Les métaux réfractaires sont une classe de métaux extrêmement résistants à la chaleur et à l'usure. L'expression est principalement utilisée dans le contexte de la science des matériaux, de la métallurgie et de l'ingénierie. La définition des éléments appartenant à ce groupe diffère. La définition la plus courante comprend cinq éléments : deux de la cinquième période (niobium et molybdène) et trois de la sixième période (tantale, tungstène et rhénium). Ils partagent tous certaines propriétés, notamment un point de fusion supérieur à 2000 °C et une dureté élevée à température ambiante. Ils sont chimiquement inertes et ont une densité relativement élevée. Leurs points de fusion élevés font de la métallurgie des poudres la méthode de choix pour la fabrication de composants à partir de ces métaux. Certaines de leurs applications incluent des outils pour travailler les métaux à haute température, des filaments de fil, des moules de coulée et des réacteurs chimiques dans des environnements corrosifs. En partie à cause du point de fusion élevé, les métaux réfractaires sont stables contre la déformation par fluage à des températures très élevées.
La plupart des définitions du terme'métaux réfractaires' énumérer le point de fusion extraordinairement élevé comme une exigence clé pour l'inclusion. Selon une définition, un point de fusion supérieur à 4 000 °F (2 200 °C) est nécessaire pour se qualifier.[2] Les cinq éléments niobium, molybdène, tantale, tungstène et rhénium sont inclus dans toutes les définitions,[3] tandis que la définition plus large, y compris tous les éléments avec un point de fusion supérieur à 2 123 K (1 850 ° C), comprend un nombre variable de neuf éléments supplémentaires : titane, vanadium, chrome, zirconium, hafnium, ruthénium, rhodium, osmium et iridium. Les éléments artificiels, étant radioactifs, ne sont jamais considérés comme faisant partie des métaux réfractaires, bien que le technétium ait un point de fusion de 2430 K ou 2157 °C et que le rutherfordium devrait avoir un point de fusion de 2400 K ou 2100 °C.
| Nom | Niobium | Molybdène | Tantale | Tungstène | Rhénium |
| Période | 5 | 5 | 6 | 6 | 6 |
| Point de fusion K | 2750 | 2896 | 3290 | 3695 | 3459 |
| Point d'ébullition K | 5017 | 4912 | 5731 | 6203 | 5869 |
| Point de fusion°C | 2477 | 2623 | 3017 | 3422 | 3186 |
| Point d'ébullition °C | 4744 | 4639 | 5458 | 5930 | 5596 |
| Densité g.cm-3 | 8.57 | 10.28 | 16.69 | 19.25 | 21.02 |
Jeune's module GPa | 105 | 329 | 186 | 411 | 463 |
| Dureté Vickers MPa | 1320 | 1530 | 873 | 3430 | 2450 |
Les métaux réfractaires sont utilisés dans l'éclairage, les outils, les lubrifiants, les barres de contrôle des réactions nucléaires, comme catalyseurs et pour leurs propriétés chimiques ou électriques. En raison de leur point de fusion élevé, les composants métalliques réfractaires ne sont jamais fabriqués par coulée. Le procédé de la métallurgie des poudres est utilisé. Les poudres du métal pur sont compactées, chauffées à l'aide de courant électrique et ensuite fabriquées par travail à froid avec des étapes de recuit. Les métaux réfractaires peuvent être transformés en fils, lingots, barres d'armature, feuilles ou feuilles.
Alliages de molybdène
Articles principaux :Molybdèneet molybdène § Applications
Les alliages à base de molybdène sont largement utilisés, car ils sont moins chers que les alliages de tungstène supérieurs. L'alliage de molybdène le plus largement utilisé est l'alliage Titane-Zirconium-Molybdène TZM, composé de 0,5% de titane et de 0,08% de zirconium (le molybdène étant le reste). L'alliage présente une résistance au fluage et une résistance supérieures à des températures élevées, permettant des températures de service supérieures à 1060 °C pour le matériau. La haute résistivité du Mo-30W, un alliage de 70 % de molybdène et de 30 % de tungstène, contre l'attaque du zinc fondu en fait le matériau idéal pour la coulée du zinc. Il est également utilisé pour construire des vannes pour le zinc fondu.
Le molybdène est utilisé dans les relais à roseaux mouillés au mercure, car le molybdène ne forme pas d'amalgames et est donc résistant à la corrosion par le mercure liquide.[10][11]
Le molybdène est le plus couramment utilisé des métaux réfractaires. Son utilisation la plus importante est comme alliage de renforcement de l'acier. Les tubes et tuyaux structurels contiennent souvent du molybdène, tout comme de nombreux aciers inoxydables. Sa résistance à haute température, sa résistance à l'usure et son faible coefficient de frottement sont autant de propriétés qui le rendent précieux comme composé d'alliage. Ses excellentes propriétés antifriction conduisent à son incorporation dans les graisses et les huiles où la fiabilité et les performances sont essentielles. Les joints homocinétiques automobiles utilisent de la graisse contenant du molybdène. Le composé adhère facilement au métal et forme un revêtement très dur et résistant au frottement.
Tungstène et ses alliages
Articles principaux: Tungstène et 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 tous les métaux, à 3 410 °C (6 170 °F).
Filament d'une ampoule à incandescence de 200 watts fortement grossie
Le tungstène et ses alliages sont souvent utilisés dans des applications où des températures élevées sont présentes mais une résistance élevée est néanmoins nécessaire et la densité élevée n'est pas gênante. Les filaments de fil de tungstène fournissent la grande majorité de l'éclairage à incandescence domestique, mais sont également courants dans l'éclairage industriel en tant qu'électrodes dans les lampes à arc. Les lampes deviennent plus efficaces 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 l'application en tant que filament dans la lumière incandescente.[18] L'équipement de soudage à l'arc au tungstène gazeux (GTAW, également connu sous le nom de soudage au gaz inerte au tungstène (TIG)) utilise une électrode permanente qui ne fond pas. Le point de fusion élevé et la résistance à l'usure contre l'arc électrique font du tungstène un matériau approprié pour l'électrode.
La densité et la résistance élevées du tungstène's sont également des propriétés clés pour son utilisation dans les projectiles d'armes, par exemple comme alternative à l'uranium appauvri pour les canons de char. Son point de fusion élevé fait du tungstène un bon matériau pour des applications comme les tuyères de fusée, par exemple dans l'UGM-27 Polaris. Certaines des applications du tungstène ne sont pas liées à ses propriétés réfractaires mais simplement à sa densité. Par exemple, il est utilisé dans les masses d'équilibrage pour les avions et les hélicoptères ou pour les têtes de clubs de golf. Dans ces applications, des matériaux denses similaires comme l'osmium plus cher peuvent également être utilisés.
L'utilisation la plus courante du tungstène est le carbure de tungstène composé dans les forets, les outils d'usinage et de coupe. Les plus grandes réserves de tungstène se trouvent en Chine, avec des gisements en Corée, en Bolivie, en Australie et dans d'autres pays.
Il se retrouve également à servir de lubrifiant, d'antioxydant, dans les buses et les bagues, de revêtement protecteur et de bien d'autres manières. Le tungstène peut être trouvé dans les encres d'imprimerie, les écrans à rayons X, dans le traitement des produits pétroliers et dans l'ignifugation des textiles.
Alliages de niobium
Articles principaux: Niobium § Applications, et alliage de niobium
Apollo CSM avec la tuyère de fusée noire en alliage niobium-titane
Le niobium se trouve presque toujours avec le tantale et a été nommé d'après Niobe, la fille du roi grec mythique Tantale pour qui le tantale a été nommé. Le niobium a de nombreuses utilisations, dont certaines sont partagées avec d'autres métaux réfractaires. Il est unique en ce qu'il peut être travaillé par recuit pour obtenir une large gamme de résistance et de ductilité, et est le moins dense des métaux réfractaires. On le trouve également dans les condensateurs électrolytiques et dans les alliages supraconducteurs les plus pratiques. Le niobium se trouve dans les turbines à gaz des avions, les tubes à vide et les réacteurs nucléaires.
Un alliage utilisé pour les tuyères de propulseur de fusée liquide, comme dans le moteur principal des modules lunaires Apollo, est le C103, qui se compose de 89 % de niobium, 10 % d'hafnium et 1 % de titane.[25] Un autre alliage de niobium a été utilisé pour la buse du module de service Apollo. Comme le niobium est oxydé à des températures supérieures à 400 °C, un revêtement protecteur est nécessaire pour ces applications afin d'éviter que l'alliage ne devienne cassant.
Tantale et ses alliages
Articles détaillés : Tantale et Tantale § Applications
Le tantale est l'une des substances les plus résistantes à la corrosion disponibles.
De nombreuses utilisations importantes ont été trouvées pour le tantale en raison de cette propriété, en particulier dans les domaines médicaux et chirurgicaux, ainsi que dans des environnements acides sévères. Il est également utilisé pour fabriquer des condensateurs électrolytiques de qualité supérieure. Les films de tantale fournissent la deuxième plus grande capacité par volume de toute substance après Aerogel, [citation nécessaire] et permettent la miniaturisation des composants électroniques et des circuits. De nombreux téléphones portables et ordinateurs contiennent des condensateurs au tantale.
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