Самые редкие сплавы: Самые дорогие металлы в мире

Описание редких металлов и сферы их применения

Редкоземельные металлы – группа из 17 похожих по свойствам элементов серебристо-белого оттенка. Это Скандий, Иттрий, Лантан и 14 лантаноидов. Их содержание в земной коре минимальное. Есть несколько вариантов их обозначения: РЗЭ, REM, REE и TR.

Что такое РЗЭ, их химические, физические свойства?

Редкоземельные элементы на самом деле достаточно распространены. Но их концентрация в минеральных соединениях ничтожна, что сильно затрудняет добычу. Иными словами, чтобы получить один из 17 металлов, необходимо переработать большое количество породы.

  Наиболее распространенными являются:
• латан;
• неодим;
• церий;
• иттрий.

При этом все 17 элементов характеризуются высокой окисляемостью (+3). В результате они образуют оксиды, которые отличаются твердостью, прочностью и тугоплавкостью. Для предотвращения окислительных реакций организуются специальные условия хранения элементов. Они не растворяются в воде. РЗЭ активно реагируют на температурное воздействие (нагрев), легко взаимодействуют с кислотными средами и водородом. На их основе получают сплавы и металлы. Редкоземельные элементы отличаются высокой прочностью, при их нагреве выделяется большое количество тепла, проявляется пирофорность – искрение.

Где добывают РЗЭ?

Лидером добычи редкоземельных элементов является Китай. Эксперты оценивают их запасы в этой стране на уровне 48% от общего количества. А на долю рудников Баотоу приходится 80% всех запасов КНР. На втором месте расположились Соединенные Штаты с 13% РЗЭ. За ними идут Россия, Канада и Австралия.

В РФ редкоземельные элементы добываются в Мурманской области на Ловозерском месторождении. Здесь получают концентрат, которые транспортируется на Соликамский магниевый комбинат, где преобразуется в карбонаты. На территории Восточной Сибири открыто несколько месторождений: Катугинское, Томторское, Чуктуконское. Но они не разрабатываются из-за сложных климатических условий.

В природных условиях РЗЭ – это сульфиды, то есть прочные окислы. Они содержатся в более чем 250 минералах. Но для выделения редкоземельных элементов подходят не более 60, так как минимальное их содержание не должно быть ниже 6%.

Все РЗЭ характеризуются низкой токсичностью. Они оказывают минимальное воздействие на организм человека. Но при разработке породы, получения концентрата остаются тяжелые воды, которые при сбросе без очистки наносят окружающей среде существенный ущерб. Побочным продуктом обогащения минералов являются радиоактивные уран и торий.

Для снижения негативного влияния от добычи редкоземельных металлов разрабатываются программы повторной переработки электроники. Пока они мало эффективны и дают всего 1% от общего объема получаемых РЗЭ. Причина – высокая стоимость технологии преобразования вторсырья.

Тантал – один из самых дорогостоящих (стоимость 1 килограмм – 200 долларов). Выпускается в виде порошка и слитков. Наибольшие запасы элемента находятся на территории России. В основном используется для производства конденсаторов для электросхем.

Литий – мировые запасы оцениваются на уровне 24 миллиона тонн. Лидерами его производства являются Россия, Бразилия, Чили и Боливия. Ежегодно добывают более 35 тысяч тонн этого металла. Получается, в том числе, из соляных отложений озер. Применяется для увеличения прочности алюминия, а также выпуска литий-ионных батарей.

Бериллий используется для получения бериллиевой бронзы. А она превращается в контакты и разъемы смартфонов, планшетов, ноутбуков, персональных компьютеров. Также материал преобразуется в пластики и стекло.

Ниобий – это добавка для получения особых сортов сталей и сплавов. Из них изготавливаются строительные конструкции, трубы для эксплуатации в неблагоприятных условиях, например для бурения нефтяных и газовых скважин. Набольшее количество ниобия добывается в Бразилии. На долю РФ приходится 25% от общего объема. Это от 2 до 4 тысяч тонн в год.

Сфера применения?

Редкоземельные металлы широко используются для производства электроники. Из-за этого спрос на них последние десятилетия резко возрос. Хотя их нашли в начале XX века. А применение в промышленных масштабах началось в 60-х годах прошлого столетия. Это было обусловлено активным развитием телекоммуникационных технологий.

