5.1.6 Застосування лантаноїдів

                Незважаючи на те, що лантаноїди дуже мало поширені в земній корі проте вони знайшли дуже значне поширення в промисловості, техніці і металургії. З лантаноїдами пов'язана одна з найзначніших подій останніх десятиліть у чорній металургії.

                При отриманні високоміцного чавуну модифікують його магнієм. Фізичне значення цієї добавки стане зрозумілим, якщо пригадати, що в чавуні 2-4,5% вуглецю у вигляді лускового графіту, який і додає чавуну головний його технічний недолік – крихкість. Добавка магнію примушує графіт перейти в кулясту або глобулярну форму, що більш рівномірно розподіляється в металі. У результаті значно поліпшується структура, а з нею і механічні властивості чавуну. Проте легування чавуну магнієм вимагає додаткових витрат: реакція відбувається дуже бурхливо, розплавлений метал бризкає в усі боки, у зв'язку з чим доводилося споруджувати для цього процесу спеціальні камери.

                Лантаноїди діють на метал аналогічно: "прибирають" оксидні домішки, зв'язують і виводять сірку, сприяють переходу графіту у глобулярну форму. І при цьому немає спеціальних камер – реакція проходить спокійно.

                На тонну чавуну вводять всього 4 кг (0,4%) сплаву фероцерію з магнієм, і міцність чавуну збільшується удвічі. Такий чавун у багатьох випадках можна використовувати замість сталі, зокрема при виготовленні колінчастих валів. Високоміцний чавун на 20-25 % дешевше за решту відливань і в 3-4 рази дешевше сталевих поковок. Стійкість проти стирання у чавунних шийок валів виявилася в 2-3 рази вище, ніж у сталевих. Колінчасті вали з високоміцного чавуну вже працюють в тепловозах, тракторах та інших важких машинах.

                Рідкоземельні елементи додають в сталь різних сортів в основному у вигляді сплаву із залізом (фероцерій) або у вигляді мішметалу (49,5 - 65% Се, до 44% La, Pr, Nd, 4,5-5% Fe, 0,5% А1 та ін.). У всіх випадках ця добавка працює як сильний розкиснювач, чудовий дегазатор і десульфатор. У деяких випадках лантаноїдами легують леговану сталь. Хромонікелеві сталі важко прокатувати. Всього 0,03% мішметалу, введені в таку сталь, набагато збільшує її пластичність. Це полегшує обробку металу різанням і виготовлення поковок [4].

                Рідкоземельні елементи вводять і до складу легких сплавів. Відомий, наприклад, жароміцний сплав алюмінію з 11% мішметалу. Добавки лантану, церію, неодиму і празеодиму дозволили більш ніж у три рази підняти температуру розм'якшення магнієвих сплавів і одночасно підвищили їх корозійну стійкість. Після цього сплави магнію з рідкоземельними елементами стали застосовувати для виготовлення деталей надзвукових літаків, оболонок штучних супутників Землі, керованих снарядів. На основі церію і мішметалу виготовляють пірофорні сплави, що дають іскру при терті. Такі сплави застосовують при створенні трасуючих куль, снарядів. На снаряд надягають насадку з пірофорного сплаву, а роль диска, що висікає іскру, відіграє тертя об повітря.

                Рідкоземельні добавки покращують властивості і інших важливих металів -міді, хрому, ванадію, титану та ін.

                П'ятипроцентна добавка гадолінію помітно підвищує міцність і межу текучості сплавів на титановій основі. Диспрозієві добавки (разом з ербієм і самарієм) застосовують до сплавів на основі цирконію. Такі сплави набагато кращі, ніж чистий цирконій, піддаються обробці тиском. Можливе також і легування цинку диспрозієм.

                Сполуки гадолінію зберігають магнітні властивості. При наднизьких температурах сплав гадолінію з церієм і рутенієм набуває надпровідності, будучи ідеальним провідником електрики. Оксид гадолінію, доданий до феритів, дозволяє збільшити контрастність рентгенівських знімків, а борид (GdB) дозволяє створювати катоди електронних приладів з дуже великими термінами дії. Таким чином, для магнетохімії становлять інтерес і сам гадоліній, і його сполуки, і сплави. Інший сплав гадолінію з титаном застосовують як активатор у стартерах люмінесцентних ламп. Цей сплав вперше одержаний у нашій країні.

