I metalli refrattari sono una classe di metalli straordinariamente resistenti al calore e all'usura. L'espressione è usata principalmente nel contesto della scienza dei materiali, della metallurgia e dell'ingegneria. La definizione di quali elementi appartengono a questo gruppo è diversa. La definizione più comune comprende cinque elementi: due del quinto periodo (niobio e molibdeno) e tre del sesto periodo (tantalio, tungsteno e renio). Tutti condividono alcune proprietà, tra cui un punto di fusione superiore a 2000 ° C e un'elevata durezza a temperatura ambiente. Sono chimicamente inerti e hanno una densità relativamente alta. I loro alti punti di fusione rendono la metallurgia delle polveri il metodo di scelta per la fabbricazione di componenti da questi metalli. Alcune delle loro applicazioni includono strumenti per lavorare metalli ad alte temperature, filamenti di fili, stampi per colata e recipienti di reazione chimica in ambienti corrosivi. In parte a causa dell'elevato punto di fusione, i metalli refrattari sono stabili contro la deformazione da scorrimento a temperature molto elevate.
La maggior parte delle definizioni del termine'metalli refrattari' elencare il punto di fusione straordinariamente alto come un requisito chiave per l'inclusione. Secondo una definizione, per qualificarsi è necessario un punto di fusione superiore a 4.000 °F (2.200 °C).[2] I cinque elementi niobio, molibdeno, tantalio, tungsteno e renio sono inclusi in tutte le definizioni,[3] mentre la definizione più ampia, che include tutti gli elementi con un punto di fusione superiore a 2.123 K (1.850 °C), include un numero variabile di nove elementi aggiuntivi : titanio, vanadio, cromo, zirconio, afnio, rutenio, rodio, osmio e iridio. Gli elementi artificiali, essendo radioattivi, non sono mai considerati parte dei metalli refrattari, sebbene il tecnezio abbia un punto di fusione di 2430 K o 2157 °C e si prevede che il rutefordo abbia un punto di fusione di 2400 K o 2100 °C.
| Nome | Niobio | Molibdeno | tantalio | Tungsteno | renio |
| Periodo | 5 | 5 | 6 | 6 | 6 |
| Punto di fusione K | 2750 | 2896 | 3290 | 3695 | 3459 |
| Punto di ebollizione K | 5017 | 4912 | 5731 | 6203 | 5869 |
| Punto di fusione°C | 2477 | 2623 | 3017 | 3422 | 3186 |
| Punto di ebollizione °C | 4744 | 4639 | 5458 | 5930 | 5596 |
| Densità g.cm-3 | 8.57 | 10.28 | 16.69 | 19.25 | 21.02 |
Giovane's modulo GPa | 105 | 329 | 186 | 411 | 463 |
| Durezza Vickers MPa | 1320 | 1530 | 873 | 3430 | 2450 |
I metalli refrattari sono utilizzati nell'illuminazione, negli strumenti, nei lubrificanti, nelle barre di controllo delle reazioni nucleari, come catalizzatori e per le loro proprietà chimiche o elettriche. A causa del loro alto punto di fusione, i componenti metallici refrattari non vengono mai fabbricati mediante fusione. Viene utilizzato il processo della metallurgia delle polveri. Le polveri del metallo puro vengono compattate, riscaldate mediante corrente elettrica e ulteriormente fabbricate mediante lavorazione a freddo con fasi di ricottura. I metalli refrattari possono essere lavorati in filo, lingotti, armature, fogli o fogli.
Leghe di molibdeno
Articoli principali:Molibdenoe Molibdeno § Applicazioni
Le leghe a base di molibdeno sono ampiamente utilizzate, perché sono più economiche delle leghe di tungsteno superiori. La lega di molibdeno più utilizzata è la lega Titanio-Zirconio-Molibdeno TZM, composta dallo 0,5% di titanio e dallo 0,08% di zirconio (il resto è il molibdeno). La lega presenta una maggiore resistenza al creep e resistenza alle alte temperature, rendendo possibili temperature di servizio superiori a 1060 °C per il materiale. L'elevata resistività del Mo-30W, una lega al 70% di molibdeno e al 30% di tungsteno, contro l'attacco dello zinco fuso lo rende il materiale ideale per la colata di zinco. Viene anche utilizzato per costruire valvole per zinco fuso.
Il molibdeno viene utilizzato nei relè reed a contatto con il mercurio, poiché il molibdeno non forma amalgame ed è quindi resistente alla corrosione da parte del mercurio liquido.[10][11]
Il molibdeno è il più comunemente usato dei metalli refrattari. Il suo uso più importante è come lega di rinforzo dell'acciaio. I tubi e le tubazioni strutturali spesso contengono molibdeno, così come molti acciai inossidabili. La sua resistenza alle alte temperature, la resistenza all'usura e il basso coefficiente di attrito sono tutte proprietà che lo rendono prezioso come composto di lega. Le sue eccellenti proprietà anti-attrito portano alla sua incorporazione in grassi e oli dove l'affidabilità e le prestazioni sono fondamentali. I giunti omocinetici automobilistici utilizzano grasso contenente molibdeno. Il composto si attacca facilmente al metallo e forma un rivestimento molto duro e resistente all'attrito.
