Впервые его получил в сравнительно чистом виде знаменитый датский ученый Эрстед в 1825 году. В 1854 году французский химик Сент-Клер Девилль разработал технологию получения этого металла, уже пригодную для промышленности. Но только метод русского ученого Н. Н. Бекетова, предложенный в 1865 году, стал достоянием заводской практики. Однако и позже будущий первый из крылатых металлов продолжал оставаться драгоценным.

Общедоступным сделало алюминий открытие способа его получения электролизом криолито-глиноземных расплавов. Это открытие одновременно в 1886 году на двух концах света, не зная о работах друг друга, сделали француз П. Эру и американец У. Холл.

Бесспорно, алюминий — металл XX века, металл скоростных автомобилей, стремительных самолетов, космических ракет. Но из глубокой древности приходят к нам легенды об этом таком вездесущем и таком непокорном, не дающемся в руки металле.

Платон рассказывает, что древние атланты знали, кроме золота и серебра, еще один драгоценный металл. По краткому описанию его свойств он очень похож на алюминий. Конечно, можно только гадать, как могли люди, культура которых предшествовала критской и египетской, «учителя учителей», по выражению Валерия Брюсова, получать этот металл.

Древний историк Плиний рассказывает еще об одном интересном событии. Почти две тысячи лет назад к римскому императору Тиберию, который родился в 41 году до н. э., а умер в 37 году н. э., пришел неизвестный мастер. Он преподнес императору металлическую чашу, блестевшую, как серебро, и чрезвычайно легкую. Мастер рассказал, что получил этот металл из глинистой земли. Тиберий из боязни, что будут обесценены новым металлом его запасы золота и серебра, отрубил изобретателю голову и разрушил его мастерскую.

Чем еще мог быть этот металл, блестевший, как серебро, чрезвычайно легкий, полученный из глинистой земли, как не алюминием? Впрочем, это всего лишь легенды…

Наш алюминий — дитя электротехники. Без электрического тока он не был бы получен в чистом виде и доныне: ведь калий, натрий и магний, с помощью которых его начали добывать, вытесняя из соединений, сами рождены электрическим током. И во всяком случае только электричество сделало алюминий общедоступным металлом промышленности.

Алюминий — отец авиации. Без алюминия не было бы сверхзвуковых скоростных самолетов и гигантских реактивных лайнеров. Он позволил превратить примитивные деревянные «этажерки» в гигантские стратосферные корабли. И это отнюдь не все из родственных связей, соединяющих алюминий с новейшими отраслями техники.

Алюминий полюбился человеку, не зря так стремительно растет его производство. Сто лет назад на всем земном шаре его годовая выработка измерялась килограммами. В 1897 году было получено уже около 4 тысяч тонн алюминия, в 1913 году — 66 500 тонн. В 1943 году эта цифра поднялась до 1949 тысяч тонн только в одних капиталистических странах. А сегодня добыча алюминия только в капиталистических странах приблизилась к трем миллионам тонн.

Несмотря на то что русские ученые внесли немалый вклад в разработку производства алюминия, промышленное получение его началось в нашей стране только после Великой Октябрьской революции. 27 марта 1929 года были получены первые 8 кг крылатого металла, а уже в августе 1929 года было вынесено решение правительства о строительстве Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. В 1932 году вступил в строй первый из них, в 1933 году — второй.

В 1939 году был пущен крупнейший в Европе Уральский алюминиевый завод, но еще в 1937 году Советский Союз занял третье в мире и второе в Европе место по производству алюминия. И с тех пор производство алюминия все возрастает в нашей стране.

«За последние годы все большее значение приобретает алюминий, как металл разностороннего применения в промышленности и в строительстве, — отметил в докладе на 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». У нас есть для этого роста и другое.

Великие преимущества социалистического строя обеспечивают промышленности нашей страны значительно более быстрые темпы развития, чем при капитализме. Великий прыжок к коммунизму, осуществляемый за семилетие нашей страной, прыжок, который зарубежные журналисты называют «семиступенчатой ракетой, запущенной в будущее», позволит нам вплотную приблизиться по всем главным показателям развития народного хозяйства к самой развитой стране капиталистической половины мира — Соединенным Штатам Америки, с тем, чтобы в ближайшие за этим годы и обогнать ее.

Нет сомнения, что и по производству алюминия мы в ближайшее время обгоним США и прочно займем первое место в мире.

