내화금속

Refractory metals
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내화금속
내화 금속의[1] 광범위한 정의

내화 금속은 열과 마모에 매우 강한 금속의 일종이다. 이 표현은 주로 재료 과학, 야금, 공학의 맥락에서 사용된다. 이 그룹에 속하는 요소의 정의는 다르다. 가장 일반적인 정의는 5차 시기(니오비움과 몰리브덴)의 2개 원소와 6차 시기(탄탈룸, 텅스텐, 레늄)의 3개 원소의 5개 원소를 포함한다. 이들은 모두 2000 °C 이상의 용해 지점과 상온에서 높은 경도를 포함한 일부 특성을 공유한다. 그것들은 화학적으로 불활성이며 비교적 높은 밀도를 가지고 있다. 그들의 높은 용해 지점은 분말 야금술을 이들 금속으로부터 성분을 조작하기 위한 선택 방법의 하나로 만든다. 그 응용 프로그램으로는 고온에서 금속을 가공하는 도구, 와이어 필라멘트, 주조 금형 및 부식성 환경에서 화학 반응 용기가 포함된다. 부분적으로 높은 용해점 때문에, 내화 금속은 매우 높은 온도로 크리프 변형에 대해 안정적이다.

정의

'환상 금속'이라는 용어의 대부분의 정의는 포함에 대한 주요 요구 사항으로 매우 높은 용해점을 열거한다. 하나의 정의에 의해, 자격을 갖추기 위해 4,000 °F(2,200 °C) 이상의 용해 지점이 필요하다.[2] 니오비움, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐, 레늄 등 5개 원소가 모든 정의에 포함되며,[3] 용융점이 2,123K(1,850°C) 이상인 모든 원소를 포함한 넓은 정의는 티타늄, 바나듐, 크롬, 지르코늄, 하프늄, 루데늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐 등 9개 추가 원소를 다양하게 포함한다. 테크네티움이 2430 K 또는 2157 °C의 녹는점을 가지고 있고 러더포듐이 2400 K 또는 2100 °C의 녹는점을 가지고 있을 것으로 예측되지만, 방사성인 인공 원소는 결코 내화 금속의 일부로 간주되지 않는다.[4]

특성.

물리적인

내화금속 특성
이름 니오비움 몰리브덴 탄탈룸 텅스텐 레늄
기간 5 5 6 6 6
녹는점[prop 1] K 2750 2896 3290 3695 3459
비등점[prop 2] K 5017 4912 5731 6203 5869
용해점 °C[prop 1] 2477 2623 3017 3422 3186
비등점 °C[prop 2] 4744 4639 5458 5930 5596
밀도 g·cm−3[prop 3] 8.57 10.28 16.69 19.25 21.02
영의 계통 GPA 105 329 186 411 463
비커스 경도 MPa 1320 1530 873 3430 2450
  1. ^ a b 원소의 용해 지점에서 여러 참조를 사용하여 얻은 일치 값.
  2. ^ a b 여러 참조를 사용하여 원소의 비등점에서 얻은 일치 값. 텅스텐은 특히 넓은 범위의 불일치를 가지며, 두 개의 1차 선원이 5555°C를 보고한다.
  3. ^ 다수의 참조가 있는 요소의 밀도로부터 얻은 일치 값.

내화금속은 녹는점이 높아 텅스텐과 레늄이 모든 원소 중 가장 높으며, 상대방의 녹는점은 오스뮴과 이리듐에 의해서만 초과되고 탄소의 승화는 이루어진다. 이러한 높은 용해점은 대부분의 용도를 정의한다. 육각형의 촘촘한 레늄을 제외한 모든 금속은 체내 중심 큐빅이다. 이 그룹에 속한 요소의 물리적 특성은 대부분 서로 다른 그룹의 구성원이기 때문에 크게 다르다.[5][6]

크리프 저항은 내화 금속의 주요 특성이다. 금속에서 크리프의 시작은 재료의 용해점과 상관관계가 있다. 알루미늄 합금의 크리프는 200 °C에서 시작되는 반면, 1500 °C 이상의 내화 금속의 경우 필요하다. 고온에서 변형에 대한 이러한 저항은 예를 들어 제트 엔진이나 단조 시 사용되는 도구와 같이 고온에서 강한 힘에 대해 내화 금속을 적합하게 만든다.[7][8]

케미컬

내화 금속은 주기율표에서 세 개의 구별되는 집단의 구성원이기 때문에 다양한 화학적 성질을 보인다. 그것들은 쉽게 산화되지만, 이러한 반응은 표면에 안정된 산화층이 형성되어 벌크 금속에서 느려진다(열화). 특히 레늄의 산화물은 금속보다 휘발성이 강하기 때문에 고온에서는 산소의 공격에 대비한 안정성이 상실되는데, 이는 산화층이 증발하기 때문이다. 그들은 모두 산에 대해 비교적 안정적이다.[5]

적용들

내화 금속은 조명, 공구, 윤활유, 핵반응 제어봉에 촉매로 사용되며 화학적 또는 전기적 특성에 사용된다. 용해점이 높기 때문에 내화 금속 부품은 주조 공법으로 가공되지 않는다. 분말 야금의 과정이 사용된다. 순수 금속의 가루들은 압축되고, 전류를 사용하여 가열되며, 냉간 가공 단계들에 의해 더 많이 가공된다. 내화 금속은 철사, 주괴, 철근, 시트 또는 호일을 만들 수 있다.

몰리브덴 합금

주요 기사: 몰리브덴과 몰리브덴 § 응용 프로그램

몰리브덴 기반의 합금은 우수한 텅스텐 합금보다 저렴하기 때문에 널리 사용된다. 몰리브덴 합금이 가장 널리 사용되는 것은 티타늄-지르코늄-몰리브덴 합금 TZM으로 티타늄 0.5%, 지르코늄 0.08%(몰리브덴이 나머지)로 구성되어 있다. 이 합금은 고온에서 더 높은 크리프 저항과 강도를 보여 재료의 서비스 온도가 1060 °C를 초과할 수 있다. 몰리브덴 70%와 텅스텐 30%의 합금인 Mo-30W의 높은 저항성은 녹은 아연의 공격에 이상적인 재료로 꼽힌다. 용해된 아연을 위한 밸브를 만드는 데도 사용된다.[9]

몰리브덴은 수은에 적신 갈대 릴레이에 사용된다. 몰리브덴은 아말그램을 형성하지 않기 때문에 액체 수은에 의한 부식에 내성이 있기 때문이다.[10][11]

몰리브덴은 내화금속 중 가장 많이 사용된다. 그것의 가장 중요한 용도는 강철의 강화 합금이다. 구조용 튜브와 배관은 많은 스테인리스강과 마찬가지로 몰리브덴을 포함하고 있다. 고온에서의 강도, 내마모성, 낮은 마찰계수는 모두 합금 화합물로서 귀중하게 만드는 특성이다. 우수한 마찰방지 특성으로 신뢰성과 성능이 중요한 그리스와 오일 등에 접목됐다. 자동차 고정 속도 조인트는 몰리브덴이 함유된 그리스를 사용한다. 이 화합물은 금속에 쉽게 달라붙어 매우 단단하고 마찰에 강한 코팅을 형성한다. 세계의 몰리브덴 광석의 대부분은 중국, 미국, 칠레, 캐나다에서 발견될 수 있다.[12][13][14][15]

텅스텐과 그 합금

주요 기사: 텅스텐 및 텅스텐 § 응용 프로그램

텅스텐은 1781년 스웨덴의 화학자 칼 빌헬름 스크흘에 의해 발견되었다. 텅스텐은 3,410 °C(6,170 °F)로 모든 금속 중 가장 높은 용해점을 가지고 있다.

고도로 확대된 200와트 백열전구의 필라멘트

최대 22%의 레늄을 텅스텐과 합금하여 고온 강도와 부식 저항성을 개선한다. 합금 화합물로서의 토륨은 전기 호를 만들어야 할 때 사용된다. 토륨을 첨가하지 않은 것보다 발화가 더 쉽고 아크가 더 안정적으로 연소된다. 분말 야금 어플리케이션의 경우, 바인더를 소결 공정으로 사용해야 한다. 텅스텐 중합금 생산을 위해 니켈과 철 또는 니켈과 구리의 결합재 혼합물이 널리 사용된다. 합금의 텅스텐 함량은 보통 90% 이상이다. 텅스텐 알갱이로 바인더 원소들의 확산은 더딘 온도에서도 낮기 때문에 알갱이의 내부는 순수한 텅스텐이다.[16]

텅스텐과 그 합금은 높은 온도가 존재하지만 여전히 높은 강도가 필요하고 높은 밀도가 문제가 되지 않는 용도에 종종 사용된다.[17] 텅스텐 와이어 필라멘트는 대부분의 가정용 백열 조명을 제공하지만, 아크 램프의 전극으로서 산업용 조명에서도 흔히 볼 수 있다. 램프는 더 높은 온도의 빛으로 전기 에너지를 변환하는데 더 효율적이기 때문에 백열등에서 필라멘트로서 높은 용해 지점이 필수적이다.[18] 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW, TIG(Tungsten Inert Gas) 용접) 장비는 녹지 않는 영구 전극을 사용한다. 전기 아크에 대한 높은 녹는점과 마모 저항성은 텅스텐을 전극에 적합한 재료로 만든다.[19][20]

텅스텐의 고밀도와 강도는 무기 발사체에 사용하기 위한 핵심 특성이기도 하다. 예를 들어 탱크 포탄에 사용되는 고갈된 우라늄의 대안으로서도 그러하다.[21] 그것의 높은 녹는점은 텅스텐을 예를 들어 UGM-27 폴라리스와 같은 로켓 노즐과 같은 용도에 좋은 재료로 만든다.[22] 텅스텐의 일부 적용은 그것의 내화적 특성과 관련이 있는 것이 아니라 단순히 그것의 밀도와 관련이 있다. 예를 들어, 그것은 비행기와 헬리콥터의 균형추나 골프 클럽의 우두머리들의 균형추에 사용된다.[23][24] 이 응용 프로그램에서는 더 비싼 오스뮴과 같은 비슷한 밀도가 높은 물질도 사용될 수 있다.

텅스텐의 가장 일반적인 용도는 드릴 비트, 가공 및 절삭 공구의 복합 텅스텐 카바이드로 사용된다. 텅스텐 매장량이 가장 많은 곳은 중국에 있으며, 한국, 볼리비아, 호주 등지에 예금이 있다.

그것은 또한 스스로를 윤활유, 항산화제, 노즐과 부싱, 보호 코팅, 그리고 많은 다른 방법으로 기능하고 있다는 것을 발견한다. 텅스텐은 인쇄 잉크, X선 스크린, 석유 제품 가공, 섬유 불꽃 방지 등에서 찾을 수 있다.

니오비움 합금

주요 기사: Niobium § 응용 프로그램 및 Niobium 합금
Image of the Apollo Service Module with the moon in the background
아폴로 CSM(Niobium-titanium) 합금으로 만든 다크 로케트 노즐 포함)

니오비움은 거의 항상 탄탈룸과 함께 발견되며, 탄탈룸이 명명된 그리스 신화의 왕 탄탈루스의 딸 니오베의 이름을 따서 명명되었다. 니오비움은 많은 용도를 가지고 있으며, 그 중 일부는 다른 내화 금속과 공유한다. 아닐링을 통해 작업할 수 있어 강도와 연성의 폭이 넓으며, 내화금속 중 가장 밀도가 낮다는 점이 독특하다. 그것은 또한 전해 콘덴서와 가장 실용적인 초전도 합금에서도 발견될 수 있다. 니오비움은 항공기 가스 터빈, 진공관, 원자로에서 발견될 수 있다.

아폴로 달 모듈의 메인 엔진에서와 같이 액체로켓 추진체 노즐에 사용되는 합금은 C103으로 니오비움 89%, 하프늄 10%, 티타늄 1%로 구성된다.[25] 아폴로 서비스 모듈의 노즐에는 또 다른 니오비움 합금이 사용되었다. 니오비움은 400 °C 이상의 온도에서 산화되기 때문에 이러한 용도에 대해서는 합금이 부서지는 것을 방지하기 위한 보호 코팅이 필요하다.[25]

탄탈룸과 그 합금

주요 기사: 탄탈룸과 탄탈룸 § 적용사례

탄탈룸은 가장 부식에 강한 물질 중 하나이다.

탄탈룸에 많은 중요한 용도가 발견되었는데, 특히 의학과 외과 분야, 그리고 가혹한 산성 환경에서도 그러하다. 뛰어난 전해 캐패시터를 만드는 데도 쓰인다. 탄탈룸 필름은 에어로겔에 이어 모든 물질의 부피 당 두 번째로 많은 캐패시턴스를 제공하며,[citation needed] 전자 부품과 회로의 소형화가 가능하다. 많은 휴대폰과 컴퓨터에는 탄탈럼 콘덴서가 들어 있다.

레늄 합금

주요 기사: 레늄

레니움은 가장 최근에 발견된 내화 금속이다. 그것은 다른 많은 금속들과 함께 저농도에서 발견되며, 다른 굴절 금속들, 백금 또는 구리 광석의 광석에서 발견된다. 연성과 인장 강도를 더하는 다른 내화 금속의 합금으로 유용하다. 레늄 합금은 전자부품, 자이로스코프, 원자로에 사용되고 있다. 레니움은 촉매로서 가장 중요한 용도를 찾는다. 알킬화, 탈킬화, 수소화, 산화 등의 반응에서 촉매제로 사용된다. 그러나 그것의 희귀성은 그것을 내화 금속들 중 가장 비싸게 만든다.[26]

장단점

내화금속과 합금은 뛰어난 성질과 실용적인 유용성 때문에 조사자들의 관심을 끈다.

몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐 등 내화 금속의 물리적 특성, 그 강도, 고온 안정성은 고온 금속 작업 응용과 진공 용해로 기술에 적합한 재료가 된다. 예를 들어 텅스텐 램프 필라멘트는 최대 3073K의 온도에서 작동하며 몰리브덴 용해로 권선은 2273K까지 견딜 수 있다.

그러나 저온 가공성이 떨어지고 고온에서 산화성이 극심하다는 것은 대부분의 굴절 금속의 단점이다. 환경과의 상호작용은 그들의 고온 크리프 강도에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 금속을 적용하려면 보호 대기 또는 코팅이 필요하다.

몰리브덴, 니오비움, 탄탈룸, 텅스텐의 내화 금속 합금이 우주 원자력 시스템에 적용되었다. 이 시스템은 1350 K에서 약 1900 K까지의 온도에서 작동하도록 설계되었다. 환경은 문제의 물질과 상호 작용해서는 안 된다. 초고진공뿐만 아니라 열전달액으로서의 액체 알칼리 금속이 사용된다.

합금의 고온 크리프 변형률의 사용을 제한해야 한다. 크리프 스트레인은 1~2%를 초과해서는 안 된다. 내화 금속의 크리프 거동을 연구하는 데 있어 추가적인 복잡성은 환경과의 상호작용인데, 이것은 크리프 거동에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

참고 항목

참조

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  18. ^ Lassner, Erik; Schubert, Wolf-Dieter (1999). Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds. Springer. ISBN 978-0-306-45053-2.
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추가 읽기

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  • Hayes, Earl (1961). "Chromium and Vanadium". Industrial & Engineering Chemistry. 53 (2): 105–107. doi:10.1021/ie50614a020.