Tungsteno e sue leghe
Articoli principali: tungsteno e tungsteno § Applicazioni
Il tungsteno fu scoperto nel 1781 dal chimico svedese Carl Wilhelm Scheele. Il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti i metalli, a 3.410 ° C (6.170 ° F).
Filamento di una lampadina a incandescenza da 200 watt altamente ingrandito
Il tungsteno e le sue leghe sono spesso utilizzati in applicazioni in cui sono presenti alte temperature ma è comunque necessaria un'elevata resistenza e l'alta densità non è fastidiosa. I filamenti di filo di tungsteno forniscono la stragrande maggioranza dell'illuminazione a incandescenza domestica, ma sono comuni anche nell'illuminazione industriale come elettrodi nelle lampade ad arco. Le lampade diventano più efficienti nella conversione dell'energia elettrica in luce con temperature più elevate e quindi un punto di fusione elevato è essenziale per l'applicazione come filamento a luce incandescente.[18] L'attrezzatura per la saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW, nota anche come saldatura a gas inerte di tungsteno (TIG)) utilizza un elettrodo permanente e non fondente. L'alto punto di fusione e la resistenza all'usura contro l'arco elettrico rendono il tungsteno un materiale adatto per l'elettrodo.
L'elevata densità e resistenza del tungsteno' sono anche proprietà chiave per il suo utilizzo nei proiettili delle armi, ad esempio come alternativa all'uranio impoverito per i cannoni dei carri armati. Il suo alto punto di fusione rende il tungsteno un buon materiale per applicazioni come ugelli per razzi, ad esempio nell'UGM-27 Polaris. Alcune delle applicazioni del tungsteno non sono legate alle sue proprietà refrattarie ma semplicemente alla sua densità. Ad esempio, viene utilizzato nei contrappesi per aerei ed elicotteri o per teste di mazze da golf. In queste applicazioni possono essere utilizzati anche materiali densi simili come il più costoso osmio.
L'uso più comune del tungsteno è come carburo di tungsteno composto nelle punte da trapano, negli strumenti di lavorazione e taglio. Le maggiori riserve di tungsteno si trovano in Cina, con depositi in Corea, Bolivia, Australia e altri paesi.
Si trova anche a servire come lubrificante, antiossidante, in ugelli e boccole, come rivestimento protettivo e in molti altri modi. Il tungsteno si trova negli inchiostri da stampa, negli schermi a raggi X, nella lavorazione dei prodotti petroliferi e nell'ignifugazione dei tessuti.
Leghe di niobio
Articoli principali: applicazioni di niobio § e lega di niobio
Apollo CSM con l'ugello del razzo scuro realizzato in lega di niobio-titanio
Il niobio si trova quasi sempre insieme al tantalio e prende il nome da Niobe, la figlia del mitico re greco Tantalo da cui prende il nome il tantalio. Il niobio ha molti usi, alcuni dei quali condivide con altri metalli refrattari. È unico in quanto può essere lavorato mediante ricottura per ottenere un'ampia gamma di resistenza e duttilità ed è il meno denso dei metalli refrattari. Si trova anche nei condensatori elettrolitici e nelle più pratiche leghe superconduttrici. Il niobio si trova nelle turbine a gas degli aerei, nei tubi a vuoto e nei reattori nucleari.
Una lega utilizzata per gli ugelli dei propulsori a razzo liquido, come nel motore principale dei moduli lunari Apollo, è la C103, che consiste nell'89% di niobio, 10% di afnio e 1% di titanio.[25] Un'altra lega di niobio è stata utilizzata per l'ugello dell'Apollo Service Module. Poiché il niobio viene ossidato a temperature superiori a 400 °C, per queste applicazioni è necessario un rivestimento protettivo per evitare che la lega diventi fragile.
Tantalio e sue leghe
Articoli principali: Tantalio e tantalio § Applicazioni
Il tantalio è una delle sostanze più resistenti alla corrosione disponibili.
Molti usi importanti sono stati trovati per il tantalio a causa di questa proprietà, in particolare in campo medico e chirurgico, e anche in ambienti acidi difficili. Viene anche utilizzato per realizzare condensatori elettrolitici di qualità superiore. I film di tantalio forniscono la seconda più capacità per volume di qualsiasi sostanza dopo Aerogel, [citazione necessaria] e consentono la miniaturizzazione di componenti elettronici e circuiti. Molti telefoni cellulari e computer contengono condensatori al tantalio.
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