Легко обрабатываемый редкий металл

Легко обрабатываемый редкий металл

В «металлическом» сегменте таблицы Менделеева эта группа считается элитой. Список редких металлов невелик, но каждая позиция драгоценна. Их стоимость на мировом рынке подтверждает пословицу: «Что редко – дорого».

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:

1. Малая распространенность в литосфере, рассеянность без коренных месторождений.
2. Сложная технология извлечения из руды, получения чистого вещества.
3. Новизна, неосвоенность материала для практического применения.

Последнее условие – самое мобильное. Развитие технологий, появление новых сфер использования, масштабирование производства переводят элемент в привычные.

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:

Классификация однобока: многие элементы подпадают под разные группы:

• Рубидий с цезием – легкие рассеянные.
• Легкий тугоплав – титан.
• Рассеянные тугоплавы – рений, гафний, вольфрам.

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.

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:

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.

1. Обогащение сырья.
2. Выделение, разделение компонентов.
3. Очистка.
4. Восстановление.

Используется металлотермия, электролиз, плавка.

На тугоплавкую группу воздействуют методами порошковой металлургии.

Редкоземельные металлы « разлучают » экстракцией. Катализаторами выступают ионообменные процессы и органические растворители.

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.

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.

Стоимость

Цены редких элементов различны, но всегда высоки. Так, самый дорогой химический элемент – калифорний-282. Грамм оценивают в $250 млн.

Легкие металлы – перечень, свойства и польза элементов

Официально такой группы химических элементов не существует. Неофициально в нее занесены вещества с малой плотностью. Легкие металлы востребованы промышленным, оборонным комплексом, медициной, сферой красоты.

Что представляют собой

В номенклатуре IUPAC – уважаемой в мире международной организации, курирующей теорию и практику в сфере химии, термин « легкие металлы » отсутствует.

Неофициально к легким металлам относятся вещества с плотностью менее 5 граммов на кубический сантиметр.

• На этом основании выделяют пять главных: алюминий, бериллий, магний, титан, литий.
• Их дополняет «экзотика»: галлий, индий, висмут, таллий, кадмий.

Вторая группа причисляется к редким металлам.

Редкими эти элементы названы потому, что на практике используются недавно и не так широко, как традиционные материалы.

Физико-химические характеристики

Общие характеристики легких металлов:

1. Малая плотность.
2. Металлический блеск.
3. Серебристо-белый цвет.

Самый легкий элемент в группе – литий. Кубик из него ребром в 1 см весит полграмма (то есть плотность лития 0,533 г/см3).

Другие базовые свойства элементов разнятся. Например, алюминий – самый мягкий, титан и бериллий – самые прочные. Индий – самый блестящий.

Каждый представитель «легкой» группы относится еще к какому-нибудь сообществу.

Основанием становится не плотность, а другие физико-химические характеристики:

• Щелочные элементы – литий.
• Щелочноземельные – бериллий, магний.
• Цветные металлы – алюминий, титан, магний.
• Легкоплавкие – висмут, галлий, кадмий, таллий, индий.
• Тугоплавкие – титан, магний.

Каждый химический элемент наделен специфическими свойствами, присущими своей группе.

Как представлены в природе

На легкий металлический сегмент приходится пятая часть литосферы (по массе).

Чаще они входят в состав руды либо минерала. Особенно химически сверхактивные элементы, например, литий. Этот самый легкий металл в природе представлен собственными минералами – лепидолитовой слюдой и сподуменом.

Способы получения

Технологию выплавки легких металлов отработали к середине 19 века.

Для их получения в металлургии используется три способа:

1. Электролиз расплава солей. То есть аккумуляция на электродах компонентов растворенных либо других веществ. Реакцию запускает электрический ток, пропускаемый через раствор либо расплав электролита.
2. Металлотермия. Восстановление из их соединений другими, более активными металлами. Процесс проходит при повышенных температурах.
3. Электротермия. Материал нагревается, затем расплавляется теплом, полученным из электрического тока.

Производство легких элементов – весьма энергоемкий процесс. Поэтому металлургические комбинаты располагают поближе к источникам энергии.

В отличие от тяжелых металлов: их базовые предприятия привязывают к месторождению.

Ценностью легких, особенно цветных металлов, обусловлен второй способ получения – переработка лома.

