Metais Refratários: Principais Propriedades, Tipos e Aplicações Industriais

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

Estes metais são principalmente usados nos campos de engenharia, ciência e metalurgia. Os cinco principais elementos que pertencem a esta classe de metal incluem:

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

Estes cinco elementos compartilham algumas propriedades-chave, como alto nível de dureza à temperatura ambiente e alto ponto de fusão, especialmente quando submetidos a temperaturas superiores a 3.600 graus Fahrenheit (2.000 graus Celsius). (Para mais sobre aumento de dureza, veja: Nitratação para Resistência à Corrosão e Fadiga por Desgaste.)

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

Algumas das aplicações mais comuns para metais refratários incluem filamentos de fio, ferramentas, vasos químicos em atmosferas corrosivas e moldes de fundição. Com seus pontos de fusão muito altos, metais refratários são altamente estáveis.

Agora, vamos dar uma olhada mais profunda em metais refratários — incluindo suas características, propriedades, benefícios e aplicações:

Principais Características dos Metais Refratários

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

Metais refratários também permanecem fortes sob temperaturas extremamente altas e são inerentemente duros, tornando-os perfeitos para ferramentas de perfuração e corte. Metais refratários são altamente resistentes a fatores como choque térmico. Isso significa que eles não experimentarão trinca, expansão ou estresse quando resfriados e aquecidos repetidamente. (Para mais sobre metais sob calor, veja: Top 5 Considerações ao Revestir Superfícies de Alto Calor.)

Além disso, todos os cinco metais sob este grupo têm altos níveis de densidade e boas propriedades de calor e elétricas. Eles também são resistentes a fluência (creep), então sofrem deformação lenta quando expostos a ambientes ou condições muito estressantes. Isso é porque metais refratários podem estruturar uma camada de proteção, tornando-os resistentes à corrosão — apesar do fato de que podem sofrer oxidação sob altas temperaturas.

Propriedades Físicas e Químicas dos Metais Refratários

Metais refratários podem ser classificados por suas propriedades físicas e químicas únicas. E, para obter o máximo destes elementos, é vital compreendê-los completamente.

Propriedades Físicas dos Metais Refratários

Metais refratários são marcados pelas seguintes características físicas principais:

• Ponto de ebulição alto. Pontos de fusão de metais refratários são mais altos que os de todos os outros metais, exceto carbono, ósmio e irídio.
• Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado.
• Alta resistência à fluência (creep).

Dito isso, 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 °F (2.477 °C). Em termos de ponto de ebulição, o nióbio está a 8.572 °F (4.744 °C) enquanto o rênio está a 10.105 °F (5.596 °C). (Para mais sobre aplicações usando materiais de alto calor, veja: Todo Vaporizado: Os Muitos Tipos e Usos do Vapor.)

O mesmo vale para resistência à fluência; existem metais que começam a formar fluência a 1.832 °F (1.000 °C), enquanto existem metais que começam a menos de 932 °F (500 °C).

Propriedades Químicas dos Metais Refratários

Metais refratários vêm com uma ampla gama de propriedades químicas, já que cada um pertence a uma classificação diferente na tabela periódica.

Geralmente, estes metais oxidam facilmente; mas a reação pode ser controlada criando camadas de óxido estáveis no topo de um metal. Isso é especialmente verdadeiro com o rênio porque é altamente volátil. Assim, pode perder sua estabilidade contra ataque de oxigênio sob altas temperaturas, pois a camada de óxido sofre evaporação.

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

Quais São os Benefícios de Usar Metais Refratários?

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

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

Metais refratários são unicamente 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 mais sobre este tópico, veja: Qual a Diferença Entre Resistência e Tenacidade?)

Resistência Excepcional à Abrasão e Desgaste

Metais refratários, especialmente ligas, podem estender a vida útil de assentos de válvula, vedantes, 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 comparado ao aço inoxidável.

Resistência a Choque Térmico

Metais como tungstênio podem resistir ao estresse trazido por expansão rápida por causa do calor.

Tungstênio tem ponto de fusão muito alto e pode suportar uma série de ciclos liga-desliga sem afetar sua integridade.

Condução de Calor e Elétrica

Além de suas muitas aplicações eletrônicas ou elétricas, metais refratários como tungstênio e molibdênio fazem bons dissipadores de calor (heat sinks).

