Искра из редкоземельных металлов: что такое ферроцерий и зачем он нужен

В горах, в лесу или даже во дворе — искра, высекаемая металлическим стержнем, способна быстро разжечь костёр.

Но секрет этой искры — вовсе не древний «кремень», а изобретение XX века: сплав редкоземельных металлов под названием ферроцерий.

Какими были первые зажигалки

Ранние устройства для получения пламени, которые можно было носить с собой, были созданы по образцу кремнёвых замков от огнестрельного оружия. Эти механические огнива работали по простому принципу: искра, высеченная при ударе кремня о сталь, воспламеняла трут. Они были портативны, но из-за своих немалых размеров не получили широкого распространения как предмет повседневного использования.

В 1823 году Иоганн Вольфганг Дёберейнер представил первую газовую зажигалку или «огниво Дёберейнера». Её работа основывалась на химическом процессе: водород, получаемый из кислоты, воспламенялся при контакте с платиной. Несмотря на то что использование едких веществ и взрывоопасного водорода создавало определённые риски, это устройство выпускалось до 1880 года.

В последующие годы, даже с появлением патента на зажигалку от компании Cartier в 1867 году, основной проблемой оставалась громоздкость классического огнива.

Появление компактных зажигалок стало возможным только в 1903 году.

Открытие ферроцерия

Ферроцерий изобрёл австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах в 1903 году. Тот самый учёный, который ранее подарил миру газовую лампу с накаливающейся мантией. Он первым догадался, что церий и его «соседи» по ряду лантаноидов при трении ведут себя необычно: высекание из них искр оказывается куда проще, чем из кремня или стали.

Изобретение быстро нашло применение: сначала в бытовых зажигалках, затем — в армейских приборах и, наконец, в туристическом снаряжении. С тех пор название «кремень для зажигалки» закрепилось за ферроцерием, хотя с настоящим кремнем он имеет мало общего.

Секрет ферроцерия

Название «ферроцерий» может сбить с толку: в таблице Менделеева такого элемента нет. Это сплав редкоземельных элементов лантаноидов, так называемый «мишметалл».

Секрет ферроцерия в его химической активности. Сплав, как следует из его названия, содержит церий, который является пирофорным элементом. Это означает, что он легко воспламеняется при контакте с воздухом, особенно когда находится в виде мелких частиц. В сплаве с железом и другими металлами, такими как лантан, неодим и празеодим, он образует материал, который при трении о стальное колёсико зажигалки отслаивает микроскопические частицы.

Эти частицы действительно имеют очень малую теплоёмкость и большую площадь поверхности по отношению к объёму, поэтому они мгновенно нагреваются до высокой температуры из-за трения. При достижении температуры воспламенения они моментально окисляются (горят) при контакте с кислородом из воздуха, создавая яркие и горячие искры, достаточные для поджигания фитиля или газа.

Где используется?

Сегодня ферроцерий используют:

• в зажигалках (классические Zippo и их аналоги);
• в туристических огнивах (firesteel) — компактных стержнях, выдающих сноп искр даже при намокании;
• в пиротехнике, где нужны яркие вспышки;
• в аварийных системах воспламенения, например, в спасательном оборудовании.

При этом состав сплава подбирают под задачу: для зажигалок нужен мягкий ферроцерий, который легко соскребается колесиком, а для туристических огнив — более твёрдый, дающий длинные и горячие искры.

Факты, о которых не все знают

Ферроцерий также широко используется в металлургии в качестве модификатора. Он позволяет значительно повысить прочность чугуна, делая его пригодным для производства деталей, которые обычно изготавливаются из стали. Например, если добавить в расплавленный чугун 400 грамм ферроцерия на каждые 100 килограмм металла, его прочность увеличится примерно в два раза.

Этот модифицированный высокопрочный чугун может стать заменой стальным деталям, так как он обходится на четверть дешевле, чем стальные отливки, и в 3-4 раза дешевле, чем стальные поковки. Кроме того, износостойкость чугунных деталей, таких как шейки валов, может быть в 2-3 раза выше, чем у их стальных аналогов.

Искра, изменившая огонь

Ферроцерий кажется мелочью — серым металлическим стержнем. Но именно он сделал огонь доступным «по щелчку пальцев» и улучшил возможность добывать огонь для миллионов людей: от курильщиков и туристов до военных.

Сегодня, когда учёные разрабатывают новые пиротехнические материалы и системы зажигания для космоса и энергетики, ферроцерий остаётся символом простого, но гениального решения. Ведь иногда именно маленькая искра запускает большие изменения.