Алюминий был первым крылатым металлом. Но он далеко не единственный, имеющий право так называться. Уже пришел в авиационную промышленность магний. Все внимательнее приглядываются инженеры и к другим металлам. Вероятно, им также предстоит разделить с алюминием право сверхзвуковых полетов в ионосфере, честь космических прыжков к другим планетам. Им принадлежит будущее не только авиации, но и астронавтики.

 

Нет, не бедный родственник!

Алюминий занимает по распространенности в земной коре первое место среди металлов. После кислорода и кремния он является самым распространенным элементом. Земная кора содержит 7,45 процента алюминия. Академик А. Е. Ферсман насчитал около 250 минералов, содержащих алюминий.

Однако никто никогда не нашел на Земле ни одного даже самого крохотного слитка самородного алюминия. Из-за своей большой химической активности он встречается в природе только в виде соединений.

Почему же не окисляется, не сгорает мгновенно, как это происходит, например, с калием, кусочек чистого алюминия, попав на воздух?

Да, он сразу же начинает сгорать, окисляться. Его сверкающая поверхность тускнеет, покрывается матовым налетом. Но на этом и кончается процесс окисления. Образующаяся пленка окиси алюминия обладает большой прочностью. Как броней покрывает она нестойкий металл.

Стойкостью этой пленки и объясняется способность алюминия сопротивляться действию тех или иных агрессивных жидкостей. Концентрированная азотная кислота и органические кислоты бессильны разрушить ее, и поэтому на алюминий они не действуют. Едкие щелочи растворяют защитную пленку, и горе той домашней хозяйке, которая вздумает вскипятить в алюминиевом чайнике щелочь, — чайник придется сдать в утиль.

Технический алюминий, содержащий не более половины процента примесей, плавится при 658 градусах, кипит при 2500 градусах. Почти в двухтысячеградусном диапазоне температур алюминий продолжает оставаться жидким.

Алюминий — легкий металл. Он почти в три раза легче железа. Его удельный вес — 2,7 (удельный вес стали — 7,8).

Алюминий — мягкий металл. Он легко поддается всем видам механической обработки: прокатке, резанию, волочению, ковке и т. д. Он непрочен — предел прочности литого технического алюминия равен 3—12 кг на кв. мм. Уже простая прокатка повышает прочность этого металла. Прокатанный алюминий выдерживает до 18–28 кг на кв. мм. Однако при этом резко снижается пластичность: у литого она равна 18–25, у прокатанного —3–5 процентам.

Вспомним, что предел прочности широко распространенной качественной углеродистой стали, содержащей около 0,3 процента углерода, равен примерно 45–50 кг на кв. мм, а удлинение— 20 процентам.

Даже ливень из кислот не страшен ему!

Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью. В ряду металлов по этим свойствам он занимает третье место, сразу за медью. У технического алюминия электропроводность, в зависимости от чистоты, составляет примерно 65 процентов от электропроводности меди.

Нет, алюминий не бедный родственник, уступающий своим более счастливым соперникам — железу по прочности, меди по электропроводности. Надо поглубже разобраться в его свойствах.

Не будем говорить о сплавах алюминия, механические свойства которых приближаются к некоторым сортам мягкой стали. Посмотрим свойства простого прокатанного алюминия.

Изготовим из него круглый стержень, равный по длине и весу другому стержню, изготовленному из стали и имеющему в сечении 1 кв. мм. Очевидно, что алюминиевый стержень будет несколько толще стального, но на них пошли одинаковые по весу количества металла. Попробуем их прочность.

Стальной стержень-проволочка разорвется как только усилие превысит 40 кг. Это — прочность хорошей конструкционной углеродистой стали, из которой изготовляют болты, винты, фермы и т. д.

Начинаем разрывать алюминиевый стержень. Подвешиваем к нему 20-килограммовую гирьку — выдерживает. Добавляем еще 20 килограммов. Ого! Этого не выдерживала уже и наша сталь! И только когда вес груза перевалил за 60 кг, лопнул алюминиевый стерженек. Он оказался почти в полтора раза прочнее стального.

Значит, фермы из прокатанного алюминия, равные по прочностям стальным, будут в полтора раза легче. Значит, можно будет реже поставить быки-опоры, длиннее сделать пролеты, если из алюминия построить мост через реку. Значит, можно выше поднять шпиль телевизионной башни, если изготовить ее из алюминия. Значит, большим будет полезный вес состава из одинаковых по прочности со стальными алюминиевых вагонов.

