История
Понятие «редкие металлы» вошло в обиход с середины 1920-х годов. Тогда так называли элементы без собственных месторождений, рассеянные в массиве других руд.
Иногда отождествляются термины «редкий металл» и «редкий элемент». Это ошибка:
- Редкие элементы – более широкое понятие.
- Оно подразумевает металлы, неметаллы, инертные газы.
- Из шести десятков позиций списка редких элементов на металлы приходится 50.
Второе наименование этой группы – менее обычные (привычные) металлы.
Что считается «менее обычным» материалом
К редким металлам относится элемент, соответствующий хотя бы одному критерию:
- Малая распространенность в литосфере, рассеянность без коренных месторождений.
- Сложная технология извлечения из руды, получения чистого вещества.
- Новизна, неосвоенность материала для практического применения.
Последнее условие – самое мобильное. Развитие технологий, появление новых сфер использования, масштабирование производства переводят элемент в привычные.
Осмий
Металл относится к платиновой группе и является драгоценным. По цвету осмий серебристый с голубым отливом. Он является не просто одним из редчайших металлов, но и самым плотным из простых веществ в мире.
В естественной среде осмий можно добыть в комплексных рудах. Металл отличается повышенной температурой плавления и используется в промышленности, химии, медицине и инженерии.
На производство редкого изотопа осмий-187 требуется более 9 месяцев. Стоимость изотопа составляет 10 000 долларов за 1 г.
Классификация
Материал распределяется по нескольким основаниям. Первая основа деления – по происхождению. Различают природный (натуральный) и созданный человеком.
Природные металлы
За основу принадлежности к группе берут свойство, более других влияющее на кондиции элемента либо благодаря которому он востребован.
По базовому признаку различают пять видов редких металлов:
- Редкоземельные. Скандий, иттрий, лантан.
Умеренно мягкий, лёгкий редкоземельный металл серебристого цвета с жёлтым отливом – Скандий - Тугоплавкие. Ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, тантал, титан, цирконий.
Ванадий - Легкие. Бериллий, литий, рубидий, цезий.
Бериллий, чистота более 99%, поликристаллический фрагмент - Рассеянные. Галлий, индий, рений, таллий.
Галлий - Радиоактивные. Уран, франций, радий, полоний, (прот)актиний, торий.
Полоний
Классификация однобока: многие элементы подпадают под разные группы:
- Рубидий с цезием – легкие рассеянные.
- Легкий тугоплав – титан.
- Рассеянные тугоплавы – рений, гафний, вольфрам.
В список редких элементов чёрные металлы не входят.
Есть деление по субъективному признаку. Редкими благородными металлами признаны золото, платина, родий. (Их второе название – драгоценные). А также платиноид осмий, плотность которого наивысшая среди веществ Земли.
Платина
Самые редкие цветные металлы, созданные природой, – осмий, галлий, тантал, рений.
Искусственные
Элементы, созданные на ядерных реакторах: технеций, нептуний, плутоний, прочие трансурановые.
Они причислены к радиоактивной группе.
Самый редкий металл на Земле – калифорний-282.
Ежегодный объем синтезирования калифорния – менее грамма. Глобальный резерв – пять граммов.
А слышали про металл туллий? Смотрите видео:
Калифорний
Одним из самых редких и при этом дорогостоящих металлов является калифорний. На его производство уходит от полутора до восьми лет. Для того чтобы добыть несколько граммов калифорния, необходимо потратить примерно 10 миллионов долларов. В мире существует всего 2 лаборатории, которые занимаются обработкой и добычей металла. Одна находится на территории США, вторая – в России.
Калифорний не относится к драгоценным металлам, так как является радиоактивным. Цвет металла серебристый с белым оттенком. Применяется в лучевой терапии для лечения рака мозга (иногда шеи), а также в рентгенографии самолетов.
Советуем почитать: Украшения из золота. Способы ухода
Где и как добываются
Источник редкостного материала – природные руды:
- Почти всегда это конгломерат компонентов.
- Доля металлов исчисляется тысячными либо меньше долями процента.
- Стандартный способ добычи – закрытый (шахтный), реже – открытый карьерный.
Главный поставщик сырья на мировой рынок – Китай. Он диктует расклад, номенклатуру, цены. Главный потребитель – США.
Российский источник редкого сырья номер один – Кольский полуостров. На его руды, содержащие титан, приходится 40% разведанных запасов страны.
Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты
Технология получения
Редкие металлы вычленяют из отходов металлургического производства.
Процесс стандартен:
- Обогащение сырья.
- Выделение, разделение компонентов.
- Очистка.
- Восстановление.
Используется металлотермия, электролиз, плавка.
