Das Ultrahochtemperatur-Induktionsschmelzverfahren für seltene Metalle ist eine Technik, bei der die Metalle in einem Induktionsofen auf sehr hohe Temperaturen, normalerweise über 2000 °C, erhitzt werden, um reine und homogene Metallbarren oder -pulver zu erhalten. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Herstellung und Reinigung von Seltenerdmetallen und Ultrahochtemperaturkeramiken verwendet, die über besondere optische, elektrische und magnetische Eigenschaften verfügen und häufig in Funktionsmaterialien, Stahl und Nichteisenmetallen eingesetzt werden.
Das Induktionsschmelzverfahren hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Verfahren, wie z. B. Lichtbogenerwärmung oder Metallothermie. Beispielsweise kann das Induktionsschmelzen einen saubereren und flexibleren Prozess ermöglichen, da keine Elektroden oder Reduktionsmittel erforderlich sind, die das Metall verunreinigen könnten. Durch das Induktionsschmelzen lässt sich auch ein höherer Grad an Kontrolle über die Temperatur und Zusammensetzung des Metalls erzielen, da die Frequenz und Leistung der Induktionsspule angepasst werden kann. Das Induktionsschmelzen kann auch im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre erfolgen, wodurch die Oxidation des Metalls oder der Verlust flüchtiger Elemente verhindert werden kann.
Zu den Herausforderungen des Induktionsschmelzverfahrens gehört die Auswahl eines geeigneten Tiegels und eines stabilen geschmolzenen Elektrolyten. Der Tiegel muss den hohen Temperaturen und der korrosiven Natur des geschmolzenen Metalls standhalten. Der geschmolzene Elektrolyt muss stabiler als die Metalloxide sein und einen niedrigeren Schmelzpunkt sowie eine höhere Leitfähigkeit aufweisen. Eine mögliche Lösung besteht darin, binäre Seltenerdoxide direkt als Lösungsmittel zu verwenden, da diese eine hohe Stabilität und einen niedrigen Dampfdruck aufweisen.
Das Ultrahochtemperatur-Induktionsschmelzverfahren für seltene Metalle ist eine vielversprechende Technik, die die aktuellen industriellen Methoden der Gewinnung und Gewinnung seltener Erden vereinfachen und verbessern kann. Es kann auch die Herstellung von Ultrahochtemperaturkeramiken ermöglichen, die potenzielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt-, Nuklear- und Verteidigungsindustrie haben.
Einige der gebräuchlichsten Materialien für Tiegel zum Ultrahochtemperatur-Induktionsschmelzen sind:
- Aluminiumoxide: Tiegel aus Aluminiumoxid werden häufig zum Schmelzen von Seltenerdmetallen und Hochtemperaturlegierungen wie Superlegierungen auf Kobalt- und Nickelbasis verwendet. Aluminiumoxidtiegel haben hohe Schmelzpunkte und chemische Beständigkeit und sind gegenüber den meisten Metallen und Elektrolyten inert. Allerdings sind Aluminiumoxidtiegel spröde und können bei thermischem Schock oder mechanischer Beanspruchung reißen.
- Graphite: Graphittiegel sind aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit die besten Tiegel zum Schmelzen von Metall und zur Induktionserwärmung. Sie können zum Schmelzen von Metallen wie Eisen, Stahl, Kupfer, Messing, Gold, Silber, Platin und Palladium verwendet werden. Allerdings sind Graphittiegel nicht für Metalle geeignet, die mit Kohlenstoff reagieren, wie zum Beispiel Titan, Zirkonium und Wolfram. Graphittiegel sind außerdem anfällig für Oxidation und Erosion durch das geschmolzene Metall und den Elektrolyten.
- Zirkonia: Zirkontiegel eignen sich zum Schmelzen von Edelmetallen und Superlegierungen wie Platin, Palladium, Rhodium und Iridium. Tiegel aus Zirkonoxid weisen eine hervorragende Verschleiß- und Temperaturschockbeständigkeit auf und können eine Kontamination des Metalls durch den Tiegel verhindern. Zirkontiegel sind jedoch teuer und können mit einigen Metallen und Elektrolyten wie Aluminium und Natrium reagieren.
- Magnesiumoxid: Magnesiumoxidtiegel werden häufig zum Schmelzen von Lithium-Festkörperelektrolyten verwendet, die für Batterien und Brennstoffzellen verwendet werden. Tiegel aus Magnesiumoxid halten extrem hohen Temperaturen stand und sind gegenüber den meisten Metallen und Elektrolyten stabil. Allerdings sind Magnesiumoxidtiegel hygroskopisch und können Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen, was die Qualität des Elektrolyten beeinträchtigen kann.