高融点金属:特性、種類、用途

高融点金属は、その独特で望ましい特性と挙動、特に耐食性と耐摩耗性と耐熱性に優れているため、広く使用されています。

これらの金属は、主に工学、科学、冶金の分野で使用されています。このクラスの金属に属する 5 つの主な要素には、次のものが含まれます。

モリブデン (Mo)
レニウム (Re)
ニオブ (Nb)
タングステン (W)
タンタル (Ta)

これらの 5 つの要素は、特に華氏 3,600 度 (摂氏 2,000 度) を超える温度にさらされた場合に、室温での高レベルの硬度や高融点など、いくつかの重要な特性を共有しています。 (硬度を上げる方法については、腐食および耐摩耗性のための窒化を参照してください。)

高融点金属も密度が高く、化学的に不活性です。それらの高い融点は、さまざまなコンポーネントを製造するための選択肢として、粉末冶金に取って代わります.

高融点金属の最も一般的な用途には、ワイヤフィラメント、工具、腐食性雰囲気内の化学容器、鋳造金型などがあります。融点が非常に高い耐熱金属は非常に安定しています。

それでは、高融点金属の特徴、特性、利点、用途などを詳しく見ていきましょう:

高融点金属の主な特徴

高融点金属の主要な識別要素の 1 つは耐熱性です。このクラスに属する 5 つの金属はすべて、華氏 3,632 度 (摂氏 2,000 度) を超える融点を特徴としています。

高融点金属は、非常に高い温度でも強度を保ち、本質的に硬いため、穴あけや切削工具に最適です。高融点金属は、熱衝撃などの要因に対して非常に耐性があります。これは、冷却と加熱を繰り返しても、亀裂、膨張、または応力が発生しないことを意味します。 (加熱中の金属の詳細については、 を参照してください。 高温面をコーティングする際の 5 つの考慮事項 .)

さらに、このグループに属する 5 つの金属はすべて高密度レベルであり、優れた熱特性と電気特性を備えています。また、クリープにも強いため、非常にストレスの多い環境や条件にさらされると、ゆっくりと変形します。これは、高融点金属が高温下で酸化を受ける可能性があるにもかかわらず、保護層を構築して耐食性を持たせることができるためです.

耐熱金属の物理的および化学的性質

高融点金属は、その固有の物理的および化学的特性によって分類できます。そして、これらの要素を最大限に活用するには、それらを完全に理解することが不可欠です。

高融点金属の物理的性質

高融点金属は、次の重要な物理的特徴によって特徴付けられます:

沸点が高い。 高融点金属の融点は、炭素、オスミウム、イリジウムを除く他のすべての金属よりも高くなっています。
体心立方晶構造。
高い耐クリープ性。

とはいえ、高融点金属の特定の特性は、周期表の異なるグループに属しているため、かなり大きく異なります.

たとえば、5 つの高融点金属すべての中で、レニウムの融点は最も高く、華氏 5,757 度 (摂氏 3,186 度) であり、ニオブは最も低く、華氏 4,491 度 (2,477 ℃) です。沸点に関しては、ニオブは華氏 8,572 度 (摂氏 4,744 度) で、レニウムは華氏 10,105 度 (摂氏 5,596 度) です。 (高熱材料を使用したアプリケーションの詳細については、次を参照してください: まとめ:Steam のさまざまな種類と用途 .)

同じことが耐クリープ性にも当てはまります。華氏 1,832 度 (摂氏 1,000 度) でクリープを形成し始める金属があり、華氏 932 度 (摂氏 500 度) 未満で始まる金属があります。

高融点金属の化学的性質

それぞれが周期表の異なる分類に属しているため、高融点金属には幅広い化学的性質があります。

一般に、これらの金属は容易に酸化します。しかし、金属の上に安定した酸化物層を作ることで、反応を制御することができます。これは、揮発性が高いため、特にレニウムに当てはまります。したがって、酸化物層が蒸発するため、高温下での酸素攻撃に対する安定性が失われる可能性があります。

ただし、すべての高融点金属は、酸などの物質に対して比較的安定しています。

高融点金属を使用する利点は何ですか?

高融点金属は、その独自の特性により、さまざまな用途や産業に非常に有益です。主な利点は次のとおりです。

非常に高い融点

タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属は非常に高い融点を持ち、ガラス製造に有益です.

高強度

高融点金属は、超高温でも独特の強さを発揮します。

たとえば、タングステン製のロケットコーンは、常温で鉄の 2 倍の引張強度を持っています。 (このトピックの詳細については、次を参照してください:強度と靭性の違いは何ですか? )

優れた耐摩耗性と耐摩耗性

高融点金属、特に合金は、バルブシート、シール、ノズル、その他の摩耗しやすい部分の寿命を延ばすことができます。

優れた耐食性

化学プラントの配管は通常、高融点金属でできており、ステンレス鋼に比べて高度な耐食性を実現しています。

耐熱衝撃性

タングステンのような金属は、熱による急激な膨張による応力に耐えることができます。

タングステンは非常に高い融点を持ち、その完全性に影響を与えることなく一連のオンとオフのサイクルに耐えることができます.

