Иттрий

ИТТРИЙ

1. Иттрий металлический

Физические и химические свойства

Иттрий — светло-серый металл. Температура плавления около 1500°С, плотность 4,47 г/см³, твердость по Бринеллю 628 МПа, модуль упругости 66 ГПа, модуль сдвига 264 ГПа, коэффициент Пуассона 0,265, коэффициент сжимаемости 26,8.10^-7 см²/кг. По своим механическим свойствам он напоминает алюминий. Легко поддается механической  обработке.

Иттрий легко растворяется в минеральных кислотах. В кипящей воде он постепенно окисляется, на воздухе при температуре 400°C окисление иттрия идет достаточно быстро. Но при этом образуется темная блестящая пленка окиси, плотно окутывающая металл и препятствующая окислению в массе. Лишь при 760°C эта пленка теряет защитные свойства, и тогда окисление превращает светло-серый металл в бесцветную или черную (от примесей) окись.

Хранение

В нормальной атмосфере иттрий весьма устойчив, он лишь слегка тускнеет, но никогда не теряет металлический блеск. Иттрий окисляется при более высокой температуре. С иттриевыми стружками следует обращаться осторожно, так как при нагревании они энергично сгорают. В атмосфере водяного пара при 750°C иттрий покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления.

Производство

Как и многие лантаноиды, иттрий относится к числу довольно распространенных металлов. По данным геохимиков, содержание иттрия в земной коре 0,0028% – это значит, что элемент входит в число 30 наиболее распространенных элементов Земли.

Свыше ста минералов содержат иттрий. Среди них есть собственно иттриевые - ксенотим, фергюсонит, эвксенит, таленит и другие, промышленное значение имеют только ксенотим и эвксенит.

Главнейшие месторождения иттрия расположены в КНР, США, Канаде, Австралии, Индии, Малайзии, Бразилии. Китай является основным мировым поставщиком иттрия. Промышленное месторождение иттрия и иттриевых редких земель (тяжелых лантаноидов) имеется в Киргизии.

Извлечь чистый иттрий из руды чрезвычайно трудно. Мешает сходство с другими редкими землями.

Процесс переработки руд на иттрий и редкоземельные элементы, разработанный Спеллингом и Лоуэллом, заключается в следующем. Исходный ксенотим вскрывают путем обработки серной кислотой при высокой температуре. Полученный после такой обработки раствор подают на колонки с катионообменной смолой. Для их элюирования применяют раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты. Иттрий и редкоземельные элементы содержатся в разных фракциях элюата. Их осаждают из этих фракций в виде оксалатов и прокаливают до окисей.

Универсальный способ получения совершенно чистых редко­земельных металлов и иттрия заключается в восстановлении безводных фторидов кальцием. Безводные фториды редкоземельных металлов получают либо фторированием окислов безводным фтористым водородом при 575°С, либо прокаливанием фтори­дов, осажденных из водных растворов плавиковой кислотой, либо же сплавлением окислов редкоземельных металлов с бифторидом аммония.

Безводный фторид смешивают с порошком металлического кальция, Танталовый тигель с загрузкой нагревают в атмосфере аргона, пока не начнется реакция. По завершении реакции и редкоземельный металл, и шлак (фторид кальция) должны на­ходиться в расплавленном состоянии.

Полученный таким способом иттрий кальциетермический по содержанию контролируемых примесей должен удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-208-72:

Марка	Содержание контролируемых примесей, %,  не более
	Сумма гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия	железо	кальций	медь	Тантал, вольфрам (в зависимости от материала аппаратуры)
ИтМ-1	0,10	0,01	0,01	0,03	0,02
ИтМ-2	0,20	0,02	0,03	0,05	0,20
ИтМ-3	0,50	0,05	0,05	0,10	0,30
ИтМ-4	2,80	0,05	0,50	0,10	0,70
ИтМ-5	3,80	0,05	1,60	0,10	1,00

 

Применение металлического иттрия

Сплавы иттрия

Иттрий является металлом, обладающим рядом уникальных свойств, и эти свойства в значительной степени определяют очень широкое применение его в промышленности сегодня и, вероятно, ещё более широкое применение в будущем. Предел прочности на разрыв для нелегированного чистого иттрия около 300 МПа (30 кг/мм). Очень важным качеством, как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что, будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается пленкой оксида и нитрида предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000 °C.

Перспективными областями применения сплавов иттрия являются авиакосмическая промышленность, атомная техника, автомобилестроение. Очень важно, что иттрий и некоторые его сплавы не взаимодействуют с расплавленным ураном и плутонием, и их использование позволяет применить их в ядерном газофазном ракетном двигателе.

Изучается перспективный магнитный сплав — неодим-иттрий-кобальт.

Легирование

Иттрий широко используется в черной и цветной металлургии.

Легирование алюминия иттрием повышает на 7,5 % электропроводность изготовленных из него проводов.

Иттрий имеет высокие предел прочности и температуру плавления, поэтому способен создать значительную конкуренцию титану в любых областях применения последнего (ввиду того, что большинство сплавов иттрия обладает большей прочностью, чем сплавы титана, а, кроме того, у сплавов иттрия отсутствует «ползучесть» под нагрузкой, которая ограничивает области применения титановых сплавов).

