Refractaire Metalen: Belangrijkste Eigenschappen, Typen en Industriële Toepassingen

Refractaire metalen worden wijd gebruikt vanwege hun unieke en wenselijke eigenschappen en gedrag, met name hun weerstand tegen corrosie en hun uitzonderlijke weerstand tegen slijtage en hitte.

Deze metalen worden voornamelijk gebruikt in de vakgebieden engineering, wetenschap en metallurgie. De vijf hoofdelementen die tot deze metalenklasse behoren zijn:

• Molybdeen (Mo)
• Rhenium (Re)
• Niobium (Nb)
• Wolfram (W)
• Tantalum (Ta)

Deze vijf elementen delen een paar sleuteleigenschappen, zoals een hoge hardheid bij kamertemperatuur en een hoog smeltpunt, met name bij temperaturen hoger dan 3.600 graden Fahrenheit (2.000 graden Celsius). (Voor meer over verhoging van hardheid, zie: Nitriden voor Corrosie- en Slijtagevermoeidheidsweerstand.)

Refractaire metalen hebben ook een hoge dichtheid en zijn chemisch inert. Hun hoge smeltpunten maken poedermetallurgie de keuze voor het fabriceren van verschillende componenten.

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

Laten we nu dieper kijken naar refractaire metalen — inclusief hun kenmerken, eigenschappen, voordelen en toepassingen:

De Belangrijkste Kenmerken van Refractaire Metalen

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

Refractaire metalen blijven ook sterk onder extreem hoge temperaturen en zijn van nature hard, wat ze perfect maakt voor boor- en snijgereedschappen. Refractaire metalen zijn zeer bestendig tegen factoren zoals thermische schok. Dit betekent dat ze geen scheuringen, uitrekking of spanning ondervinden wanneer ze herhaaldelijk worden afgekoeld en opgeverwarmd. (Voor meer over metalen onder hitte, zie: Top 5 Overwegingen bij Coaten van Hoog-Temperatuuroppervlakken.)

Daarnaast hebben alle vijf metalen onder deze groep hoge dichtheidsniveaus en goede warmte- en elektrische eigenschappen. Ze zijn ook bestendig tegen kreeft, dus ze ondergaan langzame deformatie wanneer ze blootgesteld worden aan zeer stressvolle omstandigheden. Dit komt doordat refractaire metalen een beschermende laag kunnen structureren, wat ze corrosiebestendig maakt — ondanks dat ze onder hoge temperaturen oxidatie kunnen ondergaan.

De Fysieke en Chemische Eigenschappen van Refractaire Metalen

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

De Fysieke Eigenschappen van Refractaire Metalen

Refractaire metalen worden gekenmerkt door de volgende belangrijke fysieke kenmerken:

• Een hoog kookpunt. De smeltpunten van refractaire metalen zijn hoger dan die van alle andere metalen, behalve koolstof, osmium en iridium.
• Een lichaamsgecentreerde kubieke kristalstructuur.
• Een hoge kreeftweerstand.

Dat gezegd hebbend, variëren de specifieke kenmerken van refractaire metalen nogal wijd omdat ze uit verschillende groepen in het periodiek systeem komen.

Bijvoorbeeld, van alle vijf refractaire metalen heeft rhenium het hoogste smeltpunt — op 5.757 graden Fahrenheit (3.186 graden Celsius) — terwijl niobium het laagste heeft — op 4.491 graden F (2.477 °C). Wat betreft kookpunt, ligt niobium op 8.572 graden Fahrenheit (4.744 graden Celsius) terwijl rhenium op 10.105 graden Fahrenheit (5.596 graden Celsius) ligt. (Voor meer over toepassingen met hoog-temperatuurmaterialen, zie: All Steamed Up: The Many Types and Uses of Steam.)

Hetzelfde geldt voor kreeftweerstand; er zijn metalen die beginnen kreeft te vormen 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 Refractaire Metalen

Refractaire metalen komen met een wijd scala aan chemische eigenschappen, aangezien elk tot een andere classificatie in het periodiek systeem behoort.

In het algemeen oxideeren deze metalen gemakkelijk; maar de reactie kan worden gecontroleerd door stabiele oxidelagen op het metaal aan te brengen. Dit is met name het geval bij rhenium, omdat het hoogst vluchtig is. Daardoor kan het zijn stabiliteit tegen zuurstofaanval bij hoge temperaturen verliezen, aangezien de oxidelaag verdampt.

Echter, alle refractaire metalen zijn relatief stabiel tegen stoffen zoals zuren.

Wat Zijn de Voordelen van het Gebruik van Refractaire Metalen?

