Los metales refractarios son una clase de metales 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 ( tántalo , 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 de la pulvimetalurgia el método preferido 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. En parte debido al alto punto de fusión, los metales refractarios son estables frente a la deformación por fluencia a temperaturas muy altas.
La mayoría de las definiciones del término "metales refractarios" enumeran el punto de fusión extraordinariamente alto como un requisito clave para su inclusión. Según una definición, para calificar es necesario un punto de fusión superior a 4000 °F (2200 °C). [2] Los cinco elementos niobio, molibdeno, tantalio, tungsteno y renio están incluidos en todas las definiciones, [3] mientras que la definición más amplia, que incluye todos los elementos con un punto de fusión superior a 2123 K (1850 °C), incluye nueve elementos adicionales: titanio , vanadio , cromo , circonio , hafnio , rutenio , rodio , osmio e iridio . [4] El tecnecio no está incluido debido a su radiactividad, aunque de otro modo habría estado clasificado bajo la definición más amplia. [5]
Los metales refractarios tienen puntos de fusión elevados, siendo el tungsteno y el renio los más altos de todos los elementos, y los puntos de fusión del otro sólo 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 es hexagonal y compacto . Las propiedades físicas de los elementos refractarios varían significativamente porque son miembros de diferentes grupos de la tabla periódica . [6] [7] La dureza, los altos puntos de fusión y ebullición y las altas entalpías de atomización de estos metales surgen de la ocupación parcial de la subcapa d exterior , lo que permite que los electrones d participen en los enlaces metálicos. Esto proporciona enlaces rígidos y muy estables con los átomos vecinos y una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo que resiste la deformación. Moviéndose hacia la derecha en la tabla periódica, más electrones d aumentan este efecto, pero a medida que la subcapa d se llena, la carga nuclear más alta los atrae hacia el núcleo inerte del átomo , lo que reduce su capacidad de deslocalizarse para formar enlaces con vecinos. Estos efectos opuestos dan como resultado que los grupos 5 a 7 exhiban las propiedades más refractarias. [8]
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 200 °C, mientras que para los metales refractarios son necesarias temperaturas superiores a 1500 °C. Esta resistencia a la deformación a altas temperaturas hace que los metales refractarios sean adecuados contra fuerzas fuertes a altas temperaturas, por ejemplo en motores a reacción o herramientas utilizadas durante la forja . [9] [10]
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 en masa mediante la formación de capas de óxido estables en la superficie ( pasivación ). Especialmente el óxido de renio es más volátil que el metal y, por lo tanto, a altas temperaturas se pierde la estabilización contra el ataque del oxígeno, porque la capa de óxido se evapora. Todos ellos son relativamente estables frente a los ácidos. [6]
Los metales refractarios y las aleaciones obtenidas a partir de 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 metálicos refractarios nunca se fabrican mediante fundición . Se utiliza el proceso de pulvimetalurgia. Los polvos de metal puro se compactan, se calientan mediante corriente eléctrica y luego se fabrican mediante trabajo en frío con pasos de recocido. Los metales refractarios y sus aleaciones pueden transformarse en alambres , lingotes , barras de refuerzo , láminas o láminas .
