उच्चतापसह धातु

आग रोक धातुएं धातुओं का एक वर्ग है जो गर्मी और पहनने के लिए असाधारण रूप से प्रतिरोधी हैं। अभिव्यक्ति ज्यादातर सामग्री 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 शामिल 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 कमरे के तापमान पर उच्च कठोरता शामिल है। वे रासायनिक रूप से निष्क्रिय हैं और अपेक्षाकृत उच्च घनत्व रखते हैं। उनके उच्च गलनांक इन धातुओं से निर्माण (धातु) घटकों के लिए पाउडर धातु विज्ञान को पसंद की विधि बनाते हैं। उनके कुछ अनुप्रयोगों में संक्षारक वातावरण में उच्च तापमान, घिसाव फिलामेंट्स, कास्टिंग मोल्ड्स और रासायनिक प्रतिक्रिया जहाजों पर धातुओं को काम करने के उपकरण शामिल हैं। आंशिक रूप से उच्च गलनांक के कारण, दुर्दम्य धातुएं अत्यधिक उच्च तापमान पर रेंगने (विरूपण) के खिलाफ स्थिर होती हैं।

परिभाषा
'अपवर्तक धातु' शब्द की अधिकांश परिभाषाएं शामिल करने के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता के रूप में असाधारण रूप से उच्च गलनांक को सूचीबद्ध करती हैं। एक परिभाषा के अनुसार, ऊपर एक गलनांक 4000 °F अर्हता प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। पांच तत्व नाइओबियम, मोलिब्डेनम, टैंटलम, टंगस्टन और रेनियम सभी परिभाषाओं में शामिल हैं, जबकि व्यापक परिभाषा, जिसमें ऊपर गलनांक वाले सभी तत्व शामिल हैं 2123 K, में नौ अतिरिक्त तत्व शामिल हैं: टाइटेनियम, वैनेडियम, क्रोमियम, zirconium, हेफ़नियम, दयाता, रोडियाम, आज़मियम और इरिडियम। रेडियोधर्मी होने के कारण कृत्रिम तत्वों को कभी भी दुर्दम्य धातुओं का हिस्सा 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।

भौतिक
दुर्दम्य धातुओं में उच्च गलनांक होता है, जिसमें टंगस्टन और रेनियम सभी तत्वों में सबसे अधिक होते हैं, और दूसरे के गलनांक केवल ऑस्मियम और इरिडियम से अधिक होते हैं, और कार्बन का उच्चीकरण होता है। ये उच्च गलनांक उनके अधिकांश अनुप्रयोगों को परिभाषित करते हैं। रेनियम को छोड़कर सभी धातुएं शरीर-केंद्रित क्यूबिक हैं, जो गोलाकारों की क्लोज-पैकिंग है | हेक्सागोनल क्लोज-पैक है। इस समूह के तत्वों के अधिकांश भौतिक गुण महत्वपूर्ण रूप से भिन्न होते हैं क्योंकि वे विभिन्न समूह (आवर्त सारणी) के सदस्य हैं। रेंगना (विरूपण) प्रतिरोध दुर्दम्य 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 दुर्दम्य धातुओं के लिए 1500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर तापमान आवश्यक होता है। उच्च तापमान पर विरूपण के खिलाफ यह प्रतिरोध दुर्दम्य धातुओं को उच्च तापमान पर मजबूत बलों के खिलाफ उपयुक्त बनाता है, उदाहरण के लिए जेट इंजन, या लोहारी  के दौरान उपयोग किए जाने वाले उपकरण।

रासायनिक
दुर्दम्य धातुएँ 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 परतों के गठन (निष्क्रियता (रसायन विज्ञान)) द्वारा बल्क 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 खिलाफ स्थिरीकरण खो जाता है, क्योंकि ऑक्साइड परत वाष्पित हो जाती है। वे सभी एसिड के खिलाफ अपेक्षाकृत स्थिर हैं।

