Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 30 страниц)
Не будем детально проходить всю цепочку технологических процессов, ведущих от исходных материалов – антрацита, нефтяного кокса, пекового кокса, каменноугольной смолы и т. д. к готовому электроду. Скажем лишь, что она включает в себя дробление исходных материалов, их прокаливание, размол, классификацию, строгую дозировку и смешивание, прессование и обжиг. И только пройдя все эти операции, приходит электрод в электролизный цех алюминиевого завода.
В настоящее время применяют аноды, самообжигающиеся в процессе работы. Но приготовление углеродистого материала для них – не проще.
В электролизном цехе стоят в ряд, одна рядом с другой огромные ванны. В них под коркой застывшего криолита в криолито-глиноземном расплаве электрический ток буквально по атому отбирает алюминий. Он выделяется на дне ванны. Это дно (оно выложено угольными плитами, в которые вделаны залитые чугуном провода) служит катодом. Спускающиеся сверху угольные электроды являются анодами. На них непрерывно выделяется кислород, и они медленно сгорают.
Невелико напряжение тока, работающего в ванне, не более 5 вольт, но зато колоссальна его сила, достигающая у крупных ванн 15 000 тысяч ампер и даже больше. Гигантская электрическая река протекает сквозь расплав, вымывая из него атомы драгоценного металла и складывая их в одно место. Этой реки хватило бы на непрерывный плеск молний. И действительно, иногда электрическая река становится зримой: вокруг анода возникают искры, крохотные молнии. Это свидетельствует о нарушении правильного режима работы ванны.
Мы помним, что чистый глинозем плавится при температуре выше 2 тысяч градусов. Расплав в ванне имеет температуру всего около 950 градусов. Вот он, тот обходный путь, который делает алюминий общедоступным.
Конечно, общедоступность эта еще очень условна. Мы проследили уже, каким сложным путем пришли в электролизный цех основные материалы, без которых невозможно получение алюминия. Эта сложность удорожает металл, да к тому же и сам процесс электролиза не дешев: ведь для выработки 1 тонны алюминия надо затратить 17 500 киловатт-часов электроэнергии!
Очень много? Да, очень много. Но в первых конструкциях ванн, на заре советской алюминиевой промышленности, на тонну алюминия приходилось затрачивать целых 40 тысяч киловатт-часов. Увеличением размера ванн, уменьшением теплопотерь, улучшением самой конструкции ванны снизили расход энергии более чем вдвое. И, конечно, он будет еще снижен.
Такое снижение вполне возможно. Теоретические расчеты показывают, что едва трети потребляемой энергии достаточно для выделения из расплава чистого алюминия. Остальные две трети – потери. Это потери и очевидные – с теплом, излучаемым ванной в окружающее пространство. Это потери и за счет скрытого от непосредственного наблюдения процесса растворения уже полученного чистого алюминия со дна ванны в плавающем над ним криолите. И, конечно, все эти потери еще можно уменьшить. Но главную статью в себестоимости алюминия составляет стоимость глинозема. Удешевление его производства тоже возможно как за счет частных усовершенствований, так и принципиальным изменением технологии.
Сегодня тонна «серебра из глины» стоит столько же, сколько сто лет назад стоил килограмм этого металла. Когда его стоимость снизится еще в десять раз, он повсюду вытеснит железо и его сплавы.
Но мы отвлеклись. Полученный в ванне алюминий еще надо извлечь, очистить от примесей.
Расплавленный металл из ванн извлекают или с помощью вакуум-ковшей, в которые по железной трубке засасывается металл, или с помощью специальных сифонов. За сутки ванна на 50 тысяч ампер вырабатывает примерно 360 кг алюминия. Металл извлекают из нее через каждые двое-трое суток.
Вот она, простейшая схема электролитической ванны.
Ковш с алюминием сразу же ставят в специальную камеру, опускают в него трубку и прокачивают сквозь расплавленный металл хлор. Он уносит с собой большую часть механических примесей, собирающихся в виде рыхлого порошка на поверхности металла. Его снимают дырчатой ложкой, напоминающей шумовку, которой домашние хозяйки снимают пену с мясного супа. Затем металл направляют в рафинировочную печь. В ней смешивается алюминий из разных ванн, происходит усреднение состава, некоторая очистка. Затем металл разливают в изложницы разливочной машины.
Слитки, предназначенные для механической обработки, отливают методом полунепрерывного литья. При этом получается лучшая кристаллическая структура слитков.
