Metales refractarios

Metales refractarios son una clase de metales que son extraordinariamente resistentes al calor y al desgaste. La expresión se utiliza principalmente en el contexto de la ciencia de los materiales, la metalurgia y la ingeniería. La definición de qué elementos pertenecen a este grupo difiere. La definición más común incluye cinco elementos: dos del quinto período (niobio y molibdeno) y tres del sexto período (tantalio, tungsteno y renio). Todos comparten algunas propiedades, incluido un punto de fusión superior a 2000 °C y una alta dureza a temperatura ambiente. Son químicamente inertes y tienen una densidad relativamente alta. Sus altos puntos de fusión hacen que la pulvimetalurgia sea el método elegido para fabricar componentes a partir de estos metales. Algunas de sus aplicaciones incluyen herramientas para trabajar metales a altas temperaturas, filamentos de alambre, moldes de fundición y recipientes de reacción química en ambientes corrosivos.

Definición

La mayoría de las definiciones del término "metales refractarios" enumeran el punto de fusión extraordinariamente alto como un requisito clave para la inclusión. Según una definición, es necesario un punto de fusión superior a 4000 °F (2200 °C) para calificar. Los cinco elementos niobio, molibdeno, tantalio, tungsteno y renio están incluidos en todas las definiciones, mientras que la definición más amplia, que incluye todos los elementos con un punto de fusión superior a 2123 K (1850 °C), incluye un número variable de nueve elementos adicionales: titanio, vanadio, cromo, circonio, hafnio, rutenio, rodio, osmio e iridio.

Los elementos artificiales, al ser radiactivos, nunca se consideran parte de los metales refractarios, aunque el tecnecio tiene un punto de fusión de 2430 K o 2157 °C y se prevé que el rutherfordio tenga un punto de fusión de 2400 K o 2100 °C.

Propiedades

Físico

Nombre	Niobio	Molibdeno	tantalio	Tungsteno	renio
Período	5	5	6	6	6
Punto de fusión K	2750	2896	3290	3695	3459
Punto de ebullición K	5017	4912	5731	6203	5869
Punto de fusión °C	2477	2623	3017	3422	3186
Punto de ebullición °C	4744	4639	5458	5930	5596
Densidad g·cm	8.57	10.28	16.69	19.25	21.02
Módulo de Young GPa	105	329	186	411	463
Dureza Vickers MPa	1320	1530	873	3430	2450

1. ^Saltar a: Valores de consenso tomados de los puntos de fusión de los elementos con múltiples referencias allí.
2. ^Saltar a: Valores de consenso tomados de los puntos de ebullición de los elementos con múltiples referencias allí. El tungsteno tiene una banda particularmente amplia de discrepancia, con dos fuentes primarias que informan 5555 °C.
3. ^ Valores de consenso tomados de las densidades de los elementos con múltiples referencias allí.

Los metales refractarios tienen puntos de fusión altos, siendo el tungsteno y el renio los más altos de todos los elementos, y los puntos de fusión de los demás solo son superados por el osmio y el iridio, y la sublimación del carbono. Estos altos puntos de fusión definen la mayoría de sus aplicaciones. Todos los metales son cúbicos centrados en el cuerpo, excepto el renio, que tiene un empaque compacto hexagonal. La mayoría de las propiedades físicas de los elementos de este grupo varían significativamente porque son miembros de diferentes grupos.

La resistencia a la fluencia es una propiedad clave de los metales refractarios. En los metales, el inicio de la fluencia se correlaciona con el punto de fusión del material; la fluencia en las aleaciones de aluminio comienza a los 200 °C, mientras que para los metales refractarios son necesarias temperaturas superiores a los 1500 °C. Esta resistencia contra la deformación a altas temperaturas hace que los metales refractarios sean adecuados contra fuerzas fuertes a alta temperatura, por ejemplo, en motores a reacción o herramientas utilizadas durante la forja.

Químico

Los metales refractarios muestran una amplia variedad de propiedades químicas porque son miembros de tres grupos distintos en la tabla periódica. Se oxidan fácilmente, pero esta reacción se ralentiza en el metal a granel por la formación de capas de óxido estables en la superficie (pasivación). Especialmente el óxido de renio es más volátil que el metal, y por tanto a alta temperatura se pierde la estabilización frente al ataque del oxígeno, porque la capa de óxido se evapora. Todos ellos son relativamente estables frente a los ácidos.

