Vuurvaste metalen:eigenschappen, typen en toepassingen

Vuurvaste metalen worden veel gebruikt vanwege hun unieke en gewenste eigenschappen en gedrag, vooral hun weerstand tegen corrosie en hun buitengewone weerstand tegen slijtage en hitte.

Deze metalen worden meestal gebruikt op het gebied van techniek, wetenschap en metallurgie. De vijf belangrijkste elementen die tot deze metaalklasse behoren, zijn de volgende:

• Molybdeen (Mo)
• Rhenium (Re)
• Niobium (Nb)
• Tungsten (W)
• Tantalium (Ta)

Deze vijf van deze elementen delen een paar belangrijke eigenschappen, zoals een hoge hardheid bij kamertemperatuur en een hoog smeltpunt, vooral wanneer ze worden blootgesteld aan temperaturen hoger dan 3.600 graden Fahrenheit (2.000 graden Celsius). (Voor meer informatie over het verhogen van de hardheid, zie:Nitreren voor weerstand tegen corrosie en slijtage.)

Vuurvaste metalen hebben ook een hoge dichtheid en zijn chemisch inert. Hun hoge smeltpunten maken plaats voor poedermetallurgie als de keuze voor de productie van verschillende componenten.

Enkele van de meest voorkomende toepassingen voor vuurvaste metalen zijn draadfilamenten, gereedschappen, chemische vaten in corrosieve atmosferen en gietvormen. Met hun zeer hoge smeltpunt zijn vuurvaste metalen zeer stabiel.

Laten we nu eens dieper ingaan op vuurvaste metalen, inclusief hun kenmerken, eigenschappen, voordelen en toepassingen:

De belangrijkste kenmerken van vuurvaste metalen

Een belangrijke identificerende factor van vuurvaste metalen is hittebestendigheid. Alle vijf metalen onder deze klasse worden gekenmerkt met een smeltpunt hoger dan 3.632 graden Fahrenheit (2.000 graden Celsius).

Vuurvaste metalen blijven ook sterk onder extreem hoge temperaturen en zijn van nature hard, waardoor ze perfect zijn voor boor- en snijgereedschappen. Vuurvaste metalen zijn zeer goed bestand tegen factoren zoals thermische schokken. Dit betekent dat ze geen barsten, uitzetting of spanning zullen ervaren wanneer ze herhaaldelijk worden gekoeld en verwarmd. (Voor meer informatie over metalen onder hitte, zie: Top 5 overwegingen bij het coaten van oppervlakken met hoge temperaturen .)

Bovendien hebben alle vijf metalen onder deze groep een hoge dichtheid en goede warmte- en elektrische eigenschappen. Ze zijn ook bestand tegen kruipen, dus ondergaan ze langzame vervorming wanneer ze worden blootgesteld aan zeer stressvolle omgevingen of omstandigheden. Dit komt omdat vuurvaste metalen een beschermingslaag kunnen vormen, waardoor ze corrosiebestendig zijn, ondanks het feit dat ze onder hoge temperaturen kunnen oxideren.

De fysische en chemische eigenschappen van vuurvaste metalen

Vuurvaste metalen kunnen worden geclassificeerd op basis van hun unieke fysische en chemische eigenschappen. En om het meeste uit deze elementen te halen, is het essentieel om ze grondig te begrijpen.

De fysieke eigenschappen van vuurvaste metalen

Vuurvaste metalen worden gekenmerkt door de volgende belangrijke fysieke kenmerken:

• Een hoog kookpunt. De smeltpunten van vuurvaste metalen zijn hoger dan die van alle andere metalen behalve koolstof, osmium en iridium.
• Een op het lichaam gecentreerde kubische kristalstructuur.
• Een hoge kruipweerstand.

Dat gezegd hebbende, de specifieke kenmerken van vuurvaste metalen variëren behoorlijk, omdat ze uit verschillende groepen in het periodiek systeem komen.

Van alle vijf vuurvaste metalen heeft rhenium bijvoorbeeld het hoogste smeltpunt - bij 5.757 graden Fahrenheit (3.186 graden Celsius) - terwijl niobium het laagste heeft - bij 4.491 deF (2.477 ° C). In termen van kookpunt is niobium 8.572 graden Fahrenheit (4.744 graden Celsius), terwijl rhenium 10.105 graden Fahrenheit (5.596 graden Celsius) is. (Voor meer informatie over toepassingen waarbij materialen met een hoge temperatuur worden gebruikt, zie: Alles op stoom:de vele soorten en toepassingen van Steam .)

