Métaux réfractaires :propriétés, types et applications

Les métaux réfractaires sont largement utilisés en raison de leurs propriétés et comportements uniques et souhaitables, en particulier leur résistance à la corrosion et leur extraordinaire résistance à l'usure et à la chaleur.

Ces métaux sont principalement utilisés dans les domaines de l'ingénierie, de la science et de la métallurgie. Les cinq éléments principaux qui appartiennent à cette classe de métal sont les suivants :

• Molybdène (Mo)
• Rhénium (Re)
• Niobium (Nb)
• Tungstène (W)
• Tantale (Ta)

Ces cinq de ces éléments partagent quelques propriétés clés, telles qu'un haut niveau de dureté à température ambiante et un point de fusion élevé, en particulier lorsqu'ils sont soumis à des températures supérieures à 3 600 degrés Fahrenheit (2 000 degrés Celsius). (Pour en savoir plus sur l'augmentation de la dureté, voir :Nitruration pour la résistance à la corrosion et à la fatigue.)

Les métaux réfractaires ont également une densité élevée et sont chimiquement inertes. Leurs points de fusion élevés cèdent la place à la métallurgie des poudres comme choix pour la fabrication de différents composants.

Quelques-unes des applications les plus courantes pour les métaux réfractaires comprennent les filaments de fil, les outils, les récipients chimiques dans les atmosphères corrosives et les moules de coulée. Avec leur point de fusion très élevé, les métaux réfractaires sont très stables.

Examinons maintenant plus en détail les métaux réfractaires, y compris leurs caractéristiques, propriétés, avantages et applications :

Les principales caractéristiques des métaux réfractaires

L'un des principaux facteurs d'identification des métaux réfractaires est la résistance à la chaleur. Les cinq métaux de cette classe sont caractérisés par un point de fusion supérieur à 3 632 degrés Fahrenheit (2 000 degrés Celsius).

Les métaux réfractaires restent également résistants à des températures extrêmement élevées et sont intrinsèquement durs, ce qui les rend parfaits pour les outils de perçage et de coupe. Les métaux réfractaires sont très résistants à des facteurs tels que les chocs thermiques. Cela signifie qu'ils ne subiront pas de fissures, d'expansion ou de contraintes lorsqu'ils sont refroidis et chauffés à plusieurs reprises. (Pour en savoir plus sur les métaux sous la chaleur, voir : Cinq principaux éléments à prendre en compte lors du revêtement de surfaces à haute température .)

De plus, les cinq métaux de ce groupe ont des niveaux de densité élevés et de bonnes propriétés thermiques et électriques. Ils sont également résistants au fluage, de sorte qu'ils subissent une déformation lente lorsqu'ils sont exposés à des environnements ou des conditions très stressants. En effet, les métaux réfractaires peuvent structurer une couche de protection, ce qui les rend résistants à la corrosion, malgré le fait qu'ils peuvent subir une oxydation à haute température.

Les propriétés physiques et chimiques des métaux réfractaires

Les métaux réfractaires peuvent être classés en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. Et, pour tirer le meilleur parti de ces éléments, il est essentiel de bien les comprendre.

Les propriétés physiques des métaux réfractaires

Les métaux réfractaires sont marqués par les caractéristiques physiques clés suivantes :

• Un point d'ébullition élevé. Les points de fusion des métaux réfractaires sont plus élevés que ceux de tous les autres métaux à l'exception du carbone, de l'osmium et de l'iridium.
• Une structure cristalline cubique centrée sur le corps.
• Une haute résistance au fluage.

Cela dit, les caractéristiques spécifiques des métaux réfractaires varient assez largement car ils appartiennent à différents groupes du tableau périodique.

Par exemple, des cinq métaux réfractaires, le rhénium a le point de fusion le plus élevé - à 5 757 degrés Fahrenheit (3 186 degrés Celsius) - tandis que le niobium a le plus bas - à 4 491 deF (2 477 ° C). En termes de point d'ébullition, le niobium est à 8 572 degrés Fahrenheit (4 744 degrés Celsius) tandis que le rhénium est à 10 105 degrés Fahrenheit (5 596 degrés Celsius). (Pour en savoir plus sur les applications utilisant des matériaux à haute température, voir : Tout cuit à la vapeur :les nombreux types et utilisations de la vapeur .)