Сплавы с содержанием этих элементов применяются при создании комплектующих для персональных компьютеров, ноутбуков, смартфонов. В частности, без редкоземельных металлов невозможно производство плат и аккумуляторов. Без них не было таких известных брендов:
• Apple;
• Tesla;
• Philips.

Последние несколько лет спрос на эти элементы возрос еще больше. Это связано с активным развитием зеленых технологий в автомобилестроении. Батареи для электромобилей изготавливаются из материалов, включающих редкоземельные металлы. Также они применяются в качестве катализаторов и для полировки оптики.

Еще одна сфера применения – медицина. Тут используется оборудование для проведения диагностики и операций. В нем также присутствуют элементы управления, изготовленные из РЗЭ. Важную роль элементы играют для оборонной промышленности. На их базе производятся средства связи, высокоточное оружие, снаряды и броня. Для снижения себестоимости продукции ведутся поиски равноценных аналогов. Но существующие заменители не могут сравниться по свойствам с редкоземельными металлами. Ожидается, что в следующие 10 лет спрос на эти элементы значительно вырастет. Это связано со стремительным ростом производства электроники.

В России ежегодно используется более 2 тысяч тонн редкоземельных металлов. Две трети этого объема уходит на производство электроники (большая часть используется вооруженными силами). Несколько сот тонн в качестве катализатора применяется в нефтеперерабатывающей отрасли. Остальное потребляется различными отраслями промышленности, в том числе и предприятиями, выпускающими бытовую технику.

Редкие металлы и сплавы.

Физико-химический анализ и металловедение :: Книги по металлургии

СПЛАВЫ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

 

Основным препятствием для применения в технике особо проч­ных сложнолегированных твердых растворов замещения на основе металлов VAгруппы (ванадий, ниобий, тантал) является ухудше­ние технологической пластичности. Поэтому, например, в ниобий вводится не больше 25% вольфрама, 10% молибдена, 7% ванадия, 5% циркония, 3—5% хрома [26]. По этой же причине ограничены возможности упрочнения за счет образования твердых растворов замещения большой концентрации для металлов VIAгруппы (хром, молибден, вольфрам).

Основой этих сплавов являются малолегированные твердые растворы, а упрочнение достигается в результате выделения дис­персных включений второй фазы, которая образуется в результате взаимодействия термодинамически активных тугоплавких метал­лов с примесями внедрения. Обычно вторая фаза выделяется в ви­де окислов, карбидов, нитридов или более сложных соединений (оксикарбидов, карбонитридов и т. д.). Пожалуй, единственным исключением получения высоколегированных сплавов промышлен­ного значения на основе металлов VIAгруппы являются сплавы систем вольфрам—рений, молибден—рений, вольфрам—молиб­ден. В данной главе будут рассмотрены данные о структуре, свой­ствах и применении некоторых важных для современной техники сплавов на основе редких металлов.

 

СПЛАВЫ ВОЛЬФРАМА

Самая высокая среди металлов температура плавления, минималь­ный коэффициент линейного расширения, высокие упругость и прочностные свойства делают вольфрам наиболее перспективной основой для разработки высокопрочных и жаропрочных сплавов, материалов с заданным комплексом физических свойств.

Сплавы вольфрама широко используются в самых различных отраслях современной техники: ракетно-космической, ядерной, радиоэлектронике, светотехнике и др. Па сегодняшний день по-прежнему значительная часть всей вольфрамовой продукции производится методами порошковой металлургии. Но наряду с этим все больше проявляется тенденция разработки новых вакуум-плавленных сплавов вольфрама и расширения масштабов их производства и потребления. В США более 25 % вольфрамовой продукции выпускается из плавленного вольфрама. Интенсифи­цируются работы в направлении решения проблем хладноломкости, окисляемости и плохой свариваемости вольфрама, являющихся основными причинами, сдерживающими его применение [26].

Проводятся интенсивные работы по изучению влияния леги­рования на свойства вольфрама. При этом особый интерес пред­ставляет легирование с целью повышения не только прочности и жаропрочности, но также жаростойкости и пластичности. Большинство разрабатываемых вольфрамовых сплавов представ­ляет твердые растворы, упрочненные дисперсными частицами неметаллических соединений. В качестве легирующих добавок используются хром, никель, молибден, ниобий, тантал, титан, цирконий, гафний, углерод. Добавки этих элементов к вольфраму, как правило, не превышают 5 мас.%. Сплавы вольфрама с боль­шим количеством легирующих элементов замещения характери­зуются резким снижением технологической пластичности. Исклю­чение представляют сплавы системы вольфрам—рений (как и системы молибден—рений), которые будут рассмотрены отдельно.