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

Een Zeer Hoog Smeltpunt

Refractaire metalen zoals wolfram, molybdeen en tantalum hebben zeer hoge smeltpunten, wat ze nuttig maakt in glasproductie.

Hoge Sterkte

Refractaire metalen zijn uniek sterk, zelfs bij ultra-hoge temperaturen.

Bijvoorbeeld, raketkoppen gemaakt van wolfram hebben het dubbele van de trekksterkte van ijzer bij normale temperaturen. (Voor meer over dit onderwerp, zie: Wat is het Verschil Tussen Sterkte en Toughness?)

Uitzonderlijke Slijtage- en Slijtweerstand

Refractaire metalen, met name legeringen, kunnen de levensduur van klepzittingen, afdichtingen, zuigers en andere gebieden die onderworpen zijn aan hoge slijtage, verlengen.

Uitstekende Corrosieweerstand

De leiding in chemische fabrieken is doorgaans gemaakt van refractaire metalen, wat een hoge graad van corrosieweerstand toestaat vergeleken met roestvrij staal.

Thermische Schokweerstand

Metalen zoals wolfram kunnen de spanning weerstaan die ontstaat door snelle uitbreiding door hitte.

Wolfram heeft een zeer hoog smeltpunt en kan een reeks aan- en uit-cycli weerstaan zonder zijn intactheid te beïnvloeden.

Warmte- en Elektrische Geleiding

Naast hun vele elektronische of elektrische toepassingen, maken refractaire metalen zoals wolfram en molybdeen goede heatsinks.

Extreme Hardheid

Vandaag de dag zijn de meest wijd gebruikte snijgereedschappen gemaakt van materialen zoals wolframcarbide.

Refractaire metalen zijn ook geweldig voor het vormgeven van metalen en staal, evenals in mijnbouw en booren van gas- of olieputten. (Voor meer over de olie- en gasindustrie, zie: Remote Corrosiemonitoringssystemen in de Olie- en Gasindustrie.)

Hoge Dichtheid en Specifiek Gewicht

De meeste refractaire metalen hebben een hoge dichtheid en kunnen dus zeer nuttig zijn voor het maken van golfclubkoppen en vliegtuiggyroscopen.

Unieke Mogelijkheden

Sommige refractaire metalen hebben ultra-nuttige mogelijkheden — zoals optreden als uitstekende stralingsschermen en chemische katalysatoren.

Typen Refractaire Metalen en Hun Toepassingen

Er zijn vijf refractaire metalen; en elk komt met distincte eigenschappen en toepassingen.

Over de hele lijn, omvatten veelvoorkomende toepassingen voor refractaire metalen draadfilamenten, gereedschappen, chemische vaten in corrosieve atmospheren en gietmalen. Met hun zeer hoge smeltpunten zijn refractaire metalen zeer stabiel.

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

Wolfram

Wolfram is het meest voorkomende onder de refractaire metalen. Het heeft het hoogste smeltpunt en een van de hoogste metalendichtheden onder refractaire metalen. Het kan zeer hard zijn wanneer gecombineerd met andere elementen zoals koolstof. Het is ook zeer bestendig tegen corrosie.

Verlichtingstoepassingen

Wolfram wordt wijd gebruikt in draadfilamenten, zoals die in de meeste gloeilampen die in huizen gebruikt worden. Maar het is ook gangbaar in industriële booglampen en verlichting. (Voor meer over industriële toepassingen, zie: 8 Dingen om te Weten Over Polyurea Coatings.)

Toneelverlichting wordt gebruikt in televisie studios en op geluidsstages, evenals in locaties waar theaterproducties, concerten en andere live evenementen plaatsvinden. En, hoewel toneelverlichting nog steeds gloeilamptechnologie gebruikt, is het meestal in de vorm van proprietarie high-performance wolfram-halogen (of kwarts-halogen) lampen met zorgvuldig gecalibreerde kleurtemperatuurwaarden om de algehele scenewergave te controleren.

Corona Ontlading

Een corona-ontlading is de plasmavoorhang die ontstaat wanneer de lucht rond een geleider geïoniseerd wordt.

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

Ovens

Wolframdraad wordt wijd gebruikt om ondersteuning of trekkracht te bieden in industriële ovens.

Dit is te danken aan de non-sag eigenschappen van wolframdraad en zijn hittebestendigheid. Bijvoorbeeld, wolframdraad wordt vaak gevlochten tot matten die gebruikt worden om objecten te positioneren en vast te houden in de ingenieurs hot zone van industriële ovens, ovens en bakovens.

Sonden

De stijfheid van wolframdraad, zelfs bij zeer kleine diameters, is een cruciale factor die het klaarmaken voor gebruik in verschillende typen sondes, inclusief cantilever halfgeleider testsondes die gebruikt worden voor silicium wafer testen in halfgeleiderproductie.

