Produzione di componenti di precisione in carburo di tungsteno per l’industria petrolifera e del gas

Il tubo di strozzatura esterno in carburo di tungsteno rappresenta un prodotto ad alta tecnologia realizzato attraverso una complessa catena tecnologica di metallurgia delle polveri e lavorazione di precisione. Questo componente, con un diametro di 7,15 mm e una lunghezza di 50 mm, fornisce protezione dall’erosione nei nodi critici dei sistemi di perforazione dove i materiali convenzionali si guastano nel giro di poche ore. La composizione WC 93% / Co 7% crea una combinazione unica di durezza estrema e sufficiente tenacità, permettendo al componente di resistere all’impatto di flussi di fango di perforazione ad alta velocità con particelle abrasive fino a 88 micron. La produzione di tale componente richiede una profonda comprensione del comportamento dei materiali carburi in ogni fase, dalla miscelazione di polveri nanometriche alla rettifica diamantata finale con tolleranze in micron.

Il carburo di tungsteno come materiale per condizioni operative estreme

Il carburo di tungsteno con legante al cobalto occupa un posto speciale tra i materiali strutturali grazie a una combinazione di caratteristiche irraggiungibile per soluzioni alternative. La durezza del materiale raggiunge 1550 HV secondo Vickers (87-91 HRA secondo Rockwell), posizionandolo al secondo posto dopo il diamante e il nitruro di boro cubico. Allo stesso tempo, a differenza della ceramica tecnica, il carburo di tungsteno mantiene un’accettabile tenacità alla frattura di 10-15 MPa·m^(1/2), che permette di sopportare carichi d’urto senza fratture catastrofiche.

La microstruttura del materiale consiste in grani di carburo di tungsteno di circa 1 micrometro di dimensione, distribuiti uniformemente in una matrice di cobalto. Il cobalto, che costituisce il 7% in massa, svolge una funzione criticamente importante: forma una rete continua che lega le particelle dure di carburo e previene il loro distacco sotto azione abrasiva. Durante la sinterizzazione a circa 1400°C, il cobalto passa allo stato liquido, sciogliendo fino al 10% del carburo di tungsteno, e al raffreddamento il WC precipita nuovamente, creando confini interfacciali resistenti.

La densità della composizione WC 93% / Co 7% è approssimativamente 14,9 g/cm³, quasi il doppio della densità dell’acciaio. Per il tubo di strozzatura esterno con diametro esterno di 7,15 mm, diametro interno di 6,2 mm e lunghezza di 50 mm, il peso calcolato è di 7,3-7,7 grammi. Questa alta densità non è uno svantaggio: al contrario, contribuisce alla stabilità del componente quando opera in flussi ad alta velocità e fornisce ulteriore stabilità inerziale.

La resistenza all’usura del carburo di tungsteno si manifesta in un coefficiente di usura specifico estremamente basso: solo 10^(-6) mm³/N·m, che è 10-100 volte inferiore a quello degli acciai per utensili. Gli studi mostrano che a parità di durezza, il WC-Co supera tutte le leghe dure alternative basate su TiC e Cr₃C₂ sia per resistenza abrasiva che erosiva. Questa superiorità si mantiene in un’ampia gamma di condizioni operative, da bassi angoli di attacco delle particelle abrasive all’impatto diretto.

La catena tecnologica di produzione inizia con la metallurgia delle polveri

La produzione di componenti in carburo di tungsteno inizia con un’attenta preparazione delle materie prime. La polvere di tungsteno con densità di 18 kg/dm³ viene miscelata con carbonio in miscelatori speciali che tengono conto della differenza significativa nei pesi specifici dei componenti. Successivamente, la miscela viene sottoposta a carburazione: riscaldamento a 1400-1800°C in atmosfera inerte o vuoto, con conseguente formazione di carburo di tungsteno WC.

Il carburo di tungsteno ottenuto viene macinato insieme alla polvere di cobalto in un mulino a sfere o attritor con aggiunta di alcol e paraffina. Il processo di macinazione dura circa 2 ore e mira a raggiungere una dimensione media del grano di circa 1 micrometro. Un grano più fine fornisce maggiore durezza e resistenza all’usura, il che è critico per i componenti che operano in ambienti abrasivi. Dopo la macinazione, la miscela viene essiccata per rimuovere l’alcol, quindi granulata per migliorare la fluidità e setacciata attraverso setacci con dimensione della maglia di 200-250 mesh.