Il en va de même pour la résistance au fluage; il y a des métaux qui commencent à se former à 1 832 degrés Fahrenheit (1 000 degrés Celsius), tandis que d'autres commencent à moins de 932 degrés Fahrenheit (500 degrés Celsius).

Les propriétés chimiques des métaux réfractaires

Les métaux réfractaires présentent un large éventail de propriétés chimiques puisque chacun appartient à une classification différente dans le tableau périodique.

Généralement, ces métaux s'oxydent facilement; mais la réaction peut être contrôlée en créant des couches d'oxyde stables au-dessus d'un métal. Cela est particulièrement vrai avec le rhénium car il est très volatil. Ainsi, il peut perdre sa stabilité contre l'attaque de l'oxygène à des températures élevées lorsque la couche d'oxyde subit une évaporation.

Cependant, tous les métaux réfractaires sont relativement stables contre des substances telles que les acides.

Quels sont les avantages de l'utilisation de métaux réfractaires ?

Grâce à leurs qualités uniques, les métaux réfractaires sont très bénéfiques pour une variété d'applications et d'industries. Leurs principaux avantages incluent :

Un point de fusion très élevé

Les métaux réfractaires tels que le tungstène, le molybdène et le tantale ont des points de fusion très élevés, ce qui les rend utiles dans la fabrication du verre.

Haute résistance

Les métaux réfractaires sont particulièrement résistants, même à des températures ultra-élevées.

Par exemple, les cônes de fusée en tungstène ont le double de la résistance à la traction du fer à des températures normales. (Pour en savoir plus sur ce sujet, consultez :Quelle est la différence entre la force et l'endurance ? )

Résistance exceptionnelle à l'abrasion et à l'usure

Les métaux réfractaires, en particulier les alliages, peuvent prolonger la durée de vie des sièges de soupape, des joints, des buses et d'autres zones sujettes à une usure élevée.

Excellente résistance à la corrosion

La tuyauterie des usines chimiques est généralement constituée de métaux réfractaires, ce qui permet un degré élevé de résistance à la corrosion par rapport à l'acier inoxydable.

Résistance aux chocs thermiques

Les métaux comme le tungstène peuvent résister au stress provoqué par une expansion rapide due à la chaleur.

Le tungstène a un point de fusion très élevé et peut supporter une série de cycles marche-arrêt sans affecter son intégrité.

Chaleur et conduction électrique

En plus de leurs nombreuses applications électroniques ou électriques, les métaux réfractaires tels que le tungstène et le molybdène constituent de bons dissipateurs thermiques.

Dureté extrême

Aujourd'hui, les outils de coupe les plus utilisés sont fabriqués à partir de matériaux tels que le carbure de tungstène.

Les métaux réfractaires sont également parfaits pour former des métaux et de l'acier ainsi que dans l'exploitation minière et le forage de puits de gaz ou de pétrole. (Pour en savoir plus sur l'industrie pétrolière et gazière, voir : Systèmes de surveillance à distance de la corrosion dans l'industrie pétrolière et gazière .)

Haute densité et gravité spécifique

La plupart des métaux réfractaires ont une densité élevée et peuvent donc être très utiles pour fabriquer des têtes de club de golf et des gyroscopes d'avion.

Capacités uniques

Certains métaux réfractaires qui ont des capacités ultra-utiles, comme agir comme des boucliers anti-rayonnement et des catalyseurs chimiques exceptionnels.

Types de métaux réfractaires et leurs applications

Il existe cinq métaux réfractaires; et chacun est livré avec des propriétés et des applications distinctes.

Dans l'ensemble, les applications courantes des métaux réfractaires comprennent les filaments métalliques, les outils, les récipients chimiques dans les atmosphères corrosives et les moules de coulée. Avec leurs points de fusion très élevés, les métaux réfractaires sont très stables.

