Los 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 ( tántalo , tungsteno y renio ). Todos ellos comparten algunas propiedades, incluido un punto de fusión por encima de los 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 de elección 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 entornos 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" incluyen el punto de fusión extraordinariamente alto como un requisito clave para su inclusión. Según una definición, es necesario un punto de fusión superior a 4000 °F (2200 °C) para calificar. [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 lo contrario habría calificado bajo la definición más amplia. [5]
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 otros solo 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 externa , lo que permite que los electrones d participen en el enlace metálico. Esto da enlaces rígidos y altamente estables a los átomos vecinos y una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo que resiste la deformación. Al desplazarse hacia la derecha en la tabla periódica, más electrones d aumentan este efecto, pero a medida que la subcapa d se llena, son atraídos por la carga nuclear más alta hacia el núcleo inerte del átomo , lo que reduce su capacidad de deslocalizarse para formar enlaces con los 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 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 para resistir fuerzas intensas a altas temperaturas, por ejemplo en motores a reacción o herramientas utilizadas durante la forja . [9] [10]
Los metales refractarios presentan una amplia variedad de propiedades químicas debido a que son miembros de tres grupos distintos en la tabla periódica . Se oxidan fácilmente, pero esta reacción se ralentiza en el metal en masa 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 lo 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. [6]
Los metales refractarios y las aleaciones fabricadas a partir de ellos se utilizan en iluminación , herramientas, lubricantes , barras de control de reacción nuclear , 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 utilizando corriente eléctrica y se fabrican posteriormente mediante trabajo en frío con pasos de recocido. Los metales refractarios y sus aleaciones se pueden trabajar en alambres , lingotes , barras de refuerzo , láminas o papel de aluminio .
Las aleaciones a base de molibdeno son ampliamente utilizadas, porque son más económicas 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 zirconio (siendo el molibdeno el resto). La aleación exhibe una mayor resistencia a la fluencia y a altas temperaturas, lo que permite que el material alcance temperaturas de servicio superiores a 1060 °C. La alta resistividad de 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 la fundición de 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 metal refractario más utilizado. Su uso más importante es como aleación de refuerzo del acero . Los tubos y cañerías estructurales a menudo contienen molibdeno, al igual que muchos aceros inoxidables . Su resistencia a altas temperaturas, su resistencia al desgaste y su bajo coeficiente de fricción son propiedades que lo hacen inestimable como compuesto de aleación. Sus excelentes propiedades antifricción hacen que se incorpore en grasas y aceites donde la fiabilidad y el rendimiento son fundamentales. Las juntas homocinéticas de automóviles utilizan grasa que contiene molibdeno. El compuesto se adhiere fácilmente al metal y forma un revestimiento muy duro 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 wolframio fue descubierto en 1781 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele . El wolframio tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, 3410 °C (6170 °F ).
Hasta un 22% de renio se alea 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. La ignición 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 normalmente es superior al 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. [18]
El tungsteno y sus aleaciones se utilizan a menudo en aplicaciones donde hay altas temperaturas pero aún así es necesaria 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 a luz con temperaturas más altas y, por lo tanto, un alto punto de fusión es esencial para la 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 derrite . El alto punto de fusión y la resistencia al desgaste contra el arco eléctrico hacen que el tungsteno sea 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 las municiones de los cañones de los tanques. [23] Su alto punto de fusión hace que el tungsteno sea un buen material para aplicaciones como las toberas 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. Por ejemplo, se utiliza en contrapesos para aviones y helicópteros o para 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 de corte. Las mayores reservas de tungsteno se encuentran en China , con depósitos en Corea , Bolivia , Australia y otros países.
También se utiliza como lubricante , antioxidante , en boquillas y bujes, como revestimiento protector y en 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 el fuego de los textiles .
El niobio casi siempre se encuentra junto con el tántalo, y recibió su nombre en honor a Níobe , la hija del mítico rey griego Tántalo, en cuyo honor se le dio el nombre al tántalo. 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 para aeronaves , 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 Apollo , es C103, que consta de un 89 % de niobio, un 10 % de hafnio y un 1 % de titanio. [27] Otra aleación de niobio se utilizó para la tobera del módulo de servicio Apollo . Como el niobio se oxida a temperaturas superiores a los 400 °C, es necesario un revestimiento protector 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 entornos ácidos agresivos . También se utiliza para fabricar condensadores electrolíticos superiores. Las películas de tantalio proporcionan la segunda mayor capacidad por volumen de cualquier sustancia después del aerogel , [ cita requerida ] y permiten la miniaturización de componentes y circuitos electrónicos . Muchos teléfonos celulares y computadoras contienen condensadores de tantalio.
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 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 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 mecanizado 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 hornos de molibdeno resisten 2273 K.
Sin embargo, la mayoría de los metales refractarios tienen deficiencias en su capacidad de fabricación a bajas temperaturas y su extrema oxidabilidad a altas temperaturas. Las interacciones con el medio ambiente pueden influir significativamente en su resistencia a la fluencia a altas temperaturas. La aplicación de estos metales requiere una atmósfera o revestimiento 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 funcionar a temperaturas de entre 1350 K y aproximadamente 1900 K. El entorno no debe interactuar con el material en cuestión. Se utilizan metales alcalinos líquidos como fluidos de transferencia de calor, así como el vacío ultraalto .
La deformación por fluencia a alta temperatura de las aleaciones debe ser limitada para que puedan utilizarse. La deformación por fluencia no debe superar 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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