فلزات نسوز: چه هستند و چرا؟

چهار عنصری که در این مقاله بررسی می‌کنیم، همگی دمای ذوب بالای 2200 درجۀ سلسیوس دارند. این عناصر، همراه با ترکیبات و آلیاژهای متعدد تولید شده از آن‌ها، خواص مشترک بسیاری دارند. علاوه بر نقطۀ ذوب بالا، خواصی مانند مقاومت به خوردگی عالی، چگالی زیاد و استحکام مکانیکی عالی در دمای بالا در همۀ این مواد وجود دارد.

این ویژگی‌ها به این معنی است که از فلزات نسوز می‌توان در بسیاری از کاربردها مانند الکترودهای ذوب شیشه، قطعات کوره و بوته، اهداف پاشش (Sputtering Targets) و هیت سینک ها (Heat Sink) استفاده کرد. در ادامه، متداول‌ترین فلزات دیرگداز مورد استفاده و کاربردهای آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

تنگستن (Tungsten)

تنگستن به دلیل استفاده در لامپ‌های رشته‌ای شهرت زیادی دارد. همچنین یکی از فراوان‌ترین فلزات نسوز روی کرۀ زمین است. تنگستن عنصری دارای بالاترین رسانایی گرمایی میان تمام فلزات دیرگداز (173W/mK) و بالاترین نقطۀ ذوب (3410 درجۀ سلسیوس) است و یکی از چگال‌ترین فلزات به شمار می‌رود (3/19g/cm³).

از تنگستن به دلیل داشتن این خصوصیات، در بوته‌ها، کوره‌ها و محفظه‌های زینترینگ استفاده می‌شود.

آلیاژهای سنگین تنگستن (Tungsten Heavy Alloys) یا به اختصار WHAها را می‌توان با ترکیب تنگستن و نیکل، آهن-نیکل یا مس تولید کرد. شکنندگی تنگستن با آلیاژسازی توسط این عناصر کاهش می‌یابد. این آلیاژها را می‌توان با استفاده از فرایند متالورژی پودر و با صرفۀ اقتصادی بالا تولید کرد و با استفاده از تکنیک‌های سنتی ماشین‌کاری کرد.

آلیاژهایی مانند HPM و Kulite® در این دسته از مواد هستند. چگالی بالای این آلیاژها، آن‌ها را برای کاربردهایی مانند میراگرهای لرزش (vibration dampener) و قطعات جنگی بسیار پر استفاده کرده است.

لازم به ذکر است که با استفاده از پوشش‌های تنگستنی، مقاومت بالایی در برابر تابش ایجاد می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که از تنگستن در ساخت شبکه‌های ضد پراکنش (Anti-Scatter Grids)، محافظ تابش و جمع‌کننده‌ها (Collimators) استفاده شود.

مولیبدن (Molybdenum)

یکی از پرکاربردترین فلزات نسوز مولیبدن است. این عنصر خواص مکانیکی عالی در دماهای بالا، انبساط حرارتی کم و هدایت گرمایی بالایی را فراهم می‌کند.

این مشخصات به این معنی است که مولیبدن در ایجاد اجزای بادوام برای کاربردهای حرارتی مانند قطعات یاتاقان، لنت‌های ترمز آسانسور و قطعات کوره مناسب است. مولیبدن به دلیل هدایت حرارتی بالایی که دارد (138W/mK) در هیت سینک‌ها نیز استفاده می‌شود.

در کنار خواص مکانیکی و حرارتی، بالاترین رسانایی الکتریکی از بین تمام فلزات نسوز متعلق به مولیبدن است (2×10⁷S/M). این خاصیت سبب شده است که این عنصر در ساخت الکترودهای ذوب شیشه به کار رود.

مولیبدن معمولاً با فلزات مختلف برای کاربردهایی که به مقاومت حرارتی احتیاج دارند، آلیاژ می‌شود. حتی اگر مولیبدن عنصری در دمای بالا از مقاومت بالاتری برخوردار باشد.

TZM یکی از مهم‌ترین آلیاژهای پایه مولیبدن است که حاوی 0.08 درصد زیرکونیوم و 0.5 درصد تیتانیم است. این آلیاژ استحکامی دوبرابر مولیبدن غیر آلیاژی در دمای 1100 درجۀ سلسیوس، همراه با انبساط حرارتی کم و هدایت حرارتی بالا را نشان می‌دهد.

تانتالوم (Tantalum)

تانتالوم به مقاومت استثنایی در برابر خوردگی معروف است. این عنصر علاوه بر بسیاری از فلزات مایع و مواد شیمیایی آلی، در برابر اسیدکلریدریک، نیتریک و سولفوریک مقاوم است. به همین دلیل، تانتالوم به طور گسترده‌ای در تجهیزات شیمیایی مانند مبدل‌های حرارتی، مخازن واکنش و لوله‌های تانتالومی استفاده می‌شود.

مقاومت تانتالوم در برابر واکنش‌های شیمیایی نیز آن را برای رسوب لایه‌نازک (Thin-Film Deposition) که به طور معمول با پاشش حاصل می‌شود، سودمند می‌کند. اینجا منظور از پاشش (Sputtering) خروج اتم‌ها از سطح یک هدف پاششی برای ایجاد پوشش‌هایی کاملاً یکنواخت و کاربردی است.

تانتالوم ذوب شده با پرتوی الکترونی (Electron Beam Melted) یا به اختصار EBM معمولاً در تولید نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود. استفاده از این عنصر در تولید نیمه‌هادی‌ها، عملکرد بالایی را در طیف وسیعی از محیط‌های خلأ از خود نشان می‌دهد.

نیوبیوم (Niobium)

در میان فلزات دیرگداز، نیوبیوم سطح بالایی از شکل‌پذیری را ارائه می‌دهد. این عنصر حتی در دماهای پایین نیز بسیار کارپذیر است و به انواع مختلفی از قطعات مانند فویل و ورق تبدیل می‌شود.

به‌عنوان یک فلز دیرگداز، نیوبیوم چگالی کمی دارد. به این معنی که می‌توان از آلیاژهای نیوبیم برای ایجاد اجزای نسوز با عملکرد بالا با وزن نسبتاً کم استفاده کرد. به همین دلیل، آلیاژهای نیوبیم مانند C-103 اغلب در موتورهای موشکی برای کاربردهای هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

C-103 استحکام مطلوبی را در دمای بالا فراهم می‌کند و به سازه اجازه می‌دهد تا دمای 1482 درجۀ سلسیوس را تحمل کند. همچنین می‌توان از فرایندهای جوشکاری TIG برای جوشکاری آن استفاده کرد. بدون اینکه تأثیر قابل‌توجهی بر خواص ماشین‌کاری یا شکل‌پذیری آن اتفاق بیفتد.

منابع

www.azom.com