Металлы и их заменители

Ривлин Ю. И., Коротков М. А., Чернобыльский В. Н.
Металлургия, 1973 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Металлы и их заменители
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ
 
 
Все редкоземельные металлы и их соеди­нения отличаются большим сходством хими­ческих свойств, особенно их водные раство­ры и кристаллогидраты. Они легко образу­ют друг с другом твердые растворы. Ред­коземельные металлы являются энергичны­ми восстановителями, хотя в сухом воздухе они обладают лишь умеренной устойчиво­стью. При их атмосферном окислении обра­зуются гидратированные окислы с большим объемным приростом» что приводит к разрушению защитной окисной пленки и обнаже­нию металлической поверхности.
Редкоземельные элементы легко растворя­ются в разбавленных кислотах, но стойки по отношению к концентрированной серной ки­слоте. Они восстанавливают окись углерода, двуокись углерода, четыреххлористый угле­род, окислы железа, кобальта, никеля, мар­ганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, тантала, кремния, бора, олова, ниобия, свин­ца и циркония.
Редкоземельные металлы легко загорают­ся на воздухе при 150—180°С (лантан при 440—460°С). При температурах >200°С они энергично сгорают в атмосфере галогенов. При комнатной температуре водород погло­щается редкоземельными металлами с вы­делением тепла. Гидриды большинства редкоземельных металлов имеют плотность, меньшую плотности соответствующих ме­таллов. Однако насыщение водородом ев­ропия и иттербия сопровождается значи­тельным сжатием и соответствующим уве­личением плотности.
Окислы редкоземельных металлов явля­ются тугоплавкими соединениями: темпера­тура их плавления колеблется от 2000 до 2600°С. Они, как правило, обладают очень высокой стойкостью в окислительной атмос­фере. Сульфиды редкоземельных металлов являются тугоплавкими прочными соедине­ниями, устойчивыми по отношению ко мно­гим жидким металлам до 1800°С. На них не действуют водород, азот, газообразный аммиак и многие расплавленные хлориды.
При внесении растворимой соли лантано­ида в раствор щелочи или гидрата окиси аммония образуются гидроокиси редкозе­мельных металлов. Они представляют собой студнеобразные аморфные плохо фильтру­ющиеся осадки. Гидроокиси имеют ничтож­ную растворимость в воде, но легко раст­воряются в разведенных кислотах, а также в растворах многих солей. Их используют на некоторых этапах технологии разделения редкоземельных металлов.
Щавелевая кислота и ее соли образуют с ионами редкоземельных элементов оксалаты — труднорастворимые соединения, выпа­дающие из разведенных нейтральных или слабокислых горячих растворов в виде кристаллического осадка. Оксалатное осаж­дение является одним из эффективных спо­собов отделения редкоземельных элементов от примесей.
При нейтрализации окиси, гидроокиси или карбоната фтористоводородной кисло­той или действием ее растворимых солей на растворы нитратов или хлоридов лантано­идов образуются фториды редкоземельных металлов, представляющие собой студени­стые осадки. После высушивания они имеют вид зернистой массы. Фториды употребля­ют в качестве материала при получении редкоземельных металлов металлотермическим способом, а также для сердечников умей вольтовой дуги в прожекторах.
Раскислением окиси (гидроокиси) редко­земельного металла в серной кислоте или обработкой растворов хлорида или нитрата их сульфатом щелочного металла получают сульфаты лантаноидов, имеющие различ­ную растворимость в воде. Сульфаты ред­коземельных элементов с избытком суль­фата щелочного металла образуют двойные сульфаты, различающиеся по растворимо­сти в насыщенном растворе последнего. Оса­док двойных сульфатов, полученный из ра­створов с концентрацией редкоземельных элементов не более 15%, представляет со­бой кристаллическое вещество, легко филь­трующееся и промывающееся. Образование сульфатов и двойных сульфатов использу­ют в технологии разделения редкоземельных элементов.
Комплексоны (группы а-аминополикарбоновых кислот) образуют с лантаноидам: комплексные соединения — хелаты. Соеди­нения хелатов с отдельными ионами редко­земельных элементов проявляют различную прочность, зависящую от концентрация во­дородных ионов. Прочность хелатных соединений ионов редкоземельных элементов при одной и той же концентрации водород­ных ионов увеличивается в ряду от лантана к лютецию. Комплексоны применяют в ана­литической практике и в промышленных процессах разделения редкоземельных ме­таллов.
