Logam Refraktari: Sifat Utama, Jenis, dan Aplikasi Industri

Logam refraktari banyak digunakan karena sifat dan perilaku uniknya yang diinginkan, terutama daya tahan korosi dan daya tahan aus serta panas yang luar biasa.

Logam ini sebagian besar digunakan di bidang teknik, sains dan metalurgi. Lima elemen utama yang termasuk ke dalam kelas logam ini meliputi:

• Molibdenum (Mo)
• Renium (Re)
• Niobium (Nb)
• Tungsten (W)
• Tantalum (Ta)

Lima elemen ini memiliki beberapa sifat kunci yang sama, seperti tingkat kekerasan yang tinggi pada suhu ruangan dan titik leleh yang tinggi, terutama saat tertawarkan suhu di atas 3.600 derajat Fahrenheit (2.000 derajat Celsius). (Untuk selengkapnya tentang peningkatan kekerasan, lihat: Nitriding untuk Daya Tahan Korosi dan Kelelahan Aus.)

Logam refraktari juga memiliki densitas tinggi dan secara kimia inersial. Titik leleh yang tinggi mereka memberitahu metalurgi bubuk sebagai pilihan untuk manufaktur berbagai komponen.

Beberapa aplikasi paling umum untuk logam refraktari termasuk filamen kawat, alat, wadah kimia dalam atmosfer korosif dan cetakan cetakan. Dengan titik leleh yang sangat tinggi, logam refraktari sangat stabil.

Sekarang, mari kita lihat lebih dalam tentang logam refraktari—termasuk fitur, sifat, manfaat dan aplikasi mereka:

Fitur Utama Logam Refraktari

Salah satu faktor pengidentifikasi utama dari logam refraktari adalah daya tahan panas. Semua lima logam di bawah kelas ini ditandai dengan titik leleh di atas 3.632 derajat Fahrenheit (2.000 derajat Celsius).

Logam refraktari juga tetap kuat di suhu sangat tinggi dan secara bawaan keras, menjadikannya sempurna untuk alat bor dan pemotong. Logam refraktari sangat tahan terhadap faktor-faktor seperti kejut termal. Ini berarti mereka tidak akan mengalami retakan, ekspansi atau stres saat disejukkan dan dipanaskan berulang kali. (Untuk selengkapnya tentang logam di bawah panas, lihat: Top 5 Pertimbangkan saat Melapisi Permukaan Tinggi Panas.)

Selain itu, semua lima logam di bawah kelompok ini memiliki tingkat densitas yang baik dan sifat panas dan listrik yang baik. Mereka juga tahan terhadap crep, sehingga mereka mengalami deformasi lambat saat diekspose ke lingkungan atau kondisi yang sangat stres. Ini karena logam refraktari dapat membentuk lapisan perlindungan, menjadikannya tahan korosi—meski fakta bahwa mereka dapat mengalami oksidasi di suhu tinggi.

Sifat Fisika dan Kimia Logam Refraktari

Logam refraktari dapat diklasifikasikan berdasarkan sifat fisika dan kimia unik mereka. Dan, untuk mendapatkan manfaat maksimal dari elemen ini, sangat penting untuk memahaminya secara menyeluruh.

Sifat Fisika Logam Refraktari

Logam refraktari ditandai oleh fitur fisika kunci berikut:

• Titik didih yang tinggi. Titik leleh logam refraktari lebih tinggi daripada semua logam lain kecuali karbon, osmium dan iridium.
• Struktur kristal kubus berbadan tengah.
• Daya tahan crep yang tinggi.

Dengan demikian, karakteristik spesifik logam refraktari bervariasi cukup luas karena mereka berasal dari berbagai kelompok dalam tabel periodik.

Misalnya, dari semua lima logam refraktari, renium memiliki titik leleh tertinggi—pada 5.757 derajat Fahrenheit (3.186 derajat Celsius)—sedangkan niobium memiliki yang terendah—pada 4.491 deF (2.477°C). Dalam hal titik didih, niobium berada pada 8.572 derajat Fahrenheit (4.744 derajat Celsius) sementara renium berada pada 10.105 derajat Fahrenheit (5.596 derajat Celsius). (Untuk selengkapnya tentang aplikasi menggunakan bahan tahan panas, lihat: All Steamed Up: The Many Types and Uses of Steam.)

