AnyBlog.net

AnyBlog.net @AnyBlog

От бамперов до чипов: как хром изменил мир технологий


Продолжаем серию материалов, посвященных различным металлам, истории их открытия, сферам применения и патентной активности. В данном выпуске рассматривается хром. Объемы добычи и потребления хрома во многом зависят от производства черных металлов, особенно коррозионностойких и нержавеющих сталей.

Но все по порядку.

История открытия

Хром — химический элемент с атомным номером 24 в периодической таблице Менделеева. Представляет собой твердый металл светло-голубого цвета. Его впервые обнаружили в 1761 году на Среднем Урале, в Березовском золоторудном месторождении. Открытие принадлежит профессору Петербургского университета И. Г. Леману. В 1763 году информацию о хроме опубликовал М. В. Ломоносов.

Название элемента связано с его способностью образовывать соединения с разнообразной окраской. С греческого «хром» переводится как «цвет» или «краска».

Чистый металл поддается механической обработке и входит в число наиболее твердых металлов, уступая по твердости только вольфраму, урану, бериллию и иридию. В чистом виде хром обладает голубовато-белым оттенком.

Хром устойчив к воздействию воздуха, серной и азотной кислот. Температура плавления составляет 1890°C, температура кипения — 2680°C. При нормальных условиях металл пластичен, однако технические образцы обрабатываются при температуре 200–250°C. Элемент представлен четырьмя стабильными изотопами:

  • 50Cr (изотопная распространенность 4,345%),

  • 52Cr (83,789%),

  • 53Cr (9,501%),

  • 54Cr (2,365%).

Также известен нестабильный изотоп 51Cr с периодом полураспада 27,7 суток.

Области применения

Около 95% добываемого хрома используется в производстве нержавеющих сталей. Эти стали применяются в широком спектре изделий из металла, включая транспортные средства, строительные конструкции, аэрокосмическую и военную технику.

В электротехнике хром применяется как проводящий материал благодаря высоким электропроводным характеристикам. Кроме того, он используется в изготовлении электродов для сварки и дуговых ламп, а также в электрохимической промышленности для производства хромированных покрытий.

Радиоактивный изотоп хром-51 применяется в медицине для маркировки эритроцитов с целью измерения их массы, объема, времени выживания и секвестрации. Он также используется для диагностики желудочно-кишечных кровотечений и маркировки тромбоцитов при изучении их жизненного цикла, а также служит радиоактивной меткой в биохимических исследованиях.

Добыча и запасы

Согласно данным геологической службы США (USGS) на 2023 год, мировые ресурсы хромовых руд превышают 12 млрд тонн. Около 95% запасов сосредоточены в Южной Африке и Казахстане. Значительные месторождения находятся также в Зимбабве, США, Индии, Филиппинах, Турции, Мадагаскаре, Бразилии и России. Основная часть запасов Южной Африки локализована в вулканогенном Бушвельдском комплексе (провинции Северо-Западная, Гаутенг, Мпумаланга), на который приходится около 70% мировых запасов хромитов.

Справка: В России хромовые руды отнесены к группе дефицитных полезных ископаемых, внутреннее потребление которых значительно зависит от импорта, обусловленного недостаточным качеством местных руд и низкими объемами добычи.

Данные по добыче хромовой руды за 2022 год (по состоянию на 2023 год статистика по добыче обновляется), млн тонн:

Мировое производство — 41 млн тонн, в том числе:

  • ЮАР — 18;

  • Казахстан — 7;

  • Турция — 7;

  • Индия — 4;

  • Финляндия — 2;

  • Зимбабве — 1;

  • Россия — 1;

  • Другие страны — 1.

Лидером по добыче хрома является Южная Африка, на долю которой приходится около 50% мирового производства. Основные разработки ведутся на участках Бушвельдского интрузивного комплекса — стратиформного геолого-промышленного типа, характеризующегося рудой с содержанием Cr2O3 в среднем 42–44%.

В Казахстане добыча сосредоточена на альпинотипных (подиформных) месторождениях Кемпирсайского массива с высоким содержанием Cr2O3 и низким содержанием железа и фосфора.

