Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Metales refractarios

Los metales refractarios son una clase de metales extraordinariamente resistentes al calor y al desgaste . El término se utiliza principalmente en el contexto de la ciencia de l...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Los metales refractarios son una clase de metales extraordinariamente resistentes al calor y al desgaste . El término se utiliza principalmente en el contexto de la ciencia de los materiales , la metalurgia y la ingeniería . Las definiciones de los elementos que pertenecen a este grupo varían. La definición más común incluye cinco elementos: dos del quinto periodo ( niobio y molibdeno ) y tres del sexto periodo ( tantalio , tungsteno y renio ). Todos comparten algunas propiedades, como un punto de fusión superior a 2000  °C y una alta dureza a temperatura ambiente. Son químicamente inertes y tienen una densidad relativamente alta. Sus elevados puntos de fusión hacen de la metalurgia de polvos el método preferido para la fabricación de componentes a partir de estos metales. Algunas de sus aplicaciones incluyen herramientas para trabajar metales a altas temperaturas, filamentos de alambre, moldes de fundición y recipientes para reacciones químicas en entornos corrosivos. En parte debido a sus altos puntos de fusión, los metales refractarios son estables frente a la deformación por fluencia a temperaturas muy elevadas.

Definición

La mayoría de las definiciones del término "metales refractarios" enumeran un punto de fusión extraordinariamente alto como requisito clave para su inclusión. Según una definición, se requiere un punto de fusión superior a 4000 °F (2200 °C) para calificar, lo que incluye iridio , osmio , niobio , molibdeno , tantalio , tungsteno , renio , rodio , rutenio y hafnio . [ 2 ] Los cinco elementos niobio , molibdeno , tantalio , tungsteno y renio están incluidos en todas las definiciones, [ 3 ] mientras que la definición más amplia incluye todos los elementos con un punto de fusión superior a 2123 K (1850 °C) , como titanio , vanadio , circonio y cromo . [ 4 ] El tecnecio no está incluido debido a su radiactividad, aunque de otro modo habría calificado según la definición más amplia. [ 5 ]    

Propiedades

Físico

  1. 1 2 Valores consensuados tomados de los puntos de fusión de los elementos con múltiples referencias allí.
  2. 1 2 Valores consensuados tomados de los puntos de ebullición de los elementos con múltiples referencias. El tungsteno tiene una banda de discrepancia particularmente amplia, con dos fuentes primarias que reportan 5555 °C.
  3. ↑ Valores de consenso tomados de las densidades de los elementos con múltiples referencias allí.

Los metales refractarios tienen puntos de fusión altos, siendo el tungsteno y el renio los más altos de todos los elementos, y los puntos de fusión de los demás solo son superados por el osmio y el iridio , y la sublimación del carbono . Estos altos puntos de fusión definen la mayoría de sus aplicaciones. Todos los metales son cúbicos centrados en el cuerpo, excepto el renio, que es hexagonal compacto . Las propiedades físicas de los elementos refractarios varían significativamente porque pertenecen a diferentes grupos de la tabla periódica . [ 6 ] [ 7 ] La dureza, los altos puntos de fusión y ebullición, y las altas entalpías de atomización de estos metales surgen de la ocupación parcial de la subcapa d externa , lo que permite que los electrones d participen en el enlace metálico. Esto da lugar a enlaces rígidos y altamente estables con los átomos vecinos y a una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo que resiste la deformación. Al desplazarse hacia la derecha en la tabla periódica, un mayor número de electrones d aumenta este efecto, pero a medida que se llena la subcapa d, la mayor carga nuclear los atrae hacia el núcleo inerte del átomo , reduciendo su capacidad de deslocalización para formar enlaces con los vecinos. Estos efectos opuestos dan como resultado que los grupos del 5 al 7 presenten las propiedades más refractarias. [ 8 ]

La resistencia a la fluencia es una propiedad clave de los metales refractarios. En los metales, el inicio de la fluencia se correlaciona con el punto de fusión del material; en las aleaciones de aluminio, la fluencia comienza a 200  °C, mientras que en los metales refractarios se requieren temperaturas superiores a 1500  °C. Esta resistencia a la deformación a altas temperaturas hace que los metales refractarios sean adecuados para soportar fuerzas intensas a altas temperaturas, por ejemplo, en motores a reacción o en herramientas utilizadas durante la forja . [ 9 ] [ 10 ]

