بهترین فلزات برای کاربردهای دمای بالا

اگر به قطعات فلزی سفارشی نیاز دارید که می توانند در دمای بالا کار کنند، باید بدانید که فلزات خاصی برای نیازهای شما مناسب هستند.اینها معمولاً آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت هستند.چنین آلیاژهایی دارای استحکام و مقاومت در برابر خزش در دماهای بالا هستند، به این معنی که تحت گرما و استرس شدید تغییر شکل نمی‌دهند.خواص مقاوم در برابر حرارت آلیاژهای فلزی نتیجه مستقیم عملیات حرارتی است و آنها را قادر می سازد تا دمای 4000 درجه سانتیگراد (7232 درجه فارنهایت) را تحمل کنند.

دو عامل آلیاژهای فلزی با مقاومت بالا را قادر می‌سازد تا چنین حرارت بالایی را تحمل کنند: ساختار آلیاژها (اجزا) و پیوند بین اتم‌ها.در زیر، شش مورد از بهترین فلزات با دمای بالا را معرفی می کنیم و ترکیبات، ویژگی ها و کاربردهای آنها را بیان می کنیم.با این اطلاعات، بهتر می توانید تصمیم بگیرید که کدام یک از این فلزات مقاوم در برابر حرارت برای راه حل شما مناسب است.

• تیتانیوم

این فلز خاکستری نقره ای معمولاً برای تولید آلیاژهای قوی، سبک وزن، مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر خوردگی استفاده می شود.با نقطه ذوب 1668 درجه سانتیگراد (3034 درجه فارنهایت)، نقطه ذوب تیتانیوم ممکن است بالاترین نقطه ذوب آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت نباشد، اما هنوز هم بسیار بالا است.اگرچه یک فلز کمیاب در نظر گرفته می شود، اما در حال حاضر به عنوان یک ماده استاندارد برای ساخت و مهندسی در بسیاری از کاربردهای صنعتی و مصرفی استفاده می شود.تیتانیوم معمولاً با استفاده از فرآیند کرول تولید می‌شود، جایی که دی‌اکسید تیتانیوم در معرض گاز کلر قرار می‌گیرد تا تتراکلرید تیتانیوم تولید کند، که سپس با منیزیم واکنش داده و کلر باقی‌مانده را حذف می‌کند.تیتانیوم به دلیل حفره‌های متخلخلی که در طول تشکیل آن در ساختار آن ایجاد شده است، اغلب به عنوان «اسفنجی» توصیف می‌شود.این فلز خواص مهندسی بسیار مفیدی دارد که رایج ترین آنها عبارتند از: مقاومت در برابر حرارت، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی، چگالی کم، سبک وزن، سفتی و چقرمگی.یکی دیگر از ویژگی های قابل توجه، توانایی آن در مخلوط شدن با آلیاژهای دیگر است که یک لایه اضافی از استحکام کششی، مقاومت در برابر حرارت و چقرمگی را به شکل خالص آن اضافه می کند.به دلیل یکپارچگی ساختاری عالی، تیتانیوم برای کاربردهای با کارایی بالا مانند قطعات خودرو (سوپاپ ها، فنرهای سوپاپ، نگهدارنده ها، میله های اتصال)، اجزای هوافضا (بدنه، اتصال دهنده ها، ارابه فرود)، ساخت و ساز (مصالح سقف، مواد بیرونی) استفاده می شود. تجهیزات ورزشی (چوب گلف، راکت تنیس، دوچرخه)، حفاری دریایی (پل‌های دریایی، کلاهک‌های شمع)، تجهیزات پزشکی (استخوان‌های مصنوعی، ضربان‌ساز، ابزار جراحی) و صنایع عمومی (پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های نمک‌زدایی).از آنجایی که تیتانیوم می‌تواند دمای بالا را تحمل کند و هنگام قرار گرفتن در معرض پلیمرهای تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) از خوردگی جلوگیری کند، جایگزین اکثر اجزای آلومینیومی شده است که عمدتاً در هواپیماها قبل از دهه 1960 استفاده می‌شدند.

