उच्चतापसह धातु

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  ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
  Refractory metals
  Wider definition of refractory metals[1]

उच्चतापसह धातु धातुओं का एक वर्ग है जो गर्मी और घर्षण के लिए असाधारण रूप से प्रतिरोधी हैं। यह अभिव्यक्ति अधिकांश भौतिक विज्ञान, धातु विज्ञान और अभियांत्रिकी के संदर्भ में प्रयोग की जाती है। इस समूह से कौन से तत्व संबंधित हैं इसकी परिभाषा अलग है। सबसे आम परिभाषा में पांच तत्व समिलित हैं: अवधि 5 तत्व में से दो (निओबियम और मोलिब्डेनम) और अवधि 6 तत्व में से तीन (टैंटलम, टंगस्टन और रेनीयाम )। वे सभी कुछ गुणों को साझा करते हैं, जिसमें 2000 °C से ऊपर का गलनांक और सामान्य तापमान पर उच्च कठोरता समिलित है। वे रासायनिक रूप से अक्रिय हैं और अपेक्षाकृत उच्च घनत्व रखते हैं। उनके उच्च गलनांक इन धातुओं से निर्माण (धातु) घटकों के लिए चूर्ण धातुकर्मिकी के मनोनीत की विधि बनाते हैं। उनके कुछ अनुप्रयोगों में क्षयकर वातावरण में उच्च तापमान, तार फिलामेंट्स, संचकन के साँचे और रासायनिक प्रतिक्रिया जहाजों पर धातुओं को काम करने के उपकरण समिलित हैं। आंशिक रूप से उच्च गलनांक के कारण, उच्चतापसह धातुएं अत्यधिक उच्च तापमान पर रेंगने (विरूपण) के विपरीत स्थिर होती हैं।

परिभाषा

'उच्चतापसह धातु' शब्द की अधिकांश परिभाषाएं समिलित करने के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता के रूप में असाधारण रूप से उच्च गलनांक को सूचीबद्ध करती हैं। एक परिभाषा के अनुसार, अर्हता प्राप्त करने के लिए 4,000 °F (2,200 °C) से ऊपर का गलनांक आवश्यक है।[2] पांच तत्व नाइओबियम, मोलिब्डेनम, टैंटलम, टंगस्टन और रेनियम को सभी परिभाषाओं में समिलित किया गया हैं,[3] जबकि 2,123 K (1,850 °C), से ऊपर गलनांक वाले सभी तत्वों सहित व्यापक परिभाषा में नौ अतिरिक्त तत्व समिलित हैं: टाइटेनियम, वैनेडियम, क्रोमियम, जर्कोनियम, हेफ़नियम, रुथीनियम, रोडियम, आज़मियम और इरिडियम।[4]

रेडियोधर्मी होने के कारण कृत्रिम तत्वों को कभी भी उच्चतापसह धातुओं का अंश नहीं माना जाता है, हालांकि टेक्नेटियम का गलनांक 2430 K या 2157 °C और रदरफोर्डियम का गलनांक 2400 K या 2100 °C होने का अनुमान है।[5]


गुण

भौतिक

Properties of the refractory metals
Name Niobium Molybdenum Tantalum Tungsten Rhenium
Period 5 5 6 6 6
Melting point K[prop 1] 2750 2896 3290 3695 3459
Boiling point K[prop 2] 5017 4912 5731 6203 5869
Melting point °C[prop 1] 2477 2623 3017 3422 3186
Boiling point °C[prop 2] 4744 4639 5458 5930 5596
Density g·cm−3[prop 3] 8.57 10.28 16.69 19.25 21.02
Young's modulus GPa 105 329 186 411 463
Vickers hardness MPa 1320 1530 873 3430 2450
  1. ↑ 1.0 1.1 Consensus values taken from melting points of the elements with multiple references there.
  2. ↑ 2.0 2.1 Consensus values taken from boiling points of the elements with multiple references there. Tungsten has a particularly wide band of discrepancy, with two primary sources reporting 5555 °C.
  3. ↑ Consensus values taken from densities of the elements with multiple references there.

