Tűzálló fém

H   Hé
Li Lenni   B VS NEM O F Született
N / A Mg   Al Igen P S Cl Ar
K Azt Sc   Ti V Kr. | Mn Fe Co Vagy Cu Zn Ga Ge Ász Se Br Kr
Rb Sr Y   Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag CD Ban ben Sn Sb Ön én Xe
Cs Ba A * HF A te W Újra Csont Ir Pt Nál nél Hg Tl Pb Kettős Po Nál nél Rn
Fr Ra Ac ** Rf Db Vminek Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
  * Ez Pr Nd Délután Sm Volt Gd Tuberkulózis Dy Ho Er Tm Yb Olvas
  ** Th Pa U Np Tudott Am Cm Bk Vö Is Fm Md Nem Lr
__ Tűzálló fémek __ A tűzálló fémek szélesebb meghatározása __ Tűzálló metalloidok

A tűzálló fémek egyik osztályát a fémek , amelyek rendkívül ellenálló a hő és a kopás . A kifejezést leginkább az anyagtudomány , a kohászat és a mérnöki tudományok területén használják . Az ebbe a csoportba tartozó elemek meghatározása változhat. A legáltalánosabb meghatározás szerint ez a csoport 5 elemet tartalmaz, kettőt az ötödik periódusból , a niobiumot és a molibdént , valamint hármat a hatodik periódusból , a tantált , a volfrámot és a réniumot . Valamennyi tulajdonságuk megegyezik, például olvadáspontjuk magasabb, 2000  ° C-ig . Kémiailag inertek és viszonylag nagy sűrűségűek. A magas olvadáspontú teszi porkohászati eljárás választás , hogy komponensek ezeket a fémeket. Néhány alkalmazásuk magas hőmérsékletű fémmegmunkáláshoz szükséges szerszámokat, fémszálakat, öntőformákat és edényeket korrozív környezeti kémiai reakciókhoz. Részben a magas olvadáspontú, tűzálló fémek egyáltalán nem áramlik nagyon magas hőmérsékleten.

Meghatározás

A "tűzálló fémek" kifejezés legtöbb meghatározása a szokatlanul magas olvadáspontot említi alapvető feltételként. Az egyik definíció szerint 2200  ° C feletti olvadáspontot meg kell tartani. A következő öt elem: nióbium , molibdén , tantál , volfrám és rénium minden definícióban szerepel, míg egy tágabb meghatározás, beleértve az összes olyan elemet, amelynek olvadáspontja 1850  ° C felett van , hozzávetőlegesen további kilenc további elemet, titánt , vanádiumot , króm , cirkónium , hafnium , ruténium , ozmium és irídium . A transzuránelemeket (amelyek az uránon kívül vannak, instabilak és nem találhatók meg természetesen a földön) soha nem tekintik a tűzálló fémek részének.

Tulajdonságok

Fizikai

A tűzálló fémek tulajdonságai
Vezetéknév Nióbium Molibdén Tantál Volfrám Rénium
Fúziós pont 2477  ° C 2,623  ° C 3017  ° C 3422  ° C 3186  ° C
Forráspont 4744  ° C 4639  ° C 5 458  ° C Olvadáspont: 5555  ° C Olvadáspont: 5596  ° C
Sűrűség 8,57  g · cm -3 10,28  g · cm -3 16,69  g · cm -3 19,25  g · cm -3 21,02  g · cm -3
Young modulusa 105 GPa 329 GPa 186 GPa 411 GPa 463 GPa
Vickers keménysége 1320  MPa 1 530  MPa 873 MPa 3430  MPa 2450  MPa

A tűzálló fémek olvadáspontja a szén , az ozmium és az irídium kivételével az összes elem közül a legmagasabb . Ez a magas olvadáspont határozza meg legtöbb alkalmazásukat. Ezeknek a fémeknek kristályszerkezete középpontos köbös, kivéve a réniumot, amely egy kompakt gömbhalmaz . Az ebben a csoportban található elemek fizikai tulajdonságainak többsége nagymértékben változik, mivel a periódusos rendszer különböző csoportjainak tagjai .