Из числа редкоземельных металлов лан­тан, европий и лютеции диамагнитны, а ос­тальные парамагнитны; у гадолиния при температуре ниже +16°С проявляется фер­ромагнетизм.
Редкоземельные металлы, как правило, мягки и ковки. Пластичность и твердость их в значительной степени зависят от содер­жания примесей. Повышенное содержание кислорода, серы, азота и углерода сильно изменяет механические свойства редкозе­мельных металлов, повышая твердость и снижая пластичность. Твердость их повыша­ется с увеличением порядкового номера эле­мента. Исключением из этого правила явля­ется европий.
Физические и механические свойства ред­коземельных металлов приведены в табл. 427.
Редкоземельные металлы чаще всего при­меняют в виде соединений и сплавов. Наи­более распространенным сплавом из редко­земельных металлов является мишметалл. Основными компонентами этого сплава яв­ляются церий, неодим и лантан. «В зави­симости от состава [исходного сырья, из которого извлекают резкоземельные металлы и назначения сплава. состав мишметалла может существенно изме­няться. В качестве обычного мишметалла в литературе приведены следующие соста­вы сплава: 40-45% Се, 18% Nd, 5% Рr, 1% Sm, 20—25% Laи небольшое количест­во прочих редкоземельных металлов: 45% Се, 30% La, 20% Nd, 5% Y. Наряду с мишметаллом широко применяют техничес­кую смесь окисей редкоземельных металлов, называемую церием.
В металлургии церий используют в виде сплава — ферроцера. При добавке церия к чугуну в количестве до 0,15% улучшаются физико-механические свойства чугуна и зна­чительно увеличивается удаление из него серы и азота. Металлический церий добавляют и сплавы на основе алюминия или маг­ния для уменьшения их хрупкости, увеличе­ния коррозионной стойкости и повышения временного сопротивления. Добавка в сос­тав нихрома до 1,2% Се увеличивает срок службы сплава, а добавка мишметалла по­вышает его жаропрочность. Введением не­больших количеств мишметалла повышают обрабатываемость в горячем состоянии  аустенитных нержавеющих сталей.
В стекольной промышленности лантан, церий, неодим, празеодим используют в ви­де окислов и различных соединений, повы­шающих прозрачность стекла или сообщаю­щих ему специальные свойства: способность пропускать инфракрасные лучи и погло­щать ультрафиолетовые лучи, кислого- и жаростойкость, особые оптические свойства, особый оттенок и т. д. Окись церия и неко­торые специальные смеси редкоземельных металлов применяют для полирования линз оптических приборов и зеркального стекля.
Редкоземельные металлы употребляют для окраски фарфора, изготовления светя­щихся составов и драгоценных камней, для утяжеления искусственного шелка, прида­ния техническим тканям непромокаемости, прочности и стойкости против действия ки­слых растворов и паров. Их широко ис­пользуют в качестве компонентов фитилей, угольных электродов, люминофоров в све­тотехнике— в мощных зенитных прожек­торах, киносъемочных и кинопроекционных аппаратах, в телевидении, в цветной кине­матографии.
В химической промышленности редкозе­мельные элементы применяют в производст­ве пигментов, лаков и красок, а в нефтяной промышленности в каталитических процес­сах, © процессах окисления органических веществ.
В атомной технике редкоземельные ме­таллы используют в качестве поглотителей нейтронов для органов регулирования ядерных реакторов.
Для этих целей используют главным образом элементы с большим попе­речным сечением захвата тепловых нейтро­нов (самарий, европий, гадолиний, диспро­зий).
Радиоактивные изотопы редкоземельных металлов применяют для радиографии, гаммаграфии, в медицине, приборостроении — для миниатюрных атомных батарей, для просвечивания листовых материалов, изго­товления портативных рентгеновских уста­новок для технических целей и полевой хи­рургии. Сульфиды, фосфиды, селениды и теллуриды редкоземельных элементов ис­пользуют в полупроводниковой технике.
Редкоземельные элементы применяют как газопоглотители (геттеры) в вакуумных лампах, а также в качестве покрытий като­дов (эмиттеров), проволоки ламп накалива­ния. Способность некоторых соединений редкоземельных металлов нагреваться в магнитном поле используют для получения сверхнизких температур, лишь на тысячные доли градуса отличаю­щихся от температуры абсолютного нуля.