Легирование вольфрама переходными .металлами в области твердых растворов замещения приводит к возрастанию предела прочности и снижению пластичности в широком интервале тем­ператур. Сплав вольфрама с 20 мас.% молибдена дуговой вакуум­ной плавки при комнатной температуре имеет о_ь = 90 кгс/мм², а δ — 7% [394]. Сплав вольфрам—15 мас.% молибдена— 27 мас.% рения имеет а_ь = 132 кгс/мм², δ = 5% [395].

В интервале температур 1600—2200^е С наиболее прочными ока­зались сплавы вольфрама с небольшими добавками гафния, нио­бия и тантала (до 3 ат.%) [396]. Предел прочности деформирован­ного сплава вольфрама с 1,7% гафния составляет 54 и 12 кгс/мм² при 1650 и 2200″ С соответственно. Рост прочности пропорциона­лен разнице в атомных диаметрах вольфрама и легирующего эле­мента. Но при этом надо отметить, что легирование металлами IVA—VAгрупп резко снижает растворимость углерода в воль­фраме, и сплавы этих систем являются не однофазными, а двух-или трехфазными. Содержание циркония и гафния в вольфраме до 1 ат.% изменяет форму и характер распределения W₂C, а даль­нейшее увеличение содержания этих металлов приводит к появле­нию в структуре сплавов мелкодисперсных карбидов типа МеС.

Низкая растворимость углерода и кислорода в вольфраме при­водит к тому, что практически всегда в исходном вольфраме содер­жатся избыточные фазы карбидов и окислов. При этом форма расположения их крайне неблагоприятная. Как показали наши исследования [487], проведенные с помощью сканирующей элек­тронной микроскопии, окислы могут располагаться в виде топких пленок по границам зерен, а карбиды имеют форму шипов или дендритов, располагающихся как по границам, так и внутри зерен. Поэтому при создании вольфрамовых сплавов с необходи­мыми прочностными и пластическими характеристиками надо нейтрализовать охрупчивающее воздействие примесей внедрения. Это достигается или путем глубокой очистки вольфрама или изме­нением состава, формы и характера расположения фаз, содержащих примеси внедрения.

Вредное влияние кислорода, связанное с наличием пор и окисных пленок, может быть устранено раскислением. Содержание углерода можно снизить за счет взаимодействия его с кислородом или водородом. При разработке сплавов в комплексе с термоди­намически активными добавками углерод может быть и полезной примесью с точки зрения повышения жаропрочности, а в ряде случаев и технологической пластичности.

 

Интерес представляет легирование вольфрама бором. Хотя бор — менее эффективный упрочнитель по сравнению с углеродом [405], по-видимому, он в комплексе с другими легирующими эле­ментами будет полезной добавкой к вольфрамовым сплавам вслед­ствие модифицирующего и рафинирующего действия.

Несмотря на достигнутые успехи в разработке вольфрамовых сплавов, надо отметить, что задача создания вольфрамовых спла­вов, сочетающих высокую прочность и пластичность, окончатель­но не решена. Как один из путей повышения пластичности воль­фрамовых сплавов (наряду с рафинировкой, модифицированием и т. д.), по нашему мнению, известную перспективу имеет создание сплавов с прочнопластичной эвтектической структурой, где проч­ной составляющей будут кристаллы вольфрама или твердого раствора на его основе, а мягкой — кристаллы пластичного ме­талла. Примером такой системы могли бы быть сплавы системы вольфрам—титан, но их приготовление осложняется большой разницей в температурах плавления и упругости пара компо­нентов. Видимо, перспективным путем может быть создание ком­позиционных материалов, в которых высокопрочные волокна вольфрамовых сплавов армированы пластичной составляющей.

 

Наряду с отмеченным выше карбидным упрочнением эффек­тивное упрочнение вольфрама (металлокерамического) происходит при добавлении тугоплавких окислов, например окислов тория, иттрия и др. В работе [40G] приводятся данные по непровисающему вольфраму с кремнеалюмощелочными присадками. Пред­ложен механизм этого упрочняющего влияния [407—410J. Он заключается в том, что дисперсные пузырьки, образуемые парами калия или других щелочных металлов, располагаются вдоль направления волочения проволоки и являются, подобно дисперс­ным тугоплавким частицам, эффективными барьерами для пласти­ческих сдвигов. Благодаря этим цепочкам включений образуется направленная вдоль оси проволоки структура, обеспечивающая формоустойчивость и высокие механические свойства.