Stijfheid is ook een voordeel in wolframdraad voor neurale sondes die gebruikt worden in medische diagnostiek en behandeling. (Voor meer over materialenwetenschap in gezondheidszorg, zie: Hoe te Starten in een Carriere als Materialenwetenschapper.)

Snijgereedschappen en Onderdelen

Snijgereedschappen en onderdelen vereisen hoge slijtweerstand en worden daarom gemaakt van wolframcarbide.

Wolframcarbide-insets, met geschreven snijranden, worden aan de lichamen van staalgereedschappen bevestigd door braseren of mechanische bevestiging. Gebruik van wolframcarbide gereedschappen zorgt voor hogere snijsnelheden en langere gereedschapslevensduur. Wolframcarbide-stempels worden veel gebruikt voor draadtrekken.

Molybdeen

Molybdeen is het meest gebruikte refractaire metaal omdat het goedkoper is dan de meeste anderen en, wanneer gemaakt tot een legering, kan het zeer bestendig zijn tegen kreeft en hoge temperaturen.

Dit metaal creëert ook geen amalgam, wat het corrosiebestendig maakt. Het wordt voornamelijk gebruikt om staallegeringen te versterken, met name in structurele buizen en pijpen. Molybdeen heeft ook uitstekende antifrictie-eigenschappen, wat het een ideaal component maakt van olien en vetten die in automobielen worden gebruikt. (Voor meer over corrosie in de automobielindustrie, zie: De Corrosie van Lichtgewicht Materialen Gebruikt in Automobiele Toepassingen.)

Roestvrij Staal

Roestvrije stalen zijn corrosiebestendig omdat hun chroomgehalte spontaan een dunne, beschermende, passieve film op het staaloppervlak vormt.

Molybdeen versterkt deze passieve film door het sterker te maken en het sneller te laten herstellen als het wordt verstoord door chloriden. Het verhogen van de molybdeengehalte in roestvrije stalen verhoogt hun puttings- en klemcorrosieweerstand.

Gereedschappen en High Speed Steel

Molybdeen in gereedschapsstalen verhoogt hun hardheid en slijtweerstand. Door de kritieke afkoelsnelheid te verlagen, bevordert molybdeen de vorming van een optimale martensitische matrix, zelfs in massieve en ingewikkelde malen die niet snel gekoeld kunnen worden zonder vervorming of scheuring.

Het toevoegen van vijf tot 10% molybdeen kan effectief de hardheid en toughness van high-speed stalen maximaliseren en deze eigenschappen behouden bij de hoge temperaturen die ontstaan bij het snijden van metalen. (Voor meer over het snijden van metalen, zie: Hoe Hot Shortness en Lassen Corrosie in Metalen Beïnvloeden.)

Rookonderdrukkers

In elektronische technologie, vormen draad- en kabelisolatie een brand- en rookgevaar voor brandweermannen en personen in de ruimtes van vliegtuigen en ziekenhuizen. Ammonium octamolybdaat is gebruikt met PVC om rookvorming te onderdrukken.

Omdat molybdeen een elasticiteitsmodulus heeft van 47*10^6 pond per vierkante inch bij kamertemperatuur, wordt het gebruikt voor boorbalken en kwillen voor high-speed interne slijpmachines. Dit zorgt voor vrijheid van trilling en chatter.

Tantalum

Tantalum is het meest corrosiebestendige refractaire metaal.

Het wordt vaak toegepast in medische en chirurgische instellingen en in sterk zuur omgevingen. Tantalum is ook het hoofdcomponent van computer- en telefooncircuits of condensatoren.

Hoewel aanzienlijk duurder dan aluminium, heeft tantalum twee belangrijke voordelen ten opzichte van het:

1. Het heeft een hogere dielektrische constante, waardoor condensatoren kleiner kunnen zijn.
2. Zijn oxidelaag is stabieler, wat tantalumcondensatoren een voordeel geeft in toepassingen die hoge betrouwbaarheid vereisen.

Tantalum wordt ook in de elektronica-industrie gebruikt als barrière om te voorkomen dat koper silicon vervuilt in producten zoals computerchips en opslagapparaten. Deze scheiding is noodzakelijk omdat de aanwezigheid van koper in silicon leidt tot apparaatdegradatie en -storing. (Voor meer over kopercorrosie, zie: Verhoogde Snelheden van Kopercorrosie in de Zone van Aeratie Uitgelegd.)

Medische Toepassingen

Tantalum wordt gebruikt in chirurgische en biomedische toepassingen vanwege zijn bio-inertie — wat op zijn beurt te danken is aan de hechtende oxidelaag die spontaan op het oppervlak van tantalummetaal vormt wanneer blootgesteld aan lucht.

