Metais refratários:propriedades, tipos e aplicações

Os metais refratários são amplamente utilizados devido às suas propriedades e comportamentos únicos e desejáveis, especialmente sua resistência à corrosão e sua extraordinária resistência ao desgaste e ao calor.

Esses metais são usados ​​principalmente nas áreas de engenharia, ciência e metalurgia. Os cinco principais elementos que pertencem a esta classe de metal incluem o seguinte:

• Molibdênio (Mo)
• Rênio (Re)
• Nióbio (Nb)
• Tungstênio (W)
• Tântalo (Ta)

Esses cinco elementos compartilham algumas propriedades importantes, como um alto nível de dureza à temperatura ambiente e um alto ponto de fusão, especialmente quando submetidos a temperaturas superiores a 3.600 graus Fahrenheit (2.000 graus Celsius). (Para saber mais sobre como aumentar a dureza, consulte:Nitretação para resistência à corrosão e fadiga ao desgaste.)

Os metais refratários também têm alta densidade e são quimicamente inertes. Seus altos pontos de fusão dão lugar à metalurgia do pó como a escolha para a fabricação de diferentes componentes.

Algumas das aplicações mais comuns para metais refratários incluem filamentos de arame, ferramentas, recipientes químicos em atmosferas corrosivas e moldes de fundição. Com seu ponto de fusão muito alto, os metais refratários são altamente estáveis.

Agora, vamos dar uma olhada mais profunda nos metais refratários, incluindo seus recursos, propriedades, benefícios e aplicações:

Os principais recursos dos metais refratários

Um importante fator de identificação de metais refratários é a resistência ao calor. Todos os cinco metais desta classe são caracterizados com um ponto de fusão superior a 3.632 graus Fahrenheit (2.000 graus Celsius).

Os metais refratários também permanecem fortes sob temperaturas extremamente altas e são naturalmente duros, tornando-os perfeitos para ferramentas de perfuração e corte. Os metais refratários são altamente resistentes a fatores como choque térmico. Isso significa que eles não sofrerão rachaduras, expansão ou estresse quando resfriados e aquecidos repetidamente. (Para saber mais sobre metais sob calor, consulte: 5 principais considerações ao revestir superfícies de alta temperatura .)

Além disso, todos os cinco metais deste grupo têm altos níveis de densidade e boas propriedades térmicas e elétricas. Eles também são resistentes à fluência, de modo que sofrem deformação lenta quando expostos a ambientes ou condições muito estressantes. Isso porque os metais refratários podem estruturar uma camada de proteção, tornando-os resistentes à corrosão – apesar de poderem sofrer oxidação sob altas temperaturas.

As propriedades físicas e químicas dos metais refratários

Os metais refratários podem ser classificados por suas propriedades físicas e químicas únicas. E, para tirar o máximo proveito desses elementos, é vital entendê-los completamente.

As propriedades físicas dos metais refratários

Os metais refratários são marcados pelas seguintes características físicas principais:

• Um alto ponto de ebulição. Os pontos de fusão dos metais refratários são mais altos do que os de todos os outros metais, exceto carbono, ósmio e irídio.
• Uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado.
• Alta resistência à fluência.

Dito isto, as características específicas dos metais refratários variam bastante porque vêm de diferentes grupos na tabela periódica.

Por exemplo, de todos os cinco metais refratários, o rênio tem o ponto de fusão mais alto - a 5.757 graus Fahrenheit (3.186 graus Celsius) - enquanto o nióbio tem o mais baixo - a 4.491 deF (2.477 ° C). Em termos de ponto de ebulição, o nióbio está a 8.572 graus Fahrenheit (4.744 graus Celsius), enquanto o rênio está a 10.105 graus Fahrenheit (5.596 graus Celsius). (Para mais informações sobre aplicações que usam materiais de alta temperatura, consulte: Tudo no vapor:os muitos tipos e usos do Steam .)

O mesmo vale para a resistência à fluência; há metais que começam a formar fluência a 1.832 graus Fahrenheit (1.000 graus Celsius), enquanto há metais que começam a menos de 932 graus Fahrenheit (500 graus Celsius).

As propriedades químicas dos metais refratários

Os metais refratários vêm com uma ampla gama de propriedades químicas, pois cada um pertence a uma classificação diferente na tabela periódica.

Geralmente, esses metais oxidam facilmente; mas a reação pode ser controlada criando camadas de óxido estáveis ​​em cima de um metal. Isso é especialmente verdadeiro com o rênio porque é altamente volátil. Assim, ele pode perder sua estabilidade contra o ataque de oxigênio sob altas temperaturas à medida que a camada de óxido sofre evaporação.