La formatura dei semilavorati può essere effettuata con diversi metodi. Per componenti tubolari come il tubo di strozzatura esterno, i più adatti sono l’estrusione o la pressatura isostatica a freddo (CIP). Nell’estrusione, la massa preriscaldata con aggiunta di paraffina viene estrusa attraverso un ugello sagomato, creando prodotti lunghi e diritti con la possibilità di formare fori interni fino a 0,1 mm di diametro. Il CIP viene applicato per componenti di geometria complessa: la polvere viene posta in uno stampo di gomma che viene immerso in un serbatoio con liquido sotto pressione di 34,5-690 MPa. Questo metodo fornisce una compattazione più uniforme ed è adatto per la produzione in piccole serie.

Dopo la formatura si ottiene un pezzo “verde” che ha circa il 60-70% della densità finale. In questa fase è possibile la lavorazione meccanica preliminare a una temperatura di 600-800°C, quando il componente acquisisce una consistenza simile al gesso e può essere lavorato su macchine CNC. Ciò consente di creare elementi geometrici complessi, inclusi smussi e fori interni, prima della sinterizzazione finale.

La sinterizzazione e il trattamento HIP determinano le proprietà finali del materiale

La sinterizzazione è la fase decisiva in cui si formano le proprietà finali del carburo di tungsteno. Il processo viene condotto in forni a vuoto con pressione residua di 10^(-3) mbar o in atmosfera di argon. Per la composizione WC 93% / Co 7%, la temperatura ottimale di sinterizzazione è 1350-1400°C con un tempo di permanenza di 60-75 minuti e una durata totale del ciclo di 10-16 ore.

Il riscaldamento avviene in due fasi: prima a una velocità di 10°C/min fino a 800°C, poi più lentamente — 3°C/min fino alla temperatura finale. A circa 800°C inizia il flusso del cobalto sulla superficie dei grani di WC, e al raggiungimento di 1000°C si forma una soluzione solida β-Co(WC) di struttura cubica. Il momento critico si verifica a 1280-1495°C, quando il cobalto passa allo stato liquido, bagnando e sciogliendo parzialmente i grani di carburo di tungsteno. Inizia la sinterizzazione in fase liquida: i grani di WC si sciolgono nel cobalto liquido e riprecipitano, portando a una riorganizzazione delle particelle e a una brusca densificazione del materiale.

Durante la sinterizzazione si verifica un ritiro significativo — circa 18% nelle dimensioni lineari. Ciò richiede un calcolo preciso delle dimensioni del pezzo “verde” tenendo conto del ritiro prevedibile. Il cambiamento di forma può raggiungere ±3%, specialmente nei componenti grandi, che viene considerato nella progettazione del processo tecnologico. Dopo la sinterizzazione, il materiale raggiunge una densità relativa di circa il 99%, e la superficie ha una rugosità Ra di 1,6-6,3 micrometri.

Per ottenere le massime proprietà meccaniche, viene applicata la pressatura isostatica a caldo (HIP). Il componente sinterizzato viene posto in una camera dove viene sottoposto simultaneamente a una temperatura di 1200-1350°C e pressione isostatica di argon di 100 MPa (circa 1000 atmosfere). Questo processo richiede diverse ore e permette di raggiungere una densità relativa superiore al 99,7%, eliminando praticamente completamente la porosità residua di tipo A (pori nella fase carbidica con diametro inferiore a 10 micron) e di tipo B (pori nella fase legante con diametro di 10-25 micron).

Il trattamento HIP aumenta il limite di resistenza alla flessione trasversale fino al 30%, migliora significativamente la tenacità alla frattura e la resistenza alla fatica, mentre la durezza rimane allo stesso livello o diminuisce leggermente. Vengono eliminati i “laghi” di legante (accumuli di cobalto nella microstruttura), si migliora il legame chimico e meccanico tra il carburo di tungsteno e il cobalto in tutto il volume del componente. Per piccoli componenti di precisione come il tubo di strozzatura esterno, l’HIP è particolarmente importante poiché garantisce l’omogeneità delle proprietà e l’assenza di difetti che potrebbero diventare focolai di cedimento durante l’esercizio.

La lavorazione di precisione del carburo richiede attrezzature specializzate

Dopo la sinterizzazione, il componente possiede una durezza estrema che rende impossibile la lavorazione meccanica tradizionale. Per ottenere le dimensioni richieste e la qualità superficiale, si applicano metodi specializzati di lavorazione di materiali superduri.