Таков процесс рождения технического алюминия. Он еще содержит в среднем около 0,5 процента посторонних примесей – главным образом железа и кремния. Дальнейшая очистка алюминия (а мы знаем, что сверхчистые металлы обладают совершенно особыми свойствами) осуществляется также электролитическим методом. Удается получить металл, содержащий не больше 0,002 процента примесей. Такой алюминий обладает повышенной электропроводностью, пластичностью и, что особенно важно, сверхвысокой антикоррозионной стойкостью. Из него изготавливают высокосортную фольгу, химическую и электрическую аппаратуру, им покрывают поверхности других металлов для защиты от коррозии.
Однако в подавляющем большинстве случаев алюминий применяется не в чистом виде, а в сплаве с другими металлами.
Алюминий в сплавах
Алюминий не сразу стал металлом авиации. Было время, тяжелая сталь спорила с легким алюминием за право называться крылатым металлом. Правда, это было уже давно, лет 35 тому назад.
На страницах газет тогда появились фотографии стальных самолетов. Их конструировал известный авиаконструктор А. И. Путилов. Они демонстрировались на международных выставках и получили там высокую оценку.
Действительно, они были не тяжелее алюминиевых, но значительно долговечнее: ведь изготовлялись они из нержавеющей стали. А бывшие в те времена в распоряжении авиаконструкторов сплавы алюминия очень быстро окислялись.
Но сталь не выдержала соревнования с алюминием. Металлурги нашли способы повысить устойчивость сплавов алюминия против коррозии, и самолеты из этого металла оказались значительно более дешевыми, чем из нержавеющей стали.
Первым промышленным сплавом алюминия был дюралюминий, или, как часто говорят, дюраль. Название это происходит от французского слова «дур» – твердый.
Изобрел дюралюминий французский химик А. Вильм. Он искал добавки, которые могли бы повысить прочность алюминия. Наиболее удачные результаты, с его точки зрения, давали сплавы алюминия с 5 процентами меди, 1 процентом марганца и таким же количеством магния. Полученные из этого сплава образцы в отожженном состоянии обладали пределом прочности до 20 кг на кв. мм.
Но это было еще не все, что мог дать этот сплав. Вильм взял несколько образцов из этого сплава, нагрел их примерно до 600 градусов и опустил в воду. Не закалится ли в результате такой термической обработки этот легкий сплав, как закаляется сталь? Тотчас же, достав из ванны с водой один из прошедших закалку образцов, ученый подверг его испытаниям на разрыв.
Да, оказалось, что предел прочности несколько вырос – образец порвало усилие только в 25 кг на кв. мм. Это уже неплохо – повышение прочности на 25 процентов. Но Вильм хотел большего. Ему нужны были сплавы, способные соперничать по прочности со сталью.
В течение нескольких дней он не возвращался в свою лабораторию. Прошедшие закалку образцы пылились на столе. Вернувшись к своим занятиям, Вильм в первую очередь взял их в руки.
Надо было исследовать их прочность. Для этого они, собственно, и предназначались. Вильм повел испытания. Странно! Первый же образец оказался чуть ли не вдвое прочнее испытанного неделю назад. Он разорвался только при нагрузке около 38 кг на кв. мм. Следующий выдержал 42 кг, третий – 41. Ошибки быть не могло.
Так было открыто интереснейшее явление – старение алюминиевых сплавов после закалки.
Ученые внимательно изучили это явление. Оказалось, что после закалки сплавов алюминия с медью, цинком, магнием и т. д. в течение нескольких дней продолжается их упрочнение. И максимальную прочность в обычных условиях, то есть если старение протекает при комнатной температуре, они приобретают лишь на пятый-шестой день после закалки.
Что же происходит при этом в кристаллах сплава? Нелегко оказалось выяснить это. При высокой температуре в алюминии растворяется больше меди, чем при низкой. Поэтому, когда мы нагрели сплав, в нем растворилась медь. При быстром охлаждении – закалке – атомы меди не успели выделиться из кристаллической решетки, образовался пересыщенный твердый раствор. И было естественно предположить, что процесс старения состоит в выделении меди из раствора. Но ни металлографический, ни рентгеноструктурный анализ не показывали распада твердого раствора при сгорании.
Процесс оказался сложнее. В процессе старения происходит только подготовка атомов меди к выделению из раствора. Если в свежезакаленном сплаве они находились в случайных местах, то теперь они перестраиваются, занимая четко определенные места в кристаллической решетке. В результате возникают зоны повышенной концентрации меди. Это создает большие напряжения в кристалле и повышает его прочность.
Если провести процесс старения при высокой температуре, то может произойти и выделение меди из твердого раствора. Прочность металла при этом резко снижается.
Надежно, как в доте.
