Métaux réfractaires

Les métaux réfractaires sont une classe de métaux qui sont extrêmement résistants à la chaleur et l'usure. L'expression est en particulier utilisé dans le contexte de la science des matériaux, la métallurgie et l'ingénierie.


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  • Une substance simple telle qu'un " métal réfractaire " comme le tungstène par exemple ou tout autre corps, peut être intégrée à un ensemble (alliage ou autre)... (source : dotapea)
  • Trouvez et contactez directement l'ensemble des fabricants de Élément de fixation en métal réfractaire sur Directindustry. (source : directindustry)
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Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg
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Métaux réfractaires Définition plus large de métaux réfractaires[1] Métalloïdes réfractaires

Les métaux réfractaires sont une classe de métaux qui sont extrêmement résistants à la chaleur et l'usure. L'expression est en particulier utilisé dans le contexte de la science des matériaux, la métallurgie et l'ingénierie. La définition des éléments qui appartiennent à ce groupe change. La définition la plus courante comprend 5 éléments, deux de la cinquième période, le niobium et le molybdène, et trois de la sixième période, le tantale, de tungstène et de rhénium. Ils partagent tous certaines propriétés, par exemple, ils ont tous un point de fusion supérieur à 2000°C et sont durs à température ambiante. Ils sont chimiquement inertes et ont une densité assez élevée. Leurs points de fusion élevés rendent la métallurgie des poudres une méthode de choix pour fabriquer des composants à partir de ces métaux. Certaines de leurs applications incluent des outils pour le travail des métaux à haute température, des filaments métalliques, des moules et des récipients pour des réactions chimiques dans des environnements corrosifs. En partie à cause de leur haut point de fusion, les métaux réfractaires sont stables contre la déformation par fluage à températures particulièrement élevées.

Définition

La plupart des définitions du terme'métaux réfractaires'mentionne le point de fusion extragénéralement élevé comme une condition principale pour l'inclusion. Selon une définition, un point de fusion supérieur à 2200°C est indispensable pour être retenu[2]. Les cinq éléments, niobium, molybdène, tantale, tungstène et rhénium sont inclus dans l'ensemble des définitions[3], tandis qu'une définition plus large, incluant l'ensemble des éléments avec un point de fusion supérieur à 1850°C, comprend un nombre variable de neuf éléments supplémentaires, le titane, le vanadium, le chrome, le zirconium, le hafnium, le ruthénium, l'osmium et l'iridium. Les éléments transuraniens (ceux au-delà de l'uranium, qui sont tous instables et ne trouvent pas naturellement sur la terre) ne sont jamais reconnus comme faisant partie des métaux réfractaires [4].

Propriétés

Physiques

Propriétés des éléments du groupe 4
Nom Niobium Molybdène Tantale Tungstène Rhénium
Point de fusion 2750 K (2477 °C) 2896 K (2623 °C) 3290 K (3017 °C) 3695 K (3422 °C) 3459 K (3186 °C)
Point d'ébullition 5017 K (4744 °C) 4912 K (4639 °C) 5731 K (5458 °C) 5828 K (5555 °C) 5869 K (5596 °C)
Densité 8.57 g·cm−3 10, 28 g·cm−3 16.69 g·cm−3 19.25 g·cm−3 21.02 g·cm−3
Module de Young 105 GPa 329 GPa 186 GPa 411 GPa 463 GPa
Dureté Vickers 1320 MPa 1530 MPa 873 MPa 3430 MPa 2450 MPa

Les points de fusion des métaux réfractaires sont les plus élevés pour l'ensemble des éléments sauf le carbone, l'osmium et l'iridium. Ce point de fusion élevé définit la majorité de leurs applications. L'ensemble des métaux sont des éléments cubiques centrés, sauf le rhénium qui est un empilement compact de sphères. La majorité des propriétés physiques des éléments de ce groupe fluctuent énormément parce qu'ils sont membres de différents groupes[5], [6].