Dureza Extrema

Hoje, a maioria das ferramentas de corte amplamente usadas são feitas de materiais como carboneto de tungstênio.

Metais refratários também são ótimos para conformar metais e aço, bem como em mineração e perfuração de poços de gás ou petróleo. (Para mais sobre a indústria de petróleo e gás, veja: Sistemas de Monitoramento Remoto de Corrosão na Indústria de Petróleo e Gás.)

Alta Densidade e Gravidade Específica

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

Capacidades Únicas

Alguns metais refratários que têm capacidades ultra-úteis — como atuar como escudos de radiação excepcionais 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, aplicações comuns para metais refratários incluem filamentos de fio, ferramentas, vasos químicos em atmosferas corrosivas e moldes de fundição. Com seus pontos de fusão muito altos, metais refratários são altamente estáveis.

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

Tungstênio

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

Aplicações de Iluminação

Tungstênio é amplamente usado em filamentos de fio, como aqueles na maioria da iluminação incandescente usada em residências. Mas também é comum em lâmpadas de arco industriais e iluminação. (Para mais sobre aplicações industriais, veja: 8 Coisas para Saber Sobre Revestimentos de Poliureia.)

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

Descarga de Coroa

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

Descarga de coroa é frequentemente feita, e melhor realizada, com fio de tungstênio. Para filtração de ar, impressoras, copiadoras e outras aplicações, apenas fio de tungstênio produz ionização e modificação de superfície suficientes.

Fornos

Fio de tungstênio é amplamente usado para fornecer suporte ou ação de tração em fornos industriais.

Isso se deve às propriedades de não-affastamento (non-sag) do fio de tungstênio e sua resistência ao calor. Por exemplo, fio de tungstênio é frequentemente tecido em esteiras usadas para posicionar e segurar objetos no lugar na zona quente projetada de fornos industriais, fornalhas e fornos de cerâmica.

Sondas

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

A rigidez também é uma vantagem no fio de tungstênio para sondas neurais usadas em diagnósticos e tratamento médicos. (Para mais sobre ciência de materiais na saúde, veja: Como Começar uma Carreira como Cientista de Materiais.)

Ferramentas de Corte e Peças

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

Insertos de carboneto de tungstênio, com arestas de corte usinadas, são anexados aos corpos de ferramentas de aço por brasagem ou fixação mecânica. Uso de ferramentas de carboneto de tungstênio garante velocidades de corte mais altas e vida útil mais longa da ferramenta. Matrizes de carboneto de tungstênio são comumente usadas para estirar fio.

Molibdênio

Molibdênio é o metal refratário mais usado porque é menos caro que a maioria dos outros e, quando feito em liga, pode ser muito resistente à fluência e 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 tubos estruturais. Molibdênio também tem excelentes qualidades anti-atrito, tornando-o um componente ideal de óleos e graxas usados em automóveis. (Para mais sobre corrosão na indústria automotiva, veja: A Corrosão de Materiais Leves Usados em Aplicações Automotivas.)

Aço Inoxidável

Aços inoxidáveis são resistentes à corrosão porque seu teor de cromo forma espontaneamente um filme fino, protetor e passivo na superfície do aço.

Molibdênio aprimora este filme passivo tornando-o mais forte e ajudando-o a reformar-se rapidamente se for perturbado por cloretos. Aumentar o teor de molibdênio em aços inoxidáveis aumenta sua resistência à corrosão por pitting e fresta.

Ferramentas e Aço de Alta Velocidade

Molibdênio em aços para ferramentas aumenta sua dureza e resistência ao desgaste. Reduzindo a taxa crítica de resfriamento, molibdênio promove a formação de uma matriz martensítica ótima, mesmo em moldes massivos e intrincados que não podem ser resfriados rapidamente sem distorção ou trinca.

Adicionar 5 a 10% de molibdênio pode efetivamente maximizar a dureza e tenacidade de aços de alta velocidade e manter estas propriedades nas altas temperaturas geradas ao cortar metais. (Para mais sobre corte de metais, veja: Como Fragilidade a Quente e Soldagem Afetam Corrosão em Metais.)