Совсем не бедным родственником, а имеющим важное преимущество соперником оказывается алюминий при таком сравнении со сталью!

Если мы приведем такое же сравнение алюминиевых и медных проводов, мы убедимся, что и здесь алюминиевый провод равного сопротивления току с медным окажется более легким. Реже встанут опоры высоковольтной линии с алюминиевыми проводами, более легким окажется ротор мотора и генератора с алюминиевой обмоткой. И здесь — преимущество алюминия.

Эти преимущества и предопределили широчайшее применение алюминия. Важным его потребителем является электротехника. Кабели и шинопроводы, конденсаторы и выпрямители переменного тока, провода и приборы делаются из алюминия.

Из рафинированного алюминия можно прокатать фольгу тоньше папиросной бумаги, вытянуть проволоку тоньше паутинки. Кстати, и такая проволока и такая фольга находят важнейшее применение в радиотехнике.

Высокая коррозионная стойкость алюминия позволяет широко использовать его в химической промышленности. Аппаратура для производства азотной кислоты, многих органических веществ, пищевых продуктов (включая и домашнюю посуду) — все это область алюминия.

Но главный потребитель алюминия — авиация. Подавляющее большинство современных самолетов во всех странах мира делается из алюминия.

Немало алюминиевых деталей и в современном автомобиле. Делают из алюминия автобусы, железнодорожные вагоны. Наверное, все видели алюминиевую мебель — легкую, прочную, изящную.

И чем дальше, тем большее применение будет находить чудесный металл. Единственное, что мешает ему вытеснить железо буквально изо всех областей применения, — его еще высокая стоимость.

 

Рождение в молнии

Металлургический завод, на котором получают чистый алюминий, очень непохож на своего собрата, производящего чугун и сталь. Здесь нет гигантских башен доменных печей, тяжелых мартенов, громоздкого блюминга. Не в пламени сгорающего кокса, а в горячей электролитной ванне, пронизанной потоками электрического тока, достаточными, чтобы породить молнию, рождается чистый металл. Но здесь, в этой электролитической ванне, сходятся, как и в домне, многие технологические линии.

Одна из этих линий — производство чистого глинозема, чистой окиси алюминия.

Не многие из двухсот пятидесяти содержащих алюминий горных пород могут служить рудой для получения глинозема. Одни из них содержат глинозем в такой форме, что извлечь его слишком трудно, в других глинозема просто мало, третьи сами встречаются слишком редко или в небольших количествах. Поэтому наиболее часто используются бокситы.

В состав бокситов входят, кроме соединений алюминия, также соединения железа, титана, кремния и т. д. Внешне эта руда алюминия представляет глиноподобную или каменистую породу. Общие разведанные запасы ее определяются более чем миллиардом тонн. Больше всего бокситов найдено в Европе, меньше — в Африке, еще меньше — в Америке и Азии.

Богата залежами бокситов и наша страна. Они имеются в Ленинградской области (близ города Тихвина), на Северном Урале, на Южном Урале, в Красноярском крае и т. д.

Неспециалист не скажет, если перед ним положить на стол два куска бокситов, но один из-под Тихвина, а другой из южноуральского месторождения, что это одна и та же горная порода. Да и в пределах одного месторождения бокситы внешне могут очень отличаться друг от друга. Так, тихвинские бокситы встречаются всех цветов — от белого до красного и фиолетового. Непостоянен и их удельный вес. И, конечно, непостоянен химический состав.

Обычно в бокситах содержится от 50 до 60 процентов глинозема. Впрочем, в лучшем случае эта цифра может быть и значительно выше.

Глинозем… Когда мы произносим это слово возникает представление о чем-то грязно-землистом, сером, аморфном. Но это неверно. Ведь одной из разновидностей бокситов является корунд. Это очень твердый кристаллический минерал. Только алмаз тверже корунда, поэтому корундовые круги применяются для заточки инструмента, а мелкий корундовый порошок — для шлифовки. Это далеко не аморфная глина!

Корунд не всегда имеет и грязно-серый цвет. Драгоценнейшие камни — красный, как пламя, рубин, синий, как морская вода, сапфир, желтый, как кошачий глаз, топаз, фиолетовый «восточный» аметист, зеленый «восточный» изумруд — все это окись алюминия, глинозем, корунд, содержащие в себе неуловимо малые примеси других металлов, создающих их волшебную окраску. Но каждый из этих дивных самоцветов может служить рудой в производстве алюминия.

