H HeLiBe BCNOFNeNaMg AlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLa*HfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAc**RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg *CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu **ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr  Tulenkestävät metallit  Laajempi määritelmä tulenkestävistä metalleista"International Journal of Refractory Metals and Hard Materials". Elsevier. Retrieved 2010-02-07.

Tulenkestävät eli lämmönkestävät metallit ovat ryhmä metalleja, joilla on erinomaiset lämmön- ja virumisenkesto-ominaisuudet. Yleisin määritelmä tulenkestäville metalleille on yli 2204 °C sulamispiste. Tähän määritelmään kuuluvat niobium, molybdeeni, tantaali, volframi ja renium. Bauccio, Michael; American Society for Metals (1993). "Refractory metals". ASM metals reference book. ASM International. s. 120–122 Laajemmassa määritelmässä tulenkestäviin metalleihin voidaan myös luokitella kaikki yli 1800 °C:ssa sulavat metallit, johon kuuluvat lisäksi titaani, vanadiini, kromi, zirkonium, hafnium, rutenium, rodium, osmium ja iridium.

Radioaktiivisia keinotekoisia alkuaineita ei kuitenkaan luokitella tulenkestäviksi metalleiksi, vaikka niillä olisikin määritelmän mukaiset sulamispisteet J. R. Davis, 2001, Alloying: understanding the basics, s. 308–333.. Tulenkestäville metalleille on määritelmän laajuudesta riippumatta yhteistä korkeat sulamispisteet, mekaanisen kestävyyden säilyminen korkeissa lämpötiloissa, korkeat tiheydet ja kemiallinen inerttisyys. Lisäksi tulenkestävillä metalleilla on hyvät sähkönjohto-ominaisuudet ja korkeat höyrynpaineet.David Rowe, Refractory Metals, Heat Treating progress, 11.2003, s. 56-60.

Ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet + Tulenkestävien metallien ominaisuudet Ominaisuus Yksikkö Niobium Molybdeeni Tantaali Volframi Renium Sulamispiste K 2750 2896 3290 3695 3459 °C 2477 2623 3017 3422 3186 Kiehumispiste K 5017 4912 5731 5828 5869 °C 4744 4639 5458 5555 5596 Tiheys g/cm3 8,57 10,28 16,69 19,25 21,02 Youngin moduuli GPa 105 329 186 411 463 Vickers-kovuus MPa 1320 1530 873 3430 2450

Tulenkestävillä metalleilla on alkuaineiden suurimmat sulamispisteet heti hiilen, osmiumin ja iridiumin jälkeen. Lähes kaikki tähän joukkoon kuuluvat metallit ovat kiderakenteeltaan tilakeskisiä kuutioita, mutta renium järjestäytyy heksagonaaliseksi tiivispakkaukseksi. Tähän joukkoon kuuluu monien eri ryhmien metalleja ja niiden ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti. Borisenko, V. A. (1963). "Investigation of the temperature dependence of the hardness of molybdenum in the range of 20–2500°C". Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1 (3): 182. doi:10.1007/BF00775076 Fathi, Habashi (2001). "Historical Introduction to Refractory Metals". Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 22 (1): 25–53. doi:10.1080/08827509808962488

Tulenkestävillä metalleilla on tavallisesti alhaiset resistanssin ja höyrynpaineen arvot sekä matalat lämpökapasiteetin arvot . Näiden metallien tiheydet ovat yleensä suuria What are refractory metals?, Metal Powder Industries Federation, Saatavissa (viitattu 29.4.2019): https://www.pickpm.com/wp-content/uploads/2016/08/What-Are-Refractory-Metals.pdf . Tiheydeltään alhaisin on niobium ja suurin on renium. Viidestä tavallisimmasta tulenkestävästä metallista volframilla on korkein sulamispiste, kun taas reniumin kiehumispiste on korkein. Lisäksi nämä metallit ovat kovia materiaaleja, jotka kestävät hyvin kulumista, ja ne kestävät hyvin lämpöshokkeja .

Yksi näiden metallien merkittävimmistä ominaisuuksista on niiden vähäinen viruminen. Viruminen on riippuvainen metallin sulamislämpötilasta, minkä seurauksena esimerkiksi alumiiniseoksen viruminen alkaa noin 200 °C:ssa kun taas tulenkestävien metallien virumiseen vaaditaan yli 1 500 °C:n lämpötiloja. Suurien lämpötilojen keston vuoksi nämä metallit soveltuvat käyttötarkoituksiin, joissa materiaalin täytyy kestää suuria voimia korkeissa lämpötiloissa. Tavallisimpia käyttökohteita ovat esimerkiksi suihkumoottorit ja taontatyökalut. Schmid, Kalpakjian (2006). "Creep". Manufacturing engineering and technology. Pearson Prentice Hall. pp. 86–93. Weroński, Andrzej; Hejwowski, Tadeusz (1991). "Creep-Resisting Materials". Thermal fatigue of metals. CRC Press. pp. 81–93. Matalissa lämpötiloissa tulenkestävät metallit ovat usein hauraita, mutta tähän muutoslämpötilaan voidaan vaikuttaa useilla eri tekijöillä. Näihin kuuluvat mm. materiaalin puhtaus, metalliseoksen ainesuhteet ja valmistusmenetelmät. Montanez, C. (2019) ”That’s All You Need To Know About Refractory Metals”. Saatavissa (viitattu 29.4.2019): https://www.refractorymetal.org/thats-all-you-need-to-know-about-refractory-metals/