La rettifica diamantata è il metodo principale di lavorazione di precisione del carburo di tungsteno. Si utilizzano mole abrasive con grano di diamante legato con legante ceramico, polimerico o metallico. Per la rettifica di sgrossatura si utilizza una granulometria di 100-120 mesh, per la finitura 230-400 mesh. Il legante ceramico fornisce un’efficienza di rimozione del materiale 2 volte superiore e una durata della mola 2-3 volte maggiore rispetto al legante polimerico, fornendo simultaneamente una migliore ritenzione della forma del profilo.

Per la lavorazione del diametro esterno di 7,15 mm si applica la rettifica cilindrica o senza centri. La rettifica senza centri fornisce naturalmente una rotondità superiore, mentre la rettifica cilindrica tra punte è preferibile per componenti dove è richiesta la concentricità di elementi interni ed esterni. Il diametro interno di 6,2 mm viene lavorato mediante rettifica interna utilizzando mole diamantate di piccole dimensioni. Le tolleranze raggiungibili sono ±0,0025 mm (±0,0001 pollici), e la concentricità può essere mantenuta entro 0,003 mm quando si utilizzano macchine specializzate che permettono di lavorare il diametro interno ed esterno in un unico setup.

I parametri di rettifica del carburo di tungsteno differiscono sostanzialmente dalla lavorazione dei metalli. La velocità di rotazione della mola è di 15-30 m/s per legante polimerico, l’avanzamento nella rettifica di sgrossatura è di 0,013-0,025 mm per passata, nella finitura solo 0,0025-0,005 mm. L’alimentazione continua di refrigerante è assolutamente necessaria per l’evacuazione del calore, la lubrificazione della zona di taglio e la rimozione dei trucioli. I refrigeranti sintetici sono applicati più frequentemente, fornendo un lavoro stabile in un’ampia gamma di condizioni.

L’elettroerosione (EDM) è un importante metodo complementare per creare elementi complessi nel carburo di tungsteno. Nonostante il basso contenuto di fase metallica, il materiale possiede sufficiente conduttività elettrica per un’erosione efficace. Per il carburo di tungsteno è richiesta un’alta tensione di scarica, circa 110-120 V, a causa dell’alto punto di fusione e della durezza del materiale. Il materiale ottimale dell’elettrodo è il rame-tungsteno (CuW) o rame elettrolitico, che mostrano bassa usura e prestazioni stabili.

L’EDM a filo permette di eseguire tagli passanti con precisione estremamente elevata, indipendentemente dalla durezza del materiale. L’EDM a tuffo viene applicata per creare cavità ed elementi interni complessi. Tre passate di finitura permettono di raggiungere una rugosità di Ra 0,3 micrometri, e con una regolazione fine dei parametri è possibile ottenere Ra 0,1-0,2 micrometri. Per microelementi si applica la micro-EDM con utensili in diamante policristallino, che fornisce una lavorazione ultrafine con rugosità fino a Ra 2 nanometri.

La creazione dello smusso interno a 20° in un componente tubolare di 6,2 mm di diametro richiede approcci specializzati. Si applicano frese in metallo duro per smussi da 0,36 mm di diametro con rivestimento TiAlN, che permettono di lavorare il carburo indurito. In alternativa, si utilizza la rettifica diamantata con una mola profilata, precedentemente sagomata all’angolo richiesto. Questo metodo fornisce una precisione dell’angolo entro minuti d’arco e un’eccellente ripetibilità per la produzione in serie. L’EDM a filo può anche essere applicata per creare smussi interni di geometria complessa, seguendo una traiettoria programmata senza usura dell’utensile.

La qualità superficiale determina le caratteristiche operative

La qualità della finitura superficiale è critica per i componenti che operano in flussi abrasivi. La rettifica diamantata standard fornisce una rugosità di Ra 0,2-0,4 micrometri (8-16 micropollici), che è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. La rettifica di precisione con mole a grana fine (granulometria 1000 e superiore) permette di raggiungere Ra 0,08-0,2 micrometri.