熱と電気伝導

多くの電子的または電気的用途に加えて、タングステンやモリブデンなどの高融点金属は優れたヒートシンクになります。

極度の硬さ

今日、最も広く使用されている切削工具は、タングステンカーバイドなどの材料で作られています。

耐火金属は、金属や鋼の成形、ガスや油井の採掘や掘削にも最適です。 (石油およびガス業界の詳細については、次を参照してください: 石油およびガス産業における遠隔腐食監視システム .)

高密度と比重

ほとんどの高融点金属は高密度であるため、ゴルフクラブヘッドや航空機のジャイロスコープの製造に非常に役立ちます。

ユニークな機能

優れた放射線シールドや化学触媒として機能するなど、非常に有用な機能を持つ一部の高融点金属。

耐熱金属の種類とその用途

5つの高融点金属があります。それぞれに異なる特性と用途があります。

全般的に、高融点金属の一般的な用途には、ワイヤフィラメント、ツール、腐食性雰囲気内の化学容器、および鋳造金型が含まれます。非常に高い融点を持つ高融点金属は、非常に安定しています。

5 つの高融点金属それぞれのより具体的な用途は次のとおりです。

タングステン

タングステンは高融点金属の中で最も豊富です。高融点金属の中で最も高い融点と最も高い金属密度の 1 つです。カーボンのような他の要素と組み合わせると、非常に難しくなります。また、耐腐食性にも優れています。

照明アプリケーション

タングステンは、住宅で使用されるほとんどの白熱灯など、ワイヤフィラメントで広く使用されています。しかし、産業用アークランプや照明でも一般的です。 (産業用途の詳細については、 を参照してください。 ポリウレアコーティングについて知っておくべき 8 つのこと .)

舞台照明は、テレビスタジオやサウンドステージ、演劇、コンサート、その他のライブイベントが行われる会場で使用されます。また、舞台照明は依然として白熱灯技術を使用していますが、通常は、シーン全体の演出を制御するために慎重に調整された色温度値を備えた独自の高性能タングステンハロゲン (または石英ハロゲン) ランプの形式になっています。

コロナ放電

コロナ放電は、導体の周囲の空気がイオン化されたときに生成されるプラズマカーテンです。

コロナ放電は、タングステンワイヤを使用して行うことが多く、最も効果的です。空気ろ過、プリンター、コピー機、その他の用途では、タングステンワイヤーだけが十分なイオン化と表面改質を行います。

炉

タングステンワイヤは、工業用オーブンで支持または引っ張り動作を提供するために広く使用されています。

これは、タングステンワイヤの非たるみ特性とその耐熱性によるものです。たとえば、タングステンワイヤは、工業用オーブン、炉、キルンの設計されたホットゾーンで物体を所定の位置に配置して保持するために使用されるマットに織り込まれることがよくあります。

プローブ

タングステンワイヤの剛性は、非常に小さい直径であっても、半導体製造におけるシリコンウェーハテストに使用されるカンチレバー半導体テストプローブを含む、さまざまなタイプのプローブで使用するための重要な要素です。

硬さは、医療診断および治療に使用される神経プローブ用のタングステンワイヤの利点でもあります。 (詳細については 材料科学 ヘルスケアについては、以下を参照してください: 材料科学者としてのキャリアを始める方法 .)

切削工具と部品

切削工具や部品は高い耐摩耗性が要求されるため、タングステンカーバイドで作られています。

研削刃を備えたタングステンカーバイドインサートは、ろう付けまたは機械的固定によって鋼製工具の本体に取り付けられます。超硬工具の使用により、切削速度が速くなり、工具寿命が長くなります。タングステンカーバイド染料は、一般的にワイヤを描画するために使用されます.

モリブデン

モリブデンは、他のほとんどのものよりも安価であり、合金にするとクリープや高温に対して非常に耐性があるため、最もよく使用される高融点金属です。

また、この金属はアマルガムを形成しないため、耐腐食性があります。主に鋼合金の強化に使用され、特に構造用配管やチューブに使用されます。また、モリブデンは優れた耐摩擦特性を備えているため、自動車に使用されるオイルやグリースの理想的な成分となっています。 (自動車産業における腐食の詳細については、次を参照してください: 自動車用途で使用される軽量材料の腐食 .)

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、クロム含有量が鋼の表面に薄い保護不動態膜を自発的に形成するため、耐食性があります。

モリブデンは、この不動態皮膜を強化し、塩化物によって破壊された場合に迅速に再形成するのを助けます。ステンレス鋼のモリブデン含有量を増やすと、耐孔食性と隙間腐食耐性が向上します。

工具と高速度鋼

工具鋼のモリブデンは、硬度と耐摩耗性を高めます。臨界冷却速度を下げることにより、モリブデンは最適なマルテンサイトマトリックスの形成を促進します。これは、歪みやひび割れなしでは急速に冷却できない巨大で複雑な金型でも同様です。

5 ～ 10% のモリブデンを追加すると、高速度鋼の硬度と靭性を効果的に最大化し、金属の切断時に発生する高温でこれらの特性を維持できます。 (金属の切断の詳細については、次を参照してください: 熱間短絡と溶接が金属の腐食に与える影響 .)