• تنگستن

مانند تیتانیوم، تنگستن نیز فلزی به رنگ سفید نقره ای است.نام "تنگستن" از کلمات سوئدی "tung" و "sten" گرفته شده است که به "سنگ سنگین" ترجمه می شود.این نام مناسب است زیرا ساختار سخت و نقطه ذوب بالا تنگستن را به یکی از سخت‌ترین مواد روی زمین تبدیل کرده است.همچنین بالاترین نقطه ذوب هر فلز یا عنصر روی زمین (3422 درجه سانتیگراد تا 6192 درجه فارنهایت) و همچنین بالاترین مقاومت کششی (142000 psi) را دارد.به همین دلیل، اغلب برای تشکیل آلیاژهای فلزات سنگین، مانند فولاد پرسرعت، برای ابزارهای مختلف برش استفاده می شود.شکل دادن تنگستن خالص به دلیل ظاهر سخت و نقطه ذوب بالا دشوار است، بنابراین اغلب به پودر تبدیل می شود و با سایر فلزات پودری مخلوط می شود تا آلیاژهای مختلف تولید شود که سپس برای کاربردهای مختلف استفاده می شود.پودر تنگستن را می توان با فلزات پودری مانند نیکل از طریق فرآیند تف جوشی برای تولید آلیاژهای مختلف با خواص بهبود یافته مخلوط کرد.خواص کلیدی تنگستن عبارتند از: چگالی بالا (19.3 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، نقطه ذوب بالا، استحکام در دمای بالا، استحکام کششی بالا، مقاومت در برابر خوردگی بالا (بدون نیاز به حفاظت اضافی در برابر اکسیداسیون در حین یا پس از ساخت)، سخت‌ترین فلز خالص، بخار کم فشار (کمترین در بین تمام فلزات)، انبساط حرارتی کم، و سازگاری با محیط زیست (تجزیه نمی شود).تشکیل تنگستن چالش برانگیز است، بنابراین در درجه اول به عنوان یک افزودنی برای کمک به ساخت آلیاژهای خاص مختلف استفاده می شود.کاربردها شامل قطعات هوافضا، قطعات خودرو، سیم های رشته ای (برای روشنایی)، بالستیک نظامی، هدست های تلفن همراه، تجهیزات برش، حفاری و حفاری، کاربردهای شیمیایی، دستگاه های الکتریکی و الکترودی است.تنگستن در شکل خالص خود برای بسیاری از کاربردهای الکترونیکی مانند الکترودها، کنتاکت ها، ورق ها، سیم ها و میله ها نیز استفاده می شود.علاوه بر این، جواهرسازان اغلب از آن برای ساخت گردنبند و انگشتر به دلیل تراکم آن استفاده می کنند که همان تراکم طلا است، اما درخشندگی کمتر و ساختار سخت تری دارد.

• فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ آلیاژی است که از سه فلز مختلف تشکیل شده است: آهن، کروم و نیکل.این سه عنصر با استفاده از یک فرآیند عملیات حرارتی ویژه برای تشکیل فولاد ضد زنگ ترکیب می شوند.این فرآیند را می توان به صورت زیر خلاصه کرد: ذوب، تنظیم / هم زدن، شکل دادن، عملیات حرارتی، برش / شکل دادن / تکمیل.در میان بسیاری از ویژگی های آن، دو ویژگی مهندسی محبوب فولاد ضد زنگ، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری با محیط زیست است.فولاد ضد زنگ اغلب به عنوان "مواد سبز" شناخته می شود زیرا می توان آن را بی نهایت بازیافت کرد.در مورد مقاومت حرارتی آن، نقطه ذوب فولاد ضد زنگ بین 1400 تا 1530 درجه سانتیگراد (2550 تا 2790 درجه فارنهایت) است.دلیل این محدوده به جای یک عدد دقیق، مقادیر مختلف عناصر مخلوط است که با هم ترکیب می شوند و درجات مختلفی از فولاد ضد زنگ را تشکیل می دهند.سه عنصر فولاد ضد زنگ دارای نقاط ذوب متفاوتی هستند: آهن (1535 درجه سانتیگراد تا 2795 درجه فارنهایت)، کروم (1890 درجه سانتیگراد تا 3434 درجه فارنهایت)، و نیکل (1453 درجه سانتیگراد تا 2647 درجه فارنهایت).بسته به مقدار هر یک از سه عنصر مورد استفاده، نقطه ذوب نهایی به میزان بالاتر یا پایین‌تری تحت تأثیر قرار می‌گیرد.با این حال، نقطه ذوب تقریبا همیشه بین مقادیر متوسط ​​ذکر شده است.فولاد ضد زنگ به دلیل عملکرد ایده آل ساخت و مهندسی آن، به طور گسترده در بسیاری از کاربردها از جمله مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر دمای پایین، استحکام کششی بالا، دوام (در دمای بالا و شرایط سخت)، قابلیت ساخت آسان و شکل پذیری استفاده می شود. نگهداری کم، ظاهر جذاب و سازگاری با محیط زیست (بی نهایت قابل بازیافت).پس از استفاده، نیازی به رنگ آمیزی، درمان یا پوشش ندارد، و نگهداری کم آن یکی از محبوب ترین ویژگی های آن است.بنابراین، فولاد ضد زنگ بسیار محبوب است، به ویژه برای کاربردهای زیر: ساختمان ها (دیوارهای خارجی، میز، نرده، پشت پاش)، پل ها، چاقوهای فولادی، یخچال و فریزر (مواد تکمیلی)، ماشین ظرفشویی (مواد تکمیل)، واحدهای نگهداری مواد غذایی، روغن. قطعات گازی و شیمیایی (مخازن ذخیره، خطوط لوله، پمپ ها، شیرها)، تصفیه خانه های فاضلاب، کارخانه های نمک زدایی، ملخ های کشتی، قطعات برق (هسته ای، زمین گرمایی، خورشیدی، آبی، بادی)، توربین ها (بخار، گاز).نقطه ذوب بالا و استحکام کششی بالا فولاد ضد زنگ مقاومت محصول را در برابر تنش، بار ساختاری و چرخه عمر افزایش می دهد.

• مولیبدن

این فلز سفید نقره ای (خاکستری به صورت پودر) بسیار انعطاف پذیر است و در برابر خوردگی بسیار مقاوم است.نقطه ذوب و مقاومت حرارتی آن نیز بسیار بالا است.نقطه ذوب مولیبدن 2623 درجه سانتیگراد (4753 درجه فارنهایت) است که پنجمین نقطه ذوب بالاتر در بین تمام فلزات است.نقطه ذوب بالای آن به اجزای ساخته شده از مولیبدن اجازه می دهد تا به طور موثر در دماهای بالا کار کنند، که برای محصولاتی که نیاز به روانکاری مقاوم در برابر حرارت دارند مفید است.دی سولفید مولیبدن معمولاً به عنوان روان کننده خشک در پوشش های چسبانده شده، گریس ها و پراکندگی ها برای افزایش مقاومت در برابر حرارت استفاده می شود.علاوه بر این، در صورت نیاز، پودر مولیبدن را می توان از طریق متالورژی پودر یا فرآیندهای ریخته گری قوس به بلوک های فلزی سخت تبدیل کرد.به عبارت دیگر، اشکال جامد مولیبدن را می توان برای کاربردهایی که به آن نیاز دارند استفاده کرد.با این حال، مولیبدن به دلیل خواص بسیار مفیدی که دارد، از جمله نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر حرارت، شکل‌پذیری، خواص غیر مغناطیسی و ظاهر جذاب، هنوز عمدتاً به صورت پودر استفاده می‌شود.بسیاری از این خواص به صورت جامد نیز وجود دارند.مولیبدن همچنین برای تولید آلیاژهای تجاری سخت، قوی، رسانا و بسیار مقاوم در برابر سایش استفاده می شود.این آلیاژها در کاربردهایی مانند تسلیحات، قطعات موتور، تیغه‌های اره، افزودنی‌های روان‌کننده، جوهرهای برد مدار، رشته‌های بخاری الکتریکی، پوشش‌های محافظ (دیگ‌های بخار) و کاتالیزورهای نفتی استفاده می‌شوند.علیرغم اینکه مولیبدن در طبیعت فراوان است، به طور آزاد یافت نمی شود (1.1ppm).بنابراین، هزینه آن معمولاً کمی بالاتر از سایر فلزات مقاوم در برابر حرارت است، به خصوص زمانی که تقاضای تولید فولاد بالا باشد، زیرا اغلب برای پوشش های فولادی استفاده می شود.