Вот, оказывается, каких родственников имеет обычный глинозем — безводная окись алюминия, которую надо получить из бокситов!

Есть много способов получения глинозема. Наиболее часто применяется так называемый щелочный метод. Вот он.

Тяжелые самосвалы выгрузили каменистые глыбы боксита в приемный бункер щековой дробилки. Куски величиной до 40–60 см в поперечнике она разгрызает до размера обычного булыжника. Но и этого еще недостаточно. Эти куски руды поступают в конусные дробилки, из которых руда попадает в шаровые мельницы. И только теперь частицы руды поступают в автоклавы для выщелачивания.

Автоклавы — это высотой с трехэтажный дом стальные цилиндры, способные выдержать большое внутреннее давление. Ведь порошок боксита, который загружают в автоклав и заливают щелочью, лучше всего отдает в раствор соединение алюминия при температуре в добрых пару сотен градусов и давлении не менее десятка атмосфер. И несколько часов бурлит автоклав (пульпу в нем непрерывно перемешивают струей пара, проходящего сквозь всю ее толщу), пока длится процесс «варки» боксита.

Химическая суть этого процесса довольно сложна. Со щелочью вступает в реакцию не только окись алюминия, но и другие вещества, входящие в состав боксита, — кремнезем, окислы титана, ванадия и т. д. Некоторые из образовавшихся веществ вступают в реакции между собой. Однако большая часть получающихся в конечном результате веществ остается в твердом осадке. В растворе же концентрируется соединение алюминия, загрязненное некоторым количеством соединений кремния, фосфора, хрома и т. д.

Скажем сразу: процесс выщелачивания — сложный, тонко регулируемый процесс. На его ход оказывают влияние и состав боксита, и концентрация щелочного раствора, и продолжительность его, и температура, и давление в автоклаве. Кроме того, далеко не всегда весь процесс выщелачивания идет в одном автоклаве. Чаще этот процесс делают непрерывным, соединяя ряд автоклавов друг с другом. Это повышает производительность процесса. Но во всех случаях, чтобы добиться извлечения не менее 85 процентов глинозема из бокситов, нужно высочайшее умение инженеров.

Из варочного автоклава пульпа давлением пара выгружается в самоиспаритель. Давление резко падает, и начинается бурное кипение жидкости. Когда оно прекращается, пульпа направляется на разбавление. Разбавляют пульпу водой, которой перед этим промывали твердый остаток — так называемый красный шлам.

После разбавления алюминатный раствор отделяется от твердого шлама. Для того чтобы мелкие твердые частицы быстрее отделялись от жидкости, в пульпу добавляют так называемые коагулянты — вещества, способствующие слипанию отдельных твердых частиц в крупные хлопья. В качестве такого коагулянта нередко используют обыкновенную ржаную муку. Затем алюминатный раствор фильтруют и направляют на разложение. Твердый остаток после промывки водой для извлечения последних капель раствора вывозят на свалку.

Разложение алюминатных растворов — также очень сложная и тонкая операция. Осуществляется она в гигантских цилиндрических резервуарах, снабженных мешалками, — так называемых декомпозерах. Раствор, имеющий вначале температуру около 60 градусов, постепенно перетекает по системе сифонов из одного резервуара в другой. В ходе процесса в раствор всыпают кристаллы гидроокиси алюминия. Они становятся центрами кристаллизации. Длится этот процесс, называемый технологами выкручиванием, трое-четверо суток.

Конечно, далеко не весь алюминий уходит из раствора. Почти половина его остается в жидкости. Но он не пропадает. Ведь эта жидкость после отделения от нее выделившейся гидроокиси алюминия возвращается в автоклавы для выщелачивания. Так она и циркулирует непрерывно, растворяя в автоклавах глинозем и выделяя его в твердом виде в декомпозере.

Последней операцией получения чистого глинозема является кальцинация — обезвоживание полученного вещества. Осуществляется она в гигантских — метров в 50–75 длиной и метра 1,5–2 диаметром — барабанных вращающихся печах. В поднятый конец этой печи-трубы вводится гидроокись алюминия. Она медленно передвигается по наклону печи вниз, навстречу жаркому пламени мазутных или газовых горелок. В процессе нагревания и прокаливания до температуры в 1250 градусов большая часть гидроокиси превращается в безводную окись алюминия, тот самый корунд, из которого состоят рубины и топазы.