Voici des applications plus spécifiques pour chacun des cinq métaux réfractaires :

Tungstène

Le tungstène est le plus abondant parmi les métaux réfractaires. Il a le point de fusion le plus élevé et l'une des densités métalliques les plus élevées parmi les métaux réfractaires. Il peut être très dur lorsqu'il est combiné avec d'autres éléments comme le carbone. Il est également très résistant à la corrosion.

Applications d'éclairage

Tungstène largement utilisé dans les filaments métalliques, tels que ceux de la plupart des éclairages à incandescence utilisés dans les maisons. Mais il est également courant dans les lampes à arc et l'éclairage industriels. (Pour en savoir plus sur les applications industrielles, voir : 8 choses à savoir sur les revêtements en polyurée .)

L'éclairage de scène est utilisé dans les studios de télévision et sur les scènes sonores ainsi que dans les lieux où se déroulent des productions théâtrales, des concerts et d'autres événements en direct. Et, bien que l'éclairage de scène utilise toujours la technologie à incandescence, il se présente généralement sous la forme de lampes tungstène-halogène (ou quartz-halogène) hautes performances exclusives avec des valeurs de température de couleur soigneusement calibrées pour contrôler le rendu global de la scène.

Décharge corona

Une décharge corona est le rideau de plasma créé lorsque l'air autour d'un conducteur est ionisé.

La décharge corona est souvent effectuée, et mieux réalisée, avec du fil de tungstène. Pour la filtration de l'air, les imprimantes, les copieurs et d'autres applications, seul le fil de tungstène produit une ionisation et une modification de surface suffisantes.

Fours

Le fil de tungstène est largement utilisé pour fournir un support ou une action de traction dans les fours industriels.

Cela est dû aux propriétés anti-affaissement du fil de tungstène et à sa résistance à la chaleur. Par exemple, le fil de tungstène est souvent tissé dans des tapis utilisés pour positionner et maintenir des objets en place dans la zone chaude technique des fours industriels, des fours et des fours.

Sondes

La rigidité du fil de tungstène, même à de très petits diamètres, est un facteur crucial l'amorçant pour une utilisation dans divers types de sondes, y compris les sondes de test de semi-conducteurs en porte-à-faux utilisées pour les tests de tranches de silicium dans la fabrication de semi-conducteurs.

La rigidité est également un avantage du fil de tungstène pour les sondes neurales utilisées dans les diagnostics et les traitements médicaux. (Pour en savoir plus sur science des matériaux dans le domaine de la santé, voir : Comment se lancer dans une carrière de scientifique des matériaux .)

Outils de coupe et pièces

Les outils de coupe et les pièces nécessitent une grande résistance à l'abrasion et sont donc en carbure de tungstène.

Les inserts en carbure de tungstène, à arêtes de coupe rectifiées, sont fixés sur les corps d'outils en acier par brasage ou fixation mécanique. L'utilisation d'outils en carbure de tungstène assure des vitesses de coupe plus élevées et une durée de vie plus longue. Les colorants au carbure de tungstène sont couramment utilisés pour tréfiler les fils.

Molybdène

Le molybdène est le métal réfractaire le plus utilisé car il est moins cher que la plupart des autres et, lorsqu'il est transformé en alliage, peut être très résistant au fluage et aux températures élevées.

Ce métal ne crée pas non plus d'amalgames, ce qui le rend résistant à la corrosion. Il est principalement utilisé pour renforcer les alliages d'acier, en particulier dans les tuyauteries et les tubes structuraux. Le molybdène possède également d'excellentes qualités antifriction, ce qui en fait un composant idéal des huiles et des graisses utilisées dans les automobiles. (Pour en savoir plus sur la corrosion dans l'industrie automobile, voir : La corrosion des matériaux légers utilisés dans les applications automobiles .)

Acier inoxydable

Les aciers inoxydables sont résistants à la corrosion car leur teneur en chrome forme spontanément un mince film protecteur passif à la surface de l'acier.