Hal yang sama berlaku untuk daya tahan crep; ada logam yang mulai membentuk crep pada 1.832 derajat Fahrenheit (1.000 derajat Celsius), sementara ada logam yang mulai di bawah 932 derajat Fahrenheit (500 derajat Celsius).

Sifat Kimia Logam Refraktari

Logam refraktari datang dengan berbagai macam sifat kimia karena masing-masing termasuk ke dalam klasifikasi yang berbeda dalam tabel periodik.

Secara umum, logam ini oksidasi dengan mudah; namun reaksi dapat dikontrol dengan membuat lapisan oksida stabil di atas logam. Ini terutama benar dengan renium karena sangat mudah menguap. Jadi, ia dapat kehilangan stabilitasnya terhadap serangan oksigen di suhu tinggi karena lapisan oksida mengalami penguapan.

Namun, semua logam refraktari relatif stabil terhadap zat-zat seperti asam.

Apa Manfaat Menggunakan Logam Refraktari?

Dengan kualitas unik mereka, logam refraktari sangat bermanfaat untuk berbagai aplikasi dan industri. Manfaat kunci mereka meliputi:

Titik Leleh yang Sangat Tinggi

Logam refraktari seperti tungsten, molibdenum dan tantalum memiliki titik leleh yang sangat tinggi, sehingga bermanfaat dalam pembuatan kaca.

Kekuatan Tinggi

Logam refraktari secara unik kuat, bahkan di suhu ultra tinggi.

Misalnya, kerucut roket yang terbuat dari tungsten memiliki kekuatan tarik ganda besi di suhu normal. (Untuk selengkapnya tentang topik ini, lihat: Apa Perbedaan Antara Kekuatan dan Ketawanan?)

Daya Tahan Aus dan Kerusakan yang Luar Biasa

Logam refraktari, terutama alloy, dapat memperpanjang umur kursi katup, seal, nozel dan area lain yang rentan terhadap aus tinggi.

Daya Tahan Korosi yang Unggul

Pipa di pabrik kimia biasanya terbuat dari logam refraktari, yang memungkinkan tingkat daya tahan korosi yang tinggi dibandingkan selo karat.

Daya Tahan Kejut Termal

Logam seperti tungsten dapat menahan stres yang ditimbulkan oleh ekspansi cepat karena panas.

Tungsten memiliki titik leleh yang sangat tinggi dan dapat menahan siklus nyala-mati berulang tanpa mempengaruhi integritasnya.

Konduksi Panas dan Listrik

Di atas banyak aplikasi elektronik atau listrik, logam refraktari seperti tungsten dan molibdenum membuat heat sink yang baik.

Kekerasan Ekstrem

Saat ini, sebagian besar alat pemotong yang banyak digunakan terbuat dari bahan seperti tungsten karbida.

Logam refraktari juga bagus untuk membentuk logam dan selo serta di pertambangan dan bor sumur gas atau minyak. (Untuk selengkapnya tentang industri minyak dan gas, lihat: Sistem Pemantauan Korosi Jarak Jauh di Industri Minyak dan Gas.)

Densitas dan Jenis Jenis yang Tinggi

Sebagian besar logam refraktari memiliki densitas tinggi dan dapat sangat berguna untuk membuat kepala golf club dan giroskop pesawat.

Kemampuan Unik

Beberapa logam refraktari yang memiliki kemampuan ultra berguna—seperti bertindak sebagai pelindung radiasi yang luar biasa dan katalis kimia.

Jenis Logam Refraktari dan Aplikasinya

Ada lima logam refraktari; dan masing-masing datang dengan sifat dan aplikasi yang berbeda.

Secara keseluruhan, aplikasi umum untuk logam refraktari termasuk filamen kawat, alat, wadah kimia dalam atmosfer korosif dan cetakan cetakan. Dengan titik leleh yang sangat tinggi, logam refraktari sangat stabil.