Per ottenere una superficie a specchio si applica la lappatura diamantata con diminuzione sequenziale della dimensione dell’abrasivo: 45 micron per la lavorazione di sgrossatura, poi 14, 6, 3 micron e paste submicroniche per la finitura. Una lavorazione di quattro ore migliora la rugosità di 0,2 micrometri, e una superficie a specchio con Ra inferiore a 0,05 micrometri è raggiungibile utilizzando paste con granulometria di 1 micron e inferiore. La lucidatura vibratoria con riempitivi ceramici fornisce una lavorazione uniforme di tutte le superfici del componente, creando simultaneamente tensioni residue di compressione favorevoli nello strato superficiale.

Il controllo qualità di piccoli componenti in carburo di tungsteno richiede attrezzature di misurazione ad alta precisione. Per i diametri si applicano micrometri, calibri pneumatici o comparatori ottici con risoluzione di ±0,0001 pollici. La concentricità viene misurata su un mandrino di precisione con indicatori a quadrante. La rugosità viene controllata con un profilometro a contatto o ottico. La rotondità viene valutata su macchine di misura della rotondità specializzate o macchine di misura a coordinate. Il primo componente passa attraverso un controllo al 100% di tutti i parametri; nella produzione in serie si applica il controllo statistico del processo.

La resistenza all’erosione nei sistemi di perforazione fornisce un aumento multiplo della durata

Nell’industria petrolifera e del gas, il carburo di tungsteno è diventato il materiale di scelta per i componenti che operano in condizioni di flussi abrasivi ad alta velocità. Il fango di perforazione contiene 15-20% di particelle abrasive solide — sabbia, particelle di roccia, di dimensioni da 60 a 235 micron (in questo caso fino a 88 micron). Quando passa attraverso i nodi di strozzatura, la velocità del flusso può raggiungere valori quasi sonici, e le particelle si muovono praticamente alla stessa velocità del flusso portante.

Il tubo di strozzatura esterno viene installato nei sistemi di controllo della pressione e della portata — valvole di strozzatura che regolano i parametri del pozzo durante la perforazione, le prove e l’esercizio. Nella zona di strozzatura si crea una caduta di pressione fino a 20.000 psi (138 MPa), che in presenza di particelle abrasive porta a un’erosione intensa. I materiali convenzionali — acciai al carbonio e legati — si guastano dopo 100 ore di funzionamento, richiedendo fermate frequenti per la sostituzione dei componenti. I componenti in carburo aumentano la durata di 6-11 volte, raggiungendo 760-1100 ore di funzionamento continuo.

Il meccanismo di resistenza all’erosione del carburo di tungsteno è legato alla sua microstruttura. I grani duri di WC forniscono resistenza primaria agli impatti delle particelle abrasive. Quando una particella di SiO₂ (durezza circa 1100 HV) o anche SiC (durezza 2800 HV) colpisce la superficie del carburo di tungsteno (1550 HV), non si verifica un taglio del materiale ma una deformazione microplastica della matrice di cobalto e un’estrusione parziale del legante. I grani di WC rimangono praticamente intatti. La rete di cobalto previene il distacco dei grani di carburo, che sarebbe catastrofico per i materiali puramente ceramici.

Gli studi mostrano che il WC-Co dimostra la massima erosione a un angolo di attacco di circa 60° — un valore intermedio tra metalli duttili (massimo a 30°) e ceramiche fragili (massimo a 90°). Ciò indica un meccanismo di cedimento combinato, dove la matrice di cobalto fornisce risposta duttile e la fase carbidica fornisce resistenza alla frattura fragile. La velocità specifica di usura erosiva è 10^(-6) – 10^(-8) mm³/N·m, che è di ordini di grandezza inferiore a quella dei materiali alternativi.

Nelle sedi valvole delle pompe fango, dove si verifica un movimento alternativo continuo in sospensione abrasiva sotto pressione fino a 52,7 MPa, gli inserti in carburo hanno mostrato un aumento della durata di 6-11 volte. Le pompe sono attrezzature criticamente importanti che forniscono la circolazione del fango di perforazione. Il guasto del gruppo valvola significa perdita di circolazione, incapacità di controllare la pressione nel pozzo e rischio di gravi incidenti fino agli scoppi. Sulle piattaforme di perforazione marine dove il costo del tempo macchina supera il milione di dollari al giorno, l’affidabilità dei componenti in carburo influisce direttamente sull’economia del progetto.