Le molybdène renforce ce film passif en le rendant plus résistant et en l'aidant à se reformer rapidement s'il est perturbé par des chlorures. L'augmentation de la teneur en molybdène des aciers inoxydables augmente leur résistance à la corrosion par piqûres et crevasses.

Outils et acier rapide

Le molybdène dans les aciers à outils augmente leur dureté et leur résistance à l'usure. En réduisant la vitesse de refroidissement critique, le molybdène favorise la formation d'une matrice martensitique optimale, même dans les moules massifs et complexes qui ne peuvent pas être refroidis rapidement sans distorsion ou fissuration.

L'ajout de 5 à 10 % de molybdène peut efficacement maximiser la dureté et la ténacité des aciers rapides et maintenir ces propriétés aux températures élevées générées lors de la coupe des métaux. (Pour en savoir plus sur la coupe des métaux, voir : Comment la brièveté à chaud et le soudage affectent la corrosion dans les métaux .)

Suppresseurs de fumée

Dans la technologie électronique, l'isolation des fils et des câbles représente un risque d'incendie et de fumée pour les pompiers et ceux qui se trouvent dans l'enceinte des avions et des hôpitaux. L'octamolybdate d'ammonium a été utilisé avec le PVC pour supprimer la formation de fumée.

Comme le molybdène a un module d'élasticité de 47 * 10 ^ 6 livres par pouce carré à température ambiante, il est utilisé pour les barres d'alésage et les piquants pour les meuleuses internes à grande vitesse. Cela garantit l'absence de vibrations et de broutages.

Tantale

Le tantale est le métal réfractaire le plus résistant à la corrosion.

Il est souvent appliqué dans des contextes médicaux et chirurgicaux et dans des environnements très acides. Le tantale est également le composant principal des circuits ou condensateurs des ordinateurs et des téléphones.

Bien que considérablement plus cher que l'aluminium, le tantale présente deux avantages majeurs :

1. Il a une constante diélectrique plus élevée, ce qui permet aux condensateurs d'être plus petits.
2. Sa couche d'oxyde est plus stable, ce qui confère aux condensateurs au tantale un avantage dans les applications nécessitant une grande fiabilité.

Le tantale est également utilisé dans l'industrie électronique comme barrière pour empêcher le cuivre de polluer le silicium dans des produits tels que les puces informatiques et les dispositifs de stockage. Cette séparation est nécessaire car la présence de cuivre dans le silicium entraîne une dégradation et une défaillance du dispositif. (Pour en savoir plus sur la corrosion du cuivre, voir : Explication des taux accrus de corrosion du cuivre dans la zone d'aération .)

Applications médicales

Le tantale est utilisé dans des applications chirurgicales et biomédicales en raison de sa bio-inertie, qui, à son tour, est due à la couche d'oxyde adhérente qui se forme spontanément à la surface du tantale métallique lorsqu'il est exposé à l'air.

De plus, le tantale est inerte dans les fluides corporels et possède de bonnes propriétés mécaniques. Voici quelques exemples de ses applications en médecine :

• Clips chirurgicaux.
• Greffes osseuses.
• Plaques pour cranioplasties.
• Maillage pour les reconstructions de la paroi abdominale.
• Implants dentaires.

Équipement d'usine chimique

La ductilité du tantale et son excellente résistance à la corrosion le rendent adapté à une utilisation dans les équipements de procédés chimiques fonctionnant dans des conditions corrosives à des températures élevées.

La résistance à la corrosion du métal sert à la fois à protéger l'équipement et à maintenir la pureté des produits chimiques manipulés. Le tantale et ses alliages peuvent être utilisés pour traiter les acides chlorhydrique, bromhydrique, nitrique et sulfurique. Voici des exemples d'équipements d'usine chimique dans lesquels le tantale peut être utilisé :

• Échangeurs de chaleur.
• Vannes.
• Navires.
• Tuyaux. (Pour en savoir plus sur la corrosion des tuyaux, voir : 21 types de corrosion et de défaillance des tuyaux .)

Niobium

Le niobium est toujours utilisé avec le tantale. Il est très unique et peut être travaillé facilement pour obtenir une élasticité et une résistance élevées.

