Восемьдесят лет тому назад русский ученый Н. И. Лунин поставил весьма интересный опыт. Его интересовали пищевые потребности живого организма. Подопытных животных, мышей он разделил на две группы. Одну стал кормить обыкновенным коровьим молоком, другую — молоком искусственным, то есть смесью всех тех веществ, которые входят в состав молока. Вещества эти Лунин тщательно очищал, чтобы данные опыта были как можно более точными.
Первая группа мышей жила и процветала, а во второй зверята начали болеть, слабеть и, наконец, умирать. Им не хватало какой-то неуловимой малости, без которой они, однако, не могли существовать.
Позже физиологи установили, что этой «малостью» являются витамины. Они нужны организму в очень незначительных количествах. Если их нет, организм начинает слабеть и погибать. Но стоит добавить в пищу несколько неуловимых крупиц витаминов — и наливаются силой мускулы, загораются огнем жизни глаза, распрямляются полусогнутые спина и колени.
Влияние витаминов на живой организм подобно влиянию легирующих металлов на сталь.
Несколько процентов или даже десятых долей процента металла, который зачастую и сам-то не обладает какими-либо выдающимися свойствами, — и резко изменяется качество стали. Если это ванадий, сталь становится неутомимой, способной бессчетное количество раз ответить упругим противодействием на сгибающее ее постороннее усилие. Если это вольфрам, внезапно вырастает твердость стали. Марганец делает сталь неразрушимой, износостойкой. Никель сообщает ей чудесную способность сопротивляться коррозии, не ржаветь и т. д.
Примерно сто лет назад впервые начали вводить в сталь легирующие добавки, имея целью улучшить ее качество. С тех пор каких только примесей не испытали металлурги! Были среди них и такие, что понижали качество металла. Но постепенно определился и круг металлов, которые вводятся в сталь в тех или иных случаях, и пропорции этих добавок. Возникло огромное количество марок легированных сталей, обладающих широчайшим диапазоном разнообразнейших свойств.
Многие металлы свою службу человеку начали именно в качестве присадок к стали. Только потом, и в значительной степени благодаря этому применению, ближе знакомились с ними люди и находили им новые— по силам и способностям — применения. Такой, например, была судьба вольфрама — самого прочного и самого тугоплавкого металла.
Другие, честно работая на главный металл сегодняшнего дня, вместе с тем предъявляют свое право на самостоятельную роль в технике и промышленности. Таков путь по жизни соперника железа — титана.
Наиболее часто применяющиеся в легированных сталях металлы в периодической системе элементов тесной группой расположились вокруг железа. В их круг входят медь, никель, кобальт — металлы, занимающие следующие за железом клетки в системе элементов. К ним относятся и марганец, хром, ванадий, титан — жильцы предшествующих железу клеток. Нельзя обойти в этом списке молибден и вольфрам, но и эти элементы тесно примыкают к основной группе. Они, правда, обитают на других «этажах» периодической системы элементов.
Рассказу о витаминах стали и посвящена эта глава книги
Горный гном
Этот металл занимает в периодической таблице элементов клетку между железом и никелем. Современное его название — кобальт. Соединения его применялись человеком еще за тысячи лет до того, как впервые этот металл удалось получить в чистом виде.
Еще в Древнем Египте и Китае соединения кобальта применялись для окраски стекол и глазурей в необыкновенно красивый и устойчивый синий цвет. Но получить чистый кобальт из руд его — а они были известны давно — обычными методами древней и средневековой металлургии не удавалось. И эти руды, внешне похожие на руды других металлов, но не дающие металла, германские мастера назвали — кобольд. Это было имя злого горного гнома. Когда в 1735 году шведскому химику Брандту удалось выделить новый чистый металл, он и назвал его по имени злого горного гнома.
В XVIII и XIX веках кобальт почти не находил себе применения, только древнее применение для окраски стекла и керамики введением окислов кобальта не было забыто. Зато XX век нашел множество применений непокорному горному гному.
Впрочем, внешность кобальта отнюдь не соответствует злому названию, которым его наградили незадачливые средневековые металлурги. В чистом виде кобальт — это приятного белого цвета, с легким красноватым оттенком металл, ковкий и тягучий. Плавится он почти при той же температуре, что и чистое железо, — при 1490 градусах, кипит при 3185 градусах.
При обычной температуре на воздухе кобальт почти не окисляется. Только при нагреве до 300 градусов начинает он покрываться легкой пленкой окисла. Но порошкообразный кобальт (его можно получить восстановлением окислов кобальта водородом) при 250 градусах уже самовоспламеняется на воздухе.
Интересным свойством кобальта является его способность растворять в себе водород. Кусок твердого кобальта может растворить в себе до 35 объемов водорода, а порошкообразный кобальт — даже до 100 объемов.
