Seltene Metalle
Relevanz
Seltene Metalle werden üblicherweise als eine Gruppe von relativ neuen oder wenig verwendeten Metallen bezeichnet. Ihr Produktionsumfang und ihr Anwendungsbereich sind noch nicht vollständig erschlossen. Die Verwendung seltener Metalle in der Rüstungsindustrie und in der Volkswirtschaft im Allgemeinen ist eine Angelegenheit von nationaler Bedeutung.
Geologie
Die in der Erdkruste entdeckten seltenen Metalle sind in geringen Mengen enthalten. Vanadium, Titan, Beryllium, Lithium und einige andere werden jedoch jährlich in Tausenden von Tonnen abgebaut. Wismut und Tantal werden manchmal in der Natur in Form von Nuggets gefunden. Reiche Vorkommen von Wolfram, Molybdän und Titan sind entdeckt worden. Einige Erze aus bekannten Lagerstätten enthalten als Nebenprodukt Metalle wie Tellur, Indium, Selen, Gallium und Germanium, die bei der Aufbereitung der Erze extrahiert werden. Auch Pegmatit-Aderminerale enthalten seltene Metalle und Seltene Erden. Die Gewinnung der seltenen Metalle ist ein sehr komplexer Prozess der Erzaufbereitung.
Allgemeine Merkmale
Seltene Metalle besitzen ungewöhnlich wertvolle und vielfältige Eigenschaften. Die radioaktiven Eigenschaften einiger Seltenerdmetalle werden in großem Umfang in der Kernkraftindustrie genutzt. Durch die Verwendung selbst winziger Anteile seltener Metalle in der Zusammensetzung von Legierungen wird deren Qualität optimiert, z. B. die Beständigkeit gegenüber kryogenen Temperaturen, die Erhöhung der Hitzebeständigkeit.
Nach Ansicht der Wissenschaftler können seltene Metalle die Produktionstechnologie der modernen Industrie verändern. Die heutige Technologie stellt sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Legierungen. Seltene Metalle bilden die Grundlage für diese Legierungen. Struktur, Eigenschaften und Anwendungsmethoden einiger Legierungen auf der Basis seltener Metalle sind für die moderne Technik von größter Bedeutung. Legierungen von Wolfram mit Mangan beispielsweise sind für die Forscher von besonderem Interesse. Die Herstellung dieser Legierungen ist jedoch technologisch sehr schwierig und erfolgt in der Regel mit pulvermetallurgischen Methoden.
Refraktäre Metalle
Eine besondere Klasse chemischer Elemente umfasst Metalle, die bei hohen Temperaturen von mindestens 1650-1700 °C schmelzen. Die Gruppe der Refraktärmetalle wird von den seltenen Metallen angeführt. Sie alle haben eine dicht gepackte Atomstruktur. Hoher Schmelzpunkt, hohe Härte, Festigkeit und elektrischer Widerstand sind auf die engen interatomaren elektronischen Bindungen zurückzuführen.
Die Verwendung von
Die wichtigsten Anwendungen für die meisten Refraktärmetalle liegen im Flugzeugbau, in der Raketen- und Raumfahrttechnik und in der Metallverarbeitung. Hochschmelzende Legierungen als Konstruktionsmaterial finden ihre Anwendung im Schiffbau, im Maschinenbau, in der Elektronik-, Chemie-, Elektro- und Atomindustrie. Hafnium, Zirkonium, Niobium, Molybdän und Tantal haben besonders wertvolle strukturelle Eigenschaften. Diese Metalle zeichnen sich durch ihre relativ geringe Kriechfestigkeit bei hohen Schmelztemperaturen aus.
Nachteile
Das Schweißen von Refraktärmetallen ist aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer hohen Affinität zu Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff schwierig. Diese Eigenschaften tragen zur Bildung von Poren in den Nähten bei, was ihre plastischen Eigenschaften verringert und beim Erhitzen zur Bildung von Körnern führt. Schon eine geringe Menge an Gasverunreinigungen führt zu einer spürbaren Veränderung der Eigenschaften. Ein zweiter Nachteil aller Refraktärmetalle ist die Notwendigkeit verschiedener Oxidationsschutzschichten bei hohen Temperaturen. Darüber hinaus sind hochschmelzende Legierungen technologisch nicht ausreichend fortgeschritten. Sie lassen sich schlecht verformen, schneiden und bohren.
Vielversprechende Bereiche
Der wichtigste Bereich sind Elemente von Kernreaktorstrukturen. Feuerfeste Legierungen können voraussichtlich in der nuklearbetriebenen Raumfahrttechnik, in elektrischen und anderen Geräten eingesetzt werden. Zum Beispiel in Kondensatoren und nuklear gepumpten Lasern.
Refraktärmetalle und -legierungen können im Vakuum, in neutralen und reduzierenden Atmosphären sowie in aggressiven und flüssigen Metallumgebungen eingesetzt werden. Oxidierende Atmosphären bei hohen Temperaturen verringern die Hitzebeständigkeit von Refraktärmetallen. Daher werden sie mit speziellen Schutzbeschichtungen verwendet. Heute basieren alle Hartmetalllegierungen, die zum Lehren, Schmieden oder als Schneidwerkzeuge verwendet werden, auf Wolframkarbid, Titan, Molybdän oder sind mit Nickel oder Kobalt legiert. Die hohe Härte der Refraktärmetallkarbide sorgt für Verschleißfestigkeit. Legierungen, die aus reinen Karbiden gegossen werden, weisen jedoch nicht die erwarteten superharten Eigenschaften auf, da sie zu spröde sind. Diese Karbide sind normalerweise Teil von gesinterten Karbidstrukturen.
Wolfram und Molybdän werden vor allem in der Elektroröhren-, Elektrovakuum- und Funktechnik verwendet und dienen als Legierung für Werkzeugstahl. Vanadium wird in der Vakuum- und Metallurgie als Legierungselement verwendet. Zirkonium und seine Legierungen werden in der Atom- und Vakuumindustrie als Entgasungsmittel und bei der Herstellung von Nichteisenlegierungen verwendet. Tantal und Niob werden als Elektroden in Röhrengleichrichtern und Hochleistungsgeneratoren verwendet. Tantal wird von der chemischen Industrie nachgefragt. Beide Metalle werden als Legierungselemente für hitzebeständige und säurebeständige Legierungen verwendet.
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