Безводный глинозем — термически стойкий окисел. Температура его плавления равна 2050 градусам. Не просто получить такую температуру в электролизной ванне. И, вероятно, если бы не нашли обходного способа получения алюминия, кроме прямого электролиза расплавленного глинозема, этот металл и сегодня оставался бы драгоценным.

Но способ был найден. Нашли вещество, в котором глинозем хорошо растворяется, и этот-то раствор и подвергают электролизу.

Это вещество называется криолит.

Криолит также является соединением, содержащим в своем составе алюминий. Кроме этого металла, в нем содержатся еще натрий и фтор. Единственное крупное месторождение этого минерала находится в холодной Гренландии. Его внешний вид символичен: он напоминает лед. Кусок криолита, положенный в стакан с водой, почти невидим. Аборигены Гренландии считали долгое время криолит льдом, спрессованным до такой степени, что его уже нельзя растопить. Впрочем, отдельные куски криолита могут иметь снежно-белый, розоватый или даже черный — в зависимости от примесей — цвет.

Криолит встречается в нашей стране на Урале, но его очень мало. Поэтому и криолит приходится приготовлять искусственно.

Сырьем для производства криолита служит плавиковый шпат. Эта горная порода встречается значительно чаще. В Советском Союзе, в частности, большие запасы плавикового шпата имеются в Забайкалье и Средней Азии. Скажем сразу: получение криолита — не менее сложный и тонкий процесс, чем получение глинозема. Как и тот, он начинается с обогащения и последующего измельчения плавикового шпата, в состав которого входят кальций и фтор.

Размельченный в тонкий порошок плавиковый шпат смешивают в специальных дозаторах с концентрированной серной кислотой, и эту смесь направляют в реакционную печь. Это клепанный из котельного железа, герметически закрытый вращающийся барабан. Смесь шпата и кислоты реагирует в нем при температуре около 130 градусов. В результате реакции получается чрезвычайно ядовитый газ — фтористый водород и гипс. Газ выводится через специальный патрубок и по свинцовым трубам идет на очистку, а гипс шнеки выбрасывают из печи.

После очистки фтористый водород растворяют в воде. Производится это в свинцовых башнях. Фтористая кислота разъедает даже стекло— именно с помощью этого вещества вытравляют на нем надписи и рисунки. Свинец — один из немногих материалов, против которых она бессильна, поэтому из него и делают башни. Растворение фтористого водорода в воде сопровождается выделением тепла, а в результате образуется плавиковая кислота.

Полученную плавиковую кислоту очищают от примесей и производят «варку» криолита. Для этого в нее добавляют ту самую гидроокись алюминия, что была получена при «выкручивании» алюминатных растворов, и соду, В результате ряда последовательных реакций и образуется выпадающий в виде осадка криолит.

Это осуществляется в железных чанах, футерованных угольными плитками и снабженных мешалками. В них непрерывно подают пульпу, содержащую гидроокись алюминия и раствор соды. Тщательно соблюдается необходимая дозировка.

Затем криолитовую пульпу сгущают, отделяют в фильтрах от жидкости твердые частицы криолита, и высушивают их в сушильных барабанах при температуре в 130–140 градусов.

Вот каким сложным путем получается похожий на гренландский нетающий лед искусственный криолит. Это с ним встречается глинозем в электролитической ванне.

Третий участник этой встречи — угольный электрод.

Нехитрая, кажется, вещь эти цилиндрические и прямоугольные угольные плиты, спускающиеся в ванну с криолито-глиноземным расплавом. А и их производство — сложный и деликатный процесс, которым занимаются специальные заводы. Ведь все, что входит в состав электрода, при его сгорании рано или поздно попадает в ванну и загрязняет получаемый металл. Поэтому должны быть очень чистыми исходные материалы. Они должны быть достаточно электропроводными, плотными, иметь значительную механическую прочность.

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?

 

Снова электролиз

Советский Союз обладает огромнейшими залежами магниевых руд. Магнезит есть у нас на Среднем Урале и в Оренбургской области, доломит— в Донбассе, Московской и Ленинградской областях и т. д., кар-налит — в Соликамске (Урал), бишофит — в озерах Крыма, в Кара-Богаз-Голе и озере Эльтон. И это далеко не полный список, ибо даже простая морская вода может служить неисчерпаемым сырьем для производства магния.