• نیکل

مانند بسیاری دیگر از فلزات مقاوم در برابر حرارت در این لیست، نیکل یک فلز انتقالی به رنگ سفید نقره ای است که به دلیل نقطه ذوب بالا (1455 درجه سانتیگراد تا 2651 درجه فارنهایت) و مقاومت در برابر خوردگی شناخته شده است.مقاومت بالای نیکل در برابر خوردگی آن را برای آبکاری و پوشش فلزات دیگر و همچنین تولید آلیاژهایی مانند فولاد ضد زنگ مفید می کند.نقطه ذوب بالای نیکل نتیجه مستقیم جذب یون های مثبت و منفی آن (پروتون ها و الکترون ها) برای تشکیل پیوندهای قوی است که تحت فشار و گرمای بسیار زیاد دست نخورده باقی می مانند.از آنجایی که نیکل یک فلز طبیعی است که به وفور در ذخایر زمین یافت می‌شود، از طریق هیچ فرآیندی تولید نمی‌شود، بلکه از لایه‌های سنگی (آهن منیزیم فوق‌العاده و سنگ‌های مافیک آذرین) که عمدتاً در آب و هوای گرمسیری یافت می‌شوند، استخراج می‌شود.از سوی دیگر، آلیاژهای نیکل از ترکیب نیکل با سایر فلزات مانند آلومینیوم، تیتانیوم، آهن، مس و کروم از طریق یک فرآیند عملیات حرارتی ساده ایجاد می‌شوند.سپس از این آلیاژها برای تولید محصولات مختلف برای صنایع مختلف استفاده می شود.در حال حاضر، حدود 3000 آلیاژ مبتنی بر نیکل در حال استفاده است.خواص متداول نشان داده شده توسط همه انواع آلیاژ نیکل شامل استحکام، چقرمگی، خواص مغناطیسی نرم، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت و قابلیت ساخت آسان (جوش پذیری خوب) است.همانطور که قبلا ذکر شد، آلیاژهای مبتنی بر نیکل در بسیاری از کاربردها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، که فهرست بسیار گسترده است.می توان آن را به شرح زیر خلاصه کرد: اجاق های برقی، توستر، ترانسفورماتور، سلف، صفحات زرهی، شفت پروانه های دریایی، تیغه های توربین، پوشش های فولادی، آلیاژهای فولاد ضد زنگ، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی، باتری ها (نیکل-کادمیم، نیکل-فلز هیدرید) تقویت کننده های مغناطیسی، محافظ مغناطیسی، دستگاه های ذخیره سازی، شمع ها، الکترودهای خودرو.نیکل دارای مقاومت اکسیداسیون قوی حتی در موارد شدید است

درجه حرارت و می تواند از خوردگی الکتروشیمیایی جلوگیری کند.بنابراین، این یک انتخاب عالی برای تولید آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر خوردگی است که برای کاربردهایی که در محیط های خورنده و با دمای بالا ضروری هستند.