Aplicaciones

Los metales refractarios y las aleaciones hechas con ellos se utilizan en iluminación, herramientas, lubricantes, barras de control de reacciones nucleares, como catalizadores y por sus propiedades químicas o eléctricas. Debido a su alto punto de fusión, los componentes de metal refractario nunca se fabrican por fundición. Se utiliza el proceso de pulvimetalurgia. Los polvos del metal puro se compactan, se calientan con corriente eléctrica y luego se fabrican mediante trabajo en frío con pasos de recocido. Los metales refractarios y sus aleaciones se pueden trabajar en alambre, lingotes, barras de refuerzo, láminas o láminas.

Aleaciones de molibdeno

Las aleaciones a base de molibdeno se usan ampliamente porque son más baratas que las aleaciones de tungsteno superiores. La aleación de molibdeno más utilizada es la aleación de titanio - zirconio - molibdeno TZM, compuesta por un 0,5% de titanio y un 0,08% de circonio (siendo el resto molibdeno). La aleación exhibe una mayor resistencia a la fluencia y resistencia a altas temperaturas, lo que hace posible que el material alcance temperaturas de servicio superiores a 1060 °C. La alta resistividad del Mo-30W, una aleación de 70% de molibdeno y 30% de tungsteno, frente al ataque del zinc fundido lo convierte en el material ideal para la fundición de zinc. También se utiliza para construir válvulas para zinc fundido.

El molibdeno se utiliza en relés de lengüeta humedecidos con mercurio porque el molibdeno no forma amalgamas y, por lo tanto, es resistente a la corrosión por el mercurio líquido.

El molibdeno es el más comúnmente utilizado de los metales refractarios. Su uso más importante es como una aleación de refuerzo de acero. Los tubos y tuberías estructurales a menudo contienen molibdeno, al igual que muchos aceros inoxidables. Su resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción son propiedades que lo hacen invaluable como compuesto de aleación. Sus excelentes propiedades antifricción conducen a su incorporación en grasas y aceites donde la confiabilidad y el desempeño son críticos. Las juntas automotrices de velocidad constante usan grasa que contiene molibdeno. El compuesto se adhiere fácilmente al metal y forma una capa muy dura y resistente a la fricción. La mayor parte del mineral de molibdeno del mundo se encuentra en China, Estados Unidos, Chile y Canadá.

Tungsteno y sus aleaciones

El tungsteno fue descubierto en 1781 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele. El tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, a 3410 °C (6170 °F).

Hasta un 22 % de renio está aleado con tungsteno para mejorar su resistencia a altas temperaturas y a la corrosión. El torio como compuesto de aleación se utiliza cuando se deben establecer arcos eléctricos. El encendido es más fácil y el arco arde de manera más estable que sin la adición de torio. Para aplicaciones de pulvimetalurgia, se deben utilizar aglutinantes para el proceso de sinterización. Para la producción de la aleación pesada de tungsteno, se utilizan ampliamente mezclas aglutinantes de níquel y hierro o níquel y cobre. El contenido de tungsteno de la aleación normalmente está por encima del 90%. La difusión de los elementos aglutinantes en los granos de tungsteno es baja incluso a las temperaturas de sinterización y, por lo tanto, el interior de los granos es tungsteno puro.

El tungsteno y sus aleaciones se utilizan a menudo en aplicaciones en las que hay altas temperaturas, pero aún así es necesaria una alta resistencia y la alta densidad no es problemática. Los filamentos de alambre de tungsteno proporcionan la gran mayoría de la iluminación incandescente doméstica, pero también son comunes en la iluminación industrial como electrodos en lámparas de arco. Las lámparas se vuelven más eficientes en la conversión de energía eléctrica en luz con temperaturas más altas y, por lo tanto, un alto punto de fusión es esencial para la aplicación como filamento en luz incandescente. El equipo de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW, también conocido como soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG)) utiliza un electrodo permanente que no se funde. El alto punto de fusión y la resistencia al desgaste por el arco eléctrico hacen del tungsteno un material adecuado para el electrodo.

La alta densidad y resistencia del tungsteno también son propiedades clave para su uso en proyectiles de armas, por ejemplo, como una alternativa al uranio empobrecido para rondas de armas de tanques. Su alto punto de fusión hace que el tungsteno sea un buen material para aplicaciones como toberas de cohetes, por ejemplo, en el UGM-27 Polaris. Algunas de las aplicaciones del tungsteno no están relacionadas con sus propiedades refractarias sino simplemente con su densidad. Por ejemplo, se utiliza en contrapesos para aviones y helicópteros o para cabezas de palos de golf. En estas aplicaciones también se pueden utilizar materiales densos similares como el osmio más caro.

