Metales refractarios:propiedades, tipos y aplicaciones

Los metales refractarios se utilizan ampliamente debido a sus propiedades y comportamientos únicos y deseables, especialmente su resistencia a la corrosión y su extraordinaria resistencia al desgaste y al calor.

Estos metales se utilizan principalmente en los campos de la ingeniería, la ciencia y la metalurgia. Los cinco elementos principales que pertenecen a esta clase de metal incluyen los siguientes:

• Molibdeno (Mo)
• Renio (Re)
• Niobio (Nb)
• Tungsteno (W)
• Tantalio (Ta)

Estos cinco de estos elementos comparten algunas propiedades clave, como un alto nivel de dureza a temperatura ambiente y un alto punto de fusión, especialmente cuando se someten a temperaturas superiores a 3600 grados Fahrenheit (2000 grados Celsius). (Para obtener más información sobre cómo aumentar la dureza, consulte:Nitruración para resistencia a la fatiga por desgaste y corrosión).

Los metales refractarios también tienen alta densidad y son químicamente inertes. Sus altos puntos de fusión dan paso a la pulvimetalurgia como opción para la fabricación de diferentes componentes.

Algunas de las aplicaciones más comunes de los metales refractarios incluyen filamentos de alambre, herramientas, recipientes químicos en atmósferas corrosivas y moldes de fundición. Con su punto de fusión muy alto, los metales refractarios son muy estables.

Ahora, echemos un vistazo más profundo a los metales refractarios, incluidas sus características, propiedades, beneficios y aplicaciones:

Las características clave de los metales refractarios

Uno de los principales factores de identificación de los metales refractarios es la resistencia al calor. Los cinco metales de esta clase se caracterizan por tener un punto de fusión superior a 3632 grados Fahrenheit (2000 grados Celsius).

Los metales refractarios también se mantienen fuertes a temperaturas extremadamente altas y son naturalmente duros, lo que los hace perfectos para herramientas de perforación y corte. Los metales refractarios son altamente resistentes a factores como el choque térmico. Esto significa que no experimentarán agrietamiento, expansión o estrés cuando se enfrían y calientan repetidamente. (Para obtener más información sobre los metales sometidos a calor, consulte: Las cinco consideraciones principales al recubrir superficies sometidas a altas temperaturas .)

Además, los cinco metales de este grupo tienen altos niveles de densidad y buenas propiedades térmicas y eléctricas. También son resistentes a la fluencia, por lo que sufren una deformación lenta cuando se exponen a entornos o condiciones muy estresantes. Esto se debe a que los metales refractarios pueden estructurar una capa de protección, haciéndolos resistentes a la corrosión, a pesar de que pueden oxidarse a altas temperaturas.

Propiedades físicas y químicas de los metales refractarios

Los metales refractarios se pueden clasificar por sus propiedades físicas y químicas únicas. Y, para aprovechar al máximo estos elementos, es vital comprenderlos a fondo.

Las propiedades físicas de los metales refractarios

Los metales refractarios están marcados por las siguientes características físicas clave:

• Alto punto de ebullición. Los puntos de fusión de los metales refractarios son más altos que los de todos los demás metales, excepto el carbono, el osmio y el iridio.
• Una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo.
• Alta resistencia a la fluencia.

Dicho esto, las características específicas de los metales refractarios varían bastante porque provienen de diferentes grupos en la tabla periódica.

Por ejemplo, de los cinco metales refractarios, el renio tiene el punto de fusión más alto, a 5757 grados Fahrenheit (3186 grados Celsius), mientras que el niobio tiene el más bajo, a 4491 deF (2477 °C). En términos de punto de ebullición, el niobio está a 8572 grados Fahrenheit (4744 grados Celsius), mientras que el renio está a 10105 grados Fahrenheit (5596 grados Celsius). (Para obtener más información sobre aplicaciones que utilizan materiales de alta temperatura, consulte: Todo al vapor:los muchos tipos y usos de Steam .)

Lo mismo ocurre con la resistencia a la fluencia; hay metales que comienzan a formar fluencia a los 1,832 grados Fahrenheit (1,000 grados Celsius), mientras que hay metales que comienzan a menos de 932 grados Fahrenheit (500 grados Celsius).

Propiedades químicas de los metales refractarios

Los metales refractarios vienen con una amplia gama de propiedades químicas ya que cada uno pertenece a una clasificación diferente en la tabla periódica.

Generalmente, estos metales se oxidan fácilmente; pero la reacción se puede controlar creando capas de óxido estables sobre un metal. Esto es especialmente cierto con el renio porque es altamente volátil. Por lo tanto, puede perder su estabilidad frente al ataque del oxígeno a altas temperaturas a medida que la capa de óxido se evapora.

Sin embargo, todos los metales refractarios son comparativamente estables frente a sustancias como los ácidos.

