¿Cómo se funden los metales con puntos de fusión muy altos?

Question

Hace unos años, en la feria del Renacimiento, observé cómo un herrero forjaba el metal para darle forma. Durante este tiempo me surgió una pregunta muy impar. Me preguntaba de qué estaba hecho el horno. Mi lógica me decía que lo que fuera el horno debía tener un punto de fusión más alto que los materiales que estaba fundiendo. Esto se convirtió rápidamente en una carrera armamentística elemental que dio lugar a una pregunta impar sobre cómo fundimos cosas como los metales refractarios (más concretamente el que tiene el punto de fusión más alto) para poder fundir otras cosas dentro de él.

Ahora sé que (por alguna razón impar que no entiendo) el enfriamiento rápido puede manipular la fuerza de un elemento. ¿Existe una propiedad similar para manipular el punto de fusión?

Nota: Mi mejor conjetura actual (como se puede hacer para endurecer las armas) es que tomamos dos elementos, los fundimos, y el compuesto resultante tiene un punto de fusión más alto.

Answer 1

El punto de fusión del tungsteno, de 3.422 °C, es el más alto de todos los metales y el segundo entre los elementos, después del carbono (3.550 °C). Por ello, el tungsteno se utiliza en toberas de cohetes y revestimientos de reactores. Hay cerámicas y aleaciones refractarias que tienen puntos de fusión más altos, especialmente $\ce{Ta4HfC5}$ con un punto de fusión de 4215 °C, el carburo de hafnio a 3900 °C y el carburo de tántalo a 3800 °C.

El carbono no puede utilizarse para mantener el tungsteno fundido porque reaccionará para formar carburo de tungsteno. A veces, las cucharas y los crisoles utilizados para preparar o transportar materiales de alto punto de fusión, como el tungsteno, están revestidos con las distintas cerámicas o aleaciones de mayor fusión. Lo más habitual es que el tungsteno y otros materiales refractarios se fabriquen en estado no fundido. Un proceso conocido como metalurgia de polvos se utiliza. Este proceso utiliza 4 pasos básicos:

• fabricación de polvo: existen diversas técnicas para generar pequeñas partículas del material que se trabaja
• mezcla de polvos: se utilizan procedimientos rutinarios para mezclar las partículas constituyentes en una mezcla uniforme
• compactación - el polvo mezclado se coloca en un molde y se somete a alta presión
• Sinterización: el material compactado se somete a altas temperaturas y se produce cierto nivel de unión entre las partículas.

Answer 2

Lo siento, no puedo comentar aquí, pero quería responder más directamente a su pregunta.

Los herreros evitan fundir sus fraguas porque el "calor" que puede fundir u oxidar el hierro y el acero está realmente contenido en una bola en el centro del carbón. De hecho, mantener la "estructura" del carbón es una habilidad importante en la herrería.

Para aclararlo mejor, imagine un hueco en el centro de una pila de carbón. Aquí es donde las temperaturas se elevan más allá de los 2000 °F, ya que el calor se refleja en sí mismo debido a que el carbón se moldea en una especie de bola refractaria.

Y sí, a veces tu bola se deshace, o la has estructurado mal, y entonces te das cuenta de que la tapa del desagüe de hierro fundido que protege la entrada de aire se ha fundido.

Answer 3

Utilizamos un horno de levitación para calentar muestras de cerámica refractaria hasta aprox. $3000~^\circ\mathrm{C}$ . Es para fines de investigación, por lo que las muestras son cuentas pequeñas (2 mm). Se equilibran en un chorro de argón y se calientan con $\ce{CO2}$ láseres.

Aquí hay un documento que habla de la técnica:
D. Langstaff, M. Gunn, G. N. Greaves, A. Marsing y F. Kargl, Rev. Sci. Instrum. ; 2013 , 84 , 124901. ( Espejo )

Answer 4

Se podrían fundir flotando en un charco de metal más denso de alto punto de ebullición, o en el espacio, donde se pueden contener fácilmente. O se podría crear una cáscara gruesa enfriada activamente y fundirlas dentro de ella, fundiendo también parte de la cáscara. Por último, probablemente no sea muy práctico, pero se podría utilizar un chorro de aire para mantenerlos suspendidos lejos de otra materia y luego fundirlos con láseres o aire sobrecalentado.

Answer 5

En este caso hay dos alternativas a las otras respuestas, aunque se puede cuestionar si se pueden utilizar a gran escala.

La primera es utilizar un refrigerado activamente recipiente para contener el metal y un método para hacer llegar la energía al metal no basado en el calor del crisol. Muchas reacciones de vapor de metal (utilizadas para la investigación química a pequeña escala) hacen esto y proporcionan suficiente energía para vaporizar incluso metales refractarios utilizando cañones de electrones. Véase Sitio de Malcolm Green (y esta entrada "La síntesis de los primeros compuestos cerovalentes de los primeros metales de transición refractarios mediante el desarrollo del experimento de síntesis de vapores metálicos con pistola de electrones").

El otro método consiste en utilizar el calentamiento inductivo del metal. A veces puede funcionar incluso sin un recipiente, ya que una bobina inductiva adecuada hará levitar el trozo de metal y las corrientes de Foucault inducidas descargarán en él la energía suficiente para fundirlo. Hay muchos videos de youtube de esto con metales no refractarios como el aluminio, pero el principio debería seguir funcionando para los metales de alta fusión.