Иттрий вводят в жаростойкие сплавы никеля с хромом (нихромы) с целью повысить температуру эксплуатации нагревательной проволоки или ленты и с целью в 2—3 раза увеличить срок службы нагревательных обмоток (спиралей), что имеет громадное экономическое значение.

Введение незначительных количеств иттрия в сталь делает ее структуру мелкозернистой, улучшает механические, электрические и магнитные свойства. При добавлении небольших количеств иттрия (десятые, сотые доли процента) в чугун, твердость его возрастет почти вдвое, а износостойкость - в четыре раза. Такой чугун становится менее хрупким, по прочностным характеристикам он приближается к стали, легче переносит высокие температуры. И особенно важно, что иттриевый чугун можно переплавлять несколько раз, но прочностные характеристики при этом сохраняются.

Неболь­шие добавки иттрия к хрому заметно повышают его рабочую тем­пературу благодаря воздействию на защитную пленку из окиси хрома. Хотя многие другие редкоземельные металлы тоже влияют на окалинообразование и поглощение хромом азота, по своей эффективности в этом отношении они значительно уступают иттрию. Последний очищает хром и измельчает его зерно.

Присадка к ванадию от 0,5 до 2% иттрия способствует в значительной мере очищению металла от кислорода, создавая возможности холодной обра­ботки ванадия давлением. Его действие объясняется тем, что в области несмешиваемости двух жидкостей расплавленный иттрий взаимодействует с кислородом, причем образующаяся окись иттрия всплывает наверх, осво­бождая ванадиевую фазу от кислорода.

Иттрий слабо растворим в сплавах на основе железа. Но даже этой малой растворимости бывает достаточно, чтобы заметным образом улучшить обрабатываемость сплавов железа с хромом, облагородить их структуру и повысить высокотемпературное сопротивление рекристаллизации. Добавка 1% иттрия к такому сплаву железа с хромом, как AISI-446, повышает высокотемпературное сопротивление окислению с 1100 до 1480°С, обусловленное образованием самозалечивающейся защитной оксидной пленки. В то же время добавки иттрия к аустенитным нержавею­щим сталям и сплавам на основе никеля их сопротивления окислению не повышают.

Покрытия иттрием и его соединениями

Напыление (детонационное и плазменное) иттрия на детали, например, двигателей внутреннего сгорания позволяет увеличить износостойкость в 400—500 раз по сравнению с хромированием.

Дуговая сварка

Добавлением иттрия в вольфрам резко снижают работу выхода (у чистого иттрия 3,3 эВ), что используется для производства иттрированных вольфрамовых электродов для аргонодуговой сварки и составляет значительную статью расхода металлического иттрия.

Атомная промышленность

Из иттрия делают трубопроводы, по которым транспортируют жидкое ядерное горючее – расплавленный уран или плутоний. Иттрий высокой чистоты легко вытягивается в трубы, хорошо сваривается в атмосфере инертного газа и, что очень важно, отлично шлифуется. С ураном и плутонием он практически не реагирует, что делает иттриевые трубы более долговечными. Из сплавов иттрия с бериллием стали делать отражатели и замедлители нейтронов, работающие в атомных реакторах при температуре более 1100°C.

 

2. Оксид иттрия Y₂O₃.

Физические  и химические свойства

Белый порошок (плотность равна 5,046 г/см³) или бесцветные диамагнитные кристаллы (плотность равна 4,84 г/см³ ), t_пл=2417°С, t_кип=4297°С.

Мало растворим в холодной воде и щелочах. Растворяется в кислотах, поглощает газообразный аммиак. Получают нагреванием иттрия в атмосфере кислорода или прокаливанием гидроксида, нитрата, карбоната иттрия.

Производство

Оксид иттрия получают в процессы производства металлического иттрия, как было описано выше. Окись иттрия  по содержанию контролируемых примесей должна удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-191-72:

Марка		ИтО-МГр	ИтО-ПГр	ИтО-1	ИтО-2
Содержание окисей других редкоземельных металлов, % не более	Неодима	1.10-4	-	-	-
	Самария	1.10-4	1.10-2	5.10-4	-
	Европия	-	1.10-2	-	-
	Гадолиния	1.10-5	1.10-2	5.10-5	-
	Тербия	1.10-5	1.10-3	1.10-5	-
	Диспрозия	1.10-6	1.10-2	2.10-5	-
	Гольмия	1.10-5	1.10-2	5.10-5	-
	Туллия	1.10-5	-	-	-
Содержание гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия окисей		-	-	-	5.10-2
Содержание прочих контролируемых примесей, % не более	Ванадия	2.10-3	-	2.10-3	-
	Железа	2.10-4	-	5.10-4	1.10-3
	Калия	5.10-4	-	5.10-4	-
	Кальция	5.10-4	5.10-3	5.10-4	1.10-2
	Кобальта	5.10-5	-	5.10-5	-
	Кремния	1.10-3	1.10-2	1.10-3	-
	Марганца	5.10-5	-	5.10-5	-
	Меди	2.10-5	5.10-3	1.10-4	1.10-3
	Натрия	5.10-4	3.10-3	5.10-4	1.10-3
	Никеля	5.10-5	-	5.10-5	-
	Титана	1.10-4	-	1.10-4	-
	Серы	1.10-3	-	-	-
	Фосфора	2.10-2	-	-	-
	Хлора	2.10-3	5.10-2	-	0.1
	Хрома	5.10-5	-	1.10-4	-