Supressores de Fumaça

Na tecnologia eletrônica, isolamento de fio e cabo representa risco de incêndio e fumaça para bombeiros e aqueles em confins de aeronaves e hospitais. Octamolibdato de amônio tem sido usado com PVC para suprimir formação de fumaça.

Como o molibdênio tem módulo de elasticidade de 47×10⁶ libras por polegada quadrada à temperatura ambiente, é usado para barras de mandril e canetas para retificadoras internas de alta velocidade. Isso garante liberdade de vibração e chatter.

Tântalo

Tântalo é o metal refratário mais resistente à corrosão.

É frequentemente aplicado em configurações médicas e cirúrgicas e em ambientes altamente ácidos. Tântalo também é o componente principal de circuitos ou capacitores de computadores e telefones.

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

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

Tântalo também é usado na indústria eletrônica como barreira para impedir que cobre contamine silício em produtos como chips de computador e dispositivos de armazenamento. Esta separação é necessária porque a presença de cobre no silício leva a degradação e falha do dispositivo. (Para mais sobre corrosão de cobre, veja: Taxas Aumentadas de Corrosão de Cobre na Zona de Aeração Explicadas.)

Aplicações Médicas

Tântalo é usado em aplicações cirúrgicas e biomédicas devido à sua bio-inertidade — que, por sua vez, é devida à camada de óxido aderente que se forma espontaneamente na superfície do metal tântalo quando exposto ao ar.

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

• Clipes cirúrgicos.
• Enxertos ósseos.
• Placas para cranioplastias.
• Malha para reconstruções de parede abdominal.
• Implantes dentários.

Equipamentos de Planta Química

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

A resistência à corrosão do metal serve tanto para proteger o equipamento quanto para manter a pureza dos produtos químicos manipulados. Tântalo e suas ligas podem ser usados para lidar com ácidos clorídrico, hidrobromico, nítrico e sulfúrico. Exemplos de equipamentos de planta química nos quais tântalo pode ser usado são:

• Trocadores de calor.
• Válvulas.
• Vasos.
• Tubos. (Para mais sobre corrosão de tubos, veja: 21 Tipos de Corrosão e Falha de Tubos.)

Nióbio

Nióbio é sempre usado junto com tântalo. É altamente único e pode ser trabalhado facilmente para obter alta elasticidade e resistência.

Metalurgia Ferrosa

O uso principal de nióbio é na metalurgia ferrosa.

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

Nióbio atua como refinador de grão e endurecedor por precipitação em aço de alta resistência baixa liga e micro-ligado, melhorando simultaneamente resistência mecânica, resistência a alta temperatura, tenacidade e resistência à corrosão.

Estes aços são usados em dutos, transporte e aplicações estruturais. (Para mais sobre transporte, veja: Proteção Temporária contra Corrosão Durante Armazenamento, Transporte e Manuseio.)

Ímãs Supercondutores

Ligas de nióbio também são usadas para fabricar ímãs supercondutores. Estes ímãs supercondutores são usados em:

• Imagem por ressonância magnética (MRI).
• Instrumentos de ressonância magnética nuclear (NMRI).
• Aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons na Europa, que contém os maiores ímãs supercondutores do mundo.
• Capacitores eletrolíticos e supercondutores.

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

Rênio

Rênio é o metal refratário descoberto mais recentemente.

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

Rênio também é muito raro e assim pode ser muito caro.

Superligas

Rênio é usado como aditivo para fazer superligas, frequentemente em conjunto com ferro, cobalto, níquel, tungstênio e molibdênio. Adicionar rênio melhora a resistência à fluência (creep) geral de uma superliga, tornando-a um material excelente para peças de motor a jato e motores de turbina a gás. (Para mais sobre motores a jato e turbinas, veja: Corrosão a Quente em Componentes de Turbina a Gás.)

Catalisadores

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

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

Catalisadores platina-rênio são essenciais em um processo químico chamado reforma catalítica em refinarias de petróleo. (Para mais sobre petróleo, veja: Os 6 Componentes Corrosivos que Podem Ser Encontrados em Petróleo Bruto.)

Termoelementos

Ligas tungstênio-rênio e molibdênio-rênio são usadas principalmente para fabricar termoelementos.

Seus usos incluem semicondutores, elementos de aquecimento, revestimentos metálicos e hastes de soldagem.

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

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

Conclusão

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

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