المعادن المقاومة للحرارة

تتميز المعادن المقاومة للحرارة بدرجات انصهار عالية، حيث يُعدّ التنجستن والرينيوم الأعلى بين جميع العناصر، ولا تتجاوز درجات انصهار العناصر الأخرى سوى الأوزميوم والإيريديوم ، بالإضافة إلى تبخر الكربون . وتُحدد درجات الانصهار العالية هذه معظم استخداماتها. جميع المعادن ذات بنية مكعبة مركزية الجسم باستثناء الرينيوم ذي البنية السداسية المتراصة . تختلف الخصائص الفيزيائية للعناصر المقاومة للحرارة اختلافًا كبيرًا نظرًا لانتمائها إلى مجموعات مختلفة في الجدول الدوري . ^{[ 6 ] [ 7 ]} تنشأ صلابة هذه المعادن، ودرجات انصهارها وغليانها العالية، وطاقة تذريرها العالية، من شغل جزئي للغلاف الفرعي d الخارجي ، مما يسمح لإلكترونات d بالمشاركة في الروابط المعدنية. وهذا يُنتج روابط قوية ومستقرة للغاية مع الذرات المجاورة، وبنية بلورية مكعبة مركزية الجسم تقاوم التشوه. بالانتقال إلى اليمين في الجدول الدوري، يزيد ازدياد عدد إلكترونات المدار d من هذا التأثير، ولكن مع امتلاء الغلاف الفرعي d، تجذبها الشحنة النووية الأعلى إلى النواة الخاملة للذرة ، مما يقلل من قدرتها على الانتشار لتكوين روابط مع الذرات المجاورة. وتؤدي هذه التأثيرات المتضادة إلى أن تُظهر المجموعات من 5 إلى 7 أكثر الخصائص المقاومة للحرارة. ^{[ 8 ]}

تُعدّ مقاومة الزحف خاصية أساسية للمعادن الحرارية. في المعادن، يرتبط بدء الزحف بنقطة انصهار المادة؛ إذ يبدأ الزحف في سبائك الألومنيوم عند 200  درجة مئوية، بينما  تتطلب المعادن الحرارية درجات حرارة أعلى من 1500 درجة مئوية. هذه المقاومة للتشوه عند درجات الحرارة العالية تجعل المعادن الحرارية مناسبة لتحمل القوى الشديدة عند درجات الحرارة المرتفعة، كما هو الحال في محركات الطائرات النفاثة ، أو الأدوات المستخدمة في عمليات التشكيل . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تُظهر المعادن المقاومة للحرارة تنوعًا واسعًا في الخصائص الكيميائية نظرًا لانتمائها إلى ثلاث مجموعات متميزة في الجدول الدوري . تتأكسد هذه المعادن بسهولة، إلا أن هذا التفاعل يتباطأ في كتلة المعدن نتيجة لتكوّن طبقات أكسيد مستقرة على سطحه ( التخميل ). يُعد أكسيد الرينيوم، على وجه الخصوص، أكثر تطايرًا من المعدن نفسه، ولذلك يفقد استقراره ضد هجوم الأكسجين عند درجات الحرارة العالية، نتيجة تبخر طبقة الأكسيد. وتتميز جميع هذه المعادن بثباتها النسبي في مواجهة الأحماض. ^{[ 6 ]}

تُستخدم سبائك الموليبدينوم على نطاق واسع نظرًا لانخفاض تكلفتها مقارنةً بسبائك التنجستن عالية الجودة. وتُعد سبيكة التيتانيوم-الزركونيوم-الموليبدينوم (TZM) الأكثر استخدامًا ، حيث تتكون من 0.5 % تيتانيوم و0.08% زركونيوم (والباقي موليبدينوم). تتميز هذه السبيكة بمقاومة عالية للزحف وقوة فائقة عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يسمح  باستخدامها في درجات حرارة تشغيل تتجاوز 1060 درجة مئوية. أما سبيكة Mo-30W، المكونة من 70% موليبدينوم و30% تنجستن، فتتميز بمقاومة عالية للتآكل الناتج عن الزنك المنصهر، مما يجعلها المادة المثالية لصب الزنك. كما تُستخدم أيضًا في صناعة صمامات الزنك المنصهر. ^{[ 11 ]}