अनुप्रयोग
आग रोक धातुओं और उनसे बनी मिश्र धातुओं का उपयोग प्रकाश, उपकरण, स्नेहक, परमाणु प्रतिक्रिया नियंत्रण छड़, उत्प्रेरक के रूप में और उनके रासायनिक या विद्युत गुणों के लिए किया जाता है। उनके उच्च गलनांक के कारण, दुर्दम्य धातु घटकों को ढलाई (धातु कार्य)  द्वारा कभी भी निर्मित नहीं किया जाता है। पाउडर धातु विज्ञान की प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है। शुद्ध धातु के पाउडर को कॉम्पैक्ट किया जाता है, विद्युत प्रवाह का उपयोग करके गरम किया जाता है, और एनीलिंग चरणों के साथ ठंडे काम करके आगे गढ़ा जाता है। दुर्दम्य धातुओं और उनके मिश्र धातुओं को तार, सिल्लियां, सरिया, शीट धातु या पन्नी (धातु) में काम किया जा सकता है।

मोलिब्डेनम मिश्र
मोलिब्डेनम-आधारित मिश्र धातुओं का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, क्योंकि वे बेहतर टंगस्टन मिश्र धातुओं से सस्ते होते हैं। मोलिब्डेनम का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल 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 करता है, जिससे सामग्री के लिए 1060 °C से ऊपर का सेवा तापमान संभव हो जाता है। Mo-30W की उच्च प्रतिरोधकता, 70% मोलिब्डेनम और 30% टंगस्टन के मिश्र धातु, पिघले हुए जस्ता के हमले के खिलाफ इसे जस्ता कास्टिंग के लिए आदर्श सामग्री बनाती है। यह पिघला हुआ जस्ता के लिए वाल्व बनाने के लिए भी प्रयोग किया जाता है। मोलिब्डेनम का उपयोग रिले#मर्करी-वेटेड रिले में किया जाता है, क्योंकि मोलिब्डेनम अमलगम (रसायन विज्ञान) नहीं बनाता है और इसलिए तरल पारा (तत्व) द्वारा जंग के लिए प्रतिरोधी है। मोलिब्डेनम दुर्दम्य धातुओं का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। इसका सबसे महत्वपूर्ण उपयोग इस्पात  के मजबूत मिश्र धातु के रूप में होता है। खोखले संरचनात्मक खंड और  पाइपलाइन  में अक्सर मोलिब्डेनम होता है, जैसा कि कई स्टेनलेस स्टील्स करते हैं। उच्च तापमान पर इसकी ताकत, पहनने के प्रतिरोध और घर्षण के कम 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 तेलों में शामिल किया जाता है जहाँ विश्वसनीयता और प्रदर्शन महत्वपूर्ण हैं। ऑटोमोटिव निरंतर-वेग जोड़ों में मोलिब्डेनम युक्त ग्रीस का उपयोग होता है। यौगिक आसानी से धातु से चिपक जाता है और एक बहुत ही कठोर, घर्षण-प्रतिरोधी कोटिंग बनाता है। दुनिया का अधिकांश मोलिब्डेनम अयस्क चीन, संयुक्त राज्य अमेरिका, चिली और कनाडा में पाया जा सकता है।