Las aleaciones a base de molibdeno se utilizan ampliamente porque son más baratas que las aleaciones de tungsteno superiores. La aleación de molibdeno más utilizada es la aleación Titanio - Circonio - 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 posibles temperaturas de servicio superiores a 1060 °C para el material. La alta resistividad del Mo-30W, una aleación de 70% de molibdeno y 30% de tungsteno, contra el ataque del zinc fundido lo convierte en el material ideal para fundir zinc. También se utiliza para construir válvulas para zinc fundido. [11]
El molibdeno se utiliza en relés de láminas humedecidos con mercurio , porque el molibdeno no forma amalgamas y, por lo tanto, es resistente a la corrosión por mercurio líquido . [12] [13]
El molibdeno es el más utilizado de los metales refractarios. Su uso más importante es como aleación de refuerzo del 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 llevan a su incorporación en grasas y aceites donde la confiabilidad y el rendimiento son críticos. Las juntas de velocidad constante de automóviles utilizan 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 puede encontrar en China, Estados Unidos , Chile y Canadá . [14] [15] [16] [17]
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 es necesario establecer arcos eléctricos. El encendido es más fácil y el arco arde de forma 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 suele ser superior al 90%. La difusión de los elementos aglutinantes en los granos de tungsteno es baja incluso a las temperaturas de sinterización y, por tanto, el interior de los granos es de tungsteno puro. [18]
El tungsteno y sus aleaciones se utilizan a menudo en aplicaciones donde hay altas temperaturas pero aún así se necesita una alta resistencia y la alta densidad no es problemática. [19] 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 punto de fusión alto es esencial para su aplicación como filamento en luz incandescente. [20] 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 contra el arco eléctrico hacen del tungsteno un material adecuado para el electrodo. [21] [22]
La alta densidad y resistencia del tungsteno también son propiedades clave para su uso en proyectiles de armas , por ejemplo como alternativa al uranio empobrecido para proyectiles de tanques. [23] Su alto punto de fusión hace que el tungsteno sea un buen material para aplicaciones como boquillas de cohetes , por ejemplo en el UGM-27 Polaris . [24] Algunas de las aplicaciones del tungsteno no están relacionadas con sus propiedades refractarias sino simplemente con su densidad. Se utiliza, por ejemplo, en contrapesos de aviones y helicópteros o en cabezas de palos de golf . [25] [26] En estas aplicaciones también se pueden utilizar materiales densos similares como el osmio, más caro.
El uso más común del tungsteno es como carburo de tungsteno compuesto en brocas , herramientas de mecanizado y 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 capa protectora y de muchas otras maneras. El tungsteno se puede encontrar en tintas de impresión, pantallas de rayos X , en el procesamiento de productos derivados del petróleo y en la impermeabilización de textiles .
El niobio casi siempre se encuentra junto con el tantalio, y lleva el nombre de Niobe , la hija del mítico rey griego Tantalus , de quien se nombró el 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 boquillas líquidas de los propulsores de cohetes, como en el motor principal de los módulos lunares Apollo , es la C103, que consta de 89% de niobio, 10% de hafnio y 1% de titanio. [27] Se utilizó otra aleación de niobio para la boquilla del módulo de servicio Apollo . Como el niobio se oxida a temperaturas superiores a 400 °C, es necesaria una capa protectora para estas aplicaciones para evitar que la aleación se vuelva quebradiza. [27]
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 hostiles . 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 , [ cita requerida ] y permiten la miniaturización de componentes y circuitos electrónicos . Muchos teléfonos móviles y ordenadores contienen condensadores de tantalio.
El renio es el metal refractario descubierto más recientemente. Se encuentra en bajas concentraciones con muchos otros metales, en minerales de otros metales refractarios, minerales de platino o cobre . Es útil como aleación de otros metales refractarios, donde añade 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 alquilación , desalquilación , hidrogenación y oxidación . Sin embargo, su rareza lo convierte en el más caro de los metales refractarios. [28]
La resistencia y la estabilidad a altas temperaturas de los metales refractarios los hacen adecuados para aplicaciones de trabajo de metales en caliente y para la tecnología de hornos de vacío . Muchas aplicaciones especiales aprovechan estas propiedades: por ejemplo, los filamentos de las lámparas de tungsteno funcionan a temperaturas de hasta 3073 K y los devanados de los hornos de molibdeno soportan 2273 K.
Sin embargo, la pobre 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 sistemas de energía nuclear espaciales. Estos sistemas fueron diseñados para funcionar a temperaturas desde 1350 K hasta aproximadamente 1900 K. Un entorno no debe interactuar con el material en cuestión. Como fluidos caloportadores se utilizan metales alcalinos líquidos y vacío ultraalto .
La deformación por fluencia a alta temperatura de las aleaciones debe limitarse para su uso. 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.
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