• تانتالیوم

این فلز کمیاب خاکستری آبی به دلیل ساختار بسیار سخت، نقطه ذوب بالا و مقاومت در برابر تقریباً تمام اشکال اسیدهای خورنده شناخته شده است.نقطه ذوب تانتالم (3020 درجه سانتیگراد - 5468 درجه فارنهایت) سومین نقطه ذوب در بین تمام عناصر است.تانتالیم خام معمولاً در رسوباتی به نام کلمبیت-تانتالیت (یا کلتان) یافت می شود.پس از استخراج، از نیوبیم و سایر فلزات موجود در مواد معدنی به یکی از سه روش جدا می شود: کاربرد الکترولیتی، کاهش تانتالیوم فلوراید پتاسیم با سدیم، یا واکنش کاربیدها با اکسیدها.فرآیند احیای ترمیت با استفاده از سدیم احتمالاً محبوب ترین روش برای تولید پودر تانتالوم است، ماده ای که به طور گسترده در کاربردهای الکتریکی استفاده می شود.در مقایسه با سایر مواد تولیدی، تانتالیوم امکان ایجاد طیف وسیع تری از تغییرات دانه را فراهم می کند که به کاهش هزینه ها و بهبود قابلیت های طراحی و خواص مکانیکی کمک می کند.تانتالیوم دارای خواص بسیاری است که در قرن بیست و یکم کاربرد آن را افزایش داده است، از جمله پایداری بالا، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی (عدم تخریب شیمیایی در دماهای پایین)، مقاومت در برابر حرارت، نقطه ذوب بسیار بالا، هدایت حرارتی، هدایت الکتریکی، محافظت از لایه اکسید جلوگیری از همه اشکال خوردگی، از جمله اکسیداسیون و خوردگی اسیدی)، قابلیت ساخت آسان، شکل پذیری، چگالی و سختی.تانتالوم اغلب با عناصر دیگر ترکیب می شود تا آلیاژهایی با نقطه ذوب و استحکام کششی بالاتر تولید شود.از نظر کاربردها، تانتالیوم در درجه اول برای تولید قطعات برای صنعت برق استفاده می شود.با این حال، به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی، در صنایع هواپیماسازی، دفاعی و شیمیایی نیز به عنوان یک ماده تولیدی مفید محسوب می شود.تانتالیوم معمولاً در کاربردهایی مانند خازن های الکترولیتی، قطعات کوره های خلاء، قطعات الکترونیکی (مدارها، خازن ها، مقاومت ها)، اجزای راکتور هسته ای، تجهیزات پردازش شیمیایی، قطعات هواپیما، تسلیحات، ابزار جراحی، لنزهای دوربین، درمان سطح فولادی (پوشش ها) استفاده می شود. و آفت کش ها و علف کش ها.در میان تمام کاربردهای ذکر شده، تانتالیوم به دلیل استفاده از آن در خازن های الکترولیتی که قادر به ذخیره بالاترین بار در واحد هر خازن است، بیشترین ارزش را دارد.

• نتیجه

فلزات ذکر شده در راهنمای بالا شش ماده مقاوم در برابر حرارت هستند که برای ساخت قطعات فلزی سفارشی با دمای بالا در دسترس هستند.آنها دارای خواص مکانیکی و مهندسی عالی، از جمله مقاومت در برابر خوردگی، استحکام کششی، استحکام خستگی، شکل پذیری بالا، قابلیت ساخت آسان و چقرمگی هستند.فلز مقاوم در برابر حرارت مناسب برای پروژه شما به نیازهای آن بستگی دارد.اطلاعات بالا می تواند به شما در انتخاب مناسب کمک کند.قبل از تصمیم گیری نهایی خود، به یاد داشته باشید که با یک سازنده فلز با تخصص و تجربه مشورت کنید تا مواد مناسب را با کاربرد مورد نظر خود مطابقت دهید.