Metales refractarios: Propiedades clave, tipos y aplicaciones industriales

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 usan principalmente en los campos de la ingeniería, la ciencia y la metalurgia. Los cinco elementos principales que pertenecen a esta clase de metal son:

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

Estos cinco 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 3.600 °F (2.000 °C). (Para más información sobre aumento de dureza, véase: Nitruro para resistencia a fatiga por corrosión y desgaste.)

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

Algunas de las aplicaciones más comunes para 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 altamente estables.

Ahora, veamos más a fondo los metales refractarios, incluyendo sus características, propiedades, beneficios y aplicaciones:

Las características clave de los metales refractarios

Un factor identificativo principal de los metales refractarios es la resistencia al calor. Los cinco metales de esta clase se caracterizan por un punto de fusión superior a 3.632 °F (2.000 °C).

Los metales refractarios también permanecen fuertes a temperaturas extremadamente altas y son intrínsecamente 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 experimentan agrietamiento, expansión o tensión al enfriarse y calentarse repetidamente. (Para más información sobre metales bajo calor, véase: 5 consideraciones principales al recubrir superficies de alto calor.)

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 es porque los metales refractarios pueden estructurar una capa de protección, haciéndolos resistentes a la corrosión, a pesar de que pueden sufrir oxidación a altas temperaturas.

Las propiedades físicas y químicas de los metales refractarios

Los metales refractarios pueden clasificarse 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 se distinguen por las siguientes características físicas clave:

• Un alto punto de ebullición. Los puntos de fusión de los metales refractarios son más altos que los de todos los demás metales, excepto carbono, osmio e iridio.
• Una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo.
• Una 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 5.757 °F (3.186 °C), mientras que el niobio tiene el más bajo, a 4.491 °F (2.477 °C). En cuanto al punto de ebullición, el niobio está a 8.572 °F (4.744 °C) mientras que el renio está a 10.105 °F (5.596 °C). (Para más información sobre aplicaciones usando materiales de alto calor, véase: Todo vapor: Los muchos tipos y usos del vapor.)

Lo mismo ocurre con la resistencia a la fluencia; hay metales que comienzan a formar fluencia a 1.832 °F (1.000 °C), mientras que hay metales que comienzan a menos de 932 °F (500 °C).

Las 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 puede controlarse creando capas de óxido estables sobre el metal. Esto es especialmente cierto con el renio porque es altamente volátil. Así, puede perder su estabilidad contra el ataque de oxígeno a altas temperaturas ya 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 altamente beneficiosos para una variedad de aplicaciones e industrias. Sus beneficios clave incluyen:

Punto de fusión muy alto

Metales refractarios como tungsteno, molibdeno y tantalio tienen puntos de fusión muy altos, lo que los hace beneficiosos en la fabricación de vidrio.

Alta resistencia

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

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

Resistencia excepcional a la abrasión y al desgaste

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

Excelente resistencia a la corrosión

La tubería en plantas químicas suele estar hecha de metales refractarios, permitiendo un alto grado de resistencia a la corrosión comparado con el acero inoxidable.

Resistencia al choque térmico

Metales como el tungsteno pueden resistir el estrés provocado por la expansión rápida debido al calor.

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

Conducción de calor y electricidad

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

Dureza extrema

Hoy en día, la mayoría de herramientas de corte ampliamente utilizadas están hechas de materiales como carburo de tungsteno.

Los metales refractarios también son excelentes para conformar metales y acero, así como en minería y perforación de pozos de gas o petróleo. (Para más información sobre la industria del petróleo y gas, véase: Sistemas de monitorización remota de corrosión en la industria del petróleo y gas.)

Alta densidad y gravedad específica

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

Capacidades únicas

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

Tipos de metales refractarios y sus aplicaciones

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

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

El tungsteno se usa ampliamente en filamentos de alambre, como los de la mayoría de la iluminación incandescente usada en hogares. Pero también es común en lámparas de arco industriales e iluminación. (Para más información sobre aplicaciones industriales, véase: 8 cosas que debe saber sobre recubrimientos de poliurea.)

La iluminación escénica se usa en estudios de televisión y en escenarios, así como en lugares donde tienen lugar producciones teatrales, conciertos y otros eventos en vivo. Y, aunque la iluminación escénica aún usa tecnología incandescente, suele ser en forma de lámparas de tungsteno-halógeno (o cuarzo-halógeno) de alto rendimiento patentadas con valores de temperatura de color cuidadosamente calibrados para controlar la rendición general de la escena.

Descarga de corona

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

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

Hornos

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

Esto se debe a las propiedades de no hundimiento del alambre de tungsteno y su resistencia al calor. Por ejemplo, el alambre de tungsteno a menudo se teje en esteras usadas para posicionar y mantener objetos en su lugar en la zona caliente diseñada de hornos industriales, hornos y hornos de cerámica.

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 sondas de prueba de semiconductores en voladizo usadas para pruebas de obleas de silicio en fabricación de semiconductores.

La rigidez también es una ventaja en el alambre de tungsteno para sondas neuronales usadas en diagnóstico y tratamiento médico. (Para más información sobre ciencia de materiales en salud, véase: Cómo empezar en una carrera como científico de materiales.)