Creep rezisztencia lényeges tulajdonsága tűzálló fémek. A fémekben a kúszás megindulása korrelál az anyag olvadáspontjával, az alumíniumötvözetek kúszása 200  ° C- tól kezdődik , míg a tűzálló fémeknél 1500  ° C feletti hőmérséklet szükséges. Ez a magas hőmérsékleti deformációval szembeni ellenálló képesség teszi a tűzálló fémeket ellenállóvá az erőteljes erőknek magas hőmérsékleten, például sugárhajtóművekben vagy ütő szerszámokban .

Kémiai

A tűzálló fémek nagyon sokféle kémiai tulajdonságot mutatnak, mivel az elemek periódusos rendszerében három különböző csoportba tartoznak . Könnyen oxidálódnak, de ezt a reakciót a szilárd fémben lelassítják azáltal, hogy stabil oxidrétegek képződnek a felszínen. A rénium-oxid azonban illékonyabb, mint a fém, és ezért magas hőmérsékleten az oxigén támadásával szembeni stabilizáció elvész, mert az oxidréteg elpárolog. Ezek mind viszonylag stabilak a savakkal szemben.

Alkalmazások

A tűzálló fémeket világításban , szerszámokban, kenőanyagokban , nukleáris reakciószabályozó rudakban használják katalizátorként , valamint kémiai vagy elektromos tulajdonságaik miatt. Magas olvadáspontjuk miatt a tűzálló fém alkatrészeket soha nem öntéssel készítik . A por kohászati eljárást alkalmazzák. A tiszta fémporokat tömörítik, elektromos árammal melegítik, és másokat hőkezeléssel, izzítási lépésekkel állítanak elő. A tűzálló fémeket huzalokká, bugákká , rudakká , lapokká vagy lapokká lehet dolgozni .

Volfrám és volfrámötvözetek

A volfrámot 1781-ben fedezte fel Carl Wilhelm Scheele svéd vegyész . Tungsten van a legmagasabb olvadáspontja összes fémek 3,410  ° C ( 6.170 ° F ).  

A réniumot a volfrámötvözetekben 22% -ig használják, javítja a magas hőmérsékleti és korrózióállóságot. A tóriumot ötvöző vegyületként elektromos ív létrehozásakor használják. Ez megkönnyíti az érintkezést és stabilizálja az ívet. A por kohászatához kötőanyagokat kell használni a szinterelési folyamatban . Nehéz volfrámötvözet gyártásához széles körben használják a nikkel és a vas, illetve a nikkel és a réz kötőanyag-keverékeit . Az ötvözet volfrámtartalma általában meghaladja a 90% -ot. A kötőelemek diffúziója a volfrámszemcsékben alacsony, még szinterelési hőmérsékleten is, ezért a szemcsék belseje tiszta volfrámból áll.

A volfrámot és ötvözeteit gyakran használják magas hőmérsékletű alkalmazásokban, de ott is, ahol nagy szilárdságra van szükség, és a nagy sűrűség nem jelent problémát. A volfrámszálak a háztartási izzólámpák túlnyomó többségében megtalálhatók , de a világítási iparban is elterjedtek, mint az ívlámpák elektródái. Az elektromos energia fényvé alakításának hatékonysága a lámpákban magasabb hőmérséklet mellett növekszik, ezért az izzószálas alkalmazáshoz elengedhetetlen a magas olvadáspont. A TIG gázhegesztés során a berendezés állandó, nem olvadó elektródot használ . A magas olvadáspont és az elektromos ív elleni kopásállóság miatt a volfrám megfelelő anyag az elektród számára. A nagy sűrűség és a keménység szintén elengedhetetlen tulajdonság, ami elősegíti a volfrám használatát a rakétákban , például a tartályfegyverek kinetikus energiájára hatoló rendszerek alternatívájaként . A volfrám magas olvadáspontja miatt jó anyag olyan alkalmazásokhoz, mint a rakétafúvókák , például az UGM-27 Polaris-ban . A volfrám egyes alkalmazásai nem a tűzálló tulajdonságaihoz kapcsolódnak, hanem egyszerűen a sűrűségéhez. Például repülőgépek és helikopterek vagy golfütők fejeinek egyensúlyi súlyaiban használják . Ezekben az alkalmazásokban hasonló sűrű anyagok, például a drágább ozmium is használhatók.

