Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 24 (всего у книги 30 страниц)
Вечный спутник железа
Слева от железа в периодической системе элементов располагается марганец. Это широко распространенный на земле металл. Земная кора содержит 0,09 процента марганца. Однако в чистом виде марганец не встречается.
Руды марганца имеются во многих странах мира – в Индии, в Бразилии, в Западной Африке и Южно-Африканской республике. Но богаче всех залежами марганцевых руд наша страна. Марганец у нас добывают на Украине – в районе Никополя, в Грузии – близ Чиатуры, в Западной Сибири, на Южном и Северном Урале, в Казахстане и других местах.
Металлический марганец был впервые получен шведским химиком Ю. Ганном в 1774 году. Но только в 1807 году русский химик А. И. Шерер дал сегодняшнее имя этому металлу.
Чистый марганец – серебристо-белый хрупкий металл. При 1245 градусах марганец плавится, при 2027 градусах – кипит. При комнатной температуре он почти не окисляется. При нагревании вступает в соединения со всеми неметаллами и в сплавы со всеми металлами.
Нелегко получить чистый марганец. При восстановлении его углем из окислов он вступает в соединение с углеродом, образуя карбид, который загрязняет получаемый металл. Только методами алюминотермии можно получить сравнительно чистый металл. Для этого порошок окислов марганца смешивают с порошком алюминия Смесь поджигают. Алюминий отнимает кислород у марганца, восстанавливая металл. Возможен и электролизный способ получения этого металла.
Но очень редко получают чистый марганец. Ведь подавляющая часть его, почти 95 процентов, идет в металлургическую промышленность– мы не раз упоминали о том, что раскисление сталей и чугунов производится добавкой марганца. Марганец содержится во всех без исключения видах сталей и чугунов. Повышение его содержания до 13–14 процентов делает сталь особенно износоустойчивой. Но для этих целей вовсе не нужен чистый марганец. Отлично устраивает и сплав его с железом, содержащий 70–80 процентов марганца, – так называемый ферромарганец.
Выплавляют ферромарганец из марганцевой руды в обыкновенных доменных печах, только температуру в них приходится при этом держать более высокую, чем при плавке чугуна. Высококачественный ферромарганец для раскисления легированных сталей получают в шахтных дуговых электрических печах.
Можно только приветствовать такой аппетит!
Металлургов так мало интересовал сам марганец, что они долгое время вообще почти ничего не знали о свойствах его собственных сплавов. «Хрупкий металл, – определили они, – неспособный для самостоятельной деятельности. Лишь в качестве добавки к другим металлам имеет он право на существование…» И только в 1917 году русские ученые С. Ф. Жемчужный и В. К. Петрашевич обнаружили, что уже незначительные примеси меди – около 3,5 процента – делают марганец пластичным. Дальнейшие исследования показали, что пластичность сообщают марганцу также добавки никеля, железа и кобальта.
А сегодня металлурги уже считают, что сплавы марганца с железом, никелем, цинком, помимо ряда специальных ценных свойств, обладают и отличными механическими качествами. Так, сплав, содержащий около 90 процентов марганца и 10 процентов меди, обладает пределом прочности на разрыв в 55 кг на кв. мм. Мы знаем, это совсем неплохо. По своим свойствам сплавы марганца способны в целом ряде случаев заменить латуни, мельхиор и т. д. И, вероятно, будут заменять их все решительнее.
Сплавы марганца с медью и никелем нельзя назвать звонкими. Из них не отольешь колокол, а если бы кто-нибудь все-таки отлил, звонить такой колокол не станет. Ударит по нему молоток, раздастся короткий глухой звук – и все. Колебания стремительно затухнут. Это свойство поглощать энергию колебаний называется демпфированием. Названные марганцевые сплавы в высшей степени обладают этим свойством.
Таков марганец – вечный спутник и сосед железа.
Кислоты теряют власть
Хром (его клетка в периодической системе соседствует с марганцем) долго не давался людям. Открыл его в 1797 году французский химик Л. Воклен при разложении красной свинцовой руды, привезенной в Париж русским академиком Палласом. Но в чистом виде этот металл был получен только в 1854 году.