Berikut adalah aplikasi yang lebih spesifik untuk masing-masing lima logam refraktari:

Tungsten

Tungsten adalah logam refraktari yang paling melimpah. Ia memiliki titik leleh tertinggi dan salah satu densitas logam tertinggi di antara logam refraktari. Ia dapat sangat keras saat dikombinasikan dengan elemen lain seperti karbon. Ia juga sangat tahan terhadap korosi.

Aplikasi Penerangan

Tungsten banyak digunakan dalam filamen kawat, seperti yang digunakan di sebagian besar penerangan pijar yang digunakan di rumah. Namun, ia juga umum di lampu arc industri dan penerangan. (Untuk selengkapnya tentang aplikasi industri, lihat: 8 Hal yang Perlu Diketahui tentang Pelapisan Polyurea.)

Penerangan panggung digunakan di studio televisi dan panggung suara serta di tempat tempat di mana produksi teater, konser dan acara langsung lainnya berlangsung. Dan, sementara penerangan panggung masih menggunakan teknologi pijar, biasanya dalam bentuk lampu tungsten-halogen (atau quartz-halogen) proprietary dengan nilai suhu warna yang terkalibrasi dengan hati-hati untuk mengontrol rendemen adegan secara keseluruhan.

Corona Discharge

Corona discharge adalah kurtain plasma yang diciptakan ketika udara di sekitar konduktor diionisasi.

Corona discharge sering dilakukan, dan paling baik dilakukan, dengan kawat tungsten. Untuk penyaringan udara, printer, mesin salin dan aplikasi lainnya, hanya kawat tungsten yang menghasilkan ionisasi dan modifikasi permukaan yang cukup.

Tungku

Kawat tungsten banyak digunakan untuk memberikan dukungan atau tarikan industri oven.

Ini karena properti non-sag kawat tungsten dan daya tahan panasnya. Misalnya, kawat tungsten sering dijahit menjadi tikar yang digunakan untuk memosisikan dan memegang objek di tempat di zona panas yang dirancang oven industri, tungku dan kiln.

Sonde

Kekakuan kawat tungsten, bahkan pada diameter yang sangat kecil, adalah faktor kunci yang mempersiapkannya untuk digunakan dalam berbagai jenis sonde, termasuk sonde pengujian semikonduktor cantilever yang digunakan untuk pengujian wafer silikon dalam manufaktur semikonduktor.

Kekakuan juga merupakan keuntungan dalam kawat tungsten untuk sonde saraf yang digunakan dalam diagnostik dan pengobatan medis. (Untuk selengkapnya tentang sains bahan di bidang kesehatan, lihat: Bagaimana Memulai Karir sebagai Sains Bahan.)

Alat Pemotong dan Bagian

Alat pemotong dan bagian memerlukan daya tahan aus tinggi dan oleh karena itu terbuat dari tungsten karbida.

Insert tungsten karbida, dengan tepian pemotong yang dilindungi, dilekatkan pada badan alat selo dengan perakan atau pemasangan mekanis. Penggunaan alat tungsten karbida memastikan kecepatan pemotongan yang lebih tinggi dan umur alat yang lebih lama. Cat tungsten karbida umum digunakan untuk menggambar kawat.

Molibdenum

Molibdenum adalah logam refraktari yang paling banyak digunakan karena lebih murah dari kebanyakan yang lain dan, saat dibuat menjadi alloy, dapat sangat tahan terhadap crep dan suhu tinggi.

Logam ini juga tidak membuat amalgama, sehingga tahan korosi. Ia sebagian besar digunakan untuk memperkuat alloy selo, terutama dalam pipa struktural dan tabung. Molibdenum juga memiliki kualitas anti-gesekan yang bagus, menjadikannya komponen ideal dari minyak dan grasi yang digunakan dalam mobil. (Untuk selengkapnya tentang korosi di industri otomotif, lihat: Korosi Bahan Ringan yang Digunakan dalam Aplikasi Otomotif.)

Selo Karat

Selo karat tahan korosi karena kandungan kromiumnya secara spontan membentuk lapisan pasif tipis, pelindung, di permukaan selo.

