내화 금속:속성, 유형 및 응용

내화 금속은 고유하고 바람직한 특성과 거동, 특히 내부식성 및 내마모성과 열에 대한 탁월한 내성 때문에 널리 사용됩니다.

이 금속은 주로 공학, 과학 및 야금 분야에서 사용됩니다. 이 금속 등급에 속하는 5가지 주요 요소는 다음과 같습니다.

몰리브덴(Mo)
레늄(Re)
니오븀(Nb)
텅스텐(W)
탄탈륨(Ta)

이 다섯 가지 요소는 특히 화씨 3,600도(섭씨 2,000도)보다 높은 온도에 노출될 때 실온에서의 높은 경도 및 높은 융점과 같은 몇 가지 주요 특성을 공유합니다. (경도 증가에 대한 자세한 내용은 부식 및 내마모성 질화를 참조하십시오.)

내화 금속은 밀도가 높고 화학적으로 불활성입니다. 높은 융점으로 인해 분말 야금이 다양한 구성 요소를 제조하기 위한 선택으로 자리 잡았습니다.

내화 금속의 가장 일반적인 응용 분야로는 와이어 필라멘트, 도구, 부식성 분위기 내의 화학 용기 및 주형이 있습니다. 녹는점이 매우 높기 때문에 내화 금속은 매우 안정적입니다.

이제 내화 금속의 특징, 특성, 이점 및 응용 분야를 포함하여 자세히 살펴보겠습니다.

내화 금속의 주요 특징

내화 금속의 주요 식별 요소 중 하나는 내열성입니다. 이 등급에 속하는 5가지 금속은 모두 화씨 3,632도(섭씨 2,000도)보다 높은 융점이 특징입니다.

내화 금속은 또한 극도로 높은 온도에서도 강하고 본질적으로 단단하기 때문에 드릴링 및 절삭 공구에 적합합니다. 내화 금속은 열 충격과 같은 요인에 매우 강합니다. 즉, 냉각과 가열을 반복해도 균열, 팽창 또는 응력이 발생하지 않습니다.(가열 중인 금속에 대한 자세한 내용은 참조) 고열 표면 코팅 시 5가지 주요 고려사항 .)

또한, 이 그룹에 속하는 5가지 금속 모두 고밀도 수준과 우수한 열 및 전기적 특성을 가지고 있습니다. 그들은 또한 크리프에 저항력이 있으므로 매우 스트레스가 많은 환경이나 조건에 노출되면 천천히 변형됩니다. 이는 내화 금속이 고온에서 산화될 수 있음에도 불구하고 보호 층을 구성하여 내부식성을 만들 수 있기 때문입니다.

내화 금속의 물리적 및 화학적 특성

내화 금속은 고유한 물리적 및 화학적 특성에 따라 분류할 수 있습니다. 그리고 이러한 요소를 최대한 활용하려면 요소를 철저히 이해하는 것이 중요합니다.

내화 금속의 물리적 특성

내화 금속은 다음과 같은 주요 물리적 특징으로 표시됩니다.

끓는점이 높습니다. 내화 금속의 융점은 탄소, 오스뮴 및 이리듐을 제외한 다른 모든 금속의 융점보다 높습니다.
체심 입방 결정 구조.
높은 크리프 저항

즉, 내화 금속의 특정 특성은 주기율표의 여러 그룹에서 유래하기 때문에 매우 다양합니다.

예를 들어, 5가지 내화 금속 모두에서 레늄은 화씨 5,757도(섭씨 3,186도)에서 가장 높은 융점을 갖는 반면 니오븀은 4,491deF(2,477°C)에서 가장 낮은 융점을 갖습니다. 끓는점과 관련하여 니오븀은 화씨 8,572도(섭씨 4,744도)이고 레늄은 화씨 10,105도(섭씨 5,596도)입니다. (고열 재료를 사용하는 응용 분야에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. All Steamed Up:Steam의 다양한 유형과 용도 .)

크리프 저항도 마찬가지입니다. 화씨 1,832도(섭씨 1,000도)에서 크립을 형성하기 시작하는 금속이 있는 반면 화씨 932도(섭씨 500도) 미만에서 시작하는 금속이 있습니다.

내화 금속의 화학적 특성

내화 금속은 주기율표에서 각각 다른 분류에 속하기 때문에 다양한 화학적 특성을 가지고 있습니다.