يُستخدم الموليبدينوم في مرحلات القصب المبللة بالزئبق ، لأن الموليبدينوم لا يُكوّن ملغمات ، وبالتالي فهو مقاوم للتآكل بفعل الزئبق السائل . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يُعدّ الموليبدينوم أكثر المعادن المقاومة للحرارة استخدامًا، وأهم استخداماته هي كمُقوٍّ للصلب . غالبًا ما تحتوي الأنابيب الإنشائية على الموليبدينوم ، وكذلك العديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ . تُضفي خصائصه، كقوته في درجات الحرارة العالية ومقاومته للتآكل وانخفاض معامل احتكاكه ، قيمةً كبيرةً له كمركب مُسبِّك. تؤدي خصائصه الممتازة المضادة للاحتكاك إلى إضافته إلى الشحوم والزيوت حيث تُعدّ الموثوقية والأداء من العوامل الحاسمة. تستخدم وصلات السرعة الثابتة في السيارات شحومًا تحتوي على الموليبدينوم، إذ يلتصق هذا المركب بسهولة بالمعدن مُشكِّلًا طبقةً صلبةً للغاية ومقاومةً للاحتكاك. يوجد معظم خام الموليبدينوم في العالم في الصين والولايات المتحدة الأمريكية وتشيلي وكندا . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

تم اكتشاف التنجستن عام 1781 على يد الكيميائي السويدي كارل فيلهلم شيل . يتميز التنجستن بأعلى درجة انصهار بين جميع المعادن، حيث تبلغ 3410 درجة مئوية (6170 درجة فهرنهايت ) .  

يُضاف الرينيوم بنسبة تصل إلى 22% إلى التنجستن لتحسين مقاومته للحرارة العالية والتآكل. ويُستخدم الثوريوم كمركب مُسبك عند الحاجة إلى تكوين أقواس كهربائية، حيث يُسهّل ذلك عملية الإشعال ويجعل القوس أكثر استقرارًا. في تطبيقات تعدين المساحيق، تُستخدم مواد رابطة في عملية التلبيد. ولإنتاج سبائك التنجستن الثقيلة، تُستخدم على نطاق واسع مخاليط رابطة من النيكل والحديد أو النيكل والنحاس . وعادةً ما تتجاوز نسبة التنجستن في السبيكة 90%. ويكون انتشار عناصر المادة الرابطة داخل حبيبات التنجستن منخفضًا حتى عند درجات حرارة التلبيد ، ولذلك فإن باطن الحبيبات يتكون من التنجستن النقي . ^{[ 18 ]}

يُستخدم التنجستن وسبائكه بكثرة في التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية مع الحفاظ على قوة عالية دون أن تُشكل الكثافة العالية عائقًا. ^{[ 19 ]} تُشكل خيوط أسلاك التنجستن الجزء الأكبر من إضاءة المصابيح المتوهجة المنزلية ، كما أنها شائعة الاستخدام في الإضاءة الصناعية كأقطاب كهربائية في مصابيح القوس الكهربائي. تزداد كفاءة المصابيح في تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء مع ارتفاع درجات الحرارة، لذا فإن ارتفاع درجة انصهار التنجستن ضروري لاستخدامه كخيط في المصابيح المتوهجة. ^{[ 20 ]} تستخدم معدات لحام القوس الكهربائي بالتنجستن الغازي (GTAW، والمعروف أيضًا باسم لحام التنجستن بالغاز الخامل (TIG)) قطبًا كهربائيًا دائمًا غير قابل للانصهار . تجعل درجة انصهار التنجستن العالية ومقاومته للتآكل الناتج عن القوس الكهربائي منه مادة مناسبة لهذا القطب. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تُعدّ كثافة التنجستن العالية وقوته من الخصائص الأساسية لاستخدامه في قذائف الأسلحة ، كبديل لليورانيوم المنضب في ذخيرة مدافع الدبابات على سبيل المثال. ^{[ 23 ]} كما أن ارتفاع درجة انصهاره يجعله مادةً مناسبةً لتطبيقات مثل فوهات الصواريخ ، كما في صاروخ UGM-27 بولاريس . ^{[ 24 ]} بعض استخدامات التنجستن لا ترتبط بخصائصه الحرارية، بل بكثافته العالية. على سبيل المثال، يُستخدم في أوزان الموازنة للطائرات والمروحيات، أو في رؤوس مضارب الجولف . ^{[ 25 ] [ 26 ]} في هذه التطبيقات، يمكن استخدام مواد كثيفة مماثلة، مثل الأوزميوم الأكثر تكلفة .