Hetzelfde geldt voor kruipweerstand; er zijn metalen die beginnen te kruipen bij 1.832 graden Fahrenheit (1.000 graden Celsius), terwijl er metalen zijn die beginnen bij minder dan 932 graden Fahrenheit (500 graden Celsius).

De chemische eigenschappen van vuurvaste metalen

Vuurvaste metalen hebben een breed scala aan chemische eigenschappen, omdat elk tot een andere classificatie in het periodiek systeem behoort.

Over het algemeen oxideren deze metalen gemakkelijk; maar de reactie kan worden gecontroleerd door stabiele oxidelagen op een metaal te creëren. Dit geldt vooral voor rhenium omdat het zeer vluchtig is. Zo kan het zijn stabiliteit tegen zuurstofaantasting verliezen bij hoge temperaturen als de oxidelaag verdampt.

Alle vuurvaste metalen zijn echter relatief stabiel tegen stoffen zoals zuren.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van vuurvaste metalen?

Dankzij hun unieke eigenschappen zijn vuurvaste metalen zeer nuttig voor een verscheidenheid aan toepassingen en industrieën. Hun belangrijkste voordelen zijn:

Een zeer hoog smeltpunt

Vuurvaste metalen zoals wolfraam, molybdeen en tantaal hebben een zeer hoog smeltpunt, waardoor ze nuttig zijn bij het maken van glas.

Hoge sterkte

Vuurvaste metalen zijn uniek sterk, zelfs bij ultrahoge temperaturen.

Raketkegels gemaakt van wolfraam hebben bijvoorbeeld de dubbele treksterkte van ijzer bij normale temperaturen. (Zie voor meer informatie over dit onderwerp:Wat is het verschil tussen kracht en taaiheid? )

Uitstekende slijtvastheid en slijtvastheid

Vuurvaste metalen, vooral legeringen, kunnen de levensduur van klepzittingen, afdichtingen, mondstukken en andere gebieden die onderhevig zijn aan hoge slijtage verlengen.

Uitstekende corrosiebestendigheid

De leidingen in chemische fabrieken zijn meestal gemaakt van vuurvaste metalen, wat een hoge mate van corrosieweerstand mogelijk maakt in vergelijking met roestvrij staal.

Thermische schokbestendigheid

Metalen zoals wolfraam kunnen de stress weerstaan ​​die wordt veroorzaakt door snelle uitzetting door hitte.

Wolfraam heeft een zeer hoog smeltpunt en is bestand tegen een reeks aan- en uitschakelingen zonder de intactheid ervan aan te tasten.

Warmte en elektrische geleiding

Naast hun vele elektronische of elektrische toepassingen, zijn vuurvaste metalen zoals wolfraam en molybdeen goede koellichamen.

Extreme hardheid

Tegenwoordig worden de meest gebruikte snijgereedschappen gemaakt van materialen zoals wolfraamcarbide.

Vuurvaste metalen zijn ook geweldig voor het vormen van metalen en staal, evenals in mijnbouw en het boren van gas- of oliebronnen. (Voor meer informatie over de olie- en gasindustrie, zie: Corrosiebewakingssystemen op afstand in de olie- en gasindustrie .)

Hoge dichtheid en soortelijk gewicht

De meeste vuurvaste metalen hebben een hoge dichtheid en kunnen daarom erg handig zijn voor het maken van golfclubkoppen en vliegtuiggyroscopen.

Unieke mogelijkheden

Sommige vuurvaste metalen hebben zeer nuttige eigenschappen, zoals uitstekende stralingsafschermingen en chemische katalysatoren.

Soorten vuurvaste metalen en hun toepassingen

Er zijn vijf vuurvaste metalen; en elk wordt geleverd met verschillende eigenschappen en toepassingen.

Over de hele linie zijn veel voorkomende toepassingen voor vuurvaste metalen draadfilamenten, gereedschappen, chemische vaten in corrosieve atmosferen en gietvormen. Met hun zeer hoge smeltpunten zijn vuurvaste metalen zeer stabiel.