No entanto, todos os metais refratários são comparativamente estáveis ​​contra substâncias como ácidos.

Quais são os benefícios do uso de metais refratários?

Graças às suas qualidades únicas, os metais refratários são altamente benéficos para uma variedade de aplicações e indústrias. Seus principais benefícios incluem:

Um ponto de fusão muito alto

Metais refratários como tungstênio, molibdênio e tântalo têm pontos de fusão muito altos, tornando-os benéficos na fabricação de vidro.

Alta resistência

Os metais refratários são excepcionalmente fortes, mesmo em temperaturas ultra-altas.

Por exemplo, cones de foguete feitos de tungstênio têm o dobro da resistência à tração do ferro sob temperaturas normais. (Para saber mais sobre este tópico, consulte:Qual é a diferença entre força e resistência? )

Excelente resistência à abrasão e ao desgaste

Metais refratários, especialmente ligas, podem prolongar a vida útil das sedes das válvulas, vedações, bicos e outras áreas propensas a alto desgaste.

Excelente resistência à corrosão

A tubulação em plantas químicas é tipicamente feita de metais refratários, permitindo um alto grau de resistência à corrosão em comparação com o aço inoxidável.

Resistência ao choque térmico

Metais como o tungstênio podem resistir ao estresse causado pela rápida expansão por causa do calor.

O tungstênio tem um ponto de fusão muito alto e pode suportar uma série de ciclos de ligar e desligar sem afetar sua integridade.

Calor e condução elétrica

Além de suas muitas aplicações eletrônicas ou elétricas, metais refratários como tungstênio e molibdênio são bons dissipadores de calor.

Dureza Extrema

Hoje, as ferramentas de corte mais usadas são feitas de materiais como carboneto de tungstênio.

Os metais refratários também são ótimos para formar metais e aço, bem como na mineração e perfuração de gás ou poços de petróleo. (Para saber mais sobre a indústria de petróleo e gás, consulte: Sistemas remotos de monitoramento de corrosão na indústria de petróleo e gás .)

Alta densidade e gravidade específica

A maioria dos metais refratários tem alta densidade e, portanto, pode ser muito útil para fazer cabeças de tacos de golfe e giroscópios de aeronaves.

Recursos exclusivos

Alguns metais refratários que possuem recursos ultra-úteis, como atuar como excelentes escudos de radiação e catalisadores químicos.

Tipos de metais refratários e suas aplicações

Existem cinco metais refratários; e cada um vem com propriedades e aplicações distintas.

Em geral, as aplicações comuns para metais refratários incluem filamentos de arame, ferramentas, recipientes químicos em atmosferas corrosivas e moldes de fundição Com seus pontos de fusão muito altos, os metais refratários são altamente estáveis.

Aqui estão as aplicações mais específicas para cada um dos cinco metais refratários:

Tungstênio

O tungstênio é o mais abundante entre os metais refratários. Tem o ponto de fusão mais alto e uma das densidades metálicas mais altas entre os metais refratários. Pode ser muito difícil quando combinado com outros elementos como o carbono. Também é altamente resistente à corrosão.

Aplicativos de iluminação

Tungstênio amplamente utilizado em filamentos de fios, como os da maioria das lâmpadas incandescentes usadas nas casas. Mas também é comum em lâmpadas e iluminação de arco industrial. (Para saber mais sobre aplicações industriais, consulte: 8 coisas a saber sobre revestimentos de poliureia .)

A iluminação de palco é usada em estúdios de televisão e em palcos de som, bem como em locais onde ocorrem produções teatrais, concertos e outros eventos ao vivo. E, embora a iluminação de palco ainda use tecnologia incandescente, geralmente é na forma de lâmpadas proprietárias de tungstênio-halogênio (ou quartzo-halogênio) de alto desempenho com valores de temperatura de cor cuidadosamente calibrados para controlar a renderização geral da cena.

Corona Discharge

Uma descarga corona é a cortina de plasma criada quando o ar ao redor de um condutor é ionizado.

A descarga corona é frequentemente feita, e melhor realizada, com fio de tungstênio. Para filtragem de ar, impressoras, copiadoras e outras aplicações, apenas o fio de tungstênio produz ionização e modificação de superfície suficientes.

Fornos

O fio de tungstênio é amplamente utilizado para fornecer suporte ou ação de tração em fornos industriais.

Isso se deve às propriedades de não escorrimento do fio de tungstênio e sua resistência ao calor. Por exemplo, o fio de tungstênio é muitas vezes tecido em esteiras usadas para posicionar e manter objetos no lugar na zona quente projetada de fornos industriais, fornalhas e fornos.