El uso más común del tungsteno es como compuesto de carburo de tungsteno en brocas, herramientas de mecanizado y de corte. Las mayores reservas de tungsteno se encuentran en China, con depósitos en Corea, Bolivia, Australia y otros países.

También sirve como lubricante, antioxidante, en boquillas y casquillos, como revestimiento protector y de muchas otras formas. El tungsteno se puede encontrar en tintas de impresión, pantallas de rayos X, en el procesamiento de productos derivados del petróleo y en la protección contra llamas de textiles.

Aleaciones de niobio

El niobio casi siempre se encuentra junto con el tantalio, y recibió su nombre de Niobe, la hija del mítico rey griego Tántalo, por quien se nombró al tantalio. El niobio tiene muchos usos, algunos de los cuales comparte con otros metales refractarios. Es único porque se puede trabajar mediante recocido para lograr una amplia gama de resistencia y ductilidad, y es el menos denso de los metales refractarios. También se puede encontrar en condensadores electrolíticos y en las aleaciones superconductoras más prácticas. El niobio se puede encontrar en turbinas de gas de aviones, tubos de vacío y reactores nucleares.

Una aleación utilizada para las toberas de los propulsores de cohetes líquidos, como en el motor principal de los módulos lunares Apolo, es C103, que consta de 89 % de niobio, 10 % de hafnio y 1 % de titanio. Se utilizó otra aleación de niobio para la boquilla del módulo de servicio Apollo. Dado que el niobio se oxida a temperaturas superiores a 400 °C, se necesita una capa protectora para estas aplicaciones para evitar que la aleación se vuelva quebradiza.

Tantalio y sus aleaciones

El tantalio es una de las sustancias más resistentes a la corrosión disponibles.

Se han encontrado muchos usos importantes para el tantalio debido a esta propiedad, particularmente en los campos médico y quirúrgico, y también en ambientes ácidos severos. También se utiliza para fabricar condensadores electrolíticos superiores. Las películas de tantalio proporcionan la segunda mayor capacitancia por volumen de cualquier sustancia después del Aerogel y permiten la miniaturización de componentes y circuitos electrónicos. Muchos teléfonos móviles y ordenadores contienen condensadores de tantalio.

Aleaciones de renio

El renio es el metal refractario descubierto más recientemente. Se encuentra en bajas concentraciones con muchos otros metales, en los minerales de otros metales refractarios, platino o minerales de cobre. Es útil como aleación con otros metales refractarios, donde agrega ductilidad y resistencia a la tracción. Las aleaciones de renio se utilizan en componentes electrónicos, giroscopios y reactores nucleares. El renio encuentra su uso más importante como catalizador. Se utiliza como catalizador en reacciones como la alquilación, desalquilación, hidrogenación y oxidación. Sin embargo, su rareza lo convierte en el más caro de los metales refractarios.

Ventajas y desventajas

Los metales y aleaciones refractarios atraen la atención de los investigadores debido a sus notables propiedades y prometedora utilidad práctica.

Las propiedades físicas de los metales refractarios, como el molibdeno, el tántalo y el tungsteno, su resistencia y su estabilidad a altas temperaturas los convierten en materiales adecuados para aplicaciones de metalurgia en caliente y para la tecnología de hornos de vacío. Muchas aplicaciones especiales aprovechan estas propiedades: por ejemplo, los filamentos de lámparas de tungsteno funcionan a temperaturas de hasta 3073 K y los devanados de hornos de molibdeno resisten hasta 2273 K.

Sin embargo, la mala fabricabilidad a baja temperatura y la extrema oxidabilidad a altas temperaturas son deficiencias de la mayoría de los metales refractarios. Las interacciones con el medio ambiente pueden influir significativamente en su resistencia a la fluencia a alta temperatura. La aplicación de estos metales requiere una atmósfera o recubrimiento protector.

Las aleaciones de metales refractarios de molibdeno, niobio, tantalio y tungsteno se han aplicado a los sistemas de energía nuclear espacial. Estos sistemas fueron diseñados para operar a temperaturas desde 1350 K hasta aproximadamente 1900 K. Un entorno no debe interactuar con el material en cuestión. Se utilizan metales alcalinos líquidos como fluidos de transferencia de calor, así como el ultra alto vacío.

La deformación por fluencia a alta temperatura de las aleaciones debe limitarse para que se puedan utilizar. La deformación por fluencia no debe exceder el 1-2%. Una complicación adicional en el estudio del comportamiento de fluencia de los metales refractarios son las interacciones con el medio ambiente, que pueden influir significativamente en el comportamiento de fluencia.