Hier zijn meer specifieke toepassingen voor elk van de vijf vuurvaste metalen:

Tungsten

Wolfraam is de meest voorkomende onder de vuurvaste metalen. Het heeft het hoogste smeltpunt en een van de hoogste metaaldichtheden onder vuurvaste metalen. Het kan erg moeilijk zijn in combinatie met andere elementen zoals koolstof. Het is ook zeer goed bestand tegen corrosie.

Verlichtingsapplicaties

Wolfraam wordt veel gebruikt in draadfilamenten, zoals die in de meeste gloeilampen die in huizen worden gebruikt. Maar het komt ook veel voor in industriële booglampen en verlichting. (Voor meer informatie over industriële toepassingen, zie: 8 dingen die u moet weten over Polyurea-coatings .)

Podiumverlichting wordt gebruikt in televisiestudio's en op geluidspodia, maar ook op locaties waar theaterproducties, concerten en andere live-evenementen plaatsvinden. En hoewel toneelverlichting nog steeds gebruik maakt van gloeilamptechnologie, is dit meestal in de vorm van gepatenteerde hoogwaardige wolfraam-halogeen (of kwarts-halogeen) lampen met zorgvuldig gekalibreerde kleurtemperatuurwaarden om de algehele scèneweergave te regelen.

Corona-ontlading

Een corona-ontlading is het plasmagordijn dat ontstaat wanneer lucht rond een geleider wordt geïoniseerd.

Corona-ontlading wordt vaak gedaan, en het best bereikt, met wolfraamdraad. Voor luchtfiltratie, printers, kopieerapparaten en andere toepassingen produceert alleen wolfraamdraad voldoende ionisatie en oppervlaktemodificatie.

Ovens

Wolfraamdraad wordt veel gebruikt om ondersteuning te bieden of te trekken in industriële ovens.

Dit komt door de niet-uitzakkende eigenschappen van wolfraamdraad en de hittebestendigheid. Wolfraamdraad wordt bijvoorbeeld vaak geweven in matten die worden gebruikt om objecten op hun plaats te houden en op hun plaats te houden in de technische hete zone van industriële ovens, ovens en ovens.

Probes

De stijfheid van wolfraamdraad, zelfs bij zeer kleine diameters, is een cruciale factor die het geschikt maakt voor gebruik in verschillende soorten sondes, waaronder vrijdragende halfgeleidertestsondes die worden gebruikt voor het testen van siliciumwafels bij de productie van halfgeleiders.

Stijfheid is ook een voordeel in wolfraamdraad voor neurale sondes die worden gebruikt in medische diagnostiek en behandeling. (Voor meer informatie over materiaalwetenschap in de gezondheidszorg, zie: Hoe begin je aan een carrière als materiaalwetenschapper .)

Snijgereedschap en onderdelen

Snijgereedschappen en onderdelen vereisen een hoge slijtvastheid en zijn daarom gemaakt van wolfraamcarbide.

Tungsten-carbide wisselplaten, met geslepen snijkanten, worden door hardsolderen of mechanische bevestiging aan de behuizingen van stalen gereedschappen bevestigd. Het gebruik van hardmetalen gereedschappen zorgt voor hogere snijsnelheden en een langere standtijd. Wolfraamcarbide kleurstoffen worden vaak gebruikt voor het trekken van draad.

Molybdeen

Molybdeen is het meest gebruikte vuurvaste metaal omdat het minder duur is dan de meeste andere en, wanneer het tot een legering wordt gemaakt, zeer goed bestand kan zijn tegen kruip en hoge temperaturen.

Dit metaal vormt ook geen amalgamen, waardoor het corrosiebestendig is. Het wordt meestal gebruikt om staallegeringen te versterken, met name in structurele leidingen en buizen. Molybdeen heeft ook uitstekende anti-wrijvingseigenschappen, waardoor het een ideaal bestanddeel is van oliën en vetten die in auto's worden gebruikt. (Voor meer informatie over corrosie in de auto-industrie, zie: De corrosie van lichtgewicht materialen die worden gebruikt in automobieltoepassingen .)