Сферы использования

Главная миссия легких элементов – уменьшать массу конечного продукта. Недаром металлурги используют их и самостоятельно, и как добавку к сплавам из более тяжелого материала:

Этот щелочной элемент – материал третьего тысячелетия, поскольку незаменим при производстве электромобилей, смартфонов, других гаджетов.

• Без прочных элементов не обходится военно-промышленный, сегмент, атомная сфера.

Свойства элементов оценила медицина:

• Биологически совместимый с организмом человека титан – материал зубных и костных протезов.
• Психиатры используют соединения лития как седатив для пациентов с нестабильной психикой.

Серебряно-белый титан любят ювелиры.

Часы из титанового сплава

С титаном экспериментируют мастера высшего уровня, например, уроженка Тайваня Синди Чао и гонконгский «волшебник» Уоллес Чан.

Из пластичного, очень легкого металла серебристого цвета ими создаются шедевры музейной ценности.

Редкие металлы

Редкие металлы – группа цветных металлов, характеризующихся отсутствием собственных рудных месторождений и малой распространенностью в земной коре, трудностью их извлечения из сырья, небольшими масштабами производства.

Все редкие металлы являются цветными металлами.

Редкие металлы и их виды (подгруппы):

Все редкие металлы являются цветными металлами .

Группа редких металлов насчитывает свыше 60 металлов.

Редкие металлы условно подразделяют на следующие подгруппы: тугоплавкие, легкие, рассеянные, радиоактивные, редкоземельные. Некоторые металлы могут быть отнесены к нескольких подгруппам.

Редкие тугоплавкие металлы – подгруппа редких металлов, отличающихся высокой температурой плавления, прочностью и коррозионной устойчивостью.

К подгруппе редких тугоплавких металлов относят: цирконий , гафний , ванадий , ниобий , тантал , молибден , вольфрам , титан.

Редкие легкие металлы – подгруппа редких легких металлов, имеющих малую плотность (менее 2000 кг/м 3 ) и отличающихся высокой химической активностью.

К подгруппе редких легких металлов относят: литий , рубидий , цезий , бериллий .

Редкие рассеянные металлы – подгруппа редких металлов общим признаком которых является рассеянность в земной коре и нахождение их в виде изоморфной примеси в решетках ряда минералов цветных металлов. Рассеянные редкие металлы извлекают попутно при производстве цветных металлов и в некоторых других производствах, в т.ч. при переработке отходов.

К подгруппе редких рассеянных металлов относят: галлий , индий , таллий , германий , скандий , гафний , селен , теллур , рений , рубидий . В стандартных условиях температуры и давления селен и теллур проявляют свойства неметаллов. Гафний может быть отнесен как к рассеянным, так и к тугоплавким редким металлам, рубидий – как к рассеянным металлам, так и к легким редким металлам, скандий – как к рассеянным редким, так и к редкоземельным металлам.

Редкие радиоактивные металлы – подгруппа редких металлов, изотопы которых радиоактивны, т.е. самопроизвольно излучают поток элементарных частиц.

К естественным радиоактивным металлам относят: полоний , радий , торий , актиний , уран , протактиний . К искусственно получаемым радиоактивным металлам относят: технеций , прометий , астат , франций , в том числе трансурановые элементы.

Редкоземельные металлы – подгруппа редких металлов, редко встречающихся в земной коре, образующих нерастворимые окислы и являющихся химически активными. В рудном сырье эти металлы сопутствуют друг другу и сложно подвергаются разделению. Для разделения используют метод экстракции органическими растворителями и ионообменные процессы.

К редкоземельным металлам относят: скандий , иттрий , лантан и лантаноиды ( церий , празеодим , неодим , прометий , самарий , европий , гадолиний , тербий , диспрозий , гольмий , эрбий , тулий , иттербий , лютеций ).

Легко обрабатываемый редкий металл

Редкие металлы принято подразделять на пять групп по некоторым общим признакам: близости физико-химических свойств, совместному нахождению в рудном сырье и сходству методов выделения из сырья.
Ниже дана характеристика каждой из групп технической классификации, приведенной в табл. 5.