일반적으로 이러한 금속은 쉽게 산화됩니다. 그러나 반응은 금속 위에 안정적인 산화물 층을 만들어 제어할 수 있습니다. 레늄은 휘발성이 높기 때문에 특히 그렇습니다. 따라서 산화물층이 증발하면서 고온에서 산소의 공격에 대한 안정성을 잃을 수 있습니다.

그러나 모든 내화 금속은 산과 같은 물질에 비교적 안정합니다.

내화 금속 사용의 이점은 무엇입니까?

고유한 특성 덕분에 내화 금속은 다양한 응용 분야 및 산업에 매우 유용합니다. 주요 이점은 다음과 같습니다.

매우 높은 융점

텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 내화 금속은 융점이 매우 높아 유리 제조에 유리합니다.

고강도

내화 금속은 매우 높은 온도에서도 고유하게 강합니다.

예를 들어, 텅스텐으로 만든 로켓 콘은 상온에서 철의 인장 강도가 두 배입니다. (이 주제에 대한 자세한 내용은 강도와 인성의 차이점을 참조하세요. )

뛰어난 마모 및 내마모성

내화성 금속, 특히 합금은 밸브 시트, 씰, 노즐 및 기타 마모되기 쉬운 영역의 수명을 연장할 수 있습니다.

우수한 내식성

화학 공장의 배관은 일반적으로 내화 금속으로 만들어지기 때문에 스테인리스 스틸에 비해 높은 수준의 내식성을 제공합니다.

열 충격 저항

텅스텐과 같은 금속은 열로 인한 빠른 팽창으로 인한 응력을 견딜 수 있습니다.

텅스텐은 녹는점이 매우 높으며 온전한 상태에 영향을 주지 않으면서 일련의 온-오프 사이클을 견딜 수 있습니다.

열 및 전기 전도

많은 전자 또는 전기 응용 분야 외에도 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 내화 금속은 우수한 방열판을 만듭니다.

극단적인 경도

오늘날 가장 널리 사용되는 절삭 공구는 텅스텐 카바이드와 같은 재료로 만들어집니다.

내화 금속은 또한 광산 및 시추 가스 또는 유정에서 금속 및 강철을 형성하는 데에도 좋습니다. (석유 및 가스 산업에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 석유 및 가스 산업의 원격 부식 모니터링 시스템 .)

고밀도 및 비중

대부분의 내화 금속은 밀도가 높아 골프 클럽 헤드와 항공기 자이로스코프를 만드는 데 매우 유용합니다.

고유한 기능

뛰어난 방사선 차폐 및 화학 촉매 역할을 하는 등 매우 유용한 기능을 가진 일부 내화 금속.

내화 금속의 유형 및 응용

5가지 내화 금속이 있습니다. 각각 고유한 속성과 응용 프로그램이 함께 제공됩니다.

전반적으로 내화 금속의 일반적인 응용 분야에는 와이어 필라멘트, 도구, 부식성 대기 내의 화학 용기 및 주조 금형이 포함됩니다. 용융점이 매우 높기 때문에 내화 금속은 매우 안정적입니다.

다음은 5가지 내화 금속 각각에 대한 보다 구체적인 적용입니다.

텅스텐

텅스텐은 내화 금속 중에서 가장 풍부합니다. 내화금속 중에서 융점이 가장 높고 금속밀도가 가장 높다. 탄소와 같은 다른 요소와 결합하면 매우 단단할 수 있습니다. 부식에도 강합니다.

조명 응용 프로그램

집에서 사용되는 대부분의 백열등과 같은 와이어 필라멘트에 널리 사용되는 텅스텐. 그러나 이는 산업용 아크 램프 및 조명에서도 흔히 볼 수 있습니다. (산업용 애플리케이션에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 폴리우레아 코팅에 대해 알아야 할 8가지 사항 .)

무대 조명은 텔레비전 스튜디오와 음향 무대뿐만 아니라 연극 제작, 콘서트 및 기타 라이브 이벤트가 열리는 장소에서 사용됩니다. 그리고 무대 조명은 여전히 백열등 기술을 사용하지만 일반적으로 전체 장면 표현을 제어하기 위해 신중하게 보정된 색온도 값을 가진 독점적인 고성능 텅스텐 할로겐(또는 석영 할로겐) 램프의 형태입니다.

코로나 방전

코로나 방전은 도체 주변의 공기가 이온화될 때 생성되는 플라즈마 커튼입니다.