Roestvrij staal

Roestvast staal is corrosiebestendig omdat hun chroomgehalte spontaan een dunne, beschermende, passieve film op het staaloppervlak vormt.

Molybdeen versterkt deze passieve film door hem sterker te maken en hem te helpen zich snel opnieuw te vormen als hij wordt verstoord door chloriden. Het verhogen van het molybdeengehalte in roestvast staal verhoogt de weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie.

Gereedschap en snelstaal

Molybdeen in gereedschapsstaal verhoogt de hardheid en slijtvastheid. Door de kritische afkoelsnelheid te verlagen, bevordert molybdeen de vorming van een optimale martensitische matrix, zelfs in massieve en ingewikkelde mallen die niet snel kunnen worden gekoeld zonder vervorming of barsten.

Het toevoegen van vijf tot 10% molybdeen kan de hardheid en taaiheid van snelstaalsoorten effectief maximaliseren en deze eigenschappen behouden bij de hoge temperaturen die worden gegenereerd bij het snijden van metalen. (Voor meer informatie over het snijden van metalen, zie: Hoe hete kortademigheid en lassen de corrosie in metalen beïnvloeden .)

Rookonderdrukkers

In de elektronische technologie vormt draad- en kabelisolatie een brand- en rookgevaar voor brandweerlieden en degenen die zich in vliegtuigen en ziekenhuizen bevinden. Ammoniumoctamolybdaat is gebruikt met PVC om rookvorming te onderdrukken.

Omdat molybdeen bij kamertemperatuur een elasticiteitsmodulus van 47*10^6 pond per vierkante inch heeft, wordt het gebruikt voor kotterbaren en pennen voor snelle interne slijpmachines. Dit zorgt voor vrijheid van trillingen en gebabbel.

Tantalium

Tantaal is het meest corrosiebestendige vuurvaste metaal.

Het wordt vaak toegepast in medische en chirurgische omgevingen en in zeer zure omgevingen. Tantaal is ook het belangrijkste onderdeel van computer- en telefooncircuits of condensatoren.

Hoewel aanzienlijk duurder dan aluminium, heeft tantaal twee belangrijke voordelen:

1. Het heeft een hogere diëlektrische constante, waardoor condensatoren kleiner kunnen zijn.
2. De oxidelaag is stabieler, waardoor tantaalcondensatoren een voordeel hebben in toepassingen die een hoge betrouwbaarheid vereisen.

Tantaal wordt ook gebruikt in de elektronica-industrie als een barrière om te voorkomen dat koper silicium vervuilt in producten zoals computerchips en opslagapparaten. Deze scheiding is nodig omdat de aanwezigheid van koper in silicium leidt tot degradatie en uitval van het apparaat. (Voor meer informatie over kopercorrosie, zie: Verhoogde percentages kopercorrosie in de beluchtingszone verklaard .)

Medische toepassingen

Tantaal wordt gebruikt in chirurgische en biomedische toepassingen vanwege zijn bio-inertheid - die op zijn beurt te wijten is aan de hechtende oxidelaag die zich spontaan vormt op het oppervlak van tantaalmetaal wanneer het wordt blootgesteld aan lucht.

Bovendien is tantaal inert in lichaamsvloeistoffen en heeft het goede mechanische eigenschappen. Voorbeelden van toepassingen in de geneeskunde zijn:

• Chirurgische clips.
• Bottransplantaten.
• Platen voor cranioplastieken.
• Mesh voor buikwandreconstructies.
• Tandimplantaten.

Chemische fabrieksapparatuur

De taaiheid en uitstekende corrosieweerstand van tantaal maken het geschikt voor gebruik in chemische procesapparatuur die onder corrosieve omstandigheden bij verhoogde temperaturen werkt.

De corrosieweerstand van het metaal dient zowel om de apparatuur te beschermen als om de zuiverheid van de behandelde chemicaliën te behouden. Tantaal en zijn legeringen kunnen worden gebruikt om zoutzuur, waterstofbromide, salpeterzuur en zwavelzuur te verwerken. Voorbeelden van apparatuur voor chemische fabrieken die in tantaal kunnen worden gebruikt, zijn:

• Warmtewisselaars.
• Kleppen.
• Vaartuigen.
• Pijpen. (Voor meer informatie over pijpcorrosie, zie: 21 soorten leidingcorrosie en defecten .)