Probes

A rigidez do fio de tungstênio, mesmo em diâmetros muito pequenos, é um fator crucial para o uso em vários tipos de sondas, incluindo sondas de teste de semicondutor cantilever usadas para testes de pastilhas de silício na fabricação de semicondutores.

A rigidez também é uma vantagem no fio de tungstênio para sondas neurais usadas em diagnósticos e tratamentos médicos. (Para saber mais sobre ciência dos materiais na área da saúde, consulte: Como iniciar uma carreira como cientista de materiais .)

Ferramentas e peças de corte

Ferramentas e peças de corte requerem alta resistência à abrasão e, portanto, são feitas de carboneto de tungstênio.

Pastilhas de carboneto de tungstênio, com arestas de corte retificadas, são fixadas aos corpos das ferramentas de aço por brasagem ou fixação mecânica. O uso de ferramentas de carboneto de tungstênio garante velocidades de corte mais altas e maior vida útil da ferramenta. Corantes de carboneto de tungstênio são comumente usados ​​para trefilar fios.

Molibdênio

O molibdênio é o metal refratário mais usado porque é mais barato que a maioria dos outros e, quando transformado em liga, pode ser muito resistente à fluência e a altas temperaturas.

Este metal também não cria amálgamas, tornando-o resistente à corrosão. É usado principalmente para fortalecer ligas de aço, particularmente em tubulações e tubulações estruturais. O molibdênio também possui excelentes qualidades antifricção, tornando-o um componente ideal de óleos e graxas usados ​​em automóveis. (Para saber mais sobre corrosão na indústria automotiva, consulte: A corrosão de materiais leves usados ​​em aplicações automotivas .)

Aço inoxidável

Os aços inoxidáveis ​​são resistentes à corrosão porque seu teor de cromo forma espontaneamente uma película fina, protetora e passiva na superfície do aço.

O molibdênio melhora esse filme passivo, tornando-o mais forte e ajudando-o a se reformar rapidamente se for interrompido por cloretos. Aumentar o teor de molibdênio em aço inoxidável aumenta sua resistência à corrosão por pites e frestas.

Ferramentas e aço rápido

O molibdênio em aços ferramenta aumenta sua dureza e resistência ao desgaste. Ao reduzir a taxa de resfriamento crítica, o molibdênio promove a formação de uma matriz martensítica ideal, mesmo em moldes maciços e intrincados que não podem ser resfriados rapidamente sem distorção ou rachadura.

A adição de 5 a 10% de molibdênio pode efetivamente maximizar a dureza e tenacidade dos aços rápidos e manter essas propriedades nas altas temperaturas geradas ao cortar metais. (Para saber mais sobre corte de metais, consulte: Como a falta de calor e a soldagem afetam a corrosão em metais .)

Supressores de fumaça

Na tecnologia eletrônica, o isolamento de fios e cabos representa um risco de incêndio e fumaça para bombeiros e para aqueles que estão nos confins de aeronaves e hospitais. Octamolibdato de amônio tem sido usado com PVC para suprimir a formação de fumaça.

Como o molibdênio tem um módulo de elasticidade de 47*10^6 libras por polegada quadrada à temperatura ambiente, ele é usado para mandrilar barras e espigões para esmerilhadeiras internas de alta velocidade. Isso garante a liberdade de vibração e vibração.

Tântalo

O tântalo é o metal refratário mais resistente à corrosão.

É frequentemente aplicado em ambientes médicos e cirúrgicos e em ambientes altamente ácidos. O tântalo também é o principal componente de circuitos ou capacitores de computador e telefone.

Embora consideravelmente mais caro que o alumínio, o tântalo tem duas vantagens principais:

1. Tem uma constante dielétrica mais alta, permitindo que os capacitores sejam menores.
2. Sua camada de óxido é mais estável, dando aos capacitores de tântalo uma vantagem em aplicações que exigem alta confiabilidade.

O tântalo também é usado na indústria eletrônica como uma barreira para evitar que o cobre polua o silício em produtos como chips de computador e dispositivos de armazenamento. Essa separação é necessária porque a presença de cobre no silício leva à degradação e falha do dispositivo. (Para saber mais sobre a corrosão do cobre, consulte: Taxas aumentadas de corrosão do cobre na zona de aeração explicadas .)

Aplicativos médicos

O tântalo é usado em aplicações cirúrgicas e biomédicas devido à sua bioinércia – que, por sua vez, é devido à camada de óxido aderente que se forma espontaneamente na superfície do metal de tântalo quando exposto ao ar.