¿Cuáles son los beneficios de usar metales refractarios?

Gracias a sus cualidades únicas, los metales refractarios son muy beneficiosos para una variedad de aplicaciones e industrias. Sus beneficios clave incluyen:

Un punto de fusión muy alto

Los metales refractarios como el tungsteno, el molibdeno y el tántalo tienen puntos de fusión muy altos, lo que los hace beneficiosos para la fabricación de vidrio.

Alta resistencia

Los metales refractarios son excepcionalmente fuertes, incluso a temperaturas ultra altas.

Por ejemplo, los conos de cohetes hechos de tungsteno tienen el doble de resistencia a la tracción que el hierro a temperaturas normales. (Para obtener más información sobre este tema, consulte:¿Cuál es la diferencia entre fuerza y ​​tenacidad? )

Excepcional resistencia a la abrasión y al desgaste

Los metales refractarios, especialmente las aleaciones, pueden extender la vida útil de los asientos de válvulas, sellos, boquillas y otras áreas propensas a un alto desgaste.

Excelente resistencia a la corrosión

Las tuberías de las plantas químicas suelen estar hechas de metales refractarios, lo que permite un alto grado de resistencia a la corrosión en comparación con el acero inoxidable.

Resistencia al choque térmico

Los metales como el tungsteno pueden resistir la tensión provocada por la rápida expansión debido al calor.

El tungsteno tiene un punto de fusión muy alto y puede soportar una serie de ciclos intermitentes sin afectar su integridad.

Calor y conducción eléctrica

Además de sus muchas aplicaciones electrónicas o eléctricas, los metales refractarios como el tungsteno y el molibdeno son buenos disipadores de calor.

Dureza extrema

Hoy en día, las herramientas de corte más utilizadas están hechas de materiales como el carburo de tungsteno.

Los metales refractarios también son excelentes para formar metales y acero, así como en minería y perforación de pozos de gas o petróleo. (Para obtener más información sobre la industria del petróleo y el gas, consulte: Sistemas de control remoto de la corrosión en la industria del petróleo y el gas .)

Alta densidad y gravedad específica

La mayoría de los metales refractarios tienen una alta densidad y, por lo tanto, pueden ser muy útiles para fabricar cabezas de palos de golf y giroscopios para aviones.

Capacidades únicas

Algunos metales refractarios que tienen capacidades ultra útiles, como actuar como escudos de radiación sobresalientes y catalizadores químicos.

Tipos de metales refractarios y sus aplicaciones

Hay cinco metales refractarios; y cada uno viene con distintas propiedades y aplicaciones.

En general, las aplicaciones comunes para los metales refractarios incluyen filamentos de alambre, herramientas, recipientes químicos dentro de atmósferas corrosivas y moldes de fundición. Con sus puntos de fusión muy altos, los metales refractarios son muy estables.

Aquí hay aplicaciones más específicas para cada uno de los cinco metales refractarios:

Tungsteno

El tungsteno es el más abundante entre los metales refractarios. Tiene el punto de fusión más alto y una de las densidades de metal más altas entre los metales refractarios. Puede ser muy duro cuando se combina con otros elementos como el carbono. También es altamente resistente a la corrosión.

Aplicaciones de iluminación

Tungsteno ampliamente utilizado en filamentos de alambre, como los de la mayoría de las luces incandescentes utilizadas en las casas. Pero también es común en iluminación y lámparas de arco industriales. (Para obtener más información sobre aplicaciones industriales, consulte: 8 cosas que debe saber sobre los recubrimientos de poliurea .)

La iluminación escénica se utiliza en estudios de televisión y en escenarios de sonido, así como en lugares donde se llevan a cabo producciones teatrales, conciertos y otros eventos en vivo. Y, si bien la iluminación del escenario aún usa tecnología incandescente, por lo general se presenta en forma de lámparas patentadas de halógeno de tungsteno (o halógeno de cuarzo) de alto rendimiento con valores de temperatura de color cuidadosamente calibrados para controlar la interpretación general de la escena.

Descarga Corona

Una descarga de corona es la cortina de plasma que se crea cuando se ioniza el aire alrededor de un conductor.

La descarga de corona a menudo se realiza, y se logra mejor, con alambre de tungsteno. Para la filtración de aire, impresoras, fotocopiadoras y otras aplicaciones, solo el alambre de tungsteno produce suficiente ionización y modificación de la superficie.

Hornos

El alambre de tungsteno se usa ampliamente para proporcionar soporte o acción de tracción en hornos industriales.

Esto se debe a las propiedades antipandeo del alambre de tungsteno y su resistencia al calor. Por ejemplo, el alambre de tungsteno a menudo se teje en esteras que se utilizan para colocar y mantener objetos en su lugar en la zona caliente de ingeniería de hornos, hornos y hornos industriales.