Соединения кобальта встречаются во многих медных, никелевых и марганцевых рудах. Кобальт получают из шлаков, штейнов или огарков после переработки этих руд в качестве побочного продукта. Обычно кобальт выщелачивают из этих отходов подкисленной водой. Дальнейшее отделение кобальта от сопутствующих металлов — сложный и хлопотливый процесс.
Производство кобальта растет, хотя и не так быстро, как некоторых других металлов. Если в 1900 году во всем мире было получено всего 354 тонны этого металла, то в 1947 году мировое производство кобальта составило (без СССР) 6200 тонн.
Сплавы кобальта обладают разнообразными удивительными свойствами. Это и определяет их применение.
Сплав 35 процентов кобальта с 50 процентами железа и рядом других добавок обладает максимальной из всех известных материалов намагничиваемостью.
Сплав кобальта с платиной после соответствующей термообработки имеет огромную коэрцитивную силу — его очень трудно размагнитить.
Известны и другие сплавы кобальта, обладающие особенными магнитными свойствами и идущие для изготовления постоянных магнитов и деталей электрооборудования. Широко известные магнико и альнико — это тоже представители семейства кобальтовых сплавов.
Другая важная группа этого семейства — жаропрочные и жароупорные сплавы. Представителем их может служить распространенный сплав виталлий. В его состав входят 65 процентов кобальта, 28 процентов хрома, 6 процентов молибдена, кроме того, доли процента углерода, железа и никеля. Этот сплав может длительно работать при температуре до 800 градусов, а при несколько более низких напряжениях — и при 900 градусах.
Из этого сплава изготавливают лопатки турбокомпрессоров и газовых турбин, детали реактивных двигателей и паровых котлов высоких параметров. Инженеры с удовольствием применяют этот сплав, и, если бы не высокая цена кобальта, он нашел бы еще более широкое распространение.
Жаропрочные сплавы кобальта применяются и в качестве связующих добавок при изготовлении твердых сплавов методом порошковой металлургии.
В качестве легирующей добавки кобальт входит в состав ряда сталей. Однако для того, чтобы проявилось облагораживающее влияние кобальта, его содержание в металле должно быть достаточно большим, обычно в пределах 5—10 процентов, но нередко и до 20 процентов. Это очень ограничивает применение кобальтовых сталей. И все же применяются быстрорежущие стали, содержащие до 10 процентов кобальта. Известны и магнитные стали, и жаропрочные стали, содержащие кобальт. Но еще шире используются соединения кобальта.
Прекрасные голубые и фиолетовые краски, применяющиеся для росписи фарфора, глазурей, эмалей, прекрасно растворяющиеся в стекле, — это соединения кобальта. Фиолетовые, желтые, зеленые краски, применяемые в разных производствах, — это тоже дети кобальта.
Хлористый кобальт обладает редким свойством изменять свой цвет под влиянием температуры и влажности. Так называемые симпатические чернила — это и есть раствор хлористого кобальта. Напишите им слово, дайте чернилам высохнуть, и на бумаге не останется и следа написанного. Но подержите листок над огнем, и ярко-синие буквы выступят на нем.
Покрасьте хлористым кобальтом льняную рубашку — в сухую погоду она будет голубой. Но стоит сгуститься тучам, пройти дождю, и хотя на нее не упадет ни одна капля, она станет розовой.
Соли кобальта применяются в качестве катализаторов некоторых химических реакций. Находят они себе применение и в медицине и в фотографии.
Интересны кобальтовые удобрения. Их внесение в почву не повышает урожая, но количество кобальта в растениях, выросших на земле, в которую внесены эти удобрения, резко возрастает. А ведь при недостатке кобальта в пище резко падает продуктивность сельскохозяйственных животных — коров, овец, коз. Впрочем, иногда солями кобальта непосредственно «удобряют» пищу животных.
Но, конечно, еще не все свои свойства раскрыл кобальт людям. И множество его применений просто еще ждет своих открывателей.
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.
Соперник железа
От самого слова «титан» веет чем-то могучим, несокрушимым. Вспоминаются боги Древней Греции, сыны Урана (неба) и Геи (земли), восставшие против самого Зевса. Побежденные, они были низвергнуты в вечный мрак подземного царства. А последнего из титанов, рассказывают греческие мифы, Прометея, который похитил у богов огонь и научил людей обращению с ним, властный бог приковал к одной из скал далекого Кавказа. Но и осужденный на вечные муки, не смирился он, упрямый и непреклонный.