코로나 방전은 텅스텐 와이어를 사용하여 종종 수행되며 가장 잘 수행됩니다. 공기 여과, 프린터, 복사기 및 기타 응용 분야의 경우 텅스텐 와이어만이 충분한 이온화 및 표면 개질을 생성합니다.

로

텅스텐 와이어는 산업용 오븐에서 지지 또는 당기는 작용을 제공하는 데 널리 사용됩니다.

이는 텅스텐 와이어의 Non-sag 특성과 내열성 때문입니다. 예를 들어, 텅스텐 와이어는 종종 산업용 오븐, 용광로 및 가마의 엔지니어링 고온 영역에서 물체를 제자리에 배치하고 유지하는 데 사용되는 매트로 짜여져 있습니다.

프로브

매우 작은 직경에서도 텅스텐 와이어의 강성은 반도체 제조에서 실리콘 웨이퍼 테스트에 사용되는 캔틸레버 반도체 테스트 프로브를 포함하여 다양한 유형의 프로브에 사용하기 위한 중요한 요소입니다.

강성은 또한 의료 진단 및 치료에 사용되는 신경 프로브용 텅스텐 와이어의 장점입니다. (자세한 내용은 재료 과학 의료, 참조: 재료 과학자 경력을 시작하는 방법 .)

절단 도구 및 부품

절삭 공구 및 부품은 높은 내마모성을 요구하므로 텅스텐 카바이드로 만들어집니다.

절삭날이 연마된 텅스텐 카바이드 인서트는 브레이징 또는 기계적 고정을 통해 강철 공구 본체에 부착됩니다. 텅스텐 카바이드 공구를 사용하면 절삭 속도가 빨라지고 공구 수명이 길어집니다. 텅스텐 카바이드 염료는 일반적으로 와이어를 인발하는 데 사용됩니다.

몰리브덴

몰리브덴은 가장 많이 사용되는 내화 금속입니다. 그 이유는 대부분의 다른 금속보다 가격이 저렴하고 합금으로 만들 때 크리프와 고온에 매우 강할 수 있기 때문입니다.

이 금속은 또한 아말감을 생성하지 않아 부식에 강합니다. 특히 구조용 배관 및 튜브에서 강철 합금을 강화하는 데 주로 사용됩니다. 몰리브덴은 또한 우수한 내마찰 특성을 가지고 있어 자동차에 사용되는 오일 및 그리스의 이상적인 구성 요소입니다. (자동차 산업의 부식에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 자동차 애플리케이션에 사용되는 경량 재료의 부식 .)

스테인리스 스틸

스테인리스강은 크롬 함량이 자발적으로 강철 표면에 얇은 보호막을 형성하기 때문에 부식에 강합니다.

몰리브덴은 이 패시브 필름을 강화하여 염화물에 의해 파괴되는 경우 빠르게 재형성되도록 도와줍니다. 스테인레스 스틸의 몰리브덴 함량을 높이면 홈 및 틈새 부식 저항성이 증가합니다.

도구 및 고속 강철

공구강의 몰리브덴은 경도와 내마모성을 증가시킵니다. 임계 냉각 속도를 줄임으로써 몰리브덴은 변형이나 균열 없이 빠르게 냉각될 수 없는 거대하고 복잡한 금형에서도 최적의 마르텐사이트 매트릭스 형성을 촉진합니다.

몰리브덴을 5~10% 첨가하면 고속강의 경도와 인성을 효과적으로 극대화할 수 있으며 금속 절단 시 발생하는 고온에서 이러한 특성을 유지할 수 있습니다. (금속 절단에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 뜨거운 단락 및 용접이 금속의 부식에 미치는 영향 .)

연기 억제제

전자 기술에서 전선 및 케이블 절연은 소방관과 항공기 및 병원에 있는 사람들에게 화재 및 연기 위험을 나타냅니다. 암모늄 octamolybdate는 연기 형성을 억제하기 위해 PVC와 함께 사용되었습니다.

몰리브덴은 상온에서 제곱인치당 47*10^6파운드의 탄성 계수를 가지므로 고속 내부 그라인더의 보링 바와 퀼에 사용됩니다. 이것은 진동과 채터링으로부터 자유를 보장합니다.

탄탈륨

탄탈륨은 가장 부식에 강한 내화 금속입니다.

그것은 종종 의료 및 외과 환경과 높은 산성 환경에서 적용됩니다. 탄탈륨은 또한 컴퓨터 및 전화 회로 또는 커패시터의 주요 구성 요소입니다.

