Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 22 (всего у книги 30 страниц)
Латуни и бронзы
Наиболее вредными для механических свойств меди примесями являются висмут и свинец. Они не образуют с медью твердых растворов и при ее кристаллизации выделяются в виде тонких прослоек между кристаллами. Из-за этого медь становится хрупкой и ломкой. Поэтому содержание висмута, например, допускается в меди не больше 0,002 процента.
При содержании уже 0,1 процента висмута медь становится такой хрупкой, что при обработке разлетается на куски.
Электропроводность меди особенно сильно снижает примесь фосфора, мышьяка, сурьмы.
Уже при содержании в меди 0,02 процента фосфора ее электропроводность снижается на 20 процентов, а при содержании 0,04 процента фосфора электропроводность составляет всего 17 процентов от электропроводности чистой меди.
Очень интересно влияние на качество меди водорода. Медь при нагревании легко поглощает водород. Попав в межкристаллическую решетку, атомы водорода соединяются с кислородом, который почти неизбежно содержится там в виде соединений с медью. Образуется вода, водяной пар. Он разрывает металл, образуя мельчайшие трещины. Снижение механических свойств меди из-за этих трещин называется водородной болезнью.
Вряд ли отыщут археологи это авторское свидетельство.
А теперь поговорим о сплавах меди.
Известно и изучено много сплавов меди с самыми различными металлами. Но наибольшее значение имеют для техники ее сплавы с цинком – так называемые латуни, и с оловом – бронзы.
Первыми появились бронзы. Их умели производить еще древние металлурги. И как это ни странно, они добавляли в медь именно то количество олова, которое и сейчас считается наилучшим для качества металла, – 8—10 процентов.
Оловянистые бронзы делятся на две большие группы. Первая – пластические бронзы, содержащие не более 7–8 процентов олова и предназначенные для обработки давлением в холодном или горячем виде. Вторая группа – литейные бронзы. Они отлично заполняют литейные формы и дают небольшую усадку.
Во многие оловянистые бронзы добавляют легирующие присадки. Добавка в бронзу небольших количеств цинка делает сплав более устойчивым против коррозии в морской воде. А расплавленная бронза с добавкой цинка отличается особенной текучестью. Свинец добавляется в те марки бронзы, которые идут на изготовление трущихся деталей. Олово – дорогой металл, поэтому металлурги давно уже ищут замену ему в производстве бронз. И такие замены найдены. Алюминиевые, кремнистые, марганцовистые и другие бронзы, не содержащие олова, выпускаются нашей промышленностью. И по многим своим качествам, в том числе устойчивости против ржавления, и механическим свойствам они даже превосходят оловянистые бронзы.
Алюминиевые бронзы содержат около 10 процентов алюминия, иногда небольшие количества железа или марганца. Эти бронзы превосходят по прочности оловянистые, но уступают им по литейным свойствам.
В кремнистых бронзах содержится 2–5 процентов кремния. Эта бронза значительно дешевле оловянистой.
Марганцовистые бронзы обладают наилучшей среди бронз устойчивостью против коррозии и отличной пластичностью.
Бериллиевая бронза после соответствующих термообработок становится чемпионом по прочности среди цветных металлов и сплавов. Она выдерживает нагрузку на растяжение до 130–150 кг на кв. мм!
Широко и разнообразно применение бронз. Свинцовистые бронзы, содержащие 20–30 процентов свинца, используются для изготовления вкладышей подшипников. Из марганцовистых бронз, теплоустойчивых до 400–450 градусов, изготовляют паровую арматуру. Алюминиевые бронзы идут на зубчатые колеса, втулки, седла клапанов – все те детали, которым приходится работать в условиях трения, да еще нередко усложненных повышенной температурой. Вкладыши подшипников, арматура высокого давления, пружины, сальники, корпусы насосов – разве перечислишь все детали машин и аппаратов, на которые используются оловянистые бронзы!
Латуни – другая крупная группа медных сплавов. Основной металл, входящий в состав латуней, кроме меди, – цинк. Кроме него, в латуни могут входить алюминий, железо, марганец и другие элементы.
Латунь, как правило, дешевле бронзы, так как цинк дешевле меди. Поэтому же чем больше в латуни цинка, тем эта латунь дешевле. Латуни обладают достаточной прочностью, хорошо обрабатываются давлением. Это отличный материал машиностроения.