В распоряжении конструкторов имеется в настоящее время множество алюминиевых сплавов. Предел прочности некоторых из них достигает 60–70 кг на кв. мм. Это отличная прочность, но… Но все эти сплавы легко подвергаются коррозии. Ведь в их состав входят различные элементы, создающие крохотные включения, могущие мгновенно стать электродами микроэлементов. Чистому алюминию не хватает прочности сплавов, сплавам – устойчивости чистого алюминия против окисления.
Чтобы соединить положительные свойства сплавов и чистого алюминия, прибегают к плакированию металла. Болванку дюралюминия обертывают листом чистого алюминия и в нагретом виде прокатывают. Металл и сплав свариваются, при этом сплав оказывается как бы в рубашке чистого, коррозионно устойчивого металла.
В тех случаях, когда требуется особенно большая стойкость против коррозии, плакированный металл тщательно обезжиривают и опускают в ванну с крепким раствором серной кислоты. Металл соединяют с анодом. Происходит анодирование металла. На листе возникает защитная пленка окиси алюминия толщиной до десятой доли миллиметра.
В этой пленке при рассматривании в микроскоп можно обнаружить множество мельчайших пор, ведущих в глубь металла. Чтобы они не явились воротами для проникновения к металлу кислорода и воды, их целесообразно заполнить каким-либо прочным составом. Обычно для этого изделие после анодирования погружают в ванну с раствором соединения калия с хромом.
Вот теперь алюминиевая деталь не боится ни больших нагрузок, ни коррозии.
Мы говорили до сих пор о ковочных алюминиевых сплавах. В первые часы и дни после закалки, когда они обладают большой пластичностью и малой прочностью, их и подвергают механической обработке – прокатке, ковке, обработке резанием. А затем, уже приобретя окончательную форму, они становятся прочными, твердыми.
Кроме ковочных, создана специальная группа и литейных алюминиевых сплавов. Эти сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, способностью заполнять все изгибы и пазы формы. Они имеют и небольшую усадку, то есть не образуют внутри отливки раковин и слабин при застывании. Обычно литейные сплавы алюминия содержат в своем составе кремний, медь, магний.
…Откинув назад, словно руки пловец, готовый броситься с вышки в воду, тонкие острые крылья, стоит на взлетной дорожке аэродрома стремительный самолет. Взмах флажка, и уже рокочут его моторы, лопасти пропеллера сливаются в прозрачный, чуть поблескивающий круг. Все быстрее и быстрее бежит он и вдруг отрывается от бетона дорожки. Он в своей родной стихии – в воздухе. Легкий толчок, и скрылись, сложившись, шасси. Еще и еще растут скорость и высота полета.
Крылатый металл – в воздухе. Крылья и фюзеляж – это прокатанный плакированный алюминий. Заклепки (а их сотни тысяч насчитывается в каждом самолете) – тоже алюминиевые, из сплава очень пластичного после закалки и очень прочного после старения. Шасси, блок мотора и множество его деталей отлиты из литейных алюминиевых сплавов.
Металлическая пена
Большой и важной для различных отраслей народного хозяйства группой искусственных полимерных материалов являются пенопласты.
Мне довелось однажды присутствовать на лекции, в ходе которой лектор, кандидат химических наук В. Щеголев, получил в небольшом стеклянном сосуде пенопласт. Он влил на дно этого сосуда совсем немного прозрачной зеленоватой жидкости, всыпал какого-то белого порошка и тщательно размешал получившуюся смесь стеклянной ложечкой. Затем поставил сосуд на край кафедры и продолжил лекцию.
Вещества в сосуде меж тем не остались в покое. Смесь их начала расти значительно быстрее, чем растет тесто в квашне.
Минут за двадцать белая устойчивая пена заполнила весь сосуд и перелилась тяжелой волной через край. Но лектор не обращал на это внимания.
Вероятно, исчерпав силы своего бунта, вещество перестало расти. Мне все казалось, что еще несколько минут – и пена начнет опадать, пузыри ее будут высыхать, лопаться и снова на дне сосуда останется лишь несколько ложек зеленоватой жидкости. Во всяком случае именно такой вариант предсказывал мой житейский опыт: ведь именно так вела себя мыльная пена, когда я намыливал щеку и меня в это время срочно приглашали к телефону; это же происходило и с несъеденной вовремя порцией мусса. Но не тут-то было!
Щеголев кончил лекцию, взял в руки сосуд и вытряхнул из него пену. Нет, она не разлилась по столу, она сохранила форму сосуда. Всего за двадцать минут она застыла, затвердела. И вела она себя не как мыльная пена, а скорее как тесто. Ведь обыкновенная булочка, которую вы съедаете за завтраком, – это и есть застывшая пена теста, она вся пронизана крохотными пузырьками газа.