Molibdenum meningkatkan lapisan pasif ini dengan membuatnya lebih kuat dan membantu membentuk ulang dengan cepat jika terganggu oleh klorida. Meningkatkan kandungan molibdenum dalam selo karat meningkatkan daya tahan korosi lob dan celah mereka.

Alat dan Selo Kecepatan Tinggi

Molibdenum dalam selo alat meningkatkan kekerasan dan daya tahan aus mereka. Dengan mengurangi laju pendinginan kritis, molibdenum mempromosikan pembentukan matriks martensit optimal, bahkan dalam cetakan yang besar dan rumit yang tidak dapat didinginkan dengan cepat tanpa deformasi atau retakan.

Menambahkan lima hingga 10% molibdenum dapat secara efektif memaksimalkan kekerasan dan ketawanan selo kecepatan tinggi dan mempertahankan sifat-sifat ini di suhu tinggi yang dihasilkan saat memotong logam. (Untuk selengkapnya tentang memotong logam, lihat: Bagaimana Hot Shortness dan Pengelasan Mempengaruhi Korosi dalam Logam.)

Penekan Asap

Dalam teknologi elektronik, insulasi kawat dan kabel mewakili bahaya api dan asap bagi pemadam api dan mereka di dalam ruang terbatas pesawat dan rumah sakit. Ammonium octamolybdate telah digunakan dengan PVC untuk menekan pembentukan asap.

Karena molibdenum memiliki modulus elastisitas 47*10^6 pound per inci persegi pada suhu ruangan, ia digunakan untuk bor bar dan quill untuk grinder internal kecepatan tinggi. Ini memastikan kebebasan dari getaran dan chatter.

Tantalum

Tantalum adalah logam refraktari yang paling tahan korosi.

Ia sering diterapkan di pengaturan medis dan bedah dan dalam lingkungan asam yang sangat tinggi. Tantalum juga merupakan komponen utama sirkuit dan kapasitor komputer dan ponsel.

Meskipun jauh lebih mahal dari aluminium, tantalum memiliki dua keuntungan utama atasnya:

1. Ia memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi, memungkinkan kapasitor untuk lebih kecil.
2. Lapisan oksidanya lebih stabil, memberikan kapasitor tantalum keuntungan dalam aplikasi yang memerlukan keandalan tinggi.

Tantalum juga digunakan di industri elektronik sebagai penghalang untuk mencegah tembaga mencemari silikon dalam produk seperti chip komputer dan perangkat penyimpanan. Pemisahan ini diperlukan karena kehadiran tembaga di silikon mengakibatkan degradasi dan kegagalan perangkat. (Untuk selengkapnya tentang korosi tembaga, lihat: Tingkat Korosi Tembaga yang Meningkat di Zona Aerasi Dijelaskan.)

Aplikasi Medis

Tantalum digunakan dalam aplikasi bedah dan biomedis karena bio-inertnessnya—yang, pada gilirannya, karena lapisan oksida yang menempel yang terbentuk secara spontan di permukaan logam tantalum saat diekspose ke udara.

Selain itu, tantalum inersial dalam cairan tubuh dan memiliki sifat mekanik yang baik. Contoh aplikasinya dalam kedokteran meliputi:

• Klip bedah.
• Graft tulang.
• Papan untuk cranioplasti.
• Jaring untuk rekonstruksi dinding perut.
• Implantasi gigi.

Peralatan Pabrik Kimia

Kelembutan dan daya tahan korosi yang unggul tantalum membuatnya cocok untuk digunakan dalam peralatan proses kimia yang beroperasi di bawah kondisi korosif pada suhu tinggi.

Daya tahan korosi logam ini berfungsi untuk melindungi peralatan dan mempertahankan kemurnian kimia yang ditangani. Tantalum dan alloynya dapat digunakan untuk menangani asam hidroklorik, hidrobramik, nitrat dan sulfurik. Contoh peralatan pabrik kimia di mana Tantalum dapat digunakan adalah:

• Penyangga panas.
• Katup.
• Wadah.
• Pipa. (Untuk selengkapnya tentang korosi pipa, lihat: 21 Jenis Korosi dan Kegagalan Pipa.)