Латуни, содержащие наибольшие количества меди – от 88 до 97 процентов, называются томпаками. Они обладают такой высокой коррозионной стойкостью, что даже применяются для покрытия других металлов с целью предохранить их от ржавления. Латуни, содержащие около 80 процентов меди, по цвету подобны золоту. Из них делают ювелирные украшения. Латуни, содержащие до 38 процентов цинка, хорошо поддаются холодной прокатке. А если они содержат больше 38 процентов цинка, то всего чаще идут или на изготовление деталей отливкой, или на обработку давлением в горячем состоянии.
Специальные латуни содержат, кроме меди и цинка, добавки других элементов, придающие им особые свойства. Так, добавка олова увеличивает стойкость против разъедающего действия морской воды. Поэтому оловянистые латуни так и зовут «морскими латунями».
Свинцовые латуни хорошо обрабатываются резанием. Ведь обычную латунь из-за ее высокой вязкости нелегко обрабатывать, например, на токарном станке. А свинцовая латунь дает сыпучую, легко ломающуюся стружку. Из прутков этой латуни бесчисленные станки-автоматы изготавливают на наших заводах мелкие детали – гайки, кольца, болтики и т. д.
Конечно, семейство сплавов меди значительно шире, чем рассказано здесь. Несравненно шире и применение их в народном хозяйстве. Древний металл успел занять позиции, многие из которых давно пора бы уступить алюминию, пластмассам, железу.
Впрочем, сказанное относится не только к меди и ее сплавам, а и ко многим другим цветным металлам.
Тут мой трезубец бессилен.
Сосед и спутник
В периодической таблице элементов Менделеева между железом и медью расположились кобальт и никель. Никель является ближайшим соседом меди.
Медь – это постоянный спутник никеля в сульфидных рудах. Лишь незначительная часть этого металла добывается из окисленных руд, которые, как правило, не содержат меди.
«Никель» – слово немецкое. Так называли злого духа немецкие горняки. Приблизительно его можно перевести как «обманщик». «Купферникель»– «медный обманщик» называли саксонские горняки XVI века никелевую руду, прожилки которой попадаются им при разработке медных месторождений.
Но в сплавах никель, видимо, был известен еще до нашего времени. Вероятно, первыми открыли его китайские металлурги, ибо еще за 200–300 лет до нашей эры в великой восточной стране изготовлялся сплав никеля с цинком и медью. Он вывозился из Китая в Бактрию – древнее государство, расположенное на месте современных среднеазиатских республик. Там из этого сплава изготовляли монеты.
Первым получил металлический никель в 1751 году шведский химик А. Кронштедт. Он же дал этому металлу его странное, отнюдь не соответствующее свойствам и значению имя. Но полученный им металл был сильно загрязнен примесями, и говорить о свойствах никеля было еще практически невозможно.
Только в 1804 году немецкий химик И. Рихтер выделил из руды металл серебристо-белого цвета, с едва уловимым коричневым оттенком, очень тягучий и ковкий. С этого времени и началось по-настоящему изучение его свойств.
Никель оказался близким родственником железа. Химическая активность его невелика. В отсутствие влаги при обычных условиях он заметно не реагирует ни с кислородом, ни с серой, ни с галогенами. Только нагретый до температуры в 500 градусов он начинает окисляться на воздухе. Способен поглощать большие количества водорода.
Химики открывали все новые свойства никеля, а инженеры никак не могли найти ему применения, и поэтому в первой половине XIX века он считался драгоценным металлом. Только ювелиры имели с ним дело. От получивших его химиков он пришел в сверкающие витрины, в соседство с золотом и драгоценными камнями. Как ни странно, но применялся он в том же сплаве с цинком и медью, который открыли еще древние китайские мастера.
С середины прошлого века никель начали использовать для изготовления монет и противокоррозионных покрытий. Это была уже полезная служба металла.
Три службы одного металла.
А затем инженеры сделали попытку породнить никель с железом. Оказалось, что добавки никеля значительно улучшают качество сталей. Мы уже говорили о никелевых сталях, имеющих самое разнообразное применение. Но сначала их предназначали для изготовления брони. Так, во второй половине XIX века из ювелирного никель стал военным металлом.
Облагораживающее действие присадок никеля вызвало повышенную потребность в этом металле, и начало быстро расти его производство.
Всего 110 лет назад, в 1850 году, во всем мире было выплавлено едва 100 тонн никеля, а уже в 1875 году производство никеля поднялось до 600 тонн. Но этот подъем не сравнить с последующим прыжком: в 1918 году было выплавлено 47 тысяч тонн этого металла. Подавляющее большинство – около 90 процентов его – дала Канада, обладающая крупнейшими залежами никелевых руд. В 1943 году было произведено (без СССР) 167 тысяч тонн этого металла.