Herramientas de corte y piezas

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

Los insertos de carburo de tungsteno, con bordes de corte rectificados, se unen a los cuerpos de herramientas de acero mediante soldadura fuerte o sujeción mecánica. El uso de herramientas de carburo de tungsteno garantiza velocidades de corte más altas y mayor vida útil de la herramienta. Los tintes de carburo de tungsteno se usan comúnmente para estirar 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 aleación, puede ser muy resistente a la fluencia y a altas temperaturas.

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

Acero inoxidable

Los aceros inoxidables son resistentes a la corrosión porque su contenido de cromo forma espontáneamente una película delgada, protectora y pasiva en la superficie del acero.

El molibdeno mejora esta película pasiva haciéndola más fuerte y ayudándola a reformarse rápidamente si es perturbada por cloruros. Aumentar el contenido de molibdeno en aceros inoxidables aumenta su resistencia a la corrosión por picaduras y grietas.

Herramientas y acero de alta velocidad

El molibdeno en aceros para herramientas aumenta su dureza y resistencia al desgaste. Al reducir la tasa 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.

Añadir entre un 5% y un 10% de molibdeno puede maximizar efectivamente la dureza y tenacidad de aceros de alta velocidad y mantener estas propiedades a las altas temperaturas generadas al cortar metales. (Para más información sobre corte de metales, véase: Cómo la fragilidad en caliente y la soldadura afectan la corrosión en metales.)

Supresores de humo

En tecnología electrónica, el aislamiento de alambres y cables representa un riesgo de incendio y humo para bomberos y personas en confines de aviones y hospitales. El octamolibdato de amonio se ha usado 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 barras de mandrinado y husillos para rectificadoras internas de alta velocidad. Esto asegura libertad de vibración y charla.

Tantalio

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

Se aplica a menudo en entornos médicos y quirúrgicos y en entornos altamente ácidos. El tantalio también es el componente principal de circuitos o condensadores 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, permitiendo que los condensadores sean más pequeños.
2. Su capa de óxido es más estable, dando a los condensadores de tantalio una ventaja en aplicaciones que requieren alta fiabilidad.

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 degradación y fallo del dispositivo. (Para más información sobre corrosión de cobre, véase: Tasas aumentadas de corrosión de cobre en la zona de aireación explicadas.)

Aplicaciones médicas

El tantalio se usa en aplicaciones quirúrgicas y biomédicas debido a su bio-inercia, la cual, 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 fluidos corporales y tiene buenas propiedades mecánicas. Ejemplos de sus aplicaciones en medicina incluyen:

• Clips quirúrgicos.
• Injertos óseos.
• Placas para craneoplastias.
• Malla para reconstrucciones de pared abdominal.
• Implantes dentales.

Equipos de planta química

La ductilidad y excelente resistencia a la corrosión del tantalio lo hacen adecuado para su uso en equipos de proceso químico que operan bajo 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 químicos manipulados. El tantalio y sus aleaciones pueden usarse para manejar ácidos clorhídrico, hidrobromico, nítrico y sulfúrico. Ejemplos de equipos de planta química en los que puede usarse tantalio son:

• Intercambiadores de calor.
• Válvulas.
• Recipientes.
• Tuberías. (Para más información sobre corrosión de tuberías, véase: 21 tipos de corrosión y fallo de tuberías.)

Niobio

El niobio siempre se usa junto con tantalio. Es altamente único y puede trabajarse fácilmente para obtener alta elasticidad y resistencia.

Metalurgia ferrosa

El uso principal del niobio es en metalurgia ferrosa.

Alrededor del 75% de la producción mundial de niobio es usada por la industria del acero 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 grano y endurecedor por precipitación en aceros de alta resistencia y baja aleación y microaleados, mejorando simultáneamente la resistencia mecánica, la resistencia a alta temperatura, la tenacidad y la resistencia a la corrosión.

Estos aceros se usan en tuberías, transporte y aplicaciones estructurales. (Para más información sobre transporte, véase: Protección temporal contra corrosión durante almacenamiento, transporte y manipulación.)

Imanes superconductores

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

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

Las aleaciones de niobio son preferidas a otros metales refractarios hasta 3.300 °F. 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.

Puede encontrarse con otros metales en concentraciones ultra-bajas. También está presente en otros minerales de metales refractarios. El renio es conocido por su alta resistencia a la tracción y ductilidad.

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

Superaleaciones

El renio se usa como aditivo para fabricar superaleaciones, a menudo en conjunción con hierro, cobalto, níquel, tungsteno y molibdeno. Añadir renio mejora la resistencia a la fluencia general de una superaleación, convirtiéndola en un material excelente para piezas de motores a reacción y turbinas de gas. (Para más información sobre motores a reacción y turbinas, véase: Corrosión en caliente en componentes de turbinas de gas.)

Catalizadores

Los compuestos de renio se usan como catalizadores para catálisis homogénea y heterogénea en muchas industrias. Estas incluyen:

• Petroquímica.
• Farmacéutica.
• Procesos de síntesis orgánica, incluyendo isomeración, hidrogenación y alquilación.

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

Termoelementos

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

Sus usos incluyen semiconductores, elementos calefactores, recubrimientos metálicos y varillas de soldadura.

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

A altas temperaturas, el renio resiste el ataque en atmósferas de hidrógeno e 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 entendemos completamente.

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