Металлы этой группы расположены в I и II группах периодической системы Менделеева, обладают малым удельным весом (литий — 0,53; бериллий — 1,85; рубидий — 1,55; цезий — 1,87) и отличаются высокой химической активностью. Их химические соединения, окислы, хлориды обладают высокой химической прочностью и с трудом восстанавливаются до металла. По этому признаку они близки к легким цветным металлам, алюминию, магнию, кальцию и натрию.
Подобно легким цветным металлам легкие редкие металлы получаются в свободном состоянии либо электролизом расплавленных солей, либо металлотермическими методами.

Тугоплавкие редкие металлы относятся к числу переходных элементов IV, V и VI групп периодической системы, у которых при переходе одного элемента к соседнему происходит достройка внутренних электронных уровней (так называемых d-уровней).
Эта особенность строения атомов определяет высокую прочность кристаллической решетки рассматриваемых металлов, что сказывается на их повышенной твердости, высоких температурах плавления (от 1660° для титана до 3400° для вольфрама, являющегося самым тугоплавким из всех металлов), высокой антикоррозионной устойчивости и переменной валентности, обусловливающей многообразие химических соединений этих элементов.
Все металлы рассматриваемой группы образуют весьма тугоплавкие, твердые и химически, устойчивые соединения с рядом металлоидов, обладающих малыми атомными радиусами (так называемых «фаз внедрения»). К ним относятся карбиды, нитриды, силициды и бориды, имеющие важное практическое применение.
Тугоплавкие редкие металлы взаимодействуют со многими другими металлами периодической системы, образуя твердые растворы и различные интерметаллические соединения, что широко используется в технике при производстве различных сплавов и высококачественных сталей.
В связи с высокими температурами плавления тугоплавких металлов в технологии их производства широко используется метод порошковой металлургии, заключающийся в получении металла в форме порошка с последующим его превращением в компактный металл путем прессования и спекания.
Близость свойств тугоплавких металлов определяет общность многих областей их применения. Так, кроме использования этих металлов в качестве легирующих добавок к сталям, многие из них применяются в виде тугоплавких твердых карбидов в составе твердых сплавов, а в чистом виде используются в электротехнике и электровакуумной технике.

Общим признаком этой группы является отсутствие или редкая распространенность собственных минералов этих металлов.
Металлы данной группы встречаются обычно в виде изоморфных примесей в ничтожных концентрациях в кристаллах других минералов. Поэтому рентабельное извлечение рассеянных редких металлов возможно только из отходов производств основных металлов.
Так, галлий, встречающийся в бокситах, извлекается из промежуточных продуктов и отходов алюминиевого производства. Галлий вместе с индием, таллием и германием часто встречается в цинковых и свинцовых рудах, и поэтому соединения этих металлов извлекаются из промежуточных продуктов и отходов цинкового и свинцового производств.
Германий часто встречается в углях и извлекается из отходов, получаемых при их переработке.
Селен и теллур, рассеянные в различных сульфидных минералах, извлекаются либо при металлургической переработке этого сырья, либо из отходов сернокислотного производства.
Рений как спутник молибдена извлекается попутно при переработке молибденового сырья.
Гафний, содержащийся в виде примеси в циркониевых минералах, извлекается при производстве циркония или его соединений.
Таким образом, сырьевые источники производства рассеянных редких металлов весьма разнообразны. К ним относятся отходы газовых заводов, шламы медерафинирующих заводов, пыли обжиговых и плавильных печей, отходы цинкового, свинцового и алюминиевого производств и т. д.
Рений и гафний, являющиеся спутниками соответственно молибдена и циркония, по свойствам близки к тугоплавким металлам и могут также рассматриваться в составе этой группы.

К этой группе относятся лантан и следующие за лантаном 14 элементов (от церия 58 до лутеция 71).
Близость физико-химических свойств лантаноидов объясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе одного элемента к другому у лантаноидов происходит заполнение глубоко лежащих недостроенных (4f) электронных уровней.
Близко примыкают к лантаноидам скандий и иттрий.
В рудном сырье редкоземельные металлы всегда сопутствуют друг другу. На первых стадиях переработки сырья они обычно выделяются в виде смеси окислов или других соединений. Дальнейшее разделение соединений редкоземельных элементов представляет большие технологические трудности.