Kemialliset ominaisuudet Lämmönkestävät metallit koostuvat monen ryhmän metalleista, ja niillä on varsin erilaisia kemiallisia ominaisuuksia. Kaikki luokan metallit hapettuvat huomattavasti sulamispistettä alhaisemmissa lämpötiloissa, joten korkean lämpötilan käytännön sovellukset rajoittuvat inerttiin tai vakuumiolosuhteisiin. Muodostunut oksidikerros hidastaa hapettumista. Joidenkin metallien, kuten reniumin, molybdeenin tai volframin, oksidit sublimoituvat korkeammissa lämpötiloissa ja koko materiaali lopulta haihtuu . Tulenkestävät metallit kestävät kuitenkin hyvin erilaisia happoja, eritoten tantaali, joka syöpyy vain vetyfluoridin vaikutuksesta .

+Metallien käyttäytyminen erilaisissa kaasuolosuhteissa : Atmosfääri Volframi Tantaali Molybdeeni NiobiumIlma >400°C1 >800°C2 >250°C1,4 >300°C1 >600°C2 >250°C1,4 Kuiva vety Ei reaktiota Hydridejä Ei reaktiota Hydridejä Kostea vety <1400°C ei reaktiota

>1400°C O/R5 Hydridejä,

hapettuu >250°C <1400°C ei reaktiota

>1400°C O/R5 Hydridejä,

hapettuu >250°C Krakattu ammoniakki Ei reaktiota Nitridejä,  

hydridejä >400°C Ei reaktiota Nitridejä,  

hydridejä >400°C Hiilivetyjä <900°C3 <700°C3 <1100°C3 <700°C3 Typpi <2300°C ei reaktiota >700°C nitridejä <2200°C ei reaktiota >300°C nitridejä Argon Ei reaktiota Ei reaktiota Ei reaktiota Ei reaktiota Helium Ei reaktiota Ei reaktiota Ei reaktiota Ei reaktiota Vakuumi 10-2 mbar <2000°C ei reaktiota haurastuu/hapettuu <1700°C ei reaktiota haurastuu/hapettuu Vakuumi <10-4 mbar Haihtuu >2400°C Haihtuu >2200°C Haihtuu >1600°C Haihtuu >1950°C 1Hapettuu,2Sublimoituu,3Hiiltyy,4Haurastuu,5Whisker muodostuminen; >5 g/m3 hapetus/pelkistysreaktio

Hyvästä kemiallisesta kestävyydestä huolimatta tulenkestävät metallit hapettuvat suhteellisen nopeasti yli 400 °C lämpötiloissa. Tämän takia niiden käyttö kuumuuden kestoa vaativissa sovellutuksissa rajoittuu hapettomiin atmosfääreihin ja tyhjiöihin. Tulenkestävistä metalleista valmistettujen tuotteiden hapettumiskorroosionkestoa voidaan parantaa komposiittipinnotteilla. Tulenkestävät metallit kestävät kuitenkin hyvin erilaisia happoja, eritoten tantaali, joka syöpyy vain vetyfluoridin vaikutuksesta. B.A. Chin, P. Banerjee, J. Liu and S. Chen, Special Metallurgial Welding Considerations for Refractory Metals, ASM Handbook Volume 6: welding, brazing and soldering, 1993, p.580-582.

Molekyyliorbitaaliteoria Tulenkestävien metallien lämmönkestävyyttä voidaan selittää vahvan metallisidoksen avulla. Molekyyliorbitaaliteorian  mukaan kaikilla kyseisillä metalleilla on korkea sidoskertaluku parittomien d-orbitaalien johdosta. Siirtymämetallien s- ja d-orbitaalien energiaerot ovat pienet, joten niiden ajatellaan muodostavan yhdessä molekyyliorbitaalit. Tulenkestävien metallien parittomien d-orbitaalien elektronien ajatellaan muodostavan sitovia molekyyliorbitaaleja ja ne muodostavat vahvan valenssivyön.

Teorian mukaan mangaanilla olisi suhteellisen korkea sulamispiste (viisi d-elektronia) verrattuna tulenkestäviin metalleihin, joten teoria selittää lämmönkestävyyden vain osittain. Selitys tälle eroavaisuudelle voisi olla, että elektroni kaikilla d-orbitaaleilla stabiloi yksittäistä atomia enemmän kuin se vahvistaa metallisidosta.