탄탈륨은 알루미늄보다 훨씬 비싸지만 두 가지 주요 이점이 있습니다.

유전율이 높아 커패시터를 더 작게 만들 수 있습니다.
산화층이 더 안정적이어서 탄탈 커패시터는 높은 신뢰성이 요구되는 애플리케이션에 유리합니다.

탄탈륨은 또한 전자 산업에서 구리가 컴퓨터 칩 및 저장 장치와 같은 제품의 실리콘을 오염시키는 것을 방지하는 장벽으로 사용됩니다. 실리콘에 구리가 존재하면 장치 성능이 저하되고 고장이 발생하기 때문에 이러한 분리가 필요합니다. (구리 부식에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 폭기 구역의 구리 부식 증가율 설명 .)

의료 애플리케이션

탄탈륨은 생체 비활성으로 인해 외과 및 생의학 응용 분야에 사용되며, 이는 공기에 노출될 때 탄탈 금속 표면에 자발적으로 형성되는 접착 산화물 층 때문입니다.

또한 탄탈륨은 체액에 불활성이며 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다. 의학에서의 응용 프로그램의 예는 다음과 같습니다.

수술용 클립.
뼈 이식편.
두개골 성형용 플레이트.
복벽 재건용 메쉬.
치과 임플란트.

화학 플랜트 장비

탄탈륨은 연성과 내식성이 뛰어나 고온의 부식성 조건에서 작동하는 화학 공정 장비에 사용하기에 적합합니다.

금속의 내식성은 장비를 보호하고 취급되는 화학물질의 순도를 유지하는 역할을 합니다. 탄탈륨 및 그 합금은 염산, 브롬화수소산, 질산 및 황산을 처리하는 데 사용할 수 있습니다. qhich 탄탈륨의 화학 플랜트 장비의 예는 다음과 같습니다.

열 교환기.
밸브.
용기.
파이프. (파이프 부식에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 21가지 유형의 파이프 부식 및 고장 .)

니오븀

니오븀은 항상 탄탈륨과 함께 사용됩니다. 매우 독특하고 쉽게 작업할 수 있어 높은 탄성과 강도를 얻을 수 있습니다.

철 야금

니오븀의 주요 용도는 철 야금입니다.

전 세계 니오븀 생산량의 약 75%가 철강 산업에서 다른 특성 중에서 내식성, 강도 및 인성을 개선하기 위해 소량의 기타 금속(미세 합금 및 저합금 강)을 포함하는 다양한 철강 합금을 생산하는 데 사용됩니다.

니오븀은 고강도 저합금 및 미세 합금강에서 결정립 미세화제 및 석출 경화제 역할을 하여 기계적 강도, 고온 강도, 인성 및 내식성을 동시에 향상시킵니다.

이 강철은 파이프라인, 운송 및 구조용으로 사용됩니다. (교통 수단에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 보관, 운송 및 취급 중 일시적인 부식 방지 .)

초전도 자석

니오븀 합금은 또한 초전도 자석을 제조하는 데 사용됩니다. 이 초전도 자석은 다음에서 사용됩니다.

자기공명영상(MRI)
핵자기공명기기(NMRI).
세계에서 가장 큰 초전도 자석을 포함하는 유럽의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 입자 가속기
전해 축전기 및 초전도체.

니오븀 합금은 화씨 3,300도 이하의 다른 내화 금속보다 선호됩니다. 낮은 내산화성으로 인해 니오븀 합금은 고온에서 구조적 용도로 사용이 제한됩니다.

레늄

레늄은 가장 최근에 발견된 내화 금속입니다.

그것은 초저 농도의 다른 금속에서 찾을 수 있습니다. 다른 내화 금속 광석에도 존재합니다. 레늄은 높은 인장 강도와 연성으로 유명합니다.

레늄도 매우 희귀하여 매우 비쌀 수 있습니다.

초합금

레늄은 종종 철, 코발트, 니켈, 텅스텐 및 몰리브덴과 함께 초합금을 만들기 위한 첨가제로 사용됩니다. 레늄을 추가하면 초합금의 전반적인 크리프 강도가 향상되어 제트 엔진 부품 및 가스 터빈 엔진에 탁월한 소재가 됩니다.(제트 엔진 및 터빈에 대한 자세한 내용은 참조: 가스터빈 부품의 고온 부식 .)