Químico

Los metales refractarios presentan una amplia variedad de propiedades químicas debido a que pertenecen a tres grupos distintos de la tabla periódica . Se oxidan fácilmente, pero esta reacción se ralentiza en el metal en masa por la formación de capas de óxido estables en la superficie ( pasivación ). En particular, el óxido de renio es más volátil que el metal, por lo que a altas temperaturas se pierde la estabilización frente al ataque del oxígeno, debido a la evaporación de la capa de óxido. Todos ellos son relativamente estables frente a los ácidos. [ 6 ]

Aplicaciones

Los metales refractarios y sus aleaciones se utilizan en iluminación , herramientas, lubricantes , barras de control de reacción nuclear , como catalizadores y por sus propiedades químicas o eléctricas. Debido a sus altos puntos de fusión , los componentes de metales refractarios nunca se fabrican mediante fundición . Se utiliza el proceso de metalurgia de polvos : los polvos del metal puro se compactan, se calientan con corriente eléctrica y se procesan posteriormente mediante trabajo en frío con etapas de recocido. Los metales refractarios y sus aleaciones se pueden transformar en alambre , lingotes , barras de refuerzo , láminas o papel de aluminio .

Aleaciones de molibdeno

Las aleaciones a base de molibdeno se utilizan ampliamente porque son más económicas que las aleaciones de tungsteno de mayor calidad. La aleación de molibdeno más utilizada es la aleación de titanio - circonio - molibdeno ( TZM), compuesta por un 0,5 % de titanio y un 0,08 % de circonio (el resto es molibdeno). Esta aleación presenta una mayor resistencia a la fluencia y una mayor resistencia mecánica a altas temperaturas, lo que permite que el material funcione a temperaturas superiores a 1060 °C. La alta resistencia del Mo-30W, una aleación de 70 % de molibdeno y 30 % de tungsteno, frente al ataque del zinc fundido la convierte en el material ideal para la fundición de zinc. También se utiliza para la fabricación de válvulas para zinc fundido. [ 11 ] 

El molibdeno se utiliza en relés de láminas humedecidas con mercurio , porque el molibdeno no forma amalgamas y, por lo tanto, es resistente a la corrosión por mercurio líquido . [ 12 ] [ 13 ]

El molibdeno es el metal refractario más utilizado. Su uso más importante es como aleación de refuerzo del acero . Los tubos y tuberías estructurales suelen contener molibdeno, al igual que muchos aceros inoxidables . Su resistencia a altas temperaturas, su resistencia al desgaste y su bajo coeficiente de fricción son propiedades que lo convierten en un compuesto de aleación invaluable. Sus excelentes propiedades antifricción permiten su incorporación en grasas y aceites donde la fiabilidad y el rendimiento son fundamentales. Las juntas homocinéticas de los automóviles utilizan grasa que contiene molibdeno. El compuesto se adhiere fácilmente al metal y forma un recubrimiento muy duro y resistente a la fricción. La mayor parte del mineral de molibdeno del mundo se encuentra en China, Estados Unidos , Chile y Canadá . [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

El tungsteno y sus aleaciones

El tungsteno fue descubierto en 1781 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele . El tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, a 3410 °C (6170 °F ) .  

Filamento de una bombilla incandescente de 200 vatios, ampliado considerablemente.

Se alea hasta un 22 % de renio con tungsteno para mejorar su resistencia a altas temperaturas y a la corrosión. El torio, como compuesto de aleación, se utiliza cuando se deben establecer arcos eléctricos: la ignición es más fácil y el arco arde de forma más estable que sin la adición de torio. Para aplicaciones de metalurgia de polvos, se deben utilizar aglutinantes para el proceso de sinterización. Para la producción de aleaciones pesadas de tungsteno, se utilizan ampliamente mezclas de aglutinantes de níquel y hierro o níquel y cobre . El contenido de tungsteno de la aleación suele ser superior al 90 %. La difusión de los elementos aglutinantes en los granos de tungsteno es baja incluso a las temperaturas de sinterización y, por lo tanto, el interior de los granos es de tungsteno puro. [ 18 ]

El tungsteno y sus aleaciones se utilizan a menudo en aplicaciones donde hay altas temperaturas, pero se requiere una alta resistencia y la alta densidad no supone un problema. [ 19 ] Los filamentos de alambre de tungsteno proporcionan la gran mayoría de la iluminación incandescente doméstica , pero también son comunes en la iluminación industrial como electrodos en lámparas de arco. Las lámparas se vuelven más eficientes en la conversión de energía eléctrica en luz con temperaturas más altas, por lo que un punto de fusión alto es esencial para la aplicación como filamento en la luz incandescente. [ 20 ] El equipo de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW, también conocida como soldadura TIG (Tungsten Inert Gas)) utiliza un electrodo permanente que no se funde . El alto punto de fusión y la resistencia al desgaste frente al arco eléctrico hacen del tungsteno un material adecuado para el electrodo. [ 21 ] [ 22 ]