На тугоплавкую группу воздействуют методами порошковой металлургии.
Редкоземельные металлы «разлучают» экстракцией. Катализаторами выступают ионообменные процессы и органические растворители.
Галлий
Удивительный металл серебристо-голубого цвета под названием «галлий» является ценным, редким и очень востребованным в промышленной сфере. Кроме этого, галлий нередко используется фокусниками, так как у него низкая температура плавления, и металл может начать таять, находясь в руке.
Галлий применяется для изготовления термометров для измерения высоких температур, а также на основе редкого металла производят металлический клей.
Стоимость галлия составляет 1200 долларов за 1 килограмм.
Где используются
В отличие от других сегментов промышленности, металлургия «менее привычных» элементов кризисы переносит спокойно. Это закономерно: материал добывается ограниченными партиями, дорогой, всегда востребован.
В чистом виде не используется: слишком накладно. Только как компонент сплавов либо легирующая добавка.
Традиционные сферы
Области использования редкостного материала:
- Ядерная энергетика. Уран и торий – топливо для атомных станций. Сегодня это самый экологичный вид энергии.
Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл – уран - Радиоэлектроника, машино-, приборостроение. Здесь задействованы стали и сплавы с вольфрамом, другими компонентами как легирующей добавкой.
Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам - Химпром. Компонент лаков, красок, катализатор.
- Нефтедобыча и переработка. Катализаторы.
- Стекольная промышленность. Микродобавки лантана, неодима, празеодима кратно повышают прозрачность стекла.
- Ювелирное дело. Золото и платина – материал украшений премиум-сегмента.
Золото
Это также сплавы для нужд космического и оборонного комплекса (орудия, снаряды), взрывчатые вещества.
Новые направления
В новом тысячелетии на первый план вышло использование лития как материала компактных мощных батарей-аккумулятров и магнитов:
- Батареями-аккумуляторами снабжают электромобили, смартфоны, планшеты, другие гаджеты.
- Магниты присутствуют в объектах «зеленой» энергетики (солнечные панели, ветряки), автомобилях с гибридным двигателем, мониторах.
Щелочной металл Литий
Материал поколения 2.0 – магнитопласт. Из него делают мини-динамики, гибкие панели, рекламную «инфраструктуру».
Калифорний-282 востребован геологами, физиками-ядерщиками, медициной.
Жаропрочный металл и жаростойкость
Ненагруженные конструкции, эксплуатируемые при температуре порядка 550°С в окислительной газовой атмосфере, изготавливаются обычно из жаростойкой стали. К данным изделиям часто относятся детали нагревательных печей. Сплавы на базе железа при температуре больше 550°С склонны активно окисляться, из-за чего на их поверхности образуется оксид железа. Соединение с элементарной кристаллической решеткой и нехватка атомов кислорода приводит к появлению окалины хрупкого типа.
Для улучшения жаростойкости стали в химический состав вводятся:
- хром;
- кремний;
- алюминий.
Данные элементы, соединяясь с кислородом, способствуют формированию в металле надежных, плотных кристаллических структур, благодаря чему и улучшается способность металла спокойно переносить повышенную температуру.
Тип и количество легирующих элементов, вводимых в состав сплава на базе железа, зависит от температуры, в которой эксплуатируется изделие из него. Лучшая жаростойкость у сталей, легирование которых выполнялось на основе хрома. Наиболее известные марки этих сильхромов:
- 15Х25Т;
- 08Х17Т;
- 36Х18Н25С2;
- Х15Х6СЮ.
С повышением количества хрома в составе жаростойкость увеличивается. С хромом могут создаваться марки металлов, изделия из которых не утратят первоначальных характеристик и при долгом воздействии температуры больше 1000°С.
Особенности жаропрочных материалов
Жаропрочные сплав и стали успешно эксплуатируются при постоянном воздействии больших температур, причем склонность к ползучести не проявляется. Суть данного процесса, которому подвержены стали обыкновенных марок и прочие металлы, в том, что материал, испытывающий воздействие постоянной температуры и нагрузку, медленно деформируется, или ползет.
Ползучесть, которой стараются избежать при создании жаропрочных сталей и металлов другого типа, бывает:
- длительной;
- кратковременной.
Для определения параметров кратковременной ползучести материалы подвергаются испытаниям: помещаются в печь, нагретую до нужной температуры, а к ним на определенное время прикладывается растягивающая нагрузка. За короткое время проверить материал на склонность к длительной ползучести и выяснить, каков ее предел, не удастся. С этой целью испытуемое изделие в печи подвергается длительной нагрузке.
Важность предела ползучести в том, что он характеризует наибольшее напряжение, ведущее к разрушению разогретого образца после воздействия определенное время.