К этой группе относятся естественные радиоактивные элементы: полоний, радий, актиний и актиноиды (торий, протактиний, уран) и искусственно полученные заурановые элементы; нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, атений и центурий.
Радиоактивные свойства металлов этой группы в значительной степени определяют особенности их технологии, приемы работы с ними, а также области их использования.
Актиноиды, так же как и редкоземельные элементы, характеризуются тем, что переход от одного элемента к другому осуществляется путем достройки глубоко расположенных 5f электронных уровней и в этом отношении группа актиноидов аналогична лантаноидам.
В рудном сырье естественные радиоактивные элементы встречаются совместно. Часто им сопутствуют редкоземельные металлы.
Как известно, естественные и некоторые искусственно полученные металлы группы актиноидов играют важнейшую роль в производстве атомной энергии.

Хрупкие металлы – перечень, особенности обработки и использования

Металл ассоциируется с надежностью, прочностью, твердостью. Хрупкость – это атрибут стекла и подобных материалов. Однако и в металлическом сегменте есть «стекло».

Хрупкими могут стать изначально пластичные элементы.

Хрупкость – антипод пластичности. Это свойство вещества разрушаться без визуально различимых деформаций. То есть на изломе, например, цинковой проволоки цвет, блеск, структура не изменятся.

Хрупкие металлы подразделяются на две группы:

• Наделенные этим свойством от природы.
• Ставшие таковыми в результате обработки.

Ко второй группе причисляются также сплавы.

Причины уязвимости

Склонность к разрушению у металлов, других простых веществ, сплавов обусловлена следующими причинами:

Структура. Например, у сурьмы это крупные зерна. У стали – доминирование в структуре а-фазы.

Переход металла в хрупкое состояние происходит при разных температурах.

• Скорость нагрузки. Чем быстрее возрастает нагрузка на материал, тем быстрее он разрушится. Резкие удары способны погубить даже пластичные структуры (малоуглеродистую сталь).

Сплавы становятся хрупкими из-за примесей:

• Самый «вредный» химический элемент – углерод. Он делает сплавы железа (чугун, сталь) хрупче в разы.
• Сталь с фосфором обретает хладноломкость.
• При малейшем «загрязнении» пластичный хром становится неподатливым к обработке.

«Стеклянными» сплавы делают фосфор, сера, мышьяк, сурьма, вольфрам.

Этот изъян не устранили даже создатели материалов поколения 2.0. Например, «супервещества» алюминид титана. Этот титаново-алюминиевый серебристый конгломерат термо-, коррозиестоек, но перед кувалдой бессилен.

Список

К металлам с изначальной хрупкостью относятся природные и технологичные материалы.

• Щелочноземельные – бериллий.
• Легкоплавкие – олово, висмут.
• Тяжелые элементы – цинк, марганец, хром, сурьма, кобальт.

• Вольфрам. Самый прочный на растяжение среди металлов. . Твердый хрупкий платиноид голубовато-серебристого цвета, второй по плотности среди простых веществ, тугоплавкий. . Мягкий хрупкий белый металл.

Самый хрупкий металл – сурьма. Ее легко сделать порошком вручную.

Материалы, полученные в результате технологических процессов: бронза, белый чугун, сталь с высоким содержанием углерода.

Особенности обработки

Материалы, наделенные хрупкостью, разрушаются при попытке их удлинить даже на пару процентов.

Поэтому их обработка специфична:

1. Перед работой материал подогревают, чтобы нейтрализовать хладноломкость.
2. Исключено воздействие давлением. Например, чугун (нагретый либо холодный) после такой операции сохранит форму, но внутренне разрушится.
3. Болванки из хрупких сплавов (чугунные, бронзовые) рубят от края к центру.

Неоднозначно воздействие закалки. В отличие от подогрева, при такой обработке кратно увеличивается прочность стали, других материалов, но в ущерб пластичности. То есть порог хрупкости понижается.

Хрупкие металлы легче разрушить растяжением, чем сжатием.

Малопластичные вещества используют там, где исключено резкое механическое воздействие:

• Производство катализаторов.
• Электроника.
• Лаки, краски.
• Аптечные препараты.
• Косметические средства.

Алюминид титана задействуют в космических технологиях и медицине.

Читайте также:

• Спицы круговые с металлическим тросиком
• Высота металлической ванны с ножками от пола
• Магнитно комбинированная горизонтальная мобильная поворотная доска 75х100 металлический профиль
• Сигареты esse в металлической пачке
• Характер изменения прочности металла при наклепе и рекристаллизации

https://mdmetalla.ru/metall/legko-obrabatyvaemyj-redkij-metall.html