La alta densidad y resistencia del tungsteno son también propiedades clave para su uso en proyectiles de armas , por ejemplo, como alternativa al uranio empobrecido para proyectiles de cañones de tanques. [ 23 ] Su alto punto de fusión hace del tungsteno un buen material para aplicaciones como toberas de cohetes , por ejemplo en el UGM-27 Polaris . [ 24 ] Algunas de las aplicaciones del tungsteno no están relacionadas con sus propiedades refractarias sino simplemente con su densidad. Por ejemplo, se utiliza en contrapesos para aviones y helicópteros o para cabezas de palos de golf . [ 25 ] [ 26 ] En estas aplicaciones, también se pueden utilizar materiales densos similares como el osmio, que es más caro .

El uso más común del tungsteno es como compuesto de carburo de tungsteno en brocas , herramientas de mecanizado y corte. Las mayores reservas de tungsteno se encuentran en China , con yacimientos en Corea , Bolivia , Australia y otros países.

También se utiliza como lubricante , antioxidante , en boquillas y casquillos, como recubrimiento protector y en muchas otras aplicaciones. El tungsteno se encuentra en tintas de impresión, pantallas de rayos X , en el procesamiento de productos derivados del petróleo y en la ignifugación de textiles .

Aleaciones de niobio

Imagen del Módulo de Servicio Apolo con la Luna de fondo.
Módulo de mando y servicio Apollo con la tobera oscura del cohete hecha de aleación de niobio-titanio.

El niobio casi siempre se encuentra junto con el tantalio, y recibió su nombre de Níobe , la hija del mítico rey griego Tántalo, de quien el tantalio recibió su nombre. El niobio tiene muchos usos, algunos de los cuales comparte con otros metales refractarios. Es único porque puede trabajarse mediante recocido para lograr una amplia gama de resistencia y ductilidad , y es el menos denso de los metales refractarios. También se encuentra en condensadores electrolíticos y en las aleaciones superconductoras más prácticas . El niobio se encuentra en turbinas de gas de aeronaves , tubos de vacío y reactores nucleares .

Una aleación utilizada para las toberas de los propulsores de cohetes líquidos , como la del motor principal de los módulos lunares Apolo , es la C103, compuesta por un 89 % de niobio, un 10 % de hafnio y un 1 % de titanio. [ 27 ] Otra aleación de niobio se utilizó para la tobera del módulo de servicio Apolo . Dado que el niobio se oxida a temperaturas superiores a 400  °C, es necesario un recubrimiento protector para estas aplicaciones con el fin de evitar que la aleación se vuelva quebradiza. [ 27 ]

El tantalio y sus aleaciones

El tantalio es una de las sustancias más resistentes a la corrosión que existen. Gracias a esta propiedad, se le han encontrado numerosas aplicaciones importantes, especialmente en los campos médico y quirúrgico , así como en entornos ácidos agresivos . También se utiliza para fabricar condensadores electrolíticos de alto rendimiento. Las películas de tantalio ofrecen la segunda mayor capacitancia por volumen después del aerogel y permiten la miniaturización de componentes y circuitos electrónicos . Muchos teléfonos móviles y ordenadores contienen condensadores de tantalio.

aleaciones de renio

El renio es el metal refractario descubierto más recientemente. Se encuentra en bajas concentraciones junto con muchos otros metales, en los minerales de otros metales refractarios, platino o cobre . Es útil como aleación con otros metales refractarios, donde aumenta su ductilidad y resistencia a la tracción . Las aleaciones de renio se utilizan en componentes electrónicos, giroscopios y reactores nucleares . El renio encuentra su uso más importante como catalizador. Se utiliza como catalizador en reacciones como alquilación , desalquilación , hidrogenación y oxidación . Sin embargo, su rareza lo convierte en el más caro de los metales refractarios. [ 28 ]

Ventajas e inconvenientes

La resistencia y la estabilidad a altas temperaturas de los metales refractarios los hacen idóneos para aplicaciones de metalurgia en caliente y para la tecnología de hornos de vacío . Numerosas aplicaciones especiales aprovechan estas propiedades: por ejemplo, los filamentos de las lámparas de tungsteno funcionan a temperaturas de hasta 3073  K, y los devanados de molibdeno para hornos soportan hasta 2273  K.