Пенопласты обладают удивительными свойствами. Прежде всего это чрезвычайно легкий материал. Целую глыбу его может легко поднять один человек. Это делает пенопласты чрезвычайно полезными во всех транспортных устройствах, где вреден излишний вес.
Пенопласты обладают отличными теплоизоляционными свойствами. Ведь воздух является отличным теплоизолятором – недаром именно слоем воздуха отгораживаемся мы от зимних холодов, вставляя в окна двойные рамы. Звук «вязнет» в пенопласте, обессиленный бесчисленными перегородками между воздушными пузырями. Все эти свойства делают пенопласт лучшим строительным изоляционным материалом.
Но пенопласты обладают и большим недостатком: их прочность невысока. Вот если бы удалось получить каким-либо способом пенометалл, он нашел бы еще более широкое распространение: ведь прочность его была бы куда выше, чем у пенопластов.
Писатель-фантаст Ю. С. Моралевич написал даже научно-фантастический рассказ о нефтеналивном судне, построенном из пенометалла, которое обладало удивительными свойствами: в частности, оно было непотопляемым – ведь материал, из которого судно было изготовлено, плавал на воде, как пробка.
Опытов в этом направлении ведется много. В печати недавно, в частности, появилось сообщение о разработанной технологии получения пеноалюминия.
Изготовляется пеноалюминий следующим образом. В расплавленном алюминии растворяют гидриды циркония, бария, лития. Расплав выдерживают несколько минут при температуре около 657 градусов. Молекулы гидридов распадаются, выделяя водород. Он и заполняет бесчисленные образующиеся в толще металла поры диаметром до нескольких миллиметров. Металл начинает стремительно «расти». Так как водород очень летуч и пузыри его быстро поднимаются к поверхности металла и там лопаются, алюминий надо моментально охладить. Это осуществляют струей холодной воды.
Пеноалюминий обладает очень низким удельным весом – в зависимости от дозировки и точности технологии вес куб. см этого материала колеблется от 0,19 до 0,64 г. Следовательно, пеноалюминий плавает на воде, как пробка или как бальзовое дерево, из которого был построен знаменитый плот «Кон-Тики».
Трудно сказать, окажется ли первенец в семействе пенометаллов – пеноалюминий, технология производства которого разработана американскими учеными, тем удивительным материалом, о котором вместе с писателями-фантастами мечтают и инженеры. Но нет сомнения, что появятся и пенотитан, и пеносталь, и пенобериллий, и разнообразнейших свойств пеносплавы.
Пенометаллам принадлежит большое будущее. Но так много еще неизвестного в этой области металлургии! И в первую очередь неизвестны пути получения таких металлов.
Соперник и союзник
«За последние годы все большее значение приобретает алюминий, как металл разностороннего применения в промышленности и в строительстве, – сказал в своем докладе „О контрольных цифрах развития народного хозяйства СССР на 1959–1965 годы“ на внеочередном XXI съезде КПСС Никита Сергеевич Хрущев. – Поэтому производство алюминия за семилетие предполагается увеличить в 2,8–3 раза. Для такого роста у нас имеется достаточная энергетическая и сырьевая база».
И все же у алюминия, как крылатого металла авиации, как металла астронавтики, есть очень серьезный соперник. Это один из целого ряда металлов, впервые полученных английским химиком Г. Дэви. Свежий разрез его имеет серебристо-белый цвет. Он плавится при 651 градусе, кипит при 1120 градусах. Однако нагретый на воздухе до температуры всего около 550 градусов, он вспыхивает и стремительно сгорает нестерпимо ярким пламенем. Это магний.
Перевес – здесь не преимущество.
Можно много рассказывать о его свойствах. О том, что на воздухе его яркий блеск быстро погасает: он покрывается тонкой пленкой тусклой окиси. О том, что он почти не реагирует с холодной водой, но из горячей вытесняет водород. О том, что в атмосфере влажного хлора он загорается уже при комнатной температуре и хорошо растворяется в разбавленных кислотах. И все это будет правильно, но все это еще не важнейшее свойство магния. Важнейшее – его малый удельный вес.
Он равен 1,738 г на куб. см. Вспомним, что удельный вес крылатого металла сегодняшнего дня – алюминия, о котором мы только что говорили, равен 2,7 г на куб. см. Значит, имея сплавы магния, равные по прочности сплавам алюминия, можно изготовить самолет, на треть более легкий, чем из алюминия.
Да, магний – тоже крылатый металл и сегодняшнего и завтрашнего дня!