उच्चतापसह धातुओं में उच्च गलनांक होता है, जिसमें टंगस्टन और रेनियम तत्वों में सबसे अधिक गलनांक होता हैं, और अन्य के गलनांक केवल ऑस्मियम और इरिडियम से अधिक होते हैं, और कार्बन का उदात्तीकरण होता है। ये उच्च गलनांक उनके अधिकांश अनुप्रयोगों को परिभाषित करते हैं। रेनियम को छोड़कर सभी धातु शरीर-केंद्रित घनाकार हैं, जो षट्कोणीय सुसंकुलित है। इस समूह के तत्वों के अधिकांश भौतिक गुण महत्वपूर्ण रूप से भिन्न होते हैं क्योंकि वे विभिन्न समूह (आवर्त सारणी) के सदस्य हैं।[6][7]

रेंगना (विरूपण) प्रतिरोध उच्चतापसह धातुओं का एक प्रमुख गुण है। धातुओं में, रेंगने की शुरुआत सामग्री के गलनांक से संबंधित होती है; एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में रेंगना 200 डिग्री सेल्सियस से शुरू होता है, जबकि उच्चतापसह धातुओं के लिए 1500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर तापमान आवश्यक होता है। उच्च तापमान पर विरूपण के विपरीत यह प्रतिरोध उच्चतापसह धातुओं को उच्च तापमान पर मजबूत बलों के विपरीत उपयुक्त बनाता है, उदाहरण के लिए जेट इंजन, या फोर्जन के बीच उपयोग किए जाने वाले उपकरण।[8][9]


रासायनिक

उच्चतापसह धातु रासायनिक गुणों की एक विस्तृत विविधता दिखाती हैं क्योंकि वे आवर्त सारणी में तीन अलग-अलग समूहों के सदस्य हैं। वे आसानी से ऑक्सीकृत हो जाते हैं, लेकिन सतह पर स्थिर ऑक्साइड फिल्मों के गठन द्वारा अधिकांश धातु में यह प्रतिक्रिया धीमी हो जाती है। विशेष रूप से रेनियम का ऑक्साइड धातु की तुलना में अधिक अस्थिर होता है, और इसलिए उच्च तापमान पर ऑक्सीजन के हमले के विपरीत स्थिरीकरण खो जाता है, क्योंकि ऑक्साइड फिल्में वाष्पित हो जाती है। वे सभी अम्ल के विपरीत अपेक्षाकृत स्थिर हैं।[6]


अनुप्रयोग

उच्चतापसह धातुओं और उनसे बने मिश्र धातुओं का उपयोग प्रकाश, उपकरण, स्नेहक द्रव्य, नाभिकीय अभिक्रिया नियंत्रण छड़, उत्प्रेरक के रूप में और उनके रासायनिक या विद्युत गुणों के लिए किया जाता है। उनके उच्च गलनांक के कारण, उच्चतापसह धातु घटकों के संचकन द्वारा कभी भी निर्मित नहीं किया जाता। चूर्ण धातुकर्मिकी की प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है। शुद्ध धातु के पाउडर को संहत किया जाता है, विद्युत प्रवाह का उपयोग करके गरम किया जाता है, और अनीलनांक चरणों के साथ ठंडे करके संविरचित किया जाता है। उच्चतापसह धातुओं और उनके मिश्र धातुओं को तार, शिलिका, सरिया, शीट धातु या पन्नी (धातु) के रूप में काम किया जा सकता है।

मोलिब्डेनम मिश्रधातु

Main articles: मोलिब्डेनम and मोलिब्डेनम अनुप्रयोग

मोलिब्डेनम-आधारित मिश्र धातुओं का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, क्योंकि वे अपेक्षाकृत टंगस्टन मिश्र धातुओं से सस्ते होते हैं। मोलिब्डेनम का सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला मिश्र धातु टाइटेनियम-ज़िरकोनियम-मोलिब्डेनम मिश्र धातु TZM है, जो 0.5% टाइटेनियम और 0.08% ज़िरकोनियम (बाकी मोलिब्डेनम के साथ) से बना है। मिश्र धातु उच्च तापमान पर उच्च रेंगना प्रतिरोध और ताकत प्रदर्शित करते है, जिससे सामग्री के लिए 1060 °C से ऊपर का तापमान संभव हो जाता है। Mo-30W की उच्च प्रतिरोधकता, 70% मोलिब्डेनम और 30% टंगस्टन के मिश्र धातु, गलित ज़िंक के हमले के विपरीत इसे ज़िंक संचकन के लिए आदर्श द्रव्य बनाते है। यह गलित ज़िंक के लिए वाल्व बनाने के लिए भी प्रयोग किया जाता है।[10]