Sin embargo, la escasa procesabilidad a bajas temperaturas y la extrema oxidabilidad a altas temperaturas son inconvenientes comunes a la mayoría de los metales refractarios. La interacción con el entorno puede influir significativamente en su resistencia a la fluencia a altas temperaturas. La aplicación de estos metales requiere una atmósfera o recubrimiento protector.

Las aleaciones de metales refractarios de molibdeno, niobio, tantalio y tungsteno se han aplicado a sistemas de energía nuclear espacial. Estos sistemas fueron diseñados para operar a temperaturas de 1350 K a aproximadamente 1900 K. El entorno no debe interactuar con el material en cuestión. Se utilizan metales alcalinos líquidos como fluidos de transferencia de calor, así como el ultra alto vacío .

Para que las aleaciones sean aptas para su uso, es necesario limitar su deformación por fluencia a altas temperaturas . Esta deformación no debe superar el 1-2%. Una complicación adicional en el estudio del comportamiento de fluencia de los metales refractarios son las interacciones con el entorno, que pueden influir significativamente en dicho comportamiento.

Véase también

  • Refractario : resistencia al calor de materiales no metálicos

Referencias

  1. ↑ "Revista Internacional de Metales Refractarios y Materiales Duros" . Elsevier . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  2. ↑ Bauccio, Michael; Sociedad Americana de Metales (1993). «Metales refractarios» . Libro de referencia de metales de la ASM . ASM International. págs. 120–2 . ISBN  978-0-87170-478-8.
  3. ↑ Metales, Comportamiento de; Wilson, J. W (1 de junio de 1965). "Comportamiento general de los metales refractarios". Comportamiento y propiedades de los metales refractarios . Stanford University Press. págs. 1–28 . ISBN  978-0-8047-0162-4.
  4. ↑ Snead, Lance L.; Hoelzer, David T.; Rieth, Michael; Nemith, Andre AN (2019). «Aleaciones refractarias: vanadio, niobio, molibdeno, tungsteno». Aleaciones estructurales para aplicaciones de energía nuclear . págs. 585–640 . doi : 10.1016/B978-0-12-397046-6.00013-7 . ISBN  978-0-12-397046-6.
  5. ↑ Davis, Joseph R (2001). Aleación: comprensión de los fundamentos . ASM International. págs. 308–333 . ISBN  978-0-87170-744-4.
  6. 1 2 Borisenko, VA (1963). "Investigación de la dependencia de la temperatura de la dureza del molibdeno en el rango de 20–2500°C". Metalurgia de polvos y cerámica metálica soviética . 1 (3): 182– 186. doi : 10.1007/BF00775076 .
  7. ↑ Habashi, Fathi (2001). "Introducción histórica a los metales refractarios". Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review . 22 (1): 25– 53. Bibcode : 2001MPEMR..22...25H . doi : 10.1080/08827509808962488 .
  8. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. págs. 978, 1005, 1043. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN   978-0-08-037941-8.
  9. ↑ Schmid, Kalpakjian (2006). "Creep" . Ingeniería y tecnología de fabricación . Pearson Prentice Hall. págs. 86–93 . ISBN  978-7-302-12535-8.
  10. ↑ Weroński, Andrzej; Hejwowski, Tadeusz (1991). "Materiales resistentes a la fluencia" . Fatiga térmica de los metales . Prensa CRC. págs. 81 a 93. ISBN  978-0-8247-7726-5.
  11. ↑ Smallwood, Robert E. (1984). «Aleación de molibdeno TZM» . Publicación técnica especial ASTM 849: Metales refractarios y sus aplicaciones industriales: un simposio . ASTM International. pág. 9. ISBN  978-0-8031-0203-3.
  12. ↑ Kozbagarova, GA; Musina, AS; Mikhaleva, VA (2003). "Resistencia a la corrosión del molibdeno en mercurio". Protección de metales . 39 (4): 374– 376. doi : 10.1023/A:1024903616630 .
  13. ↑ Gupta, CK (1992). «Industria eléctrica y electrónica» . Metalurgia extractiva del molibdeno . CRC Press. págs. 48–49 . ISBN  978-0-8493-4758-0.
  14. ↑ Magyar, Michael J. "Resumen de materias primas 2009: Molibdeno" (PDF) . Servicio Geológico de los Estados Unidos . Consultado el 1 de abril de 2010 .