La résistance au fluage est une propriété principale des métaux réfractaires. Dans les métaux, l'initiation du fluage est en corrélation avec le point de fusion du matériau, le fluage dans les alliages d'aluminium commence à partir de 200 ° C, alors que pour les métaux réfractaires des températures au dessus de 1500 ° C sont nécessaires. Cette résistance à la déformation à haute température rend les métaux réfractaires appropriés pour la lutte contre des forces puissantes à haute température, par exemple dans les moteurs à réaction, ou les outils de frappe[7], [8].

Chimiques

Les métaux réfractaires montrent une grande variété de propriétés chimiques, parce qu'ils font partie de trois groupes différents dans le tableau périodique. Ils sont aisément oxydés, mais cette réaction est ralentie dans le métal en vrac par la formation de couches d'oxyde stable à la surface. En particulier l'oxyde de rhénium est plus volatile que le métal, et par conséquent à haute température la stabilisation contre l'attaque de l'oxygène est perdue, parce que la couche d'oxyde s'évapore. Ils sont tous assez stables face aux acides[5].

Applications

Les métaux réfractaires sont utilisés dans l'éclairage, les outils, les lubrifiants, les barres de contrôle de réaction nucléaire, comme catalyseurs, et pour leurs propriétés chimiques ou électriques. À cause de leur point de fusion élevé, les composants métalliques réfractaires ne sont jamais fabriqués par coulée. Le processus de métallurgie des poudres est utilisé. Les poudres de métal pur sont compactées, chauffées avec un courant électrique, et d'autres fabriquées par le travail à froid avec recuit étapes. Les métaux réfractaires peuvent être travaillés en fils, lingots, barres, tôles ou de feuilles.

Tungstène et alliages de tungstène

Article principal : Tungstène.
Article principal : Tungstène#Applications.

Le tungstène a été découvert en 1781 par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele. Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de l'ensemble des métaux, à 3410 ° C (6170 ° F). Filament d'une ampoule à incandescence de 200 watts à fort grossissement

Filament d'une ampoule à incandescence de 200 watts à fort grossissement

Le rhénium est utilisé dans les alliages de tungstène jusqu'à 22%, il perfectionne la résistance aux températures élevées et la résistance à la corrosion. Le thorium comme composé d'alliage est utilisé quand des arcs électriques doivent être établies. Le contact est facilité et les brûlures de l'arc plus stables que sans l'ajout de thorium. Pour la métallurgie de poudre, des liants doivent être utilisés pour le procédé de frittage. Pour la production d'alliage lourd de tungstène, des mélanges liants de nickel et de fer ou le nickel et le cuivre sont beaucoup utilisés. La teneur en tungstène de l'alliage est normalement supérieure à 90%. La diffusion des éléments liants dans les grains de tungstène est faible, même aux températures de frittage et par conséquent l'intérieur des grains est constitué de tungstène pur [9].

Le tungstène et ses alliages sont fréquemment utilisés dans des applications impliquant températures élevées, mais où toujours une grande résistance est indispensable et la forte densité n'est pas gênante[10]. Les filaments de tungstène fournissent la grande majorité des ampoules à incandescence des ménages, mais sont aussi habituels dans l'industrie d'éclairage comme électrodes dans les lampes à arc. Les lampes deviennent plus efficace dans la conversion de l'énergie électrique en lumière avec des températures plus élevées et par conséquent un point de fusion élevé est essentiel pour une application comme filament à incandescence[11]. Dans le soudage aux gaz TIG, l'équipement utilise une électrode permanente, non-fusible. Le point de fusion élevé et la résistance à l'usure contre l'arc électrique permet au tungstène d'être un matériau approprié pour l'électrode[12], [13]. La forte densité et la force est aussi une propriété principale facilitant l'utilisation du tungstène dans des missiles, par exemple comme alternative pour les pénétrateurs à énergie cinétique pour les canons de char [14]. Le point de fusion élevé du tungstène en fait un bon matériau pour des applications comme des tuyères de fusée, par exemple dans l'UGM-27 Polaris [15]. Quelques-unes des applications du tungstène ne sont pas liées à ses propriétés réfractaires, mais simplement à sa densité. A titre d'exemple, il est utilisé dans les masses d'équilibrage pour les avions et les hélicoptères ou les têtes de clubs de golf[16], [17]. Dans ces applications des matériaux denses identiques comme l'osmium plus cher peuvent aussi être utilisés.