टंगस्टन और उसके मिश्र धातु
टंगस्टन की खोज 1781 में स्वीडन के रसायनशास्त्री कार्ल विल्हेम शेहेल ने की थी। टंगस्टन में सभी धातुओं का उच्चतम गलनांक होता है 3410 °C. अपनी उच्च तापमान शक्ति और संक्षारण प्रतिरोध को बेहतर 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 शामिल किए बिना चाप अधिक स्थिर रूप से जलता है। पाउडर धातु विज्ञान अनुप्रयोगों के लिए, सिंटरिंग प्रक्रिया के लिए बाइंडरों का उपयोग किया जाना चाहिए। टंगस्टन भारी मिश्र धातु के उत्पादन के लिए, निकल और लोहे या निकल और तांबे के बाइंडर मिश्रण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। मिश्र धातु की टंगस्टन सामग्री सामान्य रूप से 90% से ऊपर होती है। सिंटरिंग तापमान पर भी टंगस्टन अनाज में बांधने वाले तत्वों का प्रसार कम होता है और इसलिए अनाज का आंतरिक भाग शुद्ध टंगस्टन होता है। टंगस्टन और इसकी मिश्र धातुओं का उपयोग अक्सर उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां उच्च तापमान मौजूद होता है लेकिन फिर भी उच्च शक्ति आवश्यक होती है और उच्च घनत्व परेशानी नहीं होती है। टंगस्टन तार तंतु अधिकांश घरेलू गरमागरम प्रकाश प्रदान करते हैं, लेकिन आर्क लैंप में इलेक्ट्रोड 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 गरमागरम प्रकाश में फिलामेंट के रूप में आवेदन के लिए एक उच्च गलनांक आवश्यक है। गैस टंग्सटन आर्क वेल्डिंग (GTAW, जिसे टंगस्टन इनर्ट गैस (TIG) वेल्डिंग के रूप में भी जाना जाता है) उपकरण एक स्थायी, गैर-पिघलने वाले इलेक्ट्रोड का उपयोग करता है। उच्च पिघलने बिंदु और विद्युत चाप के खिलाफ पहनने का प्रतिरोध टंगस्टन को इलेक्ट्रोड के लिए उपयुक्त सामग्री बनाता है। टंगस्टन की उच्च घनत्व और शक्ति भी हथियार प्रक्षेप्य  में इसके उपयोग के लिए महत्वपूर्ण गुण हैं, उदाहरण के लिए टैंक गन राउंड के लिए यूरेनियम की कमी के विकल्प के रूप में। इसका उच्च गलनांक टंगस्टन को रॉकेट इंजन नोजल जैसे अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छी सामग्री बनाता है, उदाहरण के लिए UGM-27 पोलारिस में। टंगस्टन के कुछ अनुप्रयोग इसके दुर्दम्य गुणों से संबंधित नहीं हैं, बल्कि इसके घनत्व से संबंधित हैं। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग विमानों और हेलीकाप्टरों के लिए या गोल्फ क्लब (उपकरण) के प्रमुखों के लिए संतुलन भार में किया जाता है।  इस एप्लिकेशन में अधिक महंगी ऑस्मियम जैसी सघन सामग्री का भी उपयोग किया जा सकता है।

टंगस्टन के लिए सबसे आम उपयोग ड्रिल की बिट ्स, मशीनिंग और काटने के उपकरण में यौगिक टंगस्टन कार्बाइड के रूप में होता है। कोरिया, बोलीविया, ऑस्ट्रेलिया और अन्य देशों में जमा के साथ टंगस्टन का सबसे बड़ा भंडार चीन में है।

यह खुद को एक स्नेहन, एंटीऑक्सिडेंट के रूप में, नोजल और झाड़ियों में, एक सुरक्षात्मक कोटिंग के रूप में और कई अन्य तरीकों से भी काम करता हुआ पाता है। टंगस्टन को मुद्रण स्याही, एक्स-रे स्क्रीन, पेट्रोलियम उत्पादों के प्रसंस्करण में और वस्त्रों की लौ प्रूफिंग में पाया जा सकता है।

नाइओबियम मिश्र
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 दुर्दम्य 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 दुर्दम्य 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 इस्तेमाल 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। 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।

टैंटलम और इसकी मिश्र धातुएं
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 बेहतर 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। और इलेक्ट्रॉनिक घटकों और विद्युत नेटवर्क के लघुकरण की अनुमति दें। कई चल दूरभाष  और कंप्यूटर में टैंटलम कैपेसिटर होते हैं।

रेनियम मिश्र
रेनियम सबसे हाल ही में खोजी गई दुर्दम्य धातु है। यह अन्य दुर्दम्य 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 दुर्दम्य धातुओं में सबसे महंगा बनाती है।

लाभ और कमी
दुर्दम्य 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 दुर्दम्य 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। दुर्दम्य 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

 * आग रोक