                Інтерметаліди самарію є чудовим матеріалом для створення сильних постійних магнітів - SmCo5, що входять до складу сплаву самарію з кобальтом. Такий магніт розміром з кулак може підняти "Жигулі" з чотирма пасажирами.

                Друга не менш важлива галузь застосування лантаноїдів – атомна енергетика. У гадолінію – 157 (його частка в природній суміші 15,68%) перетин захоплення перевищує 150000 барн. Це "рекордсмен" серед усіх стабільних ізотопів. Великий перетин захоплення гадолінію дає можливість застосовувати його при управлінні ланцюговою ядерною реакцією і для захисту від нейтронів. Ще на початку 60-х років керуючі стрижні для деяких атомних реакторів в США почали робити з нержавіючої сталі з присадками гадолінію. Проте, активно захоплюючі нейтрони ізотопи гадолінію (Gd - 155 і Gd - 157) у реакторах досить швидко "вигорають" – перетворюються на "сусідні" ядра, у яких перетин захоплення набагато порядків менше. Самарію також властивий великий поперечний перетин захоплення теплових нейтронів - близько 6500 барн. Це більше, ніж у традиційних матеріалів регулюючих стрижнів атомних реакторів – бору і кадмію, тому його застосовують як заміну гадолінію у стрижнях атомних реакторів.

                Прометій - 147 використовують у мініатюрних (не більше канцелярської кнопки) атомних батареях. Вони здатні давати енергію протягом декількох років.

                Сплави церію з плутонієм і торієм використовуються як ядерне паливо.

                Оптична промисловість теж є хорошим споживачем лантаноїдів і їх сполук. Широко використовують оксид лантану - головний компонент оптичних стекол. Додавання оксиду лантану в стекла підвищує їх показник заломлення і дає можливість зменшити розміри фотооб'єктива при тій самій світлосилі і набагато поліпшити якість кольорової зйомки.

                Разом з неодимом і церієм празеодим входить до складу захисних стекол для зварювальних робіт. Неодимові стекла використовують у лазерах. Оксид неодиму при вмісті його не нижче 4,3% додає склу так званий «олександритовий» ефект – здатність змінювати своє забарвлення залежно від освітлення. Неодимове скло використовують не тільки для виготовлення красивих ваз і художніх виробів. Іон Nd3+ дає лазерне випромінювання в інфрачервоній області спектру. Для спеціальних стекол одержують окисел неодиму надзвичайно високої чистоти-99,996% Nd2O3. Самарію вводять до складу стекол, здатних люмінесціювати і поглинати інфрачервоне проміння. Празеодим забарвлює скло в яскраво - зелений колір, церій - у світло-жовтий. Важливе значення набув європій як активатор люмінофорів. Зокрема, окисел, оксисульфід і ортованадат ітрію YVO4, використовувані для отримання червоного кольору на телевізійних екранах, активуються мікродомішками європію. Мають практичне значення й інші люмінофори, активовані європієм. Основу їх складають сульфіди цинку і стронцію, фториди натрію і кальцію, силікати кальцію і барію.

                Багато лантаноїдів застосовують і в кераміці. Кераміку з добавками церію використовують у ракетобудуванні: вона тугоплавка. На основі ітрію з додаванням цирконію робиться жароміцна кераміка. Деякі її різновиди прозорі як скло. Керамічні матеріали, в які входить окисел самарію (порошок блідо-кремового кольору), стали використовувати як захисні матеріалів в реакторобудуванні. Оксиди гадолінію, самарію і європію входять до складу захисних керамічних покриттів від теплових нейтронів у ядерних реакторах. Церій використовується в газогартівних лампах.

                Не обійшли лантаноїди і хімічну галузь. Сполуки лантаноїдів використовуються як каталізатори. Здатність їх з'єднуватися з атмосферними газами використовується для створення високого вакууму. Оксид празеодиму корисний для каталітичного процесу низькотемпературного окиснення аміаку. Цей же оксид застосовують як діелектрик з мінімальним коефіцієнтом   теплового   розширення.  

                Вельми значною сферою застосування оксидів лантаноїдів є абразивні матеріали, наприклад, добре відомий склад «полірит». Це найефективніший порошок для полірування.