Как и алюминий, металлический магний рождается в электролитической ванне. Однако, прежде чем попасть в электролитическую ванну, руды магния, помимо обычного обогащения, проходят ту или иную обработку, изменяющую их состав.

Бишофит, добываемый из соленых озер выпариванием воды, подвергают двухстадийному процессу обезвоживания. Первая стадия осуществляется прокаливанием во вращающихся цилиндрических печах (мы уже не раз встречались с печами такого типа в различных металлургических процессах). Однако при этом удается избавиться лишь от части входящей в состав молекулы бишофита воды. Если поднять температуру процесса, то начнет появляться окисел магния, что нежелательно. Поэтому окончательное обезвоживание проводят в другой вращающейся печи, обогреваемой снаружи и заполненной газообразным хлором.

Полученный полупродукт неизбежно содержит в себе некоторый процент окиси магния. Чтобы избавиться от нее, полупродукт плавят в шахтных электрических печах. Процесс ведется таким образом, чтобы нежелательная примесь ушла в шлак. Отстоявшийся чистый хлорид магния выпускают в ковш с плотно закрывающейся крышкой и направляют на электролиз.

Руды, имеющие другой химический состав, перерабатываются иными способами. Все они являются достаточно сложными. И во всех случаях в итоге получают безводное соединение хлора с магнием.

Электролиз магния, пожалуй, еще сложнее, чем электролиз алюминия. Магний легче расплава хлорида магния, из которого он был получен, поэтому он всплывает на поверхность. Одновременно с выделением магния на другом электроде ванны происходит выделение хлора. Значит, ванна должна быть постоянно закрыта. Все это вызывает дополнительные трудности.

Но вот вакуум-ковш приблизился к электролизной ванне и наполнился легким серебристым металлом. Его разлили в изложницы и получили слитки. Нет, это еще не чистый металл. Его надо подвергнуть дополнительной очистке — рафинированию.

Обычно применяются два способа такого рафинирования: первый состоит в переплавке магния с флюсами; второй, позволяющий получить магний весьма высокой чистоты, заключается в возгонке магния в вакууме.

Для рафинирования возгонкой используются специальные вакуум-аппараты — стальные цилиндрические реторты с герметически закрывающимися крышками. На дно этих реторт закладывают очищаемый магний и откачивают воздух. Затем нижнюю часть аппарата нагревают, в то время как верхняя охлаждается наружным воздухом.

В аппарате под влиянием нагрева происходит возгонка магния. Он становится газообразным, минуя жидкое состояние: ведь температура, при которой идет процесс, равна 580–600 градусам. Пары магния поднимаются в верхнюю часть аппарата и там осаждаются на его стенках. Конечно, и часть примесей проделывает этот же путь, но те из них, которые возгоняются легче магния, осаждаются в самой верхней части аппарата, а те, что возгоняются трудно, осаждаются в нижней части конденсатора. Большая часть металла — до 80 процентов — имеет чистоту не менее «четырех девяток», то есть содержит не меньше 99,99 процента магния. Эта чистота может быть еще повышена повторной возгонкой.

Так рождается этот металл — соперник и друг алюминия. Соперник— потому, что по ряду качеств превосходит он сегодняшний главный крылатый металл. Друг — потому, что содружество этих металлов позволяет получить наиболее ценные технические сплавы. Ведь в состав дюралюминия входит магний, а в состав лучших сплавов магния — алюминий.

Но и у магния и алюминия есть еще более опасный соперник на право называться крылатым металлом будущего и особенно — металлом межпланетных рейсов.

 

Его руду оправляют золотом

Конечно, это бериллий. Блистательный бериллий!

Он входит в состав многих самоцветов. Изумруды и хризобериллы, аквамарины и эвкилазы — ценнейшие камни, сиявшие на коронах императоров и в перстнях вельмож, ограненные и вставленные в оправу из самых дорогих металлов, вырезанных талантливейшими ювелирами, — просто руда для получения бериллия.

Много историй можно рассказать о кусочках руды бериллия, столь ценимых человеком на протяжении нескольких тысячелетий. Сколько крови, пота, сколько человеческих судеб, жизней, страстей сплеталось вокруг этих красивых, но совершенно бесполезных камешков! Но все это — отошедшее или отