耐火金属

耐火金属は、熱や摩耗に対して並外れた耐性を持つ金属の一種です。この表現は主に、材料科学、冶金学、工学の分野で使われています。このグループに属する元素の定義は様々です。最も一般的な定義には、第 5 周期の元素 2 つ(ニオブとモリブデン) と第 6 周期の元素 3 つ(タンタル、タングステン、レニウム) の 5 つの元素が含まれます。これらはすべて、2000 °C を超える融点や室温での高い硬度など、いくつかの特性を持っています。化学的に不活性で、比較的高い密度を持っています。融点が高いため、これらの金属から部品を製造するには粉末冶金法が好まれます。用途には、高温で金属を加工するための工具、ワイヤフィラメント、鋳型、腐食環境での化学反応容器などがあります。融点が高いこともあって、耐火金属は極めて高温でも クリープ変形に対して安定しています。

「高融点金属」という用語のほとんどの定義では、非常に高い融点が、含まれるための重要な要件として挙げられています。ある定義では、資格を得るには4,000 °F（2,200 °C）を超える融点が必要であり、これにはイリジウム、オスミウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、ロジウム、ルテニウム、ハフニウムが含まれます。[2] ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウムの5つの元素^はすべての定義に含まれており、 [ 3 ]^{最も広い定義では、}チタン、バナジウム、ジルコニウム、クロムなど、融点が2,123 K（1,850 °C）を超えるすべての元素が含まれます。^[4]テクネチウムは放射能があるため含まれていないが、最も広い定義では該当するはずである。^[5]

耐火金属は融点が高く、タングステンとレニウムはすべての元素の中で最も高く、その他の元素の融点を上回るのはオスミウムとイリジウム、および炭素の昇華のみである。これらの高融点が、それらの用途の大部分を定義している。レニウムだけが六方最密充填構造であるが、それ以外のすべての金属は体心立方構造である。耐火元素は周期表の異なるグループに属しているため、その物理的特性は大きく異なる。^{[6] [7]}これらの金属の硬度、高い融点と沸点、および高い原子化エンタルピーは、外側のdサブシェルが部分的に占有され、d電子が金属結合に参加できることに起因している。これにより、隣接する原子との堅固で非常に安定した結合と、変形に抵抗する体心立方結晶構造が得られる。周期表の右に行くほど、d電子の数が多くなり、この効果は増大するが、dサブシェルが満たされるにつれて、より高い核電荷によって原子の不活性コアに引き寄せられ、非局在化して隣接する電子と結合を形成する能力が低下する。これらの相反する効果により、5族から7族は最も耐火性を示す。^[8]

耐クリープ性は耐火金属の重要な特性です。金属では、クリープの開始は材料の融点と相関しています。アルミニウム合金のクリープは200℃で始まりますが、耐火金属の場合は1500℃以上の温度が必要です。高温での変形に対するこの耐性により、耐火金属は高温での強い力に耐えることができ、例えばジェットエンジンや鍛造中に使用される工具に適しています。^{[9] [10]}

耐火金属は周期表の3つの異なるグループに属しているため、多様な化学的性質を示します。耐火金属は容易に酸化されますが、表面に安定した酸化層が形成されることで、バルク金属ではこの反応が遅くなります（不動態化）。特にレニウムの酸化物は金属よりも揮発性が高く、高温では酸化層が蒸発するため、酸素の攻撃に対する安定性が失われます。これらはすべて酸に対して比較的安定しています。^[6]

耐火金属およびそれから作られた合金は、照明、工具、潤滑剤、原子核反応 制御棒、触媒、および化学的または電気的特性のために使用されます。融点が高いため、耐火金属部品は鋳造で製造されることはありません。粉末冶金のプロセスが使用されます。純粋な金属の粉末が圧縮され、電流を使用して加熱され、焼鈍工程を伴う冷間加工によってさらに製造されます。 耐火金属とその合金は、ワイヤ、インゴット、鉄筋、シート、または箔に加工できます。

モリブデンベースの合金は、高品質のタングステン合金よりも安価であるため、広く使用されています。最も広く使用されているモリブデン合金は、チタン-ジルコニウム-モリブデン合金TZMで、0.5%のチタンと0.08%のジルコニウム（残りはモリブデン）で構成されています。この合金は、高温でより高いクリープ抵抗と強度を示し、1060°Cを超える使用温度を可能にします。70%のモリブデンと30%のタングステンからなる合金であるMo-30Wは、溶融亜鉛の攻撃に対して高い耐性があるため、亜鉛の鋳造に最適な材料です。溶融亜鉛用のバルブの製造にも使用されます。^[11]

モリブデンはアマルガムを形成しないため、液体水銀による腐食に耐性があり、水銀湿潤リードリレーに使用されます。^{[12] [13]}

モリブデンは、耐火金属の中で最も一般的に使用されています。その最も重要な用途は、鋼の強化合金としてです。 構造用チューブや配管には、多くのステンレス鋼と同様に、モリブデンが含まれていることがよくあります。高温での強度、耐摩耗性、低摩擦係数はすべて、合金化合物として非常に貴重な特性です。その優れた耐摩擦性により、信頼性と性能が重要なグリースやオイルに組み込まれています。自動車の等速ジョイントには、モリブデンを含むグリースが使用されています。この化合物は金属に簡単に付着し、非常に硬く摩擦に強いコーティングを形成します。世界のモリブデン鉱石のほとんどは、中国、米国、チリ、カナダで見つかります。^{[14] [15] [16] [17]}

タングステンは、1781 年にスウェーデンの化学者カール・ヴィルヘルム・シェーレによって発見されました。タングステンは、すべての金属の中で最も高い融点 (3,410  °C (6,170  °F )) を持っています。

タングステンとレニウムを最大 22%合金化することで、高温強度と耐腐食性が向上します。トリウムは合金化合物として、電気アークを発生させるときに使用されます。トリウムを添加しない場合よりも、点火が容易になり、アークの燃焼が安定します。粉末冶金用途では、焼結プロセスにバインダーを使用する必要があります。タングステン重合金の製造には、ニッケルと鉄、またはニッケルと銅のバインダー混合物が広く使用されています。合金のタングステン含有量は通常 90% 以上です。バインダー元素のタングステン粒子への拡散は焼結温度でも低いため、粒子の内部は純粋なタングステンです。^[18]

タングステンとその合金は、高温ではあるが高強度が必要であり、高密度でも問題にならない用途でよく使用されます。^{[19]タングステンワイヤフィラメントは、家庭用}白熱灯の大部分を占めていますが、アークランプの電極として産業用照明でも一般的です。ランプは温度が高くなるほど電気エネルギーを光に変換する効率が高くなるため、白熱灯のフィラメントとして使用するには高融点が不可欠です。^[20] ガスタングステンアーク溶接（GTAW、タングステン不活性ガス（TIG）溶接とも呼ばれる）装置では、永久的な非溶融電極を使用します。高融点と電気アークに対する耐摩耗性により、タングステンは電極に適した材料です。^{[21] [22]}

タングステンの高密度と強度は、例えば戦車砲弾の劣化ウランの代替品として、兵器の発射体に使用するための重要な特性でもあります。 ^[23] タングステンは融点が高いため、 UGM-27 ポラリスなどのロケットノズルなどの用途に適した材料です。^{[24]タングステンの用途の一部は、その耐火性とは関係なく、単に密度に関係しています。例えば、飛行機やヘリコプターのバランスウェイトや}ゴルフクラブのヘッドに使用されています。^{[25] [26]}この用途では、より高価なオスミウムなどの同様の密度材料も使用できます。

タングステンの最も一般的な用途は、ドリルビット、機械加工および切削工具の化合物タングステンカーバイドです。タングステンの最大の埋蔵量は中国にあり、韓国、ボリビア、オーストラリア、その他の国 にも鉱床があります。

また、タングステンは、ノズルやブッシングの潤滑剤、酸化防止剤、保護コーティングなど、さまざまな用途で使用されています。タングステンは、印刷インク、 X線スクリーン、石油製品の加工、繊維の防炎加工などに使用されています。

ニオブはほとんどの場合タンタルと一緒に見つかり、タンタルの名前の由来となったギリシャ神話の王タンタロスの娘ニオベにちなんで名付けられました。ニオブには多くの用途があり、その一部は他の耐火金属と共通しています。ニオブは、焼鈍処理によって幅広い強度と延性を実現できるという点で独特であり、耐火金属の中で最も密度が低いです。また、電解コンデンサーや最も実用的な超伝導合金にも使用されています。ニオブは、航空機のガスタービン、真空管、原子炉にも使用されています。

アポロ月着陸船の主エンジンなどの液体ロケットスラスタノズルに使用される合金はC103で、89%のニオブ、10%のハフニウム、1%のチタンで構成されています。^[27]別のニオブ合金はアポロサービスモジュールのノズルに使用されました。ニオブは400℃を超える温度で酸化されるため、これらの用途では合金が脆くなるのを防ぐために保護コーティングが必要です。^[27]

タンタルは入手可能な物質の中で最も耐腐食性に優れたものの 1 つです。

この特性により、タンタルは医療や外科手術の分野、また過酷な酸性環境において、多くの重要な用途が見出されています。また、優れた電解コンデンサの製造にも使用されています。タンタルフィルムは、エアロゲルに次いで体積当たり2番目に高い静電容量を提供し、^[要出典]電子部品や回路の小型化を可能にします。多くの携帯電話やコンピューターにはタンタルコンデンサが搭載されています。

レニウムは最も最近発見された耐火金属です。他の多くの金属とともに、他の耐火金属、白金、銅鉱石の鉱石に低濃度で含まれています。他の耐火金属との合金として有用であり、延性と引張強度を高めます。レニウム合金は、電子部品、ジャイロスコープ、原子炉に使用されています。レニウムの最も重要な用途は触媒です。アルキル化、脱アルキル化、水素化、酸化などの反応の触媒として使用されます。しかし、その希少性により、耐火金属の中で最も高価です。^[28]

耐火金属は強度と高温安定性に優れているため、高温金属加工や真空炉技術に適しています。これらの特性は多くの特殊用途で活用されています。たとえば、タングステン ランプのフィラメントは最高 3073 K の温度で動作し、モリブデン炉の巻線は 2273 K に耐えます。

しかし、ほとんどの耐火金属は低温加工性が悪く、高温で極度に酸化されやすいという欠点があります。環境との相互作用により、高温クリープ強度に重大な影響が出る可能性があります。これらの金属を使用するには、保護雰囲気またはコーティングが必要です。

モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステンの耐火金属合金は、宇宙原子力システムに適用されています。これらのシステムは、1350 K から約 1900 K の温度で動作するように設計されました。環境は、問題の材料と相互作用してはなりません。熱伝達流体として液体アルカリ金属が使用され、超高真空も使用されます。

合金を使用するには、合金の高温クリープ ひずみを制限する必要があります。クリープひずみは 1 ～ 2% を超えてはなりません。耐火金属のクリープ挙動を研究する際のもう 1 つの複雑な点は、環境との相互作用であり、これがクリープ挙動に大きな影響を与える可能性があります。

• 耐火物– 非金属材料の耐熱性