Alliages de molybdène

Article principal : Molybdène.
Article principal : Molybdène#Applications.

Les alliages de molybdène sont beaucoup utilisés, parce qu'ils sont moins chers que alliages supérieur de tungstène. L'alliage le plus utilisé est le molybdène TZM, alliage de titane-zirconium-molybdène, composé de 0, 5% de titane et 0, 08% de zirconium (le reste étant du molybdène). L'alliage présente une meilleure résistance au fluage ainsi qu'à des températures élevées, rendant des températures de service au-dessus de 1060 ° C envisageable pour ce matériau. La résistivité élevée du Mo-30W un alliage de 70% de molybdène et 30% de tungstène contre l'attaque de zinc en fusion, en fait un matériau parfait pour le moulage du zinc. Il est aussi utilisé pour construire des vannes pour le zinc en fusion [18].

Le molybdène est utilisé dans les roseaux mouillés au mercure relais, parce que le molybdène ne fait pas d'amalgames et est par conséquent résistant à la corrosion par le mercure liquide. [19] [20] Molybdenum is used in mercury wetted reed relays, because molybdenum dœs not form amalgams and is therefore resistant to corrosion by liquid mercury [19], [20].


Le molybdène est le plus fréquemment utilisé des métaux réfractaires. Son utilisation principale est que le renforcement d'un alliage d'acier. Structurels tubes et tuyauterie contient fréquemment de molybdène, mais aussi de nombreux aciers inoxydables. Sa force à haute température, résistance à l'usure et faible cœfficient de frottement sont l'ensemble des propriétés qui en font une valeur inestimable comme composé d'alliage. Ses excellentes propriétés anti-friction conduire à son incorporation dans les graisses et huiles où la fiabilité et les performances sont critiques. Automobile joints homocinétiques l'utilisation de graisse contenant du molybdène. Le composé bâtons aisément au métal et forme un très dur, revêtement résistant à la friction. La majorité du minerai de molybdène au monde se trouvent en Chine, aux Etats-Unis, le Chili et le Canada. [21] [22] [23] [24]

Molybdenum is the most commonly used of the refractory metals. Its most important use is as a strengthening alloy of steel. Structural tubing and piping often contains molybdenum, as do many stainless steels. Its strength at high temperatures, resistance to wear and low cœfficient of friction are all properties which make it invaluable as an alloying compound. Its excellent anti-friction properties lead to its incorporation in greases and oils where reliability and performance are critical. Automotive constant-velocity joints use grease containing molybdenum. The compound sticks readily to metal and forms a very hard, friction resistant coating. Most of the world's molybdenum ore can be found in China, the USA, Chile and Canada[21], [22], [23], [24].

Niobium alloys

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Image of the Apollo Service Module with the moon in the background
Apollo CSM with the dark rocket nozzle made from niobium-titanium alloy

Niobium is nearly always found together with tantalum, and was named after Niobe, the daughter of the mythical Greek king Tantalus for whom tantalum was named. Niobium has many uses, some of which it shares with other refractory metals. It is unique in that it can be worked through annealing to achieve a wide range of strength and elasticity, and is the least dense of the refractory metals. It can also be found in electrolytic capacitors and in the most practical superconducting alloys. Niobium can be found in aircraft gas turbines, vacuum tubes and nuclear reactors.