Gli ugelli delle punte in carburo di tungsteno forniscono un lavaggio intensivo del fondo pozzo con getti di fango di perforazione ad alta velocità. Gli ugelli in acciaio convenzionali si usurano rapidamente, modificando la geometria del flusso e riducendo l’efficienza di pulizia. Gli ugelli in carburo mantengono la geometria originale per tutta la durata della punta, fornendo un’idraulica stabile e un’efficace rimozione dei detriti. Ciò è particolarmente critico nella perforazione di rocce dure abrasive dove l’intensità dell’usura è massima.

La produzione di componenti in carburo richiede competenza tecnologica completa

La fabbricazione del tubo di strozzatura esterno di precisione in carburo di tungsteno rappresenta un processo multifase che richiede una profonda conoscenza della scienza dei materiali, della metallurgia delle polveri e dei metodi di lavorazione dei materiali superduri. Dalla meticolosità della miscelazione di polveri nanometriche alla precisione della rettifica diamantata finale, ogni fase influisce sulle proprietà finali del componente.

Il controllo del bilancio del carbonio è critico in tutte le fasi della produzione. L’eccesso di carbonio porta alla formazione di grafite libera (porosità di tipo C), riducendo le proprietà meccaniche. La carenza di carbonio causa la formazione di fasi η fragili (Co₆W₆C, Co₃W₃C), deteriorando drasticamente la tenacità e la resistenza alla corrosione. La stretta finestra dello stato bifasico WC + Co richiede un calcolo preciso del contenuto di carbonio tenendo conto dell’ossigeno nel tungsteno iniziale e della possibile ossidazione durante la macinazione.

Il regime termico di sinterizzazione deve fornire densità completa con crescita minima del grano. Temperatura troppo alta o tempo di permanenza prolungato portano all’ingrossamento dei grani di WC, riducendo la durezza. Temperatura o tempo insufficienti non forniscono densificazione completa, lasciando porosità residua. La velocità di raffreddamento nell’intervallo 1000-800°C deve essere di circa 100°C/ora per alleviare le tensioni residue e prevenire la fratturazione.

La stabilità dimensionale durante la sinterizzazione si ottiene mediante un calcolo preciso del ritiro. Per componenti di forma complessa si applica la modellazione computerizzata del processo di ritiro tenendo conto della geometria e delle condizioni di riscaldamento. Una tolleranza di cambio di forma di ±3% viene incorporata nella progettazione della tecnologia. Dopo la sinterizzazione, la correzione delle dimensioni è possibile solo mediante metodi di lavorazione abrasiva, il che rende la precisione del calcolo del ritiro un fattore economicamente importante.

Il trattamento HIP, sebbene aggiunga un passaggio tecnologico, fornisce un miglioramento critico delle proprietà per applicazioni responsabili. L’eliminazione degli ultimi decimi di percento di porosità aumenta il limite di resistenza del 30%, aumenta sostanzialmente la resistenza alla fatica e la resistenza allo scorrimento. Per componenti che operano sotto carichi ciclici o ad alte tensioni, l’HIP diventa una fase obbligatoria della produzione.

La lavorazione di precisione richiede attrezzature specializzate e personale altamente qualificato. Le rettificatrici devono possedere alta rigidità e precisione di posizionamento. La stabilità termica dell’attrezzatura è critica: anche una piccola espansione termica del mandrino o del componente porta le dimensioni fuori tolleranza. Si applicano sistemi di compensazione termica, si mantiene costante la temperatura del refrigerante, l’attrezzatura viene portata all’equilibrio termico prima dell’inizio della lavorazione.

Per componenti di 7-8 mm di diametro si presta particolare attenzione alla rigidità del fissaggio. Le piccole dimensioni rendono il componente più sensibile alle deformazioni da forze di serraggio ed espansione termica. Si applicano pinze specializzate, mandrini magnetici o dispositivi individuali che forniscono un fissaggio affidabile senza deformazione. La lavorazione viene eseguita quando possibile in un unico setup per mantenere la concentricità di elementi interni ed esterni.

Eurobalt Engineering, specializzata nella produzione di componenti di precisione in carburo di tungsteno, possiede il ciclo tecnologico completo dalla metallurgia delle polveri alla lavorazione di finitura. Ciò permette di controllare la qualità in ogni fase e garantire proprietà stabili del prodotto. Il tubo di strozzatura esterno di 7,15 mm di diametro rappresenta un esempio caratteristico di un prodotto dove la precisione micrometrica, l’omogeneità del materiale e l’assenza di difetti determinano l’affidabilità operativa di sistemi criticamente importanti delle attrezzature petrolifere e del gas in condizioni operative estreme.