Sondas

La rigidez del alambre de tungsteno, incluso en diámetros muy pequeños, es un factor crucial que lo prepara para su uso en varios tipos de sondas, incluidas las sondas de prueba de semiconductores en voladizo utilizadas para la prueba de obleas de silicio en la fabricación de semiconductores.

La rigidez también es una ventaja en el alambre de tungsteno para sondas neuronales utilizadas en diagnósticos y tratamientos médicos. (Para más información sobre ciencia de los materiales en el cuidado de la salud, ver: Cómo comenzar una carrera como científico de materiales .)

Herramientas de corte y piezas

Las herramientas y piezas de corte requieren una alta resistencia a la abrasión y, por lo tanto, están hechas de carburo de tungsteno.

Los insertos de carburo de tungsteno, con filos afilados, se unen a los cuerpos de las herramientas de acero mediante soldadura fuerte o fijación mecánica. El uso de herramientas de carburo de tungsteno garantiza velocidades de corte más altas y una mayor vida útil de la herramienta. Los tintes de carburo de tungsteno se usan comúnmente para trefilar alambre.

Molibdeno

El molibdeno es el metal refractario más utilizado porque es menos costoso que la mayoría de los demás y, cuando se convierte en una aleación, puede ser muy resistente a la fluencia y a las altas temperaturas.

Este metal tampoco crea amalgamas, por lo que es resistente a la corrosión. Se utiliza principalmente para fortalecer aleaciones de acero, particularmente en tuberías y tuberías estructurales. El molibdeno también tiene excelentes cualidades antifricción, lo que lo convierte en un componente ideal de los aceites y grasas utilizados en los automóviles. (Para obtener más información sobre la corrosión en la industria automotriz, consulte: La corrosión de materiales livianos utilizados en aplicaciones automotrices .)

Acero inoxidable

Los aceros inoxidables son resistentes a la corrosión porque su contenido de cromo forma espontáneamente una fina película pasiva protectora sobre la superficie del acero.

El molibdeno mejora esta película pasiva haciéndola más fuerte y ayudándola a volver a formarse rápidamente si los cloruros la interrumpen. El aumento del contenido de molibdeno en los aceros inoxidables aumenta su resistencia a la corrosión por picaduras y grietas.

Herramientas y acero rápido

El molibdeno en los aceros para herramientas aumenta su dureza y resistencia al desgaste. Al reducir la velocidad crítica de enfriamiento, el molibdeno promueve la formación de una matriz martensítica óptima, incluso en moldes masivos e intrincados que no pueden enfriarse rápidamente sin distorsión o agrietamiento.

Agregar de cinco a 10 % de molibdeno puede maximizar efectivamente la dureza y tenacidad de los aceros de alta velocidad y mantener estas propiedades a las altas temperaturas generadas al cortar metales. (Para obtener más información sobre el corte de metales, consulte: Cómo afectan la soldadura y la fragilidad en caliente a la corrosión en los metales .)

Supresores de humo

En la tecnología electrónica, el aislamiento de alambres y cables representa un riesgo de incendio y humo para los bomberos y quienes se encuentran en los confines de aviones y hospitales. Se ha utilizado octamolibdato de amonio con PVC para suprimir la formación de humo.

Como el molibdeno tiene un módulo de elasticidad de 47*10^6 libras por pulgada cuadrada a temperatura ambiente, se usa para perforar barras y púas para rectificadoras internas de alta velocidad. Esto garantiza la ausencia de vibraciones y vibraciones.

Tantalio

El tantalio es el metal refractario más resistente a la corrosión.

A menudo se aplica en entornos médicos y quirúrgicos y en ambientes altamente ácidos. El tantalio también es el componente principal de los circuitos o capacitores de computadoras y teléfonos.

Aunque considerablemente más caro que el aluminio, el tantalio tiene dos ventajas clave sobre él:

1. Tiene una constante dieléctrica más alta, lo que permite que los capacitores sean más pequeños.
2. Su capa de óxido es más estable, lo que otorga a los capacitores de tantalio una ventaja en aplicaciones que requieren alta confiabilidad.

El tantalio también se usa en la industria electrónica como barrera para evitar que el cobre contamine el silicio en productos como chips de computadora y dispositivos de almacenamiento. Esta separación es necesaria porque la presencia de cobre en el silicio conduce a la degradación y falla del dispositivo. (Para obtener más información sobre la corrosión del cobre, consulte: Explicación del aumento de las tasas de corrosión del cobre en la zona de aireación .)

Aplicaciones médicas

El tantalio se usa en aplicaciones quirúrgicas y biomédicas debido a su bioinercia que, a su vez, se debe a la capa de óxido adherente que se forma espontáneamente en la superficie del metal de tantalio cuando se expone al aire.