На территории нашей Родины еще в 60-х годах прошлого столетия инженер Данилов организовал производство сплава железа с никелем – ферроникеля. Из вагранок, в которых он производил плавку, ему удалось получить ферроникель с содержанием никеля до 30 процентов. При рафинировании в тиглях содержание никеля поднималось до 70 процентов. Однако падение цен на этот металл остановило начатое производство.
Только после Октябрьской революции была организована в нашей стране никелевая промышленность. Первым был спроектирован и построен Уфалейский никелевый завод. С учетом его опыта проектировались и строились новые заводы.
В настоящее время наша страна обладает мощной никелевой промышленностью. Да и понятно: нашей стране нужно много никеля. И изготовление мелких разменных монет – это отнюдь не главная статья расхода этого металла. Значительно больше его идет на производство легированных сталей, мельхиора и монель-металла – важных сплавов никеля с цветными металлами, на никелирование – покрытие металлических изделий для защиты от коррозии и придания красивого внешнего вида, на изготовление легких щелочных аккумуляторов и катализаторов для химической промышленности.
Тоже не простые процессы!
В железных метеоритах, которых немало уже накопилось в ученых коллекциях многих стран, содержится до 8,5–9 процентов никеля. Инженеры были бы просто счастливы, если бы на Земле были залежи металла с таким природным содержанием легирующей добавки. К сожалению, не часто встречаются и руды, содержащие такой процент никеля, не говоря уже о чистом металле.
Однако никель отнюдь не редкий металл. В земной коре его содержится, по-видимому, около 0,02 процента, то есть больше, чем, например, меди. Однако соединения никеля более рассеяны, чем соединения меди.
Металлурги различают две основные группы никелевых руд: окисленные, в которых никель находится в соединении с кислородом, и сульфидные, содержащие соединения никеля с серой. Большая часть разведанных на земном шаре месторождений никеля – 80 процентов – приходится на долю сульфидных руд. Как правило, в сульфидных рудах никеля содержится медь, причем ее нередко столько же, сколько никеля, а то и больше. Кроме того, в них ему всегда сопутствуют кобальт, платина, иридий, палладий и другие редкие металлы. В окисленных рудах обычно содержится железо. Его содержание в несколько раз превосходит содержание никеля.
Вот из таких-то руд и приходится вырабатывать никель. Делают это на разных заводах в разных странах по-разному – в зависимости и от типа руды, и от содержания в ней никеля, и просто от сложившихся традиций.
Окисленная никелевая руда, землистая мягкая масса, содержащая большое количество влаги, не может сразу подвергаться плавке в шахтной печи. Она засыпет, задушит пламя, не даст пройти сквозь свою сыпучую массу газам горения. Поэтому ее сначала брикетируют или изготовляют никелевый агломерат. О том, как изготовляется агломерат, мы уже рассказывали в одной из предыдущих глав.
Агломерат плавится затем в шахтной печи. Получают из печи никелевый штейн, состоящий в основном из никеля, железа и серы. Штейн подвергают бессемеровскому переделу, в процессе которого выгорает главным образом железо. Полученный из конвертора продукт (он содержит примерно 75 процентов никеля и доли процента железа, остальное – сера) подвергают обжигу в многоподовых механических печах, очень похожих на те печи, в которых обжигают сульфидные медные руды. Полученные огарки размалывают в шаровых мельницах и обжигают вторично во вращающихся трубчатых печах. В процессе обжига выгорает сера и образуется чистый окисел никеля. Его смешивают с древесным углем и плавят в электрической дуговой печи.
Полученный никель или разливают в формы, или подвергают грануляции. Это осуществляется следующим способом. Металл тоненькой струйкой выливают в бетонированный бассейн, куда непрерывно подается холодная вода. Стремительно охлаждающийся и застывающий металл разрывается внутренними напряжениями на небольшие куски. Их просушивают и запаковывают в деревянные бочки.
Но ведь мы говорили, что большая часть никеля нужна нам для легирования железа. Следует ли во всех случаях получать чистый никель? Вряд ли. Металлургов отлично устроил бы во многих случаях содержащий значительный процент никеля сплав этого металла с железом.
Такой сплав получают переплавкой никелевого агломерата в доменной печи. Правда, полученный никелистый чугун получается не дешевым, так как никелевые руды не содержат столько железа, сколько его имеется, например, в магнитном железняке. И все-таки оказалось, что бедные никелевые руды, содержащие меньше одного процента никеля, выгоднее перерабатывать указанным способом в доменных печах, чем перерабатывать на чистый никель. К тому же при такой плавке никелевой руды в металл переходит и кобальт и значительная часть содержащегося в ней хрома. Таким образом целый ряд полезных легирующих металлов оказывается в составе этого чугуна, из которого и получают природно легированный металл, такой же качественный, как металл железно-никелевых метеоритов.
Это второй способ переработки никелевых руд.
Третий способ – электроплавка богатых окисных руд в дуговых печах. Восстановителем и здесь обычно служит древесный уголь. Получается ферроникель – сплав 50–75 процентов никеля с железом. По следующей переплавкой и рафинированием этого сплава можно получить электролитический никель, содержащий 99,97 процента чистого металла.
Окисленные никелевые руды можно подвергнуть и прямому восстановлению во вращающихся печах. При этом можно размолотую руду смешивать с восстановителем и нагревать в длинной вращающейся трубе до температуры 1250–1400 градусов. В полурасплавленной массе шлака и происходит восстановление железа и никеля. Железо и никель образуют кусочки – крицы – размером от 3 до 30 мм. Их отделяют от шлаков после размола механическим и магнитным сепарированием.
При переработке этим способом никелевых руд, содержащих менее 1 процента никеля и от 10 до 20 процентов железа, получают крицы, содержащие около 3–7 процентов никеля – как раз то же самое количество, что и в железных метеоритах.
Окисленные руды никеля можно перерабатывать и способами гидрометаллургии. При этом руду обрабатывают или раствором серной кислоты, или раствором аммиака. Путем ряда дальнейших операций из раствора получают чистый металл.
Все перечисленные способы относились к окисленным рудам, а ведь их значительно меньше, чем сульфидных.
Сульфидные руды также плавят в шахтных печах. Рудную мелочь и пыль предварительно перерабатывают в агломерат. Из шахтных печей получают штейн, содержащий около 9 процентов никеля, несколько меньшее количество меди и почти 25 процентов серы.
Впрочем, чаще такую плавку на штейн ведут в отражательных печах или даже в электропечах.
Полученный в любом из названных типов печей штейн поступает в конвертор. В результате бессемеровского передела получают сплав, содержащий никель, медь и серу.
Не простое дело – разделить питающие друг к другу явные симпатии медь и никель.
Окончательную его очистку осуществляют в электролитической ванне. При этом драгоценные металлы платиновой группы выделяются в шлам.
Есть и другой способ отделения никеля от меди. Основывается он на том, что никель способен соединяться с окисью углерода и образующаяся жидкость кипит уже при температуре в 43 градуса выше нуля. А при нагревании ее пара до 180–200 градусов это соединение разлагается обратно на никель и окись углерода. Процессы отделения никеля этим способом идут в специальных герметизированных башнях. Получаемый порошкообразный никель имеет очень высокую чистоту. В остатке после выделения никеля концентрируются медь, кобальт, железо и все драгоценные металлы. Этот остаток подвергается дальнейшей переработке.
Отделяют никель от меди и других примесей и в электролитических ваннах. Все эти процессы отнюдь не просты и не дешевы. Вот почему дорог никель и надо экономить каждый грамм этого металла!
Монель-металл
Не ищите этого названия в периодической системе элементов Менделеева: там его нет, ибо это не металл, а сплав, природный сплав. Один из тех сплавов, которые рождаются не путем смешивания различных металлов, а прямо из руды, созданной самой природой. Это сплав 60–67 процентов никеля, 27–29 процентов меди, 2–3 процентов железа и от 1 до 2 процентов марганца.
Иногда в монель-металл входит за счет меньшего содержания меди 2–3 процента алюминия.
Монель-металл вырабатывают из того сплава, который получают после конверторной переработки штейна. Его измельчают и подвергают обжигу. Сера при этом удаляется «намертво» – только следы ее, сотые доли процента, остаются в сплаве.
Обожженный металл, только что извлеченный из обжиговой печи и имеющий температуру около 1000 градусов, смешивают с древесным углем и охлаждают. Уже в эти минуты происходит восстановление значительной части меди и никеля. Затем к охлажденным огаркам добавляют новую порцию древесного угля и осуществляют плавку в электропечи.
Расплавленный металл разливают в изложницы. Монель-металл готов. Как видим, процесс его производства значительно проще, чем получение чистого никеля.
Монель-металл отнюдь не является «гадким утенком» в семье металлов и сплавов. У него завидное «здоровье» – огромная сопротивляемость коррозии. Ни морская и пресная вода, ни щелочи, ни органические кислоты и красители не действуют на него. Он обладает неплохой прочностью – сопротивлением на разрыв, которому могут позавидовать иные стали, – от 50 до 80 кг на кв. мм и вполне приемлемой вязкостью. Температура плавления этого сплава тоже достаточно высока – от 1300 до 1360 градусов, в зависимости от преобладания тех или иных компонентов.
И поэтому монель-металл охотно применяют в электротехнике, судостроении, химической и текстильной промышленности и т. д. Из него изготовляют высоковольтные маслонаполненные кабели, термопары, медицинские приборы, гребные винты, крыльчатки насосов, лопатки паровых турбин и т. д. Значительная часть монель-металла выпускается в виде проката – проволоки, прутков, полос и лент.
Но при производстве монель-металла не удается выделить драгоценные металлы платиновой группы, которые обычно содержатся в никелевой руде. Поэтому монель-металл стараются выплавлять из тех руд, в которых нет примеси драгоценных металлов или она очень невелика.
Трудовые будни
Никель считают одним из главных витаминов стали – легирующих добавок, резко повышающих прочность главного металла. И действительно, свыше 80 процентов всего добываемого в капиталистической половине мира никеля используется для легирования сталей – особенно броневых плит военных кораблей, танков, бронеавтомобилей.
Но никель является не только легирующей добавкой, а и основой целого ряда сплавов, имеющих важнейшие применения.
…Вы включили вилку электроплитки. В керамической тарелочке, в узком узорном пазе зарделась свернувшаяся там змейка спирали. Металл, из которого она сделана, явно обладает высоким коэффициентом электрического сопротивления. Имя его широко известно – это никелин. Да, конечно, это сплав. В его состав входят 25–35 процентов никеля, неизбежные примеси марганца, железа, цинка. Остальное в нем – медь.
Никелин широко применяется для изготовления реостатов и других электрических приборов.
Аналогичными свойствами обладают нихромы – сплавы никеля с хромом и железом. Они отличаются высокой антикоррозийностью, жароупорностью, поэтому применяются в качестве нагревательных элементов в бесчисленных промышленных электропечах.
…Термопары. Если соединить концы двух проволочек из различных металлов и один спай нагреть, а другой охладить, по проволочкам пойдет электрический ток. Чем выше будет разница температур нагретого и охлажденного спаев, тем большим будет ток. Этим свойством пользуются для измерения высоких температур – таких, которые уже нельзя измерить ртутным термометром, например температур в электропечах.
Одним из сплавов, широко применяемых для изготовления таких термопар, является хромель – сплав никеля с хромом. Аналогичными свойствами обладает и алюмель – сплав никеля с алюминием. Кроме никеля и алюминия, содержание которого в сплаве не превосходит 2,5 процента, в его состав входят кремний и марганец, причем общее их содержание не превышает 4 процентов.
Могучая дружина никелевых сплавов.
Удивительными свойствами обладает пермаллой – сплав никеля с железом. После специальной термито-механической обработки он приобретает необычайно высокую магнитную проницаемость, легко намагничивается и размагничивается даже в самых слабых полях.
Один из сплавов никеля с медью, мельхиор, идет на изготовление высококачественной столовой посуды. Из него же делают у нас в стране мелкую разменную монету.
Металл, который поступает в промышленность под именем никеля технического, также по существу является сплавом. Ведь в него обычно вводят небольшие легирующие добавки магния, марганца и кремния.
Какое прозаическое название: никель технический! А ведь этот сплав обладает стойкостью против коррозии большей, чем благородное серебро. Из него делают ответственнейшие детали приборов точной механики и электротехники, механизмов и устройств химической и пищевой промышленности. Этому металлу можно позволить соприкасаться с пищей, он не загрязнит ее своим прикосновением. Он не токсичен и не разрушает витаминов, как некоторые другие металлы.
В кремнистом никеле еще меньше примесь легирующих присадок, чем в только что рассмотренном никеле техническом. Этот сплав применяется при изготовлении радиоламп и электровакуумных приборов.
Марганцовистый никель отличается от своих братьев, никеля технического и кремнистого, повышенной жаропрочностью. Поэтому ему доверено работать в запальных свечах авиационных, автомобильных и тракторных двигателей. Подумайте, и вы поймете, какая это ответственная работа!
Не всех членов семьи никелевых сплавов, в которых никель является основой, а не присадкой, мы перечислили, но уже и из нашего беглого обзора видно, какая это работящая семья.
