Ферроцерий

Ферроцерий — пирофорный сплав на основе редкоземельных металлов (РЗМ) цериевой группы и железа. Относится к классу мишметаллов (от нем. Mischmetall — смешанный металл). Сплав способен давать сноп горячих искр при механическом трении или ударе, что определяет как его основные области применения, так и требования к хранению и транспортировке.

Сплав известен также под названием «металл Ауэра» — по имени австрийского химика Карла Ауэра фон Вельсбаха, который впервые получил и запатентовал ферроцерий в 1903 году. Первоначально материал применялся для повышения яркости газокалильных ламп и осветительных приборов. Впоследствии сфера использования мишметалла значительно расширилась: от металлургии до производства пирофорных изделий.

Химический состав ферроцерия

Ферроцерий представляет собой многокомпонентный сплав, в котором основу составляет церий и другие лантаноиды. Конкретное соотношение элементов зависит от состава исходного сырья (монацитовые или бастнезитовые концентраты) и, соответственно, от месторождения руды.

Согласно справочным данным, типичный состав ферроцерия включает следующие компоненты:

Мишметалл является промежуточным продуктом в цикле переработки редкоземельного сырья. При получении чистых РЗМ сплав образуется естественным образом, и его состав определяется минералогическим составом конкретной партии концентрата. Допускается присутствие незначительного количества кремния (0,1–0,3 %), а также следов других лантаноидов (самарий, гадолиний и др.).

Марки мишметалла МЦ50Ж3 и МЦ50Ж6

Промышленно выпускаемый мишметалл представлен двумя основными марками. Обозначение расшифровывается следующим образом: МЦ — мишметалл цериевый, 50 — ориентировочная массовая доля церия (%), Ж3 или Ж6 — максимально допустимое содержание железа (3 или 6 % соответственно).

Марка МЦ50Ж3 отличается пониженным содержанием железа (не более 3 %), что обеспечивает более выраженные пирофорные свойства. Марка МЦ50Ж6 допускает содержание железа до 6 % и применяется преимущественно в металлургических целях.

Точный химический состав каждой конкретной партии может варьироваться в пределах, установленных нормативной документацией, и указывается в сертификате качества.

Пирофорные свойства мишметалла

Ключевое свойство ферроцерия — пирофорность, то есть способность давать сноп горячих искр при механическом воздействии (трении, ударе, скоблении). Механизм пирофорности связан с экзотермическим окислением мелких частиц сплава, которые отделяются от массива при механическом контакте. Лишённые защитной оксидной плёнки частицы мгновенно окисляются кислородом воздуха, разогреваясь до высокой температуры.

Пирофорные свойства обусловлены прежде всего наличием церия и лантана — химически активных элементов, легко окисляющихся на воздухе. Железо в составе сплава играет роль структурного упрочнителя: чистые РЗМ мягки и пластичны, а добавка железа делает сплав более хрупким, что облегчает скалывание частиц при трении и усиливает искрообразование.

Именно пирофорность определяет двоякий характер материала: с одной стороны — полезное функциональное свойство (основа огнив и зажигалок), с другой — фактор опасности, требующий соблюдения мер предосторожности при хранении и транспортировке. В порошкообразном состоянии и в виде мелкой стружки ферроцерий склонен к самовоспламенению на воздухе.

Применение ферроцерия в металлургии

Основная область промышленного потребления мишметалла — чёрная и цветная металлургия, где сплав выполняет сразу несколько технологических функций.

Раскисление и дегазация стали

При выплавке стали ферроцерий применяется как сильный раскислитель. Редкоземельные элементы обладают высоким сродством к кислороду и связывают его в тугоплавкие оксиды, которые переходят в шлак. Одновременно сплав действует как эффективный дегазатор, снижая содержание растворённых газов (водорода, азота) в расплаве.

Кроме того, ферроцерий выполняет функцию десульфуратора: РЗМ связывают серу в устойчивые сульфиды, что улучшает чистоту металла по неметаллическим включениям и снижает красноломкость стали.