Molibdénötvözetek

A molibdénötvözeteket széles körben használják, mivel olcsóbbak, mint a magasabb volfrámötvözetek. A legszélesebb körben alkalmazott ötvözet TZM molibdén, a titán - cirkónium -molybdenum ötvözet , amely 0,5% titánt és 0,08% cirkónium (a fennmaradó rész molibdén). Az ötvözet alacsonyabb kúszást és magas hőmérsékletet mutat, ezáltal az anyag 1060  ° C feletti üzemi hőmérsékletet tesz lehetővé. A Mo-30W, 70% molibdén és 30% volfrám ötvözet nagy ellenállása az olvadt cink támadással szemben ideális anyaggá teszi a cinköntést. Az olvadt cink szelepeinek felépítésére is használják.

A molibdént nedvesített higanykontaktusú relékben használják, mivel a molibdén nem egyesül , ezért ellenáll a folyékony higany okozta korróziónak .

A molibdén a leggyakrabban használt tűzálló fém. Fő felhasználási az épület egy ötvözet az acél . A szerkezeti csövek gyakran tartalmaznak molibdént, valamint sok rozsdamentes acélt. Magas hőmérsékleti szilárdsága, kopásállósága és alacsony súrlódási tényezője azok az tulajdonságok, amelyek ötvöző vegyületként felbecsülhetetlen értékűvé teszik. A diszulfid , molibdenit , kiváló súrlódáscsökkentő tulajdonságokkal, amelyek miatt beépülését zsírok és olajok, ahol a megbízhatóság és a teljesítmény szempontjából kritikus. Az autóipari CV ízületek molibdént tartalmazó zsírt használnak. A molibdenit könnyen kötődik a fémhez, és nagyon kemény, súrlódásálló bevonatot képez. A legtöbb a világ molibdén érc található Kínában , az Egyesült Államokban , Chilében, és Kanadában .

Niobium ötvözetek

A nióbium szinte mindig megtalálható a tantálhoz kapcsolódóan, és Niobe-ról , Tantalum görög mitológiai király lányáról kapta a nevét , aki a fémnek adta a nevét. A nióbiumnak számos felhasználási területe van, amelyek egy része más tűzálló fémekkel is megegyezik. Ez egyedülálló abban az értelemben, hogy sokféle erősség és rugalmasság elérése érdekében lágyítható , és a legkevésbé sűrű a tűzálló fémek között. Megtalálható elektrolit kondenzátorokban és szupravezető ötvözetekben is . Nióbium megtalálható gázturbinák a légi jármű , a elektroncsövek és atomreaktorok .

A rakétavezérlők számára használt ötvözet , például az Apollo holdmodulok fő motorjában , a C103, amely 89% niobiumot, 10% hafniumot és 1% titánt tartalmaz. Egy másik nióbiumötvözetet használtak az Apollo szervizmodul fúvókájához. Mivel a nióbium 400  ° C feletti hőmérsékleten oxidálódik, ezekhez az alkalmazásokhoz védőbevonatra van szükség, hogy megakadályozzák az ötvözet törékenyé válását.

Tantál és tantálötvözetek

A tantál az elérhető egyik korrózióállóbb anyag.

Ennek a tulajdonságnak köszönhetően számos fontos felhasználást találtak a tantál számára, különösen az orvosi és sebészeti területeken , valamint a savas környezetben . Jobb minőségű elektrolit kondenzátorok készítésére is használják . Tantál filmek jönnek második kapacitás egységnyi térfogatú között minden olyan anyag, csak miután aerogél , , és lehetővé teszi a miniatürizálás az elektronikai alkatrészek és áramkörök . A mobiltelefonok és a számítógépek tantál-kondenzátorokat tartalmaznak.

Réniumötvözetek

A rénium a legfrissebb tűzálló fém. Alacsony koncentrációban található meg sok más fémnél, más tűzálló fémek, platina vagy réz ércében . Hasznos ötvöző elemként más tűzálló fémekkel együtt, ahol hajlékonyságot és szakítószilárdságot ad hozzá . A réniumötvözetek megtalálhatók az elektronikai alkatrészekben, a giroszkópokban és az atomreaktorokban. A rénium legfontosabb felhasználását katalizátorként találja meg. Katalizátorként használják olyan reakciókban, mint az alkilezés , dealkilezés, hidrogénezés és oxidáció . Ritkasága miatt azonban a tűzálló fémek közül a legdrágább. Növeli az oxidációs kinetikát, ha volfrámötvözetben van jelen.

Tűzálló fémek kúszása

A tűzálló fémek és ötvözetek figyelemre méltó tulajdonságaik és ígéretes gyakorlati kilátásaik miatt keltették fel a kutatók figyelmét.