В Турции разработка многочисленных мелких подиформных месторождений растет: в 2021 году производство увеличилось на 30%. Руды средних качеств содержат 34–43% Cr2O3. Половина добываемых руд перерабатывается на местных предприятиях в высоко- и низкоуглеродистый феррохром.

Цены на металлический хром и феррохром в последнее время имеют тенденцию к снижению. Например, стоимость высокохромистого феррохрома (с содержанием хрома не менее 85%) на рынке Европейского союза снизилась с 8,9 до 6,4 тысяч долларов за тонну.

Положение в России

В соответствии со Стратегией развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации до 2035 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 22.12.2018 № 2914-р, хромовые руды относятся к дефицитным полезным ископаемым. Внутреннее потребление этих ресурсов в значительной мере обеспечивается импортом, что обусловлено ограниченными объемами добычи и низким качеством местных руд. Также хром включен в перечень стратегического минерального сырья, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 30.08.2022 № 2473-р.

Россия является одним из ключевых производителей и экспортеров ферросплавов на основе хрома. При этом около половины потребностей отечественной ферросплавной промышленности в хромовом сырье покрывается за счет импортных высокохромистых руд, преимущественно из Казахстана.

На российских предприятиях производится как высоко-, так и низкоуглеродистый феррохром.

Патентная активность

На платформе Google Patents насчитывается порядка 100 000 документов, связанных с термином «Chromium». Патенты распределены среди множества промышленных компаний, при этом явных лидеров среди патентообладателей нет. Топовые компании по доле патентов представлены следующим образом:
  1. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (株式会社半導体エネルギー研究所) — 2,5%;

  2. Hoya Corporation — 1,6%;

  3. Chevron Phillips Chemical Company — 1%;

  4. Halliburton Energy Services, Inc. — 0,8%;

  5. Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. — 0,8%;

Ведущие позиции занимают транснациональные компании из Японии и США, специализирующиеся на электротехнике и нефтехимии. В микроэлектронике хром используется как функциональная добавка в многокомпонентных пленках различных устройств, включая электрофоретические дисплеи (например, патент JP5640045). Наиболее активным патентообладателем является Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd., а одним из ведущих изобретателей — Ямадзаки Сюмпэй, который известен своим вниманием к оформлению патентов на собственное имя.

Среди авторов патентов преобладают изобретатели из Японии, Китая и США. Основные авторы и их доли в патентном фонде:

Основные тематические направления патентов, классифицированные по международной патентной системе, включают:

Лидируют патенты в области сплавов и химических покрытий с хромом (C22C и C23C). Также около 12% патентов посвящены полупроводниковым устройствам (H01L).

В базе данных ФИПС по ключевому слову «хром» зарегистрировано 6313 российских патентов на изобретения, из которых 2306 находятся в статусе действующих. Это весьма высокий показатель в сравнении с другими металлами.

Выводы

Хром — это не только известный элемент в производстве обуви и популярный веб-браузер, но и важный материал для электроники.

Изначально применявшийся в качестве легирующей добавки для нержавеющих сталей, хром активно внедряется в радиотехнику и микроэлектронику. Этот факт подтверждается как зарубежными, так и отечественными патентами. Примечательно, что в России ситуация в этой области достаточно позитивна: количество патентов, связанных с применением хрома, исчисляется тысячами охранных документов, что свидетельствует о значительном научно-техническом потенциале.

Одним из потенциальных препятствий для развития может стать необходимость получения лицензий на зарубежные патенты, особенно учитывая, что основные патентообладатели — компании из США и Японии. Это особенно актуально для таких отраслей, как нефтегазовая промышленность. Тем не менее, существует надежда, что российские компании смогут разрабатывать собственные инновационные решения, уменьшая зависимость от иностранных технологий.

Теги: хром, история хрома, применение хрома, производство хрома, патенты на хром, нержавеющая сталь, электроника, химия, добыча хрома, хром в медицине

Опубликовано: 30.05.2025