Además, el tantalio es inerte en los fluidos corporales y tiene buenas propiedades mecánicas. Ejemplos de sus aplicaciones en medicina incluyen:

• Grapas quirúrgicas.
• Injertos óseos.
• Placas para craneoplastias.
• Malla para reconstrucciones de pared abdominal.
• Implantes dentales.

Equipo de planta química

La ductilidad y la excelente resistencia a la corrosión del tantalio lo hacen adecuado para su uso en equipos de procesos químicos que funcionan en condiciones corrosivas a temperaturas elevadas.

La resistencia a la corrosión del metal sirve tanto para proteger el equipo como para mantener la pureza de los productos químicos manipulados. El tantalio y sus aleaciones se pueden usar para manejar ácidos clorhídrico, bromhídrico, nítrico y sulfúrico. Ejemplos de equipos de plantas químicas en los que se puede usar tantalio son:

• Intercambiadores de calor.
• Válvulas.
• Vasos.
• Tubos. (Para obtener más información sobre la corrosión de tuberías, consulte: 21 tipos de corrosión y fallas en las tuberías .)

Niobio

El niobio siempre se usa junto con el tantalio. Es muy exclusivo y se puede trabajar fácilmente para obtener una gran elasticidad y resistencia.

Metalurgia ferrosa

El principal uso del niobio es en la metalurgia ferrosa.

La industria siderúrgica utiliza alrededor del 75 % de la producción mundial de niobio para producir una variedad de aleaciones de acero que contienen pequeñas cantidades de otros metales (microaleaciones y aceros de baja aleación) para mejorar, entre otras propiedades, la resistencia a la corrosión, la resistencia y la tenacidad.

El niobio actúa como refinador de granos y endurecedor por precipitación en aceros microaleados y de baja aleación de alta resistencia, mejorando simultáneamente la resistencia mecánica, la resistencia a altas temperaturas, la tenacidad y la resistencia a la corrosión.

Estos aceros se utilizan en tuberías, transporte y aplicaciones estructurales. (Para obtener más información sobre el transporte, consulte: Protección temporal contra la corrosión durante el almacenamiento, transporte y manipulación .)

Imanes superconductores

Las aleaciones de niobio también se utilizan para fabricar imanes superconductores. Estos imanes superconductores se utilizan en:

• Imágenes por resonancia magnética (IRM).
• Instrumentos de resonancia magnética nuclear (NMRI).
• Aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones en Europa, que contiene los imanes superconductores más grandes del mundo.
• Condensadores electrolíticos y superconductores.

Se prefieren las aleaciones de niobio a otros metales refractarios hasta 3300 grados Fahrenheit. Debido a su baja resistencia a la oxidación, las aleaciones de niobio se limitan al uso en aplicaciones estructurales a temperaturas elevadas.

Renio

El renio es el metal refractario descubierto más recientemente.

Se puede encontrar con otros metales en concentraciones ultrabajas. También está presente en otros minerales metálicos refractarios. El renio es conocido por su alta resistencia a la tracción y ductilidad.

El renio también es muy raro y, por lo tanto, puede ser muy costoso.

Superaleaciones

El renio se usa como aditivo para fabricar superaleaciones, a menudo junto con hierro, cobalto, níquel, tungsteno y molibdeno. La adición de renio mejora la resistencia general a la fluencia de una superaleación, lo que la convierte en un material excelente para piezas de motores a reacción y motores de turbinas de gas. (Para obtener más información sobre motores a reacción y turbinas, consulte: Corrosión en caliente en componentes de turbinas de gas .)

Catalizadores

Los compuestos de renio se utilizan como catalizadores para la catálisis homogénea y heterogénea en muchas industrias. Estos incluyen:

• Petroquímica.
• Productos farmacéuticos
• Procesos de síntesis orgánica, incluyendo isomerización, hidrogenación y alquilación.

Los catalizadores de platino-renio son esenciales en un proceso químico llamado reformado catalítico en las refinerías de petróleo. (Para obtener más información sobre el petróleo, consulte: Los 6 componentes corrosivos que se pueden encontrar en el petróleo crudo .)

Termoelementos

Las aleaciones de tungsteno-renio y molibdeno-renio se utilizan principalmente para fabricar termoelementos.

Sus usos incluyen semiconductores, elementos de calefacción, revestimientos metálicos y varillas de soldadura.

Las aleaciones de tungsteno-renio, en particular, se utilizan para fabricar ánodos rotatorios de rayos X.

A altas temperaturas, el renio resiste el ataque en hidrógeno y atmósferas inertes. Es resistente a la corrosión por ácido clorhídrico y agua de mar y también es resistente a los efectos mecánicos de la erosión eléctrica.

Conclusión

Los metales refractarios tienen muchas aplicaciones y beneficios. Sin embargo, hay muchos que aún no comprendemos por completo.

Se requiere una amplia investigación en el campo de la metalurgia para mejorar una variedad de procesos.