Имеются попытки упрочнения вольфрама дисперсными части­цами нитрида гафния [408, 411].

Определенный интерес представляют сплавы вольфрама с ме­таллами платиновой группы, а также металлами группы железа. Установлено, что добавки осмия к вольфраму повышают его пластичность [412]. Аналогичное влияние оказывает и рутений. Механизм действия этих элементов до конца не ясен, но можно предполагать, что одна из причин повышения пластичности за­ключается в появлении двойникования как дополнительного к скольжению механизма деформации. Благоприятное влияние металлов VIIAи VIII групп на пластичность вольфрама связывают также с изменением электронной структуры образующихся твер­дых растворов замещения [308, 413, 414], с нейтрализацией вред­ного влияния углерода ввиду большой растворимости карбидов в гексагональных металлах по сравнению с оцк металлами [108].

Бесспорный интерес представляет исследование сплавов воль­фрама с марганцем, поскольку последний по своим химическим свойствам близок к рению. Однако получение этих сплавов пред­ставляет сложную технологическую задачу и, по-видимому, дол­жно проводиться под сравнительно большим давлением инертных газов или методами порошковой металлургии.

Методами порошковой металлургии удается вводить в воль­фрам и молибден небольшие добавки марганца, которые значи­тельно повышают технологическую пластичность благодаря нейтрализации вредного влияния примесей, особенно кислорода.

Несмотря на технологические трудности, связанные с приго­товлением сплавов вольфрама,   их  обработкой и сваркой, они находят все большее применение в современной технике. Имеются сообщения об использовании вольфрама для изготовления сопел топливных ракетных двигателей, частей плазменных двигателей и носовых конусов ракет, возвращающихся в плотные слои атмо­сферы [415, 416]. Для сопел твердотопливных ракетных двига­телей применяется пористый вольфрам, пропитанный серебром или медью [417]. Это значительно улучшает обрабатываемость вольфрама, а также теплоотдачу и сопротивление тепловому уда­ру. В связи с тем, что продукты горения твердого топлива являют­ся восстановителями, значительная окисляемость вольфрама не является препятствием работе в ракетных соплах. В этих условиях отмечается хорошее сопротивление вольфрама эрозии вплоть до температуры плавления.

Применение вольфрама в соплах ракетных двигателей вызва­ло необходимость разработки технологии изготовления вольфра­мовых деталей больших размеров. Эта задача решается как путем прессования и ковки вакуум-плавленного вольфрама, так и мето­дами порошковой металлургии. 

Краткий обзор самых редких металлов в мире

В этом блоге мы иногда говорим о редкоземельных металлах, которые, как вы, возможно, знаете, на самом деле не являются редкими, но названы так потому, что их трудно и дорого извлекать. Здесь мы обсудим несколько настоящих редких металлов, присутствующих в земле в ничтожных количествах, но, тем не менее, имеющих важное применение.

Тантал

Самый редкий стабильный металл – тантал. Самый редкий металл на земле — франций, но поскольку этот нестабильный элемент имеет период полураспада всего 22 минуты, он не имеет практического применения. Тантал, с другой стороны, используется для изготовления конденсаторов в электронном оборудовании, таком как мобильные телефоны, DVD-плееры, системы видеоигр и компьютеры. Он также используется для изготовления хирургического оборудования и искусственных суставов. Тантал легко изготавливается, устойчив к коррозии и является хорошим проводником тепла и электричества. Ознакомьтесь с этой инфографикой по танталу, чтобы узнать больше.

Теллур

Теллур — дефицитный элемент, используемый в металлургии в качестве добавки к нержавеющей стали и в качестве компонента сплавов, изготовленных из меди, свинца и железа. В информационном бюллетене Геологической службы США «Теллур — светлое будущее солнечной энергии» поясняется, что теллур в основном используется для производства пленок, необходимых для тонкопленочных фотоэлектрических солнечных элементов. В сплаве с другими элементами, такими как кадмий, теллур образует соединение, обладающее повышенной электропроводностью. Тонкая пленка может эффективно поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электричество.