An alloy used for liquid rocket thruster nozzles, such as in the main engine of the Apollo Lunar Modules, is C103, which consists of 89% niobium, 10% hafnium and 1% titanium. [25] Another niobium alloy was used for the nozzle of the Apollo Service Module. As niobium is oxidized at temperatures above 400 °C, a protective coating is necessary for these applications to prevent the alloy from becoming brittle. [25]

Tantalum and tantalum alloys

Erreur : La version française de {{Main}} est {{Article principal}}. Erreur : La version française de {{Main}} est {{Article principal}}. Tantalum is one of the most corrosion resistant substances available.

Many important uses have been found for tantalum owing to this property, particularly in the medical and surgical fields, and also in harsh acidic environments. It is also used to make superior electrolytic capacitors. Tantalum films provide the second most capacitance per volume of any substance after Ærogel, [citation nécessaire] and allow miniaturization of electronic components and circuitry. Cellular phones and computers contain tantalum capacitors.

Rhenium alloys

Erreur : La version française de {{Main}} est {{Article principal}}. Rhenium is the most recently discovered refractory metal. It is found in low concentrations with many other metals, in the ores of other refractory metals, platinum or copper ores. It is useful as an alloy to other refractory metals, where it adds ductility and tensile strength. Rhenium alloys are being found in electronic components, gyroscopes and nuclear reactors. Rhenium finds its most important use as a catalyst. It is used as a catalyst in reactions such as alkylation, dealkylation, hydrogenation and oxidation. However its rarity makes it the most expensive of the refractory metals[26].

The creep behavior of refractory metals

Refractory metals and alloys attract the attention of investigators because of their remarkable properties and on account of promising practical prospects.

Physical properties of refractory metals, such as molybdenum, tantalum and tungsten, their strength, and high-temperature stability make them suitable material for hot metalworking applications and for vacuum furnace technology. Many special applications exploit these properties : for example, tungsten lamp filaments operate at temperatures up to 3073 K, and molybdenum furnace windings withstand to 2273 K.

However, a poor low-temperature fabricability and an extreme oxidability at high-temperatures are shortcomings of the most refractory metals. Interactions with environment can significantly influence on their high-temperature creep strength. Application of these metals requires a protective atmosphere or a coating.

The refractory metal alloys of molybdenum, niobium, tantalum, and tungsten have been applied for the space nuclear power systems. These systems were designed to operate at temperatures from 1350 K to approximately 1900 K. An environment must not interact with the material in question. Liquid alkali metals as the heat transfer fluids are used as well as the ultrahigh vacuum.

The high-temperature creep strain of alloys must be limited for them to be used. The creep strain should not exceed 1–2%. An additional complication in studying creep behavior of the refractory metals is interactions with environment, which can significantly influence the creep behavior.