  15. ↑ Ervin, DR; Bourell, DL; Persad, C.; Rabenberg, L. (1988). "Estructura y propiedades de la aleación de molibdeno consolidada de alta energía y alta velocidad TZM". Materials Science and Engineering: A . 102 : 25– 30. doi : 10.1016/0025-5416(88)90529-0 .
  16. ↑ Oleg D., Neikov (2009). "Propiedades del polvo de molibdeno y aleaciones de molibdeno" . Manual de polvos de metales no ferrosos: tecnologías y aplicaciones . Elsevier. págs. 464–6 . ISBN  978-1-85617-422-0.
  17. ↑ Davis, Joseph R. (1997). «Metales y aleaciones refractarias» . Manual especializado de la ASM: Materiales resistentes al calor . ASM International. págs. 361–382 . ISBN  978-0-87170-596-9.
  18. ↑ Lassner, Erik; Schubert, Wolf-Dieter (1999). Tungsteno: propiedades, química, tecnología del elemento, aleaciones y compuestos químicos . Springer. págs. 255–282 . ISBN  978-0-306-45053-2.
  19. ↑ Consejo Nacional de Investigación (EE. UU.), Panel sobre Tungsteno, Comité de Aspectos Técnicos de Materiales Críticos y Estratégicos (1973). Tendencias en el uso del tungsteno: Informe . Academia Nacional de Ciencias-Academia Nacional de Ingeniería. págs. 1–3 . 
  20. ↑ Lassner, Erik; Schubert, Wolf-Dieter (1999). Tungsteno: propiedades, química, tecnología del elemento, aleaciones y compuestos químicos . Springer. ISBN 978-0-306-45053-2.
  21. ↑ Harris, Michael K. (2002). "Salud y seguridad en la soldadura" . Salud y seguridad en la soldadura: una guía práctica para profesionales de OEHS . AIHA. pág. 28. ISBN  978-1-931504-28-7.
  22. ↑ Galvery, William L.; Marlow, Frank M. (2001). Fundamentos de soldadura: preguntas y respuestas . Industrial Press. pág . 185. ISBN  978-0-8311-3151-7.
  23. ↑ Lanz, W.; Odermatt, W.; Weihrauch3, G. (7–11 de mayo de 2001). PROYECTILES DE ENERGÍA CINÉTICA: HISTORIA DE DESARROLLO, ESTADO DEL ARTE, TENDENCIAS (PDF) . XIX Simposio Internacional de Balística. Interlaken, Suiza.{{cite conference}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  24. ↑ Ramakrishnan, P. (1 de enero de 2007). «Metalurgia de polvos para aplicaciones aeroespaciales» . Metalurgia de polvos : procesamiento para la industria automotriz, eléctrica/electrónica y de ingeniería . New Age International. pág. 38. ISBN   978-81-224-2030-2.
  25. ↑ Arora, Aman; Gopal Rao, Venu (2004). "Aleación pesada de tungsteno para aplicaciones de defensa". Materials Technology . 19 (4): 210– 215. Bibcode : 2004MaTec..19..210A . doi : 10.1080/10667857.2004.11753087 .
  26. ↑ Moxson, VS; (Sam) Froes, FH (2001). "Fabricación de componentes de equipamiento deportivo mediante metalurgia de polvos". JOM . 53 (4): 39– 41. Bibcode : 2001JOM....53d..39M . doi : 10.1007/s11837-001-0147-z .
  27. 1 2 Hebda, John (2 de mayo de 2001). "Aleaciones de niobio y aplicaciones a altas temperaturas" (PDF) . Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, EE. UU.) . Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Archivado del original (PDF) el 17 de diciembre de 2008.
  28. ↑ Wilson, JW (1965). "Renio" . Comportamiento y propiedades de los metales refractarios . Stanford University Press. ISBN 978-0-8047-0162-4.

Lecturas adicionales

  • Levitin, Valim (2006). Deformación a alta temperatura de metales y aleaciones: Fundamentos físicos . Wiley. ISBN 978-3-527-31338-9.
  • Brunner, T (2000). «Análisis químico y estructural de partículas de aerosol y cenizas volantes procedentes de plantas de combustión de biomasa de lecho fijo mediante microscopía electrónica». 1.ª Conferencia Mundial sobre Biomasa para la Energía y la Industria: actas de la conferencia celebrada en Sevilla, España, del 5 al 9 de junio de 2000. Londres: James & James. ISBN 1-902916-15-8.
  • Spink, Donald (1961). "Metales reactivos. Zirconio, hafnio y titanio". Industrial & Engineering Chemistry . 53 (2): 97– 104. doi : 10.1021/ie50614a019 .
  • Hayes, Earl (1961). "Cromo y vanadio". Química industrial e ingeniería . 53 (2): 105– 7. doi : 10.1021/ie50614a020 .
Obtenido de " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Refractory_metals&oldid=1329545026 "