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

• Chirurgische clips.
• Bottransplantaten.
• Platen voor cranioplastieken.
• Net voor abdominale wandreconstructies.
• Tandimplanten.

Chemische Fabrieksapparatuur

Tantalums duktiliteit en uitstekende corrosieweerstand 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 afgehandelde chemicaliën te behouden. Tantalum en zijn legeringen kunnen worden gebruikt om chloorwaterstof-, broomwaterstof-, salpeterzuur- en zwavelzuur af te handelen. Voorbeelden van chemische fabrieksapparatuur waarin tantalum kan worden gebruikt zijn:

• Warmtewisselaars.
• Kleppen.
• Vaten.
• Pijpen. (Voor meer over pijpcorrosie, zie: 21 Soorten Pijpcorrosie & Storing.)

Niobium

Niobium wordt altijd samen met tantalum gebruikt. Het is hoogst uniek en kan gemakkelijk bewerkt worden om hoge elasticiteit en sterkte te verkrijgen.

Ferrometallurgie

Het leidende gebruik van niobium is in ferrometallurgie.

Ongeveer 75% van de wereldwijde niobiumproductie wordt door de staalindustrie gebruikt om een verscheidenheid aan staallegeringen te produceren die kleine hoeveelheden andere metalen bevatten (microlegering en laag-gelegerde stalen) om — onder andere eigenschappen — corrosieweerstand, sterkte en toughness te verbeteren.

Niobium fungeert als korrelverfijner en uittalingsverharder in hoogsterkte laag-gelegerde en microgelegerde stalen, waardoor mechanische sterkte, hoge-temperatuursterkte, toughness en corrosieweerstand gelijktijdig verbeterd worden.

Deze stalen worden gebruikt in pipelines, transport, en structurele toepassingen. (Voor meer over transport, zie: Tijdelijke Corrosiebescherming Tijdens Opslag, Transport en Hantering.)

Supergeleidende Magneten

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

• Magnetische resonantie imaging (MRI).
• Kernmagnetische resonantie instrumenten (NMRI).
• Deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider in Europa, die de grootste supergeleidende magneten ter wereld bevat.
• Elektrolytische condensatoren en supergeleiders.

Niobiumlegeringen worden anderen refractaire metalen voorgezogen tot 3.300 graden Fahrenheit. Vanwege hun lage oxidatiewerstand zijn niobiumlegeringen beperkt tot gebruik in structurele toepassingen bij verhoogde temperaturen.

Rhenium

Rhenium is het meest recent ontdekte refractaire metaal.

Het kan worden gevonden met andere metalen in ultra-lage concentraties. Het is ook aanwezig in andere refractaire metaalerzen. Rhenium is bekend om zijn hoge trekksterkte en duktiliteit.

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

Superlegeringen

Rhenium wordt als additief gebruikt om superlegeringen te maken, vaak in combinatie met ijzer, kobalt, nikkel, wolfram en molybdeen. Het toevoegen van rhenium verbetert de algehele kreeftsterkte van een superlegering, wat het een uitstekend materiaal maakt voor straalmotoronderdelen en gasturbine motors. (Voor meer over straalmotoren en turbines, zie: Hete Corrosie in Gasturbine Componenten.)

Katalysatoren

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

• Petrochemie.
• Farmacie.
• Organische syntheseprocessen, inclusief isomerisatie, hydrgenering en alkylatie.

Platina-rhenium katalysatoren zijn essentieel in een chemisch proces genaamd katalytische reformering in petroleumraffinaderijen. (Voor meer over petroleum, zie: De 6 Corrosieve Componenten Die in Ruwe Olie Kunnen Worden Gevonden.)

Thermoelementen

Wolfram-rhenium en molybdeen-rhenium legeringen worden voornamelijk gebruikt om thermoelementen te produceren.

Hun toepassingen omvatten halfgeleiders, verwarmingselementen, metallische coatings en lasstaven.

Wolfram-rhenium legeringen, in het bijzonder, worden gebruikt om roterende Röntgenanoden te maken.

Bij hoge temperaturen weerstaat rhenium aanval in waterstof en inerte atmospheres. Het is bestendig tegen chloorwaterstofzuur en zeewatercorrosie en het is ook bestendig tegen de mechanische effecten van elektrische erosie.

Conclusie

Refractaire metalen hebben veel toepassingen en voordelen. Echter, er zijn veel die we nog niet volledig begrijpen.

Voldoende onderzoek is vereist op het gebied van metallurgie om een verscheidenheid aan processen te verbeteren.