See also

References

  1. (en) Michæl Bauccio et American Society for Metals, ASM metals reference book, ASM International, 1993,  p. (ISBN 19939780871704788) [lire en ligne], «Refractory metals» 
  2. (en) Behavior and Properties of Refractory Metals, 1965-06-01,  p. (ISBN 9780804701624) [lire en ligne], «General Behaviour of Refractory Metals» 
  3. (en) Alloying : understanding the basics, 2001,  p. (ISBN 9780871707444) [lire en ligne] 
  4. V. A. Borisenko, «Investigation of the temperature dependence of the hardness of molybdenum in the range of 20–2500°C», dans Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, vol.  1, 1963, p.  182 lien DOI ] 
  5. Habashi Fathi, «Historical Introduction to Refractory Metals», dans Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, vol.  22, no 1, 2001, p.  25–53 lien DOI ] 
  6. (en) Kalpakjian Schmid, Manufacturing engineering and technology, Pearson Prentice Hall, 2006,  p. (ISBN 9787302125358) [lire en ligne], «Creep» 
  7. (en) Andrzej Weroński et Tadeusz Hejwowski, Thermal fatigue of metals, CRC Press, 1991,  p. (ISBN 9780824777265) [lire en ligne], «Creep-Resisting Materials» 
  8. (en) Erik Lassner et Wolf-Dieter Schubert, Tungsten : properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds, Springer, 1999,  p. (ISBN 9780306450532) [lire en ligne] 
  9. (en) National Research Council (U. S. ), Panel on Tungsten, Committee on Technical Aspects of Critical and Strategic Material, Trends in Usage of Tungsten : Report, National Research Council, National Academy of Sciences-National Academy of Engineering, 1973,  p. [lire en ligne] 
  10. (en) Erik Lassner et Wolf-Dieter Schubert, Tungsten : properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds, Springer, 1999 (ISBN 9780306450532) [lire en ligne] 
  11. (en) Michæl K. Harris, Welding health and safety : a field guide for ŒHS professionals, AIHA, 2002,  p. (ISBN 9781931504287) [lire en ligne], «Welding Health and Safety» 
  12. (en) William L. Galvery et Frank M. Marlow, Welding essentials : questions & answers, Industrial Press Inc., 2001,  p. (ISBN 9780831131517) [lire en ligne] 
  13. (7–11 May 2001) "KINETIC ENERGY PROJECTILES : DEVELOPMENT HISTORY, STATE OF THE ART, TRENDS" in 19th International Symposium of Ballistics..  
  14. (en) P. Ramakrishnan, Powder metallurgy : processing for automotive, electrical/electronic and engineering industry, New Age International, 2007-01-01,  p. (ISBN 8122420303) [lire en ligne], «Powder metallurgyfor Ærospace Applications» 
  15. Arora, Arran, «Tungsten Heavy Alloy For Defence Applications», dans Materials Technology, vol.  19, no 4, 2004, p.  210–216 
  16. V. S. Moxson et F. H. (sam) Frœs, «Fabricating sports equipment components via powder metallurgy», dans JOM, vol.  53, 2001, p.  39 lien DOI ] 
  17. (en) Robert E. Smallwood, ASTM special technical publication 849 : Refractory metals and their industrial applications : a symposium, ASTM International, 1984,  p. (ISBN 19849780803102033) [lire en ligne], «TZM Moly Alloy» 
  18. G. A. Kozbagarova, A. S. Musina et V. A. Mikhaleva, «Corrosion Resistance of Molybdenum in Mercury», dans Protection of Metals, vol.  39, 2003, p.  374–376 lien DOI ] 
  19. (en) C. K. Gupta, Extractive Metallurgy of Molybdenum, CRC Press, 1992,  p. (ISBN 9780849347580) [lire en ligne], «Electric and Electronic Industry» 
  20. Commodity Summary 2009 :Molybdenum
  21. D. R. Ervin, D. L. Bourell, C. Persad et L. Rabenberg, «Structure and properties of high energy, high rate consolidated molybdenum alloy TZM», dans Materials Science and Engineering : A, vol.  102, 1988, p.  25 lien DOI ] 
  22. (en) Neikov Oleg D., Handbook of Non-Ferrous Metal Powders : Technologies and Applications, Elsevier, 2009,  p. (ISBN 9781856174220) [lire en ligne], «Properties of Molybdenum and Molybdenum Alloys powder» 
  23. (en) Joseph R. Davis, ASM specialty handbook : Heat-resistant materials, 1997,  p. (ISBN 9780871705969) [lire en ligne], «Refractory Metalls and Alloys» 
  24. John Hebda, «Niobium alloys and high Temperature Applications», dans Niobium Science & Technology : Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, USA) , Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração, 2001-05-02 [pdf]texte intégral ] 
  25. (en) J. W. Wilson, Behavior and Properties of Refractory Metals, Stanford University Press, 1965 (ISBN 9780804701624) [lire en ligne], «Rhenium» 

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