A tűzálló fémek, például a molibdén, a tantál és a volfrám fizikai tulajdonságai, szilárdsága és magas hőmérsékleti stabilitása alkalmassá teszi ezeket az anyagokat forró kohászati ​​alkalmazásokhoz, valamint vákuumkemence technológiákhoz. Számos speciális alkalmazás használja ki ezeket a tulajdonságokat: például a volfrámszálas lámpák legfeljebb 3073  K hőmérsékleten működnek, a molibdén tekercsek pedig 2273  K ellenállnak .

Az alacsony hőmérsékletű gyenge előállíthatóság és az extrém magas hőmérsékletű oxidálhatóság azonban a legtöbb tűzálló fém hiányossága. A környezettel való kölcsönhatások jelentősen befolyásolhatják a magas hőmérsékleti kúszással szembeni ellenálló képességüket. Ezeknek a fémeknek az alkalmazása védő atmoszférát vagy bevonatot igényel.

A molibdén, a nióbium, a tantál és a volfrám tűzálló fémötvözeteit alkalmazták az atomenergiás űrrendszerekben. Ezeket a rendszereket úgy tervezték, hogy 1350  K és 1900  K közötti hőmérsékleten működjenek . A környezet nem léphet kapcsolatba a kérdéses anyaggal. Használhatók speciális hőátadó folyadékokkal , például folyékony alkálifémekkel , valamint ultra nagy vákuumú technikákban .

Az ötvözetek magas hőmérsékletű kúszását csak használatukra kell korlátozni. A kúszás nem haladhatja meg az 1-2% -ot. A tűzálló fémek kúszásának tanulmányozása során további bonyodalmat jelentenek a környezettel való kölcsönhatások, amelyek jelentősen befolyásolhatják a kúszást.