Впрочем, когда немецкий химик Мартин Клапрот открыл в 1796 году новый металл, он ничего по существу не знал об его удивительных свойствах. Мало того, ни крупинки этого металла не держал он в руках, ибо получить ему удалось только серый порошок окисла металла — «землю», как говорили тогда. А имя образующему эту «землю» металлу, по его собственному признанию, он дал просто по традиции, — обратившись к греческой мифологии.
Впрочем, английский химик Вильям Грегор на четыре года раньше столкнулся с титаном. Но — так исторически получилось — не ему выпала честь назвать металл. Данное им название не прижилось. А тот факт, что два химика почти одновременно в разных горных породах открыли наличие одного и того же металла, свидетельствует о его широкой распространенности в земной коре.
Действительно, содержание титана в земной коре превосходит 0,6 процента. Это очень много. Титан — четвертый по распространенности металл. Больше в земной коре содержится только алюминия, железа и магния. Титана в три раза больше, чем марганца, хрома, ванадия, цинка, никеля и меди, вместе взятых.
Но, несмотря на то что титан относится к числу самых распространенных элементов, он долго не давался людям. Только в 1910 году удалось впервые получить металлический титан. Первые несколько граммов нового металла не отличались высокой чистотой. Да и долгие годы еще удавалось получать только загрязненный металл. И о титане прошла дурная слава как о непрочном, хрупком, бесполезном металле, не поддающемся обработке. И долго считали, что единственное применение ему — быть легирующей добавкой в сталях да идти на производство высококачественных белил.
Только в последние годы и десятилетия развеялась эта слава. Металлурги изучили свойства титана и были изумлены ими. Они оказались несравнимо лучшими, чем у тех металлов и сплавов, которые издавна служили человеку. Оказалось, что титан почти вдвое легче железа, ко обладает прочностью, превосходящей прочность углеродистых сталей и приближающейся к лучшим нержавеющим сталям.
Это колоссальное преимущество! Представим себе, что на турбореактивном двигателе самолета заменили стальные лопатки компрессора титановыми. Их вес составит всего 59 процентов от веса стальных лопаток. Но ведь это повлечет за собой изменение всей конструкции двигателя. Более легким стал ротор — менее массивными, жесткими можно сделать опоры, подшипники ротора. Уменьшение массы ротора позволяет быстрее заводить и разгонять турбореактивный двигатель. И т. д. и т. д. Он позволяет облегчить самолет, а значит, увеличить дальность его полета, высоту, скорость, грузоподъемность.
Титан обладает высокой температурой плавления— 1680 градусов. Своей прочности он не теряет при нагревании до 537 градусов. Добавкой легирующих элементов эту температуру можно поднять до 650 градусов. А ведь прочность магниевых и алюминиевых сплавов резко падает уже при температурах около 315 градусов.
Растут скорости самолетов, и огромную роль начинает играть их аэродинамический нагрев, нагрев о встречный воздух. Еще сильнее нагреваются, проходя сквозь плотные слои атмосферы, высотные ракеты. На всесоюзной Выставке достижений народного хозяйства СССР летом 1959 года демонстрировалась головная часть такой ракеты, заброшенной к преддверию космического пространства и на парашюте опустившейся на Землю вместе с заключенными в ней приборами. Но парашют раскрылся недалеко от Земли, а большую часть атмосферы ракета прошла со скоростью нескольких километров в секунду, и страшный жар от встречного потока воздуха опалил поверхность ракеты. Так и лежит она со следами небесного огня, родственного тому, которым пылают в ясные ночи метеориты.
Как важно иметь металл, который выдерживал бы высокую температуру нагрева и не размягчался, не терял своей высокой прочности!
Титан обладает удивительной антикоррозионной стойкостью. Пластинку титана можно выбросить на улицу — пройдет год, с дождями, грязью, морозами, оттепелями, и следа ржавчины не появится на ней. Железная, испытавшая столько же, вся покроется рыжим налетом или даже насквозь проржавеет. И эти антикоррозионные свойства титан сохраняет до 400–500 градусов. А легированный хромом, алюминием и кремнием — и еще дальше.
По своей антикоррозионной стойкости титан превосходит нержавеющие хромоникелевые стали. На него не действует даже страшная для многих металлов морская вода.
Многие кислоты не страшны для титана. Против него бессильна даже всесъедающая «царская водка».
Все это открывает титану широкий путь для использования в морском и речном флоте, в химической и пищевой промышленности. Вероятно, титановые танкеры и титановые корпуса океанских кораблей — реальность ближайшего времени.
Выгодна ли замена дорогим сегодня титаном более дешевых материалов? Да, в целом ряде случаев.
Вот один пример. В химическом реакторе работала в горячей азотной кислоте мешалка из нержавеющей стали. Трудно противиться этой кислоте, учитывая еще то, что ее агрессивные способности умножены высокой температурой. И каждые несколько месяцев мешалку приходилось менять: даже всемогущая «нержавейка» не выдерживала более продолжительное время разъедающих атак кислоты.