Хром, серовато-белый блестящий металл, видели все. Это им покрыта сверкающая облицовка автомобилей, мотоциклов, велосипедов. Но мало кто знает, что красная окраска похожего на каплю горящей крови рубина и зеленого, как морская вода, изумруда вызывается наличием хрома. Кстати, и имя свое хром получил от греческого слова «краска». Дано оно было ему за яркую окраску его соединений.
Температура плавления хрома выше, чем у большинства металлов, соседствующих с железом и медью: она равна 1910 градусам, но уже при 2480 градусах хром кипит.
Не в пример марганцу, чем чище хром, тем он пластичнее, тем легче поддается механической обработке. Примеси делают его хрупким. На воздухе он очень устойчив. Вспомните обрызганные грязью, в которой каких только нет разъедающих примесей, ободы колес вашего велосипеда: провели вы влажной тряпочкой – снова сияют первоначальным блеском. Ни следа на них коррозии. Даже никель покрывается тусклой пленкой окисла в таких условиях, а хром выдерживает!
Основной потребитель хрома – это, конечно, металлургия. Хром, так же как никель, – важнейший витамин стали. И так же, как марганец, хром в металлургию поступает не в виде химически чистого металла, а в сплавах с железом. Феррохромом называют эти сплавы. Получают их восстановлением хромистого железняка углем в шахтных дуговых электрических печах. В зависимости от требующейся чистоты феррохром могут подвергать дополнительной очистке. Но во всех случаях содержание хрома в сплаве должно составлять не менее 60–65 процентов.
С ним можно встретиться в каждой живописной мастерской.
Крупным потребителем хрома является и машиностроение: красивые, гигиеничные, удобные в уходе хромированные детали встречаются во многих машинах и механизмах, бытовых приборах и устройствах и т. д.
Чистый металлический хром для этих целей получают алюмотермическим восстановлением окиси хрома или электролизом растворов некоторых его солей.
Добавки хрома в стали сообщают им особую твердость, поэтому стали, использующиеся для изготовления режущих инструментов, часто содержат хром. Его там не очень много – от 0,6 до 1,5 процента. Именно из такой хромистой стали изготовляют бесчисленные сверла, резцы, плашки, метчики, хирургические инструменты, калибры, бритвы и т. д.
Твердость хромистой стали делает ее незаменимым материалом и для изготовления шариков подшипников.
Особенно известен среди твердых сплавов хрома стеллит. Он состоит из 30 процентов хрома, 55 процентов кобальта, 12 процентов вольфрама и 3 процентов железа.
Добавки хрома сообщают сталям жаростойкость, кислотоупорность, большую сопротивляемость коррозии. Но эти стали содержат уже значительно больший процент хрома. Так, «нержавейка» на 12,5—18,5 процента состоит из хрома. Жароупорная хромистая сталь содержит 25–35 процентов этого металла. Из этих сталей делают детали паровых турбин, паровых котлов высокого давления и т. д.
Впрочем, далеко не вся добываемая руда хрома идет на выработку этого металла. Значительная часть ее используется для изготовления огнеупорного кирпича: ведь она плавится при очень высокой температуре– около 2200 градусов. Своды стены и поды многих металлургических печей выкладывают из кирпича, в состав которого входит руда хрома.
Целый ряд применений находят и различные соединения хрома. Здесь и красители, и фотоматериалы, и катализаторы для некоторых химических процессов, и лекарства.
Но главное в трудовой жизни этого металла – быть великим помощником стали, облагораживать ее свойства, оказавшись в сплаве с главным металлом, защищать его, будучи нанесенным в качестве покрытия.
А в будущем? Кто скажет, может быть, хрому найдутся и важные самостоятельные роли в могучем ансамбле материалов, которые использует человечество.
Не только для орудийных стволов
Из руды этого металла изготовляли грифели карандашей, такая она мягкая. А в последние годы, научившись отделять ее от всех посторонних примесей, стали применять в качестве твердой смазки. И четыреста лет назад и сейчас она соперничает с графитом.