मोलिब्डेनम का उपयोग पारद-भारित रीड रिले में किया जाता है, क्योंकि मोलिब्डेनम अमलगम (रसायन विज्ञान) नहीं बनाता है और इसलिए यह द्रव पारा (तत्व) द्वारा जंग के लिए प्रतिरोधी है।[11][12]

मोलिब्डेनम उच्चतापसह धातुओं का सबसे अधिक उपयोग करता जाता है। इसका सबसे महत्वपूर्ण उपयोग इस्पात के मजबूत मिश्र धातु के रूप में होता है। खोखले संरचनात्मक खंड और पाइपलाइन में प्रायः मोलिब्डेनम का उपयोग होता है, जैसा कि कई जंगरोधी स्टील करते हैं। उच्च तापमान पर इसकी ताकत, घर्षणरोध और घर्षण गुणांक सभी गुण हैं जो इसे मिश्र धातु यौगिक के रूप में अमूल्य बनाते हैं। इसके उत्कृष्ट घर्षण रोधी गुणों के कारण इसे ग्रीस (स्नेहक) और तेल में समिलित किया जाता है जहाँ विश्वसनीयता और प्रदर्शन महत्वपूर्ण हैं। स्वचालित निरंतर-वेग जोड़ों में मोलिब्डेनम युक्त स्नेहक का उपयोग होता है। यौगिक आसानी से धातु से चिपक जाता है और एक बहुत ही कठोर, घर्षण-प्रतिरोधी विलेपन बनाता है। दुनिया का अधिकांश मोलिब्डेनम अयस्क चीन, संयुक्त राज्य अमेरिका, चिली और कनाडा में पाया जाता है।[13][14][15][16]


टंगस्टन और उसके मिश्र धातु

Main articles: Tungsten and Tungsten § Applications

टंगस्टन की खोज 1781 में स्वीडन के रसायनशास्त्री कार्ल विल्हेम शेहेल ने की थी। टंगस्टन में सभी धातुओं का उच्चतम गलनांक 3,410 °C (6,170 °F) होता है।

200 वाट के तापदीप्ति लाइट बल्ब का संवाहक तार अत्यधिक आवर्धित

अपनी उच्च तापमान शक्ति और संक्षारण प्रतिरोध को अपेक्षाकृत बनाने के लिए 22% रेनियम को टंगस्टन के साथ मिश्रित किया जाता है। एक मिश्रित यौगिक के रूप में थोरियम का उपयोग तब किया जाता है जब विद्युत चापों को स्थापित करना होता है। प्रज्वलन आसान है और थोरियम को समिलित किए बिना चाप अधिक स्थिर रूप से जलता है। चूर्ण धातुकर्मिकी अनुप्रयोगों के लिए, सिंटरण प्रक्रम के लिए बंधक का उपयोग किया जाना चाहिए। टंगस्टन भारी मिश्र धातु के उत्पादन के लिए, निकल और लोहे या निकल और तांबे के बंधक मिश्रण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। मिश्र धातु की टंगस्टन सामग्री सामान्य रूप से 90% से ऊपर होती है। सिंटरण तापमान पर भी टंगस्टन अनाज में बांधने वाले तत्वों का प्रसार कम होता है और इसलिए अनाज का आंतरिक भाग शुद्ध टंगस्टन होता है।[17]

टंगस्टन और इसकी मिश्र धातुओं का उपयोग प्रायः उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां उच्च तापमान उपस्थित होता है लेकिन फिर भी उच्च शक्ति की आवश्यकता होती है और उच्च घनत्व परेशानी प्रदान नही करता

।[18] टंगस्टन संवाहक तार अधिकांश घरेलू तापदीप्ति प्रकाश प्रदान करते हैं, लेकिन लालटेन में विद्युतद्वार के रूप में औद्योगिक प्रकाश व्यवस्था में भी आम हैं। उच्च तापमान के साथ प्रकाश में विद्युत ऊर्जा के रूपांतरण में लैंप अधिक कुशल होते हैं और इसलिए तापदीप्ति प्रकाश में संवाहक तार के रूप में आवेदन के लिए एक उच्च गलनांक आवश्यक है।[19] गैस टंग्सटन आर्क वेल्डन (GTAW, जिसे टंगस्टन अक्रिय गैस (TIG) वेल्डन रूप में भी जाना जाता है) उपकरण एक स्थायी, गैर-गलनांक विद्युतद्वार का उपयोग करता है। उच्च गलनांक और विद्युत चाप के विपरीत घर्षण का प्रतिरोध टंगस्टन को विद्युतद्वार के लिए उपयुक्त सामग्री बनाता है।[20][21]