Käyttökohteet Tulenkestäviä metalleja käytetään tavallisimmin lämmityslaitteissa induktio- tai vastuslämmittimissä ja muissa laiteosissa, muiden metallien työstöön käytettävissä työkaluissa sekä säteilykilvissä. Tulenkestäviä metalleja käytetään myös paljon seosmetalleina metalliseoksissa. Esimerkiksi korkeaa virumisenkestoa vaativissa metalliseoksissa voidaan käyttää volframia ja molybdeeniä. Tulenkestävien metallien käyttöä rajoittavat niiden korkea hinta ja huono työstettävyys, pois lukien niobium ja tantaali, joita voidaan työstää perinteisin keinoin. Reniumia lukuun ottamatta tulenkestäviä metalleja käytetään maailmanlaajuisesti yli 900 tonnia vuosittain.

Tulenkestäviä metalleja käytetään myös valaistuksessa, työkaluissa, voiteluaineissa, ydinreaktoreiden säätösauvoissa, katalyytteinä sekä niiden muissa sovelluksissa niiden kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien takia. Korkean sulamispisteensä vuoksi tulenkestäviä metallikomponentteja ei koskaan valmisteta valamalla. Sen sijaan käytetään jauhemetallurgian prosessia. Puhtaan metallin jauheet tiivistetään, kuumennetaan sähkövirralla, valmistetaan edelleen kylmäkäsittelyllä ja hehkutusvaiheilla. Tulenkestävät metallit voidaan käsitellä langaksi, harkoiksi, raudoitustangoiksi, levyiksi tai folioksi.P. Jéhanno, H. Kestler (2005) "Assessment of a powder metallurgical processing route for refractory metal silicide alloys" https://link-springer-com.libproxy.tuni.fi/article/10.1007%2Fs11661-005-0165-5

Molybdeeniseokset Molybdeenipohjaisia ​​seoksia käytetään laajalti, koska ne ovat halvempia kuin ominaisuuksiltaan paremmat volframiseokset. Yleisimmin käytetty molybdeeniseos on Titaani-Zirkonium-Molybdeeniseos TZM, joka koostuu 0,5 % titaanista ja 0,08 % zirkoniumista sekä jäljelle jäävät 99,42 % molybdeenistä. Seoksella on korkea virumisenkestävyys ja lujuus korkeissa lämpötiloissa, mikä tekee materiaalin mahdollisista käyttölämpötiloista yli 1 060 °C. Mo-30W:n, 70 % molybdeeniä ja 30 % volframia sisältävän seoksen, korkea vastustuskyky sulan sinkin vaikutukselle tekee siitä ihanteellisen materiaalin sinkin valamiseen. Sitä käytetään myös sulan sinkin venttiilien rakentamiseen. Smallwood, Robert E. (1984). "TZM Moly Alloy". ASTM special technical publication 849: Refractory metals and their industrial applications: a symposium. ASTM International.p.14.

Molybdeeniä käytetään elohopealla kostutetuissa kielireleissä, koska molybdeeni ei muodosta amalgaameja ja on siksi kestävä nestemäisen elohopean korroosiolle. Kozbagarova, G. A.; Musina, A. S.; Mikhaleva, V. A. (2003). "Corrosion Resistance of Molybdenum in Mercury". Protection of Metals. 39 (4): p. 374. doi:10.1023/A:1024903616630 Molybdeeni on yleisimmin käytetty tulenkestävä metalli. Sen tärkein käyttökohde on terästä vahvistava seos. Rakenneputket sisältävät usein molybdeeniä, kuten myös monet ruostumattomat teräkset. Sen lujuus korkeissa lämpötiloissa, kulutuskestävyys ja pieni kitkakerroin ovat kaikki ominaisuuksia, jotka tekevät siitä arvokasta seostusaineena. Sen erinomaiset kitkaominaisuudet johtavat sen sisällyttämiseen rasvoihin ja öljyihin, joissa tarvitaan luotettavuutta ja suorituskykyä. Auton vakionopeusliitokset käyttävät molybdeeniä sisältävää rasvaa. Yhdiste tarttuu helposti metalliin ja muodostaa erittäin kovan kitkakestävän pinnoitteen. Suurin osa maailman molybdeenimalmista löytyy Kiinasta, Yhdysvalloista, Chilestä ja Kanadasta. Magyar, Michael J. "Commodity Summary 2009:Molybdenum" (PDF). United States Geological Survey. Saatavissa (viitattu 29.4.2019): https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/molybdenum/mcs-2009-molyb.pdf 

Volframi ja sen seokset Enintään 22 % reniumia seostetaan volframiin sen korkean lämpötilan lujuuden ja korroosionkestävyyden parantamiseksi. pienoiskuva| Hehkulanka 200 watin hehkulampussa