Внешне эта руда – геологи называют ее молибденитом – очень похожа на руду свинца – свинцовый блеск. Поэтому и название молибдена по-гречески означает «свинец».
Но отнюдь не мягкий характер у таящегося в этой руде металла.
В 1778 году шведский химик К. Шееле впервые получил «молибденовую землю» – окисел молибдена.
Но только в 1895 году удалось выделить чистый молибден.
Молибден занимает клетку периодической системы элементов, расположенную сразу под хромом. Поэтому их химические свойства очень похожи. Но физические свойства молибдена очень отличны от хрома.
Молибден имеет значительно больший удельный вес, чем хром, – 10,3 г на куб. см. Он плавится при очень высокой температуре – 2620 градусов, а кипит при 4700 градусах. Он очень прочен. Предел прочности на разрыв тянутой проволоки 140–200 кг на кв. мм. Даже отожженная молибденовая проволока выдерживает до 90—120 кг на кв. мм.
При обыкновенной температуре молибден на воздухе не окисляется. Только при 500–600 градусах этот процесс в кислороде протекает столь интенсивно, что молибден загорается. Многие кислоты на него не действуют вовсе.
Молибден стал важнейшим витамином стали после того, как на Путиловском заводе в 1886 году была выплавлена сталь, содержащая 3,72 процента молибдена. Свойства ее оказались столь высокими, что внимание многих металлургов мира было прикованным к молибдену.
Вскоре же, в 1890 году, был разработан способ получения ферромолибдена восстановлением окислов молибдена кремнием или алюминием. И новый ферросплав широким потоком пошел для легирования инструментальных, конструкционных, нержавеющих и других сталей. И сегодня свыше 90 процентов всего добываемого молибдена идет в качестве легирующих добавок стали.
Чистый металлический молибден в виде тонкого порошка получают из окиси молибдена восстановлением водородом. Этот порошок прессуют, спекают, подвергают механической и термической обработке. Из него изготавливают ленты, проволоку, штампованные изделия. Чаще всего их можно увидеть за темным стеклом радиолампы. Впрочем, проволочки, поддерживающие вольфрамовую нить обычной электрической лампочки, тоже обычно делаются из молибдена. Их может увидеть каждый.
Но, наверное, далеко не каждый знает, из-за каких свойств выбран для этой службы молибден. А причина в том, что чистый молибден отличается высоким постоянством размеров при температурах до 1000 градусов. Он почти не удлиняется при нагревании до этих температур. А именно такой металл только и может быть впаян в стекло электрической лампочки: ведь он должен удлиняться и укорачиваться вместе со стеклом, хотя прогревается он, конечно, раньше. Иначе поддерживающая его стеклянная ножка лопнет в месте впая в металл.
Производство молибдена претерпевало разные колебания, однако общая тенденция остается прежней – его вырабатывается все больше и больше. Особенно вырастает производство молибдена в годы войн. Так, если с 1 тонны этого металла, полученной во всем мире в 1900 году, его производство к 1914 году выросло до 150 тонн, то уже в 1916 оно поднялось до 300 тонн, а в 1921 году упало до 120 тонн. Затем начался новый рост производства молибдена, и в 1943 году в капиталистических странах оно достигло 30 500 тонн, чтобы в 1945 году сразу же упасть до 16 тысяч тонн.
А ведь молибден – это не только сталь орудийных стволов. Шестерни и валы, паровые котлы и турбины – это тоже молибденовая сталь.
До Великой Октябрьской революции в России не было и зародыша молибденовой промышленности. В настоящее время у нас вырабатывается столько этого металла, что мы давно уже прекратили его ввоз из-за границы.
Молибден получают в виде слитков весом по 450 кг, а из них уже прокатывают листы толщиной до 0,5 мм и другие изделия.
Как ни горячись, а его из равновесия не выведешь.
Самый прочный, самый тугоплавкий
Знаменитый шведский химик Карл Шееле (его имя мы уже несколько раз упоминали на этих страницах) был по профессии аптекарем. Он родился в 1742 году, умер в 1786 году членом Стокгольмской Академии наук. Все свободное от работы время он отдавал химическим опытам. Немало блестящих открытий сделал за недолгие годы жизни этот король эксперимента! Он открыл кислород, хлор, барий, марганец. Ему же принадлежит и честь открытия вольфрама.
Почти сто лет это открытие не имело последствий: вольфрам оставался бесполезным металлом. Только в 1864 году англичанин Роберт Мюшет впервые ввел вольфрам в сталь. Почти 5,5 процента вольфрама содержала эта сталь, названная «самокалом Мюшета». И это было вторым рождением металла.
До этого времени скорость резания металла не превышала 5 метров в минуту. Именно с этой максимальной скоростью сбегала стружка из-под токарных и строгальных резцов. При повышении скорости резания сталь резца быстро размягчалась и тупилась.
Резцы, сделанные из «самокала Мюшета», позволили в полтора раза увеличить скорость резания, довести скорость сбегания стружки до 7,5 м в минуту.
Через сорок лет появилась быстрорежущая сталь. Скорость резания выросла до 18 м в минуту. Сталь, позволившая сделать этот прыжок, содержала до 8 процентов вольфрама. А еще через несколько лет вольфрам позволил поднять скорость резания до 35 м в минуту. В семь раз выросла производительность металлорежущих станков!
Сталь не смогла выдержать большей скорости резания, но вольфрам поднял ее еще выше. В 1907 году был создан первый «твердый сплав». В нем не было по существу железа – только вольфрам, хром и кобальт. Этот сплав дал возможность поднять скорость резания до 45 м в минуту. Современные твердые металлорежущие сплавы еще подняли эту цифру. Сегодня она составляет уже тысячи метров в минуту. И в них основным составляющим является карбид вольфрама.
Впрочем, тайной вольфрама владели еще древние металлурги. В металле некоторых образцов дамасских сталей также обнаружено присутствие вольфрама.
Вольфрам был первой легирующей добавкой к сталям, и, конечно, одним из первых его применений была добавка к орудийному металлу. Он резко поднял его стойкость. Это сразу же оценили немецкие инженеры, и поэтому в годы первой мировой войны легкие пушки германского производства выдерживали до 15 тысяч выстрелов, тогда как французские выходили из строя после 8 тысяч. А добыча вольфрама в это время превзошла добычу никеля, сурьмы и многих других элементов: с 200–300 тонн в год в начале века она в 1918 году достигла 32 тысяч тонн. Впрочем, уже в 1921 году она снова упала до 5 тысяч тонн. В 1941 году добыча вольфрамового концентрата достигла (без СССР) 47 тысяч тонн. Основными поставщиками его являются Китай, Бирма, США, Боливия, Португалия.
В настоящее время 80 процентов всего добываемого вольфрама идет на легирующие добавки в качественные стали. Около 15 процентов расходуется на изготовление твердых сплавов современных резцов. Оставшиеся 5 процентов перерабатываются на чистый вольфрам – металл, обладающий удивительными свойствами.
Попробуйте расплавить этот серебристо-белый металл.
Вам придется поднять его температуру до 3410 градусов. Немногие из металлов при такой температуре остаются и в жидком-то состоянии. Большинство кипит при более низкой температуре.
А вольфрам кипит только при 6000 градусов. Даже на поверхности Солнца он может еще находиться в жидком, а не в парообразном состоянии!
Чистый вольфрам обладает и невероятной прочностью, превосходящей прочность лучшей стали. Временное сопротивление разрыву вольфрамовой проволоки достигает 400 кг на кв. мм. И эту фантастическую прочность вольфрам сохраняет даже при нагреве до 800 градусов!
Вместе с тем чистый вольфрам обладает завидной пластичностью. Из него можно вытянуть проволоку, 80 км которой будут весить всего 200 г!
На пьедестале почета.
Ферровольфрам выплавляют в дуговых электропечах в присутствии угля с добавкой железного лома и флюсов. Чистый вольфрам в виде порошка получают восстановлением окисла вольфрама водородом или углеродом. Полученный тонкий порошок прессуют и спекают, нагревая пропусканием электрического тока до 3000 градусов.
Из этого вольфрама и вытягивают нити накаливания электроламп, штампуют детали радиоламп, рентгеновских трубок, электроды для контактной и атомно-водородной сварки и другие детали машин и устройств, которым предстоит работать при сверхвысоких температурах.
Таков вольфрам – самый прочный и самый тугоплавкий из всех металлов, самоотверженный работник в самых горячих местах машин и приборов, созданных человеком.
Сосед «благородных»
Этот металл открывали много раз. Впервые это сделал Д. И. Менделеев, предсказавший его свойства. Это было действительным, хотя и чисто умозрительным открытием. Затем о том, что его наконец получили, сообщали С. Керн в 1877 году, Баррьер в 1894 году, Огава в 1908 году и т. д. Может быть, некоторые из этих ученых действительно имели дело с «дви-марганцем» Менделеева. Однако утвердить окончательно свое открытие они не могли. Загадка оставалась неразгаданной.
В 1922 году немецкие химики В. и И. Ноддак начали систематические поиски аналогов марганца. Из килограмма руды, содержащей молибден, вольфрам, рутений и осмий, они выделили 0,2 грамма сплава этих элементов. Спектральный анализ указал, что здесь содержится и еще неизвестный элемент. Ученые сообщили о своем открытии в 1925 году. В честь Рейнской области они назвали его рением.
Это тяжелый (тяжелее золота, ведь его удельный вес 20 г на куб. см) серебристо-белый металл, похожий внешне на серебро. Он чрезвычайно тугоплавок. Только вольфрам имеет более высокую, чем рений, температуру плавления: 3170 градусов надо, чтобы расплавить рений. Кипит он при фантастически высокой температуре – 5870 градусов!
Рений обладает исключительной химической стойкостью. При нагреве до температуры в 1500 градусов он почти не соединяется с кислородом. Даже вольфрам уступает ему в этом. К тому же он меньше, чем вольфрам, распыляется при высокой температуре, поэтому вольфрамовые нити накала иногда покрывают рением. Есть сообщения, что и прочность рения при высоких температурах выше, чем прочность вольфрама.
Рений отличается исключительной стойкостью и против действия кислот, поэтому его пытаются добавлять в нержавеющие стали. Может быть, со временем он станет важнейшим витамином стали.
Вероятно, рений будет широко применяться для изготовления термопар.
Еще в очень небольших количествах добывается этот металл, чтобы можно было начать его широкое применение.
Рений – типичный рассеянный элемент. Только в некоторых молибденовых рудах иногда содержится до 0,01 процента рения. Из таких руд, из отходов молибденового производства его и добывают.
Справа в периодической системе элементов с рением соседствуют благородные металлы. Но он ближе к помощникам стали, к вольфраму, который является его соседом с другой стороны.
Секрет неутомимости
«Если бы не было ванадиевой стали, – сказал американский автомобильный король Генри Форд, – то не было бы и моего автомобиля».
«Если бы не было ванадия, не было бы некоторых групп животных», – считают зоологи, сообщая, что в крови голотурий содержится до 10 процентов ванадия.
Эти два мнения приводит академик А. Е. Ферсман, начиная свою поэтическую статью о ванадии, металле, который, несмотря на свою распространенность, долго не давался в руки человеку.
Ванадий был открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. Дель Рио в бурой свинцовой руде. Дель Рио даже дал название новому металлу – эритроний. Но ученого мучили сомнения в точности его определения.
Он поставил новые опыты, посоветовался с друзьями и пришел к выводу, что описанный им новый элемент есть недавно открытый хром. Об этом он и объявил во всеуслышание в 1802 году.
В 1830 году шведский химик Н. Седстрём открыл в железной руде новый элемент, которому дал название «ванадий» – по имени древнескандинавской богини красоты Ванадис. А в 1831 году было доказано, что эритроний Дель Рио и ванадий Седстрёма – один и тот же металл.
Но только в 1869 году английский химик Г. Роско после нескольких лет напряженных поисков сумел получить металлический ванадий, да и то содержание примесей в нем превышало 4 процента. А между тем даже незначительные примеси резко изменяют свойства ванадия. В очень чистом виде этот металл серебристо-серого цвета, обладает значительной пластичностью, его можно ковать. Но даже небольшие количества примесей– особенно азота, кислорода и водорода – резко снижают пластические свойства металла: он становится очень хрупким и твердым.
Впрочем, механические свойства чистого ванадия изучены очень плохо. Ведь не существует ни в одной стране мира промышленного производства чистого ванадия. Только в лабораториях можно найти образцы этого металла той или иной степени чистоты.
А между тем ванадий имеет перспективы сыграть и сольную партию в оркестре металлов, используемых человеком. Он обладает значительной механической прочностью, большой коррозионной устойчивостью до температуры в 300 градусов, высокой температурой плавления – около 1700 градусов, меньшим, чем у железа, удельным весом – около 6 г на куб. см. Ванадий широко распространен в природе. Его в земной коре значительно больше, чем кобальта, молибдена, меди, свинца и олова.
Что ж, возможно, настанет время и ванадий будет распространенным конструкционным материалом. Из него будут делать детали машин, сооружений, как сейчас из стали и алюминия. Будет исследовано и многочисленное семейство сплавов ванадия, как сегодня исследованы сплавы железа и меди.
Но в настоящее время ванадий – металл-витамин; 95 процентов всего производимого ванадия идет в черную металлургию, используется в качестве легирующих примесей стали.
Обычно в сталь добавляют 0,15—0,20 процента ванадия. Это очищает сталь, ибо ванадий является отличным раскислителем. Вместе с тем его присутствие повышает упругость стали и ее прочность. Сталь становится неутомимой. Она не устает отвечать упругим противодействием на силу, стремящуюся согнуть, деформировать изделие из нее, словно ванадий знает секрет неутомимости и, войдя в сталь, сообщает ей его, умножив ее силу и выдержку. Именно поэтому ванадий – обязательный элемент в рессорных и пружинных сталях. Ванадий увеличивает сопротивляемость сталей окислению, уменьшает усадочные раковины в слитках стали.
Ванадиевые стали используются в автомобилестроении, авиации, различных других отраслях машиностроения.
Не только у стали улучшаются свойства от добавки ванадия. И чугун делает качественнее этот металл-витамин. Из ванадиевого чугуна отливают паровые цилиндры, поршневые кольца, изложницы, прокатные валки, матрицы для холодной штамповки и т. д.
В 1907 году было во всем мире получено около 3 тонн ванадия. К 1943 году эта цифра поднялась до 4 300 тонн (без СССР). В дальнейшем выплавка ванадия колебалась около этой цифры.
Однако весь или почти весь этот ванадий выплавляется в сплаве с железом. В нашей стране ванадий получают из железных руд при их переработке в сталь.
Многие советские железные руды содержат от 0,1 до 0,65 процента окислов ванадия. Это считается очень неплохим процентом, ибо концентрированных руд ванадия на Земле очень мало. При доменной плавке почти весь ванадий из руды переходит в чугун. При переделе чугуна в сталь конверторный процесс ведут таким образом, чтобы ванадий перешел в шлак. Удается получить шлаки, содержащие от 8 до 16 процентов окислов ванадия. Эти шлаки размалывают, обжигают, смешав с некоторыми добавками, чтобы перевести ванадий в растворимые соединения, а затем выщелачивают из них ванадий. Из осадка этого раствора и выплавляют затем феррованадий. Обычно он содержит не менее 35 процентов ванадия.
Радикальное средство.
Нашли себе применение и многие соединения ванадия. Пятиокись ванадия является отличным катализатором при производстве серной кислоты. Другие его соединения используются в медицине, в фотографии, текстильной и лакокрасочной промышленности, в стекольном производстве.
Но, конечно, все это только начало большой службы ванадия человеку. Он работает сейчас еще не в полную силу, и даже не в полсилы. Этот металл может значительно больше!
И только одно сильно тормозит его широчайшее применение: отсутствие концентрированных руд ванадия. Его много в природе, но он рассеян всюду. Вопрос о том, как собрать его, еще предстоит решить людям.