煙抑制剤

電子技術では、ワイヤーとケーブルの絶縁は、消防士や航空機や病院の閉じ込めにいる人々にとって、火災や煙の危険を表しています。八モリブデン酸アンモニウムは、煙の発生を抑えるために PVC と共に使用されています。

モリブデンの弾性率は室温で 1 平方インチあたり 47*10^6 ポンドであるため、ボーリングバーや高速内面研削盤のクイルに使用されます。これにより、振動やびびりがなくなります。

タンタル

タンタルは最も耐食性の高い耐熱金属です。

多くの場合、医療および外科の設定や、酸性度の高い環境で適用されます。タンタルは、コンピューターや電話の回路やコンデンサーの主要な構成要素でもあります。

タンタルにはアルミニウムよりもかなり高価ですが、タンタルには次の 2 つの重要な利点があります。

<オール>

誘電率が高いため、コンデンサを小型化できます。

その酸化物層はより安定しているため、タンタルコンデンサは高い信頼性が求められる用途で有利です。

タンタルは、コンピューターチップやストレージデバイスなどの製品で、銅がシリコンを汚染するのを防ぐための障壁として、電子産業でも使用されています。シリコン内に銅が存在するとデバイスの劣化や故障につながるため、この分離が必要です。 (銅腐食の詳細については、次を参照してください: エアレーションゾーンでの銅腐食率の増加の説明 .)

医療アプリケーション

タンタルは、空気にさらされるとタンタル金属の表面に自然に形成される付着性酸化物層による生体不活性であるため、外科および生物医学の用途で使用されます。

さらに、タンタルは体液中で不活性であり、優れた機械的特性を備えています。医療への応用例には次のようなものがあります:

外科用クリップ。
骨移植。
頭蓋形成術用プレート
腹壁再建用メッシュ
歯科インプラント。

化学プラント設備

タンタルの延性と優れた耐食性により、高温の腐食条件下で動作する化学プロセス装置での使用に適しています。

金属の耐腐食性は、機器を保護し、取り扱う薬品の純度を維持するのに役立ちます。タンタルとその合金は、塩酸、臭化水素酸、硝酸、硫酸の処理に使用できます。タンタルを使用できる化学プラント設備の例は次のとおりです。

熱交換器。
バルブ。
船。
パイプ。 (パイプの腐食の詳細については、次を参照してください: パイプの腐食と破損の 21 種類 .)

ニオブ

ニオブは常にタンタルと共に使用されます。独自性が高く、加工が容易で高い伸縮性と強度が得られます。

鉄冶金

ニオブの主な用途は鉄冶金です。

世界のニオブ生産量の約 75% は鉄鋼産業で使用されており、少量の他の金属 (マイクロアロイおよび低合金鋼) を含むさまざまな鋼合金を生産して、とりわけ耐食性、強度、靭性を向上させています。 /P>

ニオブは、高強度低合金鋼およびマイクロ合金鋼で結晶粒微細化剤および析出硬化剤として機能し、同時に機械的強度、高温強度、靭性、および耐食性を向上させます。

これらの鋼は、パイプライン、輸送、および構造用途で使用されます。 (輸送の詳細については、次を参照してください: 保管、輸送、および取り扱い中の一時的な腐食保護 .)

超伝導磁石

ニオブ合金は、超電導磁石の製造にも使用されます。これらの超伝導磁石は以下で使用されます:

磁気共鳴画像法 (MRI)。
核磁気共鳴装置 (NMRI)。
世界最大の超伝導マグネットを搭載したヨーロッパのラージハドロンコライダーなどの粒子加速器
電解コンデンサと超伝導体

ニオブ合金は、華氏 3,300 度までは他の耐火金属よりも優先されます。耐酸化性が低いため、ニオブ合金は高温での構造用途での使用に限定されています。

レニウム

レニウムは最近発見された耐熱金属です。

超低濃度で他の金属と一緒に見つけることができます。他の高融点金属鉱石にも存在します。レニウムは、その高い引張強度と延性で知られています。

レニウムも非常に希少であるため、非常に高価になる可能性があります。

超合金

レニウムは、しばしば鉄、コバルト、ニッケル、タングステン、モリブデンと組み合わせて、超合金を作るための添加剤として使用されます。レニウムを添加すると、超合金の全体的なクリープ強度が向上し、ジェットエンジン部品やガスタービンエンジンの優れた材料になります。 (ジェットエンジンとタービンの詳細については、 を参照してください。 ガスタービン部品の高温腐食 .)