan su ductilidad (la cual es mínima en cualquier caso) y sirven de base, como ya se ha mentado.

El porqué tiene un acabado suave y sólido (libre de poros) se debe a un proceso muy elaborado y complejo en el cual la intromisión de agentes químicos como el oxígeno, nitrógeno o hidrógeno no es tolerable.  

Rol militar del Wolframio 

El Wolframio se usaba y se sigue usando en aplicaciones militares para la fabricación de toda suerte de artilugios, entre los que destacan la munición ultra-dura de alta densidad, típicamente reservada para proyectiles de gran calibre dado que el uso en calibres de menor tamaño no compensa la diferencia con el Plomo y el Acero endurecido. Normalmente, cuando se aumenta el diámetro del proyectil también se va abandonando el Plomo en favor del Acero. Ésto se debe, entre otras cosas, a que el Plomo es demasiado denso en estado de alta pureza (rara vez se usa puro, en su lugar se dopa con Antimonio) y blando (se dilataría siquiera antes de salir por la boca del cañón por el rozamiento). El Acero se dopa con Wolframio porque aumenta la rigidez, la dureza y la densidad (aunque no llega a ser como la del Plomo) en proyectiles de Tanques, submarinos, acorazados, et cétera y en menor medida cazadores (“cazas”) aéreos. 

El segundo uso principal del Wolframio es como endurecedor en los Aceros, para blindaje, en los Panzers alemanes en primer lugar y luego aplicado a más vehículos de combate, no necesariamente de tierra. La mejora en la resistencia a los impactos por proyectiles sacrifica a su vez movilidad en el vehículo (debido al incremento de peso general). La resistencia al calor en éste ámbito no es tan relevante como en otros contextos. 

Una de las cosas que pocas veces se cuentan respecto al Acero al Wolframio como cabeza de proyectiles de tanques es que el material de preferencia no era éste, si no el Uranio empobrecido, que no solamente es más denso que cualquier aleación de Wolframio, si no que a diferencia de éstas es pirofórico, se incendia al impactar. Ésto provoca que el vehículo adversario sufra una explosión acompañada de fuego que resulta más peligrosa que el proyectil no-inflamable. 

Durante la Segunda Guerra Mundial tanto España (zona del noroeste, Galicia y Asturias en menor medida) y sobretodo en Portugal (las mayores reservas de Europa) delegaciones alemanas comenzaron un mercado local de breve duración (lo que duraría la guerra) en la que se ha dicho a nivel local que “venían a comprar ésto (referido a los minerales del Wolframio) a precio de Oro”, cosa no es literal, claro. Era caro, pero no tanto. 

Los alemanes fueron los primeros en darse cuenta de los efectos del Wolframio en el Acero, por lo que comenzaron a comprarlo a todo aquel que tuviera minas de éste metal, indispensable para el desarrollo de la guerra. Actualmente, el Wolframio sigue usándose con fines armamentísticos (a tal punto que su metal ha subido) y se ha retirado progresivamente del mercado civil (aplicaciones no-bélicas como brocas, lijas, et cétera) a la vez que se publicaba que los Aceros al Molibdeno “eran superiores” cosa es falsa y se trata de una tapadera para ocultar el motivo real de la retirada progresiva del metal, no porque sea peligroso venderlo (ni muchísimo menos) si no porque mientras más Wolframio se ponga en manos civiles menos habrá para la industria militar. A veces es tan sencillo de entender que me duele la cabeza al leer lo que normalmente tengo que leer. 

El Wolframio como material de blindaje anti-nuclear

La alta densidad del Wolframio, debida principalmente al poco espacio que hay entre átomo y átomos en las cadenas de W – W masivas repetidas a razón de miles de millones en apenas un gramo del metal forman una especie de “red” de alta densidad nuclear que bloquea toda suerte de radiación, especialmente neutrones rápidos, partículas alfa (núcleos de Helio) y en menor medida, gamma (electrones rápidos). 

Otros usos del metal 

El Wolframio se usa como peso en aplicaciones de élite como reemplazo del Plomo (lastre) ya que es más denso incluso en menor volumen. Ésto es muy práctico, por ejemplo, en competiciones de deportes de motor, donde el peso se distribuye más uniformemente en espacios más reducidos de volumen. Por regla, el mismo coche no puede considerarse en igual estado de competitividad si un piloto pesa 10 kilogramos más que otro en el mismo equipo o en la parrilla en general. Ésta cantidad que puede no parecer mucho (10 kilogramos, más o menos) se vuelve muy importante en coches o mejor dicho monoplazas de élite como los de Fórmula 1 o los de IndyCar donde se añade lastre cuando la suma del peso del piloto y el vehículo no dan el mínimo. 

En soldadores de gas inerte, el Wolframio en aleación con Toria (ThO2) es muy eficaz ya que presenta una resistencia al calor extrema. 

En estado de alta pureza, el Wolframio se usa para fabricar transportadores como tubos o contenedores de gases corrosivos, substancias químicas corrosivas, et cétera, siempre y cuando la necesidad de un material resistente al calor sea buscada.