Niobium

Niobium wordt altijd naast tantaal gebruikt. Het is hoogst uniek en kan gemakkelijk worden bewerkt om een ​​hoge elasticiteit en sterkte te verkrijgen.

ferrometallurgie

Het belangrijkste gebruik van niobium is in ferrometallurgie.

Ongeveer 75% van de wereldproductie van niobium wordt door de staalindustrie gebruikt om een ​​verscheidenheid aan staallegeringen te produceren die kleine hoeveelheden andere metalen bevatten (microgelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten) om onder andere de corrosieweerstand, sterkte en taaiheid te verbeteren.

Niobium werkt als een korrelverfijner en precipitatieverharder in zeer sterk, laaggelegeerd en microgelegeerd staal, en verbetert tegelijkertijd de mechanische sterkte, de sterkte bij hoge temperaturen, de taaiheid en de corrosieweerstand.

Deze staalsoorten worden gebruikt in pijpleidingen, transport en structurele toepassingen. (Voor meer informatie over transport, zie: Tijdelijke bescherming tegen corrosie tijdens opslag, transport en hantering .)

Supergeleidende magneten

Niobiumlegeringen worden ook gebruikt om supergeleidende magneten te vervaardigen. Deze supergeleidende magneten worden gebruikt in:

• Magnetic Resonance Imaging (MRI).
• Nucleaire magnetische resonantie-instrumenten (NMRI).
• Deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider in Europa, die 's werelds grootste supergeleidende magneten bevat.
• Elektrolytische condensatoren en supergeleiders.

Niobiumlegeringen hebben de voorkeur boven andere vuurvaste metalen tot 3300 graden Fahrenheit. Vanwege hun lage oxidatieweerstand zijn niobiumlegeringen beperkt tot gebruik in structurele toepassingen bij verhoogde temperaturen.

Rhenium

Rhenium is het meest recent ontdekte vuurvaste metaal.

Het kan worden gevonden met andere metalen in ultra-lage concentraties. Het is ook aanwezig in andere vuurvaste metaalertsen. Rhenium staat bekend om zijn hoge treksterkte en taaiheid.

Rhenium is ook erg zeldzaam en kan dus erg duur zijn.

Superlegeringen

Rhenium wordt gebruikt als additief om superlegeringen te maken, vaak in combinatie met ijzer, kobalt, nikkel, wolfraam en molybdeen. Het toevoegen van rhenium verbetert de algehele kruipsterkte van een superlegering, waardoor het een uitstekend materiaal is voor straalmotoronderdelen en gasturbinemotoren. (Voor meer informatie over straalmotoren en turbines, zie: Hete corrosie in onderdelen van gasturbines .)

Katalysatoren

Rheniumverbindingen worden in veel industrieën gebruikt als katalysator voor homogene en heterogene katalyse. Deze omvatten:

• Petrochemie.
• Farmaceutica
• Organische syntheseprocessen, waaronder isomerisatie, hydrogenering en alkylering.

Platina-rheniumkatalysatoren zijn essentieel in een chemisch proces dat katalytische reforming wordt genoemd in aardolieraffinaderijen. (Voor meer informatie over aardolie, zie: De 6 corrosieve componenten die in ruwe olie kunnen worden gevonden .)

Thermo-elementen

Wolfraam-rhenium en molybdeen-rhenium legeringen worden voornamelijk gebruikt om thermo-elementen te vervaardigen.

Ze worden onder meer gebruikt voor halfgeleiders, verwarmingselementen, metalen coatings en lasstaven.

Met name wolfraam-rheniumlegeringen worden gebruikt om roterende röntgenanoden te maken.

Bij hoge temperaturen is rhenium bestand tegen aantasting in waterstof en inerte atmosferen. Het is bestand tegen zoutzuur en zeewatercorrosie en het is ook bestand tegen de mechanische effecten van elektrische erosie.

Conclusie

Vuurvaste metalen hebben vele toepassingen en voordelen. Er zijn er echter veel die we nog niet helemaal begrijpen.

Er is veel onderzoek nodig op het gebied van metallurgie om een ​​verscheidenheid aan processen te verbeteren.