Применение оксида иттрия

Керамика

Широко используется оксид иттрия в керамической промышленности. Так, например, широко известен «Иттралокс» (Yttralox) — твёрдый раствор двуокиси тория в окиси иттрия. Для видимого света этот материал прозрачен, как стекло, но также он очень хорошо пропускает инфракрасное излучение, поэтому его используют для изготовления инфракрасных «окон» специальной аппаратуры и ракет, а также используют в качестве смотровых «глазков» высокотемпературных печей. Плавится «Иттралокс» лишь при температуре около 2207 °C.

Огнеупорные материалы

Оксид иттрия — чрезвычайно устойчивый к нагреву на воздухе огнеупор, упрочняется с ростом температуры (максимум при 900—1000 °C), пригоден для плавки ряда высокоактивных металлов (в том числе и самого иттрия). Особую роль оксид иттрия играет при литье урана. Одной из наиболее важных и ответственных областей применения оксида иттрия в качестве жаропрочного огнеупорного материала является производство наиболее долговечных и качественных сталеразливочных стаканов (устройство для дозированного выпуска жидкой стали), в условиях контакта с движущимся потоком жидкой стали оксид иттрия наименее размываем.

Люминофоры

Окись и ванадат иттрия, легированные ионами европия, используются в производстве кинескопов.

Ферриты

Сегодня в мире более 15 фирм производят микроволновые ферриты, две из которых российские – НИИ “Домен” и ОАО “Завод Магнетон”. Выпускаемые ферриты синтезированы на основе соединений со структурой граната (материалы на основе иттрий-железного граната Y₃Fe₃O₁₂), шпинели (материалы на основе никелевой NiFe₂O₄, литиевой Li_0,5Fe_2,5O₄ или магниевой MgFe₂O₄ шпинели) или соединений с гексагональной кристаллической структурой (гексаферриты).

 

3. Другие соединения иттрия и их применение

Хромит иттрия — это материал для лучших высокотемпературных нагревателей сопротивления способных эксплуатироваться в окислительной среде (воздух, кислород).

Важным соединением иттрия является его теллурид. Имея малую плотность, высокую температуру плавления и прочность, теллурид иттрия имеет одну из самых больших термо-э.д.с среди всех теллуридов, а именно 921 мкВ/К (у теллурида висмута например 280 мкВ/К) и представляет интерес для производства термоэлектрогенераторов с повышенным КПД.

Иттрий - один из компонентов иттрий-медь-бариевой керамики с общей формулой YBa₂Cu₃O_7-δ — перспективного высокотемпературного сверхпроводника с температурой сверхпроводящего перехода около 90°К.

Бериллид иттрия является одним из лучших конструкционных материалов аэрокосмической техники. Плавясь при температуре около 1920°C, начинает окисляться на воздухе при 1670°C . Удельная прочность такого материала весьма высока, и при использовании его в качестве матрицы для наполнения нитевидными кристаллами (усами) можно создать материалы, имеющие уникальные прочностные и упругие характеристики.

Оксосульфид иттрия, активированный европием, применяется для производства люминофоров в цветном телевидении (красная компонента), а активированный тербием — для черно-белого телевидения.

Гексаборид иттрия имеет малую работу выхода (2,22 эВ) и применяется для производства катодов мощных электронных пушек (электронно-лучевая сварка и резка в вакууме).

Тетраборид иттрия находит применение в качестве материала для управления атомным реактором (имеет малое газовыделение по гелию и водороду).

Ортотанталат иттрия синтезируется и используется для производства рентгеноконтрастных покрытий.

Синтезированны иттрий-алюминиевые гранаты («сиграны») (ИАГ), имеющие ценные физико-химические свойства, они могут применяться и в ювелирном деле, и уже довольно давно применяются в качестве технологичных и относительно дешёвых твердотельных лазеров. Важным лазерным материалом является ИСГГ — иттрий-скандий-галлиевый гранат.

Феррит иттрия применяется для производства супер-ЭВМ, и хотя он уступает ферриту скандия в несколько раз, он дешевле.

Гидрид иттрия-железа применяют как аккумулятор водорода с высокой емкостью и достаточно дешевый.

В электронике железоиттриевые гранаты являются компонентами микроволновых радаров для контроля высокочастотных сигналов. Лазерные кристаллы алюмоиттриевого граната используются в промышленной резке и сварке, в медицине, стоматологии, в фотолюминесценции, фотохимии, цифровой связи и нелинейной оптике.

Страница 1 - 4 из 4
Начало | Пред. | 1 | След. | Конец | По стр.