Hivatkozások

  1. (in) "  International Journal of Refractory Metals and Hard Materials  " , Elsevier (hozzáférés: 2010. július 7. ) .
  2. (in) Michael Bauccio, ASM fémek szakkönyv , ASM International, American Society for Metals,1993, 614  p. ( ISBN  978-0-87170-478-8 , online olvasás ) , „Tűzálló fémek” , p.  120-122.
  3. (in) TE Tietz és JW Wilson , viselkedése és tulajdonságai Tűzálló fémek , Stanford University Press ,1 st június 1965, 419  p. ( ISBN  978-0-8047-0162-4 , online előadás ) , „A tűzálló fémek általános viselkedése” , p.  1-28.
  4. (in) Joseph R. Davis, Ötvözés: megértés alapjait ,2001, 647  o. ( ISBN  978-0-87170-744-4 , online olvasás ) , p.  308-333.
  5. (en) VA Borisenko , „  A molibdén keménységének 20-2500 ° C-os hőmérséklet-függőségének vizsgálata  ” , Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics , vol.  1,1963, P.  182–186 ( DOI  10.1007 / BF00775076 ).
  6. (in) Fathi Habashi , "  Tűzálló fémek történeti bevezetése  " , Ásványfeldolgozó és kitermelő kohászati ​​áttekintés , vol.  22, n o  1,2001, P.  25–53 ( DOI  10.1080 / 08827509808962488 ).
  7. (in) Kalpakjian Schmid Gépgyártástechnológia és a technológia , Pearson Prentice Hall,2006, 1326  p. ( ISBN  978-7-302-12535-8 , online előadás ) , „Creep” , p.  86-93.
  8. (in) Andrzej Weroński és Tadeusz Hejwowski , Hőfáradási fémek , CRC Press ,1991, 376  p. ( ISBN  978-0-8247-7726-5 , online előadás ) , „Kúszásálló anyag” , p.  81-93.
  9. (in) Erik Lassner és Wolf-Dieter Schubert , Tungsten: tulajdonságok, a kémia, a technológia az elem, ötvözetek, és a kémiai vegyületek , Springer,1999, 422  p. ( ISBN  978-0-306-45053-2 , online olvasás ) , p.  255-282.
  10. (en) National Research Council (US) Panel on Tungsten, bizottság műszaki vonatkozásairól kritikus és stratégiai anyag, Trends in Use of Tungsten: Report , National Research Council, National Academy of Sciences, National Academy of Engineering,1973( online olvasható ) , p.  1-3.
  11. (in) Erik Lassner és Wolf-Dieter Schubert , Tungsten: tulajdonságok, a kémia, a technológia az elem, ötvözetek, és a kémiai vegyületek , Springer,1999, 422  p. ( ISBN  978-0-306-45053-2 , online olvasás ).
  12. (in) Michael K. Harris Hegesztési egészség és biztonság: olyan területen útmutató OEHS szakemberek , AIHA,2002, 222  p. ( ISBN  978-1-931504-28-7 , online olvasás ) , „Hegesztés egészsége és biztonsága” , p.  28..
  13. (in) William L. Galvery és Frank M. Marlow , Hegesztési Essentials: Kérdések és válaszok , Ipari Press Inc.,2001, 469  p. ( ISBN  978-0-8311-3151-7 , online olvasás ) , p.  185.
  14. W. Lanz, W. Odermatt és G. Weihrauch3 (2001. május 7–11.) „  Kinetikus energiájú lövedékek: fejlődéstörténet, a technika állása, trend  ” a 19. Nemzetközi Ballisztikai Szimpóziumban .  .
  15. (in) P. Ramakrishnan, porkohászat: feldolgozó autóipari, az elektromos / elektronikus és a gépipar , New Age International,1 st január 2007, 396  p. ( ISBN  978-81-224-2030-2 és 81-224-2030-3 , olvasható online ) , „Por metallurgyfor Aerospace Applications" , p.  38.
  16. (in) Arora, Arran, "  Volfram nehéz ötvözet védelmi alkalmazásokhoz  " , Anyagtechnika , vol.  19, n o  4,2004, P.  210–216.
  17. (in) VS Moxson és FH (szo) Froes , "  Sportfelszerelés-alkatrészek gyártása por kohászaton keresztül  " , JOM , 1. évf.  53,2001, P.  39 ( DOI  10.1007 / s11837-001-0147-z ).
  18. (in) Robert E. Smallwood , ASTM speciális műszaki kiadvány 849: Tűzálló fémek és ipari alkalmazások: a Symposium , ASTM International ,1984, 120  p. ( ISBN  978-0-8031-0203-3 , online olvasás ) , „TZM Moly Alloy” , p.  9..
  19. (en) GA Kozbagarova AS Musina és a VA Mikhaleva , "  korrózióállósága Molibdén Mercury  " , védelme Fémek , vol.  39,2003, P.  374–376 ( DOI  10.1023 / A: 1024903616630 ).
  20. (in) CK Gupta , Molibdén extraktív kohászat , Boca Raton, CRC Press ,1992, 404  p. ( ISBN  978-0-8493-4758-0 , LCCN  91024421 , olvasható online ) , „Elektromos és elektronikai ipar” , p.  48–49.
  21. (in) Michael J. Magyar , "  Commodity Összefoglaló 2009 molibdén  " , United States Geological Survey (megajándékozzuk 1 -jén április 2010 ) .
  22. (in) DR Ervin , DL Bourell , C. Persad és L. Rabenberg , "  Nagy energiájú, nagy sebességű konszolidált molibdénötvözet TZM szerkezete és tulajdonságai  " , Anyagtudomány és mérnöki tudomány: A , vol.  102,1988, P.  25 ( DOI  10.1016 / 0025-5416 (88) 90529-0 ).
  23. (a) Neikov Oleg D. , Handbook of színesfém Porok: Technológia és alkalmazások , New York, Elsevier ,2009, 1 st  ed. , 621  p. ( ISBN  978-1-85617-422-0 , LCCN  2004054039 , olvasható online ) , „A molibdén és molibdén ötvözetek por tulajdonságai” , p.  464–466.
  24. (a) Joseph R. Davis , ASM specialitás Handbook: Hőálló anyagok ,1997, 591  p. ( ISBN  978-0-87170-596-9 , online olvasás ) , „Tűzálló fémek és ötvözetek” , 1. o.  361-382.
  25. (en) John Hebda , „  Niobium ötvözetek és magas hőmérsékletű alkalmazások  ” , Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, USA) , Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração,2001. május 2( olvasható online [PDF] ).
  26. (in) JW Wilson , viselkedése és tulajdonságai Tűzálló fémek , Stanford University Press ,1965, 419  p. ( ISBN  978-0-8047-0162-4 , online olvasás ) , "Rénium".

További irodalom

Lásd is