टंगस्टन का उच्च घनत्व और शक्ति भी प्रक्षेप्य में इसके उपयोग के लिए महत्वपूर्ण गुण हैं, उदाहरण के लिए टैंक गन आवर्तन के लिए यूरेनियम की कमी के विकल्प के रूप में।[22] इसका उच्च गलनांक टंगस्टन को रॉकेट इंजन चंचु जैसे अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छी सामग्री बनाता है, उदाहरण के लिए UGM-27 पोलारिस में।[23] टंगस्टन के कुछ अनुप्रयोग इसके उच्चतापसह गुणों से संबंधित नहीं हैं, बल्कि इसके घनत्व से संबंधित हैं। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग विमानों और उदग्ररोहीयों के लिए या गोल्फ क्लब (उपकरण) के प्रमुखों के लिए संतुलन भार में किया जाता है।[24][25] इस अनुप्रयोग में अधिक महंगी ऑस्मियम जैसी सघन सामग्री का भी उपयोग किया जा सकता है।

टंगस्टन के लिए सबसे आम उपयोगप्रवेधनी अणि, मशीनिंग और काटने के उपकरण में यौगिक टंगस्टन कार्बाइड के रूप में होता है। कोरिया, बोलीविया, ऑस्ट्रेलिया और अन्य देशों में भंडार के साथ टंगस्टन का सबसे बड़ा भंडार चीन में है।

यह खुद को एक स्नेहन, प्रतिऑक्सीकारक , चंचु, में एक सुरक्षात्मक विलेपन के रूप में और कई अन्य प्रकारों से भी काम करता हुआ पाता है। टंगस्टन को मुद्रण स्याही, एक्स-रे स्क्रीन, पेट्रोलियम उत्पादों के प्रसंस्करण में और वस्त्रों की लौ प्रूफन में पाया जा सकता है।

नाइओबियम मिश्र

Main articles: Niobium § Applications, and Niobium alloy
पृष्ठभूमि में चंद्रमा के साथ अपोलो सर्विस मॉड्यूल की छवि
नाइओबियम-टाइटेनियम मिश्र धातु से बने डार्क रॉकेट नोजल के साथ अपोलो सीएसएम

नाइओबियम लगभग हमेशा टैंटलम के साथ पाया जाता है, और इसका नाम ग्रीक पौराणिक कथाओं यूनान के राजा टैंटलस की बेटी नीओब के नाम पर रखा गया था, जिसके लिए टैंटलम का नाम रखा गया था। नाइओबियम के कई उपयोग हैं, जिनमें से कुछ यह अन्य उच्चतापसह धातुओं के साथ साझा करता है। यह इस मायने में अद्वितीय है कि इसे शक्ति और लोच (भौतिकी) की एक विस्तृत श्रृंखला प्राप्त करने के लिए एनीलिंग के माध्यम से काम किया जा सकता है, और उच्चतापसह धातुओं में सबसे कम घना है। यह विद्युत - अपघटनी संधारित्र और सबसे व्यावहारिक अतिचालकता मिश्र धातुओं में भी पाया जा सकता है। नाइओबियम विमान गैस टर्बाइन, वेक्यूम - ट्यूब और परमाणु रिएक्टरों में पाया जा सकता है।

तरल रॉकेट थ्रस्टर नोजल के लिए उपयोग किया जाने वाला मिश्र धातु, जैसे कि अपोलो चंद्र मॉड्यूल के मुख्य इंजन में, C103 है, जिसमें 89% नाइओबियम, 10% हेफ़नियम और 1% टाइटेनियम होता है।[26] अपोलो कमांड/सर्विस मॉड्यूल#सर्विस मॉड्यूल (एसएम) के नोजल के लिए एक अन्य नाइओबियम मिश्र धातु का उपयोग किया गया था। चूंकि नाइओबियम 400 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर ऑक्सीकृत होता है, मिश्र धातु को भंगुर होने से बचाने के लिए इन अनुप्रयोगों के लिए एक सुरक्षात्मक कोटिंग आवश्यक है।[26]