Niobium

Niobium selalu digunakan bersama tantalum. Ia sangat unik dan dapat dengan mudah dikerjakan untuk mendapatkan elastisitas dan kekuatan tinggi.

Metalurgi Besi

Penggunaan utama niobium adalah dalam metalurgi besi.

Kira-kira 75% produksi niobium dunia digunakan oleh industri selo untuk menghasilkan berbagai alloy selo yang mengandung jumlah kecil logam lain (selo mikroaloi dan selo aloi rendah) untuk meningkatkan—di antara sifat lain—daya tahan korosi, kekuatan dan ketawanan.

Niobium bertindak sebagai penggerus butir dan pengeras presipitasi dalam selo aloi rendah tinggi kekuatan dan mikroaloi, sekaligus meningkatkan kekuatan mekanik, kekuatan suhu tinggi, ketawanan dan daya tahan korosi.

Selo-selo ini digunakan dalam pipa, transportasi, dan aplikasi struktural. (Untuk selengkapnya tentang transportasi, lihat: Perlindungan Korosi Sementara selama Penyimpanan, Transportasi dan Pengendalian.)

Magnet Supraleider

Alloy niobium juga digunakan untuk memproduksi magnet supraleider. Magnet supraleider ini digunakan dalam:

• Citra resonansi magnetik (MRI).
• Instrumen resonansi magnetik nuklir (NMRI).
• Percepatan partikel, seperti Large Hadron Collider di Eropa, yang berisi magnet supraleider terbesar di dunia.
• Kapasitor elektrolitik dan supraleider.

Alloy niobium dipilih dibandingkan logam refraktari lain hingga 3.300 derajat Fahrenheit. Karena daya tahan oksidasi yang rendah, alloy niobium terbatas pada penggunaan dalam aplikasi struktural pada suhu tinggi.

Renium

Renium adalah logam refraktari yang ditemukan paling baru.

Ia dapat ditemukan dengan logam lain dalam konsentrasi ultra rendah. Ia juga hadir dalam bijih logam refraktari lainnya. Renium dikenal karena kekuatan tarik dan kelembutan yang tinggi.

Renium juga sangat langka dan oleh karena itu dapat sangat mahal.

Superalloy

Renium digunakan sebagai aditif untuk membuat superalloy, sering kali bersama dengan besi, kobalt, nikel, tungsten dan molibdenum. Menambahkan renium meningkatkan daya tahan crep keseluruhan superalloy, menjadikannya bahan yang bagus untuk bagian mesin jet dan mesin turbin gas. (Untuk selengkapnya tentang mesin jet dan turbin, lihat: Korosi Panas dalam Komponen Turbin Gas.)

Katalis

Senyawa renium digunakan sebagai katalis untuk katalisis homogen dan heterogen di banyak industri. Ini meliputi:

• Petrokimia.
• Farmasi
• Proses sintesis organik, termasuk isomerisasi, hidrogenasi dan alkilasi.

Katalis platinum-renium penting dalam proses kimia yang disebut reforming katalitik di rafineri minyak. (Untuk selengkapnya tentang minyak, lihat: 6 Komponen Korosif yang Dapat Ditemukan dalam Minyak Mentah.)

Elemen Termo

Alloy tungsten-renium dan molibdenum-renium digunakan terutama untuk memproduksi elemen termo.

Penggunaannya meliputi semikonduktor, elemen pemanas, lapisan logam dan bor pengelasan.

Alloy tungsten-renium, khususnya, digunakan untuk membuat anode rotasi sinar X.

Pada suhu tinggi, renium menahan serangan dalam hidrogen dan atmosfer inersial. Ia tahan terhadap asam hidroklorik dan korosi air laut dan ia juga tahan terhadap efek mekanik erosi listrik.

Kesimpulan

Logam refraktari memiliki banyak aplikasi dan manfaat. Namun, ada banyak yang belum kita sepenuhnya pahami.

Penelitian yang cukup diperlukan di bidang metalurgi untuk meningkatkan berbagai proses.