Рений

Рений — последний открытый стабильный металл и один из самых редких элементов на Земле. Он имеет высокую температуру плавления и чрезвычайно термостойкий и износостойкий. Рений является важным легирующим элементом. Согласно информационному бюллетеню Геологической службы США «Рений — редкий металл, имеющий решающее значение для современного транспорта», рений является важным компонентом суперсплавов на основе никеля, которые используются для изготовления двигателей реактивных самолетов и промышленных газотурбинных двигателей. Высокотемпературные свойства рения позволяют проектировать газотурбинные двигатели с более тонкими допусками и работать при более высоких температурах, чем двигатели, изготовленные из других материалов, что приводит к увеличению срока службы двигателя, повышению производительности двигателя и повышению эффективности работы.

Нефтяная промышленность использует платино-рениевые катализаторы для производства высокооктанового бензина, не содержащего свинца. Другие области применения рения включают производство электрических контактных точек, ламп-вспышек, нагревательных элементов, вакуумных трубок, рентгеновских трубок и мишеней, а также использование в различных медицинских процедурах.

Ознакомьтесь с постом Advancing Mining, Краткий обзор самых редких металлов Земли , чтобы узнать больше о том, как добываются эти скрытые металлы.

Анализ сплавов

Элементный анализ является жизненно важным инструментом в аэрокосмической промышленности и других отраслях, где суперсплавы и специальные металлы используются для изготовления компонентов с особыми функциональными свойствами. Когда точный состав компонентов металлических сплавов, включая наличие загрязняющих веществ или опасных элементов, неизвестен, качество, безопасность и соблюдение нормативных требований находятся под угрозой.

Рентгеновская флуоресценция (XRF) – это метод неразрушающего контроля, который помогает предприятиям с их программами обеспечения качества/контроля качества (QA/QC), помогая гарантировать отсутствие неправильных или несоответствующих техническим требованиям металлических сплавов, вызванных смешиванием материалов. ошибки, потеря прослеживаемости, неправильный химический состав сварного шва и разбавление или даже поддельные материалы попадают в производственный процесс. На самом деле, достижения в области портативных XRF-технологий расширились до такой степени, что современные анализаторы способны различать марки сплавов, которые почти идентичны по составу друг другу. Прочтите «Кошмары, не дающие производителю спать по ночам», чтобы узнать больше об анализаторах XRF для этого приложения.

 

Новый сплав платины и золота может быть самым твердым из когда-либо созданных металлов . . . и один из самых редких — верните, переработайте и продайте свой лом драгоценных металлов

Вы слышали о новом сплаве платины и золота, который считается самым неразрушимым металлом из когда-либо созданных? . . такой же твердый, как алмаз, и практически устойчивый к истиранию? Мы тоже слышали об этом. Это звучит как обман. Ведь золото очень мягкий металл. Платину можно легко поцарапать, как обнаружили владельцы платиновых обручальных колец. Так как же может быть, что сочетание этих двух не очень прочных металлов может привести к созданию суперметалла, который практически не поддается разрушению?

Платино-золотой сплав — не обман

Как ни трудно поверить, этот новый сверхпрочный сплав действительно существует. Вы можете прочитать об этом в статье «Достижение сверхнизкого износа с помощью стабильных нанокристаллических металлов». Вот ключевая информация, которую вам нужно знать.

• Сплав был разработан исследователями из Министерства энергетики США, работающими в Sandia National Laboratories в Альбукерке, штат Нью-Мексико.

• Вероятно, это самый износостойкий сплав из когда-либо созданных, по твердости приближающийся к твердости алмаза.

• Твердость сплава достигается путем воздействия на него чрезвычайно высоких температур около 500⁰C (почти 1000⁰F) в течение как минимум 24 часов в вакуумной камере. Этот процесс вызывает изменение кристаллической структуры металла, создавая структуры настолько прочные и твердые, что они почти полностью устойчивы к истиранию.

• Сплав также является отличным проводником электричества. Это означает, что в будущем он, вероятно, найдет применение в различных электронных устройствах.

• Высокая износостойкость делает его желательным для различных аэрокосмических применений. Его тонкие слои, например, можно было бы использовать в точках трения на устройствах, которые используются снаружи космических кораблей, где вакуум делает практически невозможным уменьшение трения за счет использования нефтяных смазок.

Итак, где сегодня этот новый суперсплав?

Ответ на этот вопрос практически нигде, потому что он не производился в больших количествах и не использовался во многих местах.