टैंटलम और इसकी मिश्र धातुएं

Main articles: Tantalum and Tantalum § Applications

टैंटलम सबसे अधिक संक्षारण प्रतिरोधी उपलब्ध पदार्थों में से एक है।

इस संपत्ति के कारण टैंटलम के कई महत्वपूर्ण उपयोग पाए गए हैं, विशेष रूप से चिकित्सा और शल्य चिकित्सा के क्षेत्रों में और कठोर अम्लीय वातावरण में भी। इसका उपयोग अपेक्षाकृत इलेक्ट्रोलाइटिक समाई बनाने के लिए भी किया जाता है। टैंटलम फिल्म्स airgel के बाद किसी भी पदार्थ की प्रति आयतन के हिसाब से दूसरी सबसे अधिक धारिता प्रदान करती है।[citation needed] और इलेक्ट्रॉनिक घटकों और विद्युत नेटवर्क के लघुकरण की अनुमति दें। कई चल दूरभाष और कंप्यूटर में टैंटलम कैपेसिटर होते हैं।

रेनियम मिश्र

Main article: Rhenium

रेनियम सबसे हाल ही में खोजी गई उच्चतापसह धातु है। यह अन्य उच्चतापसह धातुओं, प्लैटिनम या तांबे के अयस्कों के अयस्कों में कई अन्य धातुओं के साथ कम सांद्रता में पाया जाता है। यह अन्य अपवर्तक धातुओं के मिश्र धातु के रूप में उपयोगी है, जहां यह लचीलापन और तन्य शक्ति जोड़ता है। रेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, जाइरोस्कोप और परमाणु रिएक्टरों में किया जा रहा है। रेनियम उत्प्रेरक के रूप में अपना सबसे महत्वपूर्ण उपयोग पाता है। इसका उपयोग प्रतिक्रियाओं में एक उत्प्रेरक के रूप में किया जाता है जैसे कि alkylation, dekylation, हाइड्रोजनीकरण और ऑक्सीकरण। हालांकि इसकी दुर्लभता इसे उच्चतापसह धातुओं में सबसे महंगा बनाती है।[27]


लाभ और कमी

उच्चतापसह धातुओं की ताकत और उच्च तापमान स्थिरता उन्हें गर्म धातु अनुप्रयोगों और वैक्यूम भट्ठी प्रौद्योगिकी के लिए उपयुक्त बनाती है। कई विशेष अनुप्रयोग इन गुणों का फायदा उठाते हैं: उदाहरण के लिए, टंगस्टन लैंप फिलामेंट्स 3073 K तक के तापमान पर काम करते हैं, और मोलिब्डेनम फर्नेस वाइंडिंग्स 2273 K तक का सामना करते हैं।

हालांकि, उच्च तापमान पर खराब निम्न-तापमान फैब्रिकेबिलिटी और अत्यधिक रिडॉक्स अधिकांश उच्चतापसह धातुओं की कमियां हैं। पर्यावरण के साथ सहभागिता उनके उच्च तापमान रेंगने की शक्ति को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है। इन धातुओं के अनुप्रयोग के लिए एक सुरक्षात्मक वातावरण या कोटिंग की आवश्यकता होती है।

मोलिब्डेनम, नाइओबियम, टैंटलम और टंगस्टन की अपवर्तक धातु मिश्र धातुओं को अंतरिक्ष परमाणु ऊर्जा प्रणालियों में लागू किया गया है। इन प्रणालियों को 1350 K से लगभग 1900 K के तापमान पर संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। एक पर्यावरण को सामग्री के साथ बातचीत नहीं करनी चाहिए। तरल क्षार धातुओं को गर्मी हस्तांतरण तरल पदार्थ के साथ-साथ अति-उच्च वैक्यूम के रूप में उपयोग किया जाता है।

मिश्र धातुओं का उच्च तापमान रेंगना (विरूपण) विरूपण (यांत्रिकी) उनके उपयोग के लिए सीमित होना चाहिए। रेंगना तनाव 1-2% से अधिक नहीं होना चाहिए। उच्चतापसह धातुओं के रेंगने वाले व्यवहार का अध्ययन करने में एक अतिरिक्त जटिलता पर्यावरण के साथ बातचीत है, जो रेंगने वाले व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है।

यह भी देखें

संदर्भ

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अग्रिम पठन

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