يُستخدم التنجستن بشكل شائع في صناعة كربيد التنجستن ، وتحديداً في رؤوس الحفر وأدوات التشغيل والقطع. وتوجد أكبر احتياطيات التنجستن في الصين ، بالإضافة إلى رواسب في كوريا وبوليفيا وأستراليا ودول أخرى.

كما يُستخدم التنجستن كمادة تشحيم ، ومضاد للأكسدة ، وفي الفوهات والبطانات، وكطبقة واقية، وفي العديد من الاستخدامات الأخرى. ويُستخدم أيضاً في أحبار الطباعة، وشاشات الأشعة السينية ، وفي معالجة المنتجات البترولية ، وفي معالجة المنسوجات المقاومة للهب .

يوجد النيوبيوم عادةً مع التنتالوم، وقد سُمّي نسبةً إلى نيوبي ، ابنة الملك اليوناني الأسطوري تنتالوس الذي سُمّي التنتالوم باسمه. للنيوبيوم استخدامات عديدة، يشترك في بعضها مع معادن حرارية أخرى. وهو فريد من نوعه إذ يمكن تشكيله بالتلدين للحصول على نطاق واسع من القوة والمتانة ، كما أنه الأقل كثافة بين المعادن الحرارية. يُستخدم النيوبيوم أيضًا في المكثفات الإلكتروليتية وفي أكثر سبائك الموصلات الفائقة عملية . كما يُستخدم في توربينات الغاز في الطائرات ، وأنابيب التفريغ ، والمفاعلات النووية .

تُستخدم سبيكة C103 في صناعة فوهات محركات الدفع الصاروخية السائلة ، كما هو الحال في المحرك الرئيسي لوحدات أبولو القمرية ، وتتكون من 89% نيوبيوم، و10% هافنيوم، و1% تيتانيوم. ^{[ 27 ]} كما استُخدمت سبيكة نيوبيوم أخرى في فوهة وحدة خدمة أبولو . ونظرًا لتأكسد النيوبيوم عند درجات حرارة أعلى من 400  درجة مئوية، فإن طبقة واقية ضرورية في هذه التطبيقات لمنع السبيكة من أن تصبح هشة. ^{[ 27 ]}

يُعد التنتالوم من أكثر المواد مقاومةً للتآكل . وقد وُجدت له استخداماتٌ عديدةٌ وهامةٌ بفضل هذه الخاصية، لا سيما في المجالات الطبية والجراحية ، وكذلك في البيئات الحمضية القاسية . كما يُستخدم في صناعة مكثفات إلكتروليتية فائقة الجودة. وتُوفر أغشية التنتالوم ثاني أعلى سعة لكل وحدة حجم بعد الهلام الهوائي ، مما يُتيح تصغير حجم المكونات والدوائر الإلكترونية . وتحتوي العديد من الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر على مكثفات من التنتالوم.

يُعدّ الرينيوم أحدث المعادن المقاومة للحرارة المكتشفة. يوجد بتراكيز منخفضة مع العديد من المعادن الأخرى، في خامات المعادن المقاومة للحرارة الأخرى، أو خامات البلاتين أو النحاس . يُستخدم الرينيوم في صناعة السبائك مع المعادن المقاومة للحرارة الأخرى، حيث يُضفي عليها ليونةً وقوة شد . تُستخدم سبائك الرينيوم في المكونات الإلكترونية، والجيروسكوبات ، والمفاعلات النووية . يُعدّ الرينيوم عاملًا حفّازًا ذا أهمية بالغة، حيث يُستخدم في تفاعلات مثل الألكلة ، وإزالة الألكلة، والهدرجة ، والأكسدة . مع ذلك، فإن ندرته تجعله أغلى المعادن المقاومة للحرارة. ^{[ 28 ]}