Além disso, o tântalo é inerte nos fluidos corporais e possui boas propriedades mecânicas. Exemplos de suas aplicações na medicina incluem:

• Clips cirúrgicos.
• Enxertos ósseos.
• Placas para cranioplastias.
• Malha para reconstruções da parede abdominal.
• Implantes dentários.

Equipamentos de plantas químicas

A ductilidade do tântalo e a excelente resistência à corrosão o tornam adequado para uso em equipamentos de processo químico operando sob condições corrosivas em temperaturas elevadas.

A resistência à corrosão do metal serve tanto para proteger o equipamento quanto para manter a pureza dos produtos químicos manipulados. O tântalo e suas ligas podem ser usados ​​para lidar com ácidos clorídrico, bromídrico, nítrico e sulfúrico. Exemplos de equipamentos de plantas químicas em que o tântalo pode ser usado são:

• Permutadores de calor.
• Válvulas.
• Navios.
• Tubos. (Para saber mais sobre corrosão de tubos, consulte: 21 tipos de corrosão e falha de tubulação .)

Niobio

O nióbio é sempre usado junto com o tântalo. É altamente exclusivo e pode ser trabalhado facilmente para obter alta elasticidade e resistência.

Metalurgia Ferrosa

O principal uso de nióbio é na metalurgia ferrosa.

Cerca de 75% da produção mundial de nióbio é usada pela indústria siderúrgica para produzir uma variedade de ligas de aço que contêm pequenas quantidades de outros metais (microligas e aços de baixa liga) para melhorar – entre outras propriedades – resistência à corrosão, resistência e tenacidade.

O nióbio atua como refinador de grãos e endurecedor por precipitação em aços de baixa liga e microligados de alta resistência, melhorando simultaneamente a resistência mecânica, resistência a altas temperaturas, tenacidade e resistência à corrosão.

Esses aços são usados ​​em tubulações, transporte e aplicações estruturais. (Para saber mais sobre transporte, consulte: Proteção temporária contra corrosão durante armazenamento, transporte e manuseio .)

Ímãs supercondutores

As ligas de nióbio também são usadas para fabricar ímãs supercondutores. Esses ímãs condutores superr são usados ​​em:

• Imagem por ressonância magnética (RM).
• Instrumentos de ressonância magnética nuclear (NMRI).
• Aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider na Europa, que contém os maiores ímãs supercondutores do mundo.
• Capacitores eletrolíticos e supercondutores.

As ligas de nióbio são preferidas a outros metais refratários até 3.300 graus Fahrenheit. Devido à sua baixa resistência à oxidação, as ligas de nióbio são limitadas para uso em aplicações estruturais em temperaturas elevadas.

Rênio

O rênio é o metal refratário mais recentemente descoberto.

Pode ser encontrado com outros metais em concentrações ultrabaixas. Também está presente em outros minérios metálicos refratários. Rênio é conhecido por sua alta resistência à tração e ductilidade.

O rênio também é muito raro e, portanto, pode ser muito caro.

Superligas

O rênio é usado como aditivo para fazer superligas, muitas vezes em conjunto com ferro, cobalto, níquel, tungstênio e molibdênio. A adição de rênio melhora a resistência geral à fluência de uma superliga, tornando-a um excelente material para peças de motores a jato e turbinas a gás. (Para saber mais sobre motores a jato e turbinas, consulte: Corrosão a quente em componentes de turbinas a gás .)

Catalisadores

Compostos de rênio são usados ​​como catalisadores para catálise homogênea e heterogênea em muitas indústrias. Esses incluem:

• Petroquímica.
• Fármacos
• Processos de síntese orgânica, incluindo isomerização, hidrogenação e alquilação.

Os catalisadores de platina-rênio são essenciais em um processo químico chamado reforma catalítica em refinarias de petróleo. (Para saber mais sobre petróleo, consulte: Os 6 componentes corrosivos que podem ser encontrados no petróleo bruto .)

Termoelementos

As ligas de tungstênio-rênio e molibdênio-rênio são usadas principalmente para fabricar termoelementos.

Seus usos incluem semicondutores, elementos de aquecimento, revestimentos metálicos e varetas de solda.

Ligas de tungstênio-rênio, em particular, são usadas para fazer ânodos rotativos de raios-X.

Em altas temperaturas, o rênio resiste ao ataque de hidrogênio e atmosferas inertes. É resistente ao ácido clorídrico e à corrosão da água do mar e também aos efeitos mecânicos da erosão elétrica.

Conclusão

Os metais refratários têm muitas aplicações e benefícios. No entanto, há muitos que ainda não entendemos completamente.

Uma ampla pesquisa é necessária no campo da metalurgia para melhorar uma variedade de processos.