Métallurgie ferreuse

La principale utilisation du niobium est dans la métallurgie ferreuse.

Environ 75 % de la production mondiale de niobium est utilisée par l'industrie sidérurgique pour produire une variété d'alliages d'acier qui contiennent de petites quantités d'autres métaux (aciers microalliés et faiblement alliés) pour améliorer, entre autres propriétés, la résistance à la corrosion, la résistance et la ténacité.

Le niobium agit comme affineur de grain et durcisseur par précipitation dans l'acier faiblement allié et microallié à haute résistance, améliorant simultanément la résistance mécanique, la résistance à haute température, la ténacité et la résistance à la corrosion.

Ces aciers sont utilisés dans les pipelines, le transport et les applications structurelles. (Pour en savoir plus sur le transport, voir : Protection temporaire contre la corrosion pendant le stockage, le transport et la manutention .)

Aimants supraconducteurs

Les alliages de niobium sont également utilisés pour fabriquer des aimants supraconducteurs. Ces aimants super conducteurs sont utilisés dans :

• Imagerie par résonance magnétique (IRM).
• Instruments de résonance magnétique nucléaire (NMRI).
• Les accélérateurs de particules, tels que le Large Hadron Collider en Europe, qui contient les plus grands aimants supraconducteurs au monde.
• Condensateurs électrolytiques et supraconducteurs.

Les alliages de niobium sont préférés aux autres métaux réfractaires jusqu'à 3 300 degrés Fahrenheit. En raison de leur faible résistance à l'oxydation, les alliages de niobium sont limités à une utilisation dans des applications structurelles à des températures élevées.

Rhénium

Le rhénium est le métal réfractaire le plus récemment découvert.

Il peut être trouvé avec d'autres métaux à des concentrations ultra-faibles. Il est également présent dans d'autres minerais métalliques réfractaires. Le rhénium est connu pour sa haute résistance à la traction et sa ductilité.

Le rhénium est également très rare et peut donc être très coûteux.

Superalliages

Le rhénium est utilisé comme additif pour fabriquer des superalliages, souvent en conjonction avec du fer, du cobalt, du nickel, du tungstène et du molybdène. L'ajout de rhénium améliore la résistance globale au fluage d'un superalliage, ce qui en fait un excellent matériau pour les pièces de moteurs à réaction et les moteurs à turbine à gaz. (Pour en savoir plus sur les moteurs à réaction et les turbines, voir : Corrosion à chaud dans les composants des turbines à gaz .)

Catalyseurs

Les composés du rhénium sont utilisés comme catalyseurs pour la catalyse homogène et hétérogène dans de nombreuses industries. Ceux-ci incluent :

• Pétrochimie.
• Pharmacie
• Procédés de synthèse organique, y compris l'isomérisation, l'hydrogénation et l'alkylation

Les catalyseurs platine-rhénium sont essentiels dans un procédé chimique appelé reformage catalytique dans les raffineries de pétrole. (Pour en savoir plus sur le pétrole, voir : Les 6 composants corrosifs que l'on peut trouver dans le pétrole brut .)

Thermoéléments

Les alliages de tungstène-rhénium et de molybdène-rhénium sont principalement utilisés pour fabriquer des thermoéléments.

Leurs utilisations incluent les semi-conducteurs, les éléments chauffants, les revêtements métalliques et les baguettes de soudure.

Les alliages de tungstène-rhénium, en particulier, sont utilisés pour fabriquer des anodes rotatives à rayons X.

A haute température, le rhénium résiste à l'attaque de l'hydrogène et des atmosphères inertes. Il est résistant à l'acide chlorhydrique et à la corrosion par l'eau de mer et il est également résistant aux effets mécaniques de l'érosion électrique.

Conclusion

Les métaux réfractaires ont de nombreuses applications et avantages. Cependant, il y en a beaucoup que nous ne comprenons pas encore complètement.

De nombreuses recherches sont nécessaires dans le domaine de la métallurgie pour améliorer une variété de procédés.