Магний – один из распространенных в природе металлов. Земная кора на 2,3 процента состоит из магния. Он входит в состав около 200 минералов из примерно 1500 известных и исследованных. В морской воде содержится 0,14 процента магния. Он является неизбежной составной частью растительных и животных организмов. В некоторых видах морских водорослей он составляет до 3 процентов по весу, в известковых губках – до 4 процентов. Магний входит в состав хлорофилла и таким образом участвует в великой реакции образования органических веществ. Ученые подсчитали, что только в хлорофилле земных растений содержится около 100 млрд. тонн магния. Недостаток магния в почве вызывает тяжелые заболевания растений, в пище – болезни животных.
Магний поистине вездесущ, запасы его неисчерпаемы, но в течение длительного времени он не находил себе широкого применения. Только в 20-х годах, всего лет 35 назад, впервые использовали его в сплавах.
В 1937 году производство магния достигло 20 тысяч тонн, в 1940 – перевалило через 35 тысяч тонн, а в 1943 – превысило 250 тысяч тонн. Причем в этих цифрах не учитывается производство магния в Советском Союзе.
Большая часть металлического магния идет на производство сплавов, ибо в чистом виде магний как конструкционный металл применяться не может: он слишком мягкий и непрочный.
Есть такое понятие – удельная прочность. Это отношение предела прочности на разрыв к удельному весу материала. Мы уже проводили сравнение по удельной прочности, когда сравнивали сплавы алюминия и сталь. Сплавы магния по удельной прочности приближаются к дюралюминию.
Применение магниевых сплавов понижает вес деталей на 20–30 процентов по сравнению с алюминиевыми и на 50–75 процентов по сравнению с чугуном и сталью.
Наибольшее применение имеют магниевые сплавы, содержащие до 11 процентов алюминия, 4 процентов цинка и 2,5 процента марганца. Алюминий и цинк в этом содружестве металлов увеличивают прочность сплава, а марганец резко повышает его антикоррозийную способность. В некоторые сплавы магния вводят литий, бериллий, кальций, кадмий, церий, титан и т. д. Одни из этих добавок увеличивают жаростойкость сплавов, другие повышают пластичность, понижают окисляемость и т. д. Вредным считается присутствие железа, кремния, меди и никеля. Присутствие этих элементов снижает механические свойства сплавов, уменьшает сопротивляемость коррозии.
Как и сплавы алюминия, магниевые сплавы делятся на две большие группы – используемые для литья и применяемые после обработки давлением.
Наиболее часто встречаются литые магниевые изделия.
Работа со сплавами магния очень своеобразна. Так, например, расплавленные сплавы этого металла при соприкосновении с воздухом загораются, поэтому и плавку и литье приходится вести под слоем шлака. Однако мнение, распространенное довольно широко, что изделия из магниевых сплавов вообще огнеопасны и могут загораться от случайных причин, не соответствует действительности.
Да, распыленный в воздухе порошок магниевого сплава взрывоопасен. Поэтому, ведя шлифовку или полировку магниевых изделий, надо следить, чтобы хорошо работали пылеотсасывающие устройства. Да, опасна в пожарном отношении и стружка магниевого сплава. Но изделие из сплава магния можно поджечь, только расплавив его. Да и это нелегко сделать: большая теплопроводность сплава обеспечит быстрое охлаждение нагреваемого места.
Магниевые сплавы – это новые возможности еще уменьшить вес и увеличить грузоподъемность самолета, железнодорожного вагона, автомобиля, поэтому применение их все растет.
Во многих странах ведутся интенсивные поиски лучших по качеству сплавов магния. И все-таки работы в этой области еще только начаты. Еще не открыт тот лучший состав сплава, который станет классическим. Еще неизвестны ни легирующие примеси, которые войдут в его состав, ни процентное соотношение этих примесей, ибо еще не построены многие двойные и тройные диаграммы состояния сплавов магния с другими элементами.
…А он будет, обязательно будет найден – сверхпрочный магниевый сплав, против которого будет почти бессильна коррозия и который будет абсолютно негорючим! Он просто ждет еще своего открывателя.
Но магний находит себе применение и в чистом виде. Его используют для изготовления осветительных и сигнальных ракет, зажигательных снарядов и авиабомб. Та же самая яркая вспышка магния, которую применяли фотографы до изобретения блиц-ламп при фотографировании в темных помещениях или ночью, может зажигать истребляющие пожары, губить труд и жизни людей. В металлургии черных металлов магний служит в качестве легирующей добавки. С помощью магния получают и трудновосстановимые титан и ванадий, очищают от серы никель и некоторые сплавы.
Как же получают этот металл?