Для смены мешалки останавливали весь цикл производства. Стоило это в десять раз больше, чем сама съеденная кислотой деталь.
И вот мешалку сделали из титана. Правда, обошлась она втрое дороже, чем прежние из «нержавейки». Но она проработала без замены целых пять лет.
А теперь подумайте, рациональна ли была эта замена?
Детали из нержавеющей стали, работающие в выщелачивающем автоклаве, приходится заменять каждые несколько часов. А титановые работают несколько лет.
Чугунные диффузоры пароструйных эжекторов меняют каждые три месяца. Титановые служат, не требуя замены, по нескольку лет.
Рационально ли внедрение титана во всех этих случаях?
Мы знакомы с железом. Буквально по всем показателям превосходит титан этого сегодняшнего «короля металлов». И как только ученые и металлурги выяснили это, начало стремительно расти производство юного металла. Приведем несколько цифр. В 1910 году впервые в мире были добыты граммы титана. В 1947 году в США получены первые две тонны этого металла. К 1951 году производство титана достигло 500 тонн, а в 1956 году приблизилось к 40 тысячам тонн. В 1960 году в США, по зарубежным данным, предполагалось получить 350 тысяч тонн титана!
История металлургии знает примеры того, как быстрый рост потребности вызывал не менее стремительный рост производства того или иного металла. Такова, например, судьба алюминия, из которого во времена наших прабабушек ювелиры выделывали драгоценнейшие броши, а в наши дни штампуют сотнями тысяч экземпляров раскладные кровати. Но такого стремительного взлета еще не знал ни один металл.
И это при условии, что далеко не все свойства и особенности титана выяснены и приняты на вооружение. Очень многое еще не ясно. В бесчисленных металлургических лабораториях ученые выпытывают сейчас тайны титана. Его рвут на части, гнут, испытывают при высоких и сверхнизких температурах, сплавляют с другими металлами, сваривают, действуют токами высокой частоты и ультразвуком.
Стремятся изучить новичка со всех сторон, как сегодня со всех сторон изучено железо.
Сколько интересного открывается ученым!
Оказывается, что легирование вольфрамом, алюминием, бериллием и бором уменьшает скорость ползучести титана при высокой температуре в 25–40 раз.
Даже незначительные количества азота, кислорода и водорода в титане резко изменяют его свойства — он становится прочнее, но снижаются его пластические свойства.
Наиболее перспективны сплавы титана с алюминием. И т. д. и т. д.
Хвастовство? Нет, уверенность!
Титан — металл с огромным будущим. За это — и его удивительные свойства, и широкая распространенность в природе, и наличие больших залежей руд, содержащих значительные количества титана.
Пока еще сложна и дорога технология его производства. Но и она упрощается с каждым днем, и титан с каждым днем дешевеет. За три года — с 1955 по 1958 — цена титана на мировом рынке упала вдвое.
Дорогу титану — металлу удивительных возможностей!
Работа по совместительству
Мы говорили только о работе титана по его основной специальности— в качестве материала, из которого конструкторы проектируют детали химической аппаратуры, сверхскоростных самолетов, космических ракет. Но титан совсем недавно перешел на эту должность. Прежде у него были другие дела, которые, впрочем, остаются и останутся за ним, каких бы удивительных успехов он ни достиг в других областях. Пусть эти дела скромнее, но и они важны для человека.
Самым первым применением титана было использование его соединения с кислородом для изготовления белой масляной краски. Титановые белила считаются лучшими в мире. Они обладают высокой кроющей способностью и постоянством состава.
Применяют окислы титана для изготовления тугоплавких стекол, люминесцентных светящихся составов, дымообразующих веществ (они применяются отнюдь не только в военном деле, а и, например, при окуривании посадок во время весенних заморозков), катализаторов, работающих при производстве синтетического каучука, и т. д.
Важное значение приобрел и карбид титана — его соединение с углеродом. Это вещество, обладающее высочайшей твердостью, входит в состав многих металлокерамических сплавов.
Нельзя забыть и «служебных» функций титана в металлургии. Используя его величайшую химическую жадность, титан применяют в качестве раскислителя стали. Титан удаляет из раскисляемого металла не только кислород, но попутно и азот: ведь титан жадно соединяется при высоких температурах с этим газом. Вместе с тем присутствие титана в стали улучшает ее качество. Титан, главный металл завтрашнего дня, — тоже один из витаминов главного металла сегодняшнего дня.
Наряду с внедрением титана — конструкционного материала будет расти и применение титана в других разнообразных отраслях техники.