Модифицирование чугуна и стали

Введение мишметалла в расплав чугуна совместно с магнием приводит к сфероидизации графита, в результате чего образуется высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ). По данным справочной литературы, на тонну чугуна вводят порядка 4 кг (0,4 %) сплава ферроцерия с магнием, что позволяет увеличить прочность чугуна примерно вдвое.

Присадка мишметалла повышает качество нержавеющих, быстрорежущих, жаропрочных и электротехнических сталей. Введение небольших количеств РЗМ улучшает обрабатываемость аустенитных нержавеющих сталей в горячем состоянии.

Легирование сплавов цветных металлов

Мишметалл используется как модифицирующая добавка в сплавы на основе алюминия, магния, меди и никеля. Добавка РЗМ к магниевым сплавам (порядка 3 % мишметалла в сочетании с 1 % циркония) повышает сопротивление ползучести при повышенных температурах. В алюминиевых сплавах добавка мишметалла способствует повышению жаропрочности. В никелевых жаропрочных сплавах РЗМ улучшают высокотемпературную стойкость к окислению.

Пирофорные изделия из ферроцерия

Вторая крупная область применения мишметалла — производство пирофорных изделий, использующих способность сплава давать искру.

Кресальные камни для зажигалок

Из ферроцерия изготавливают кресальные камни (кремни) для бытовых и промышленных зажигалок. Небольшой стержень из мишметалла прижимается к зубчатому колёсику; при вращении колёсика от поверхности стержня скалываются мелкие частицы, которые воспламеняются на воздухе и поджигают газовую смесь.

Туристические и промышленные огнива

Стержни из ферроцерия широко используются как компоненты туристических огнив и средств аварийного розжига. Материал не боится влаги, сохраняет работоспособность в широком диапазоне температур и не имеет ограниченного срока годности при правильном хранении. Для высечения искр используется стальное кресало, проводимое вдоль стержня с нажимом.

Пиротехника и специальные применения

Мишметалл находит применение в пиротехнической промышленности как источник ярких искр и в составе трассирующих средств. В электронной промышленности мишметалл может использоваться в качестве геттера — поглотителя остаточных газов в вакуумных приборах.

Формы поставки мишметалла

Ферроцерий поставляется в нескольких стандартных формах:

Класс опасности и требования к хранению ферроцерия

Ферроцерий относится к классу 4.1 по международной классификации опасных грузов — легковоспламеняющиеся твёрдые вещества. Номер ООН — 1323. Группа упаковки — II (средняя степень опасности). Транспортная категория — 2.

При содержании железа 10 % и более ферроцерий, стабилизированный от коррозии, не подлежит требованиям ДОПОГ (Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов).

Правила хранения пирофорного сплава

Хранение ферроцерия требует соблюдения ряда обязательных условий:

При механической обработке ферроцерия (резке, дроблении, точении) необходимо соблюдать меры пожарной безопасности: работать с минимальной скоростью резания, использовать охлаждающие жидкости, исключить накопление стружки и пыли.

Способ получения мишметалла

Мишметалл получают электролизом расплава безводных хлоридов редкоземельных элементов. Процесс ведётся при температуре 800–900 °С в стальных аппаратах, футерованных огнеупорными материалами. Стенки аппарата выполняют функцию катода, а графитовые стержни — анода. В процессе электролиза на катоде осаждается жидкий мишметалл, который периодически извлекают и разливают в подготовленные формы.

Помимо электролитического метода, ферроцерий может быть получен металлотермическим способом — восстановлением оксидов РЗМ из концентрата углеродом в присутствии кремния и железа в рудовосстановительных печах.

Исходным сырьём служат концентраты редкоземельных элементов, получаемые при переработке монацитовых и бастнезитовых руд. Состав готового мишметалла напрямую зависит от минералогического состава концентрата, поэтому продукция различных производителей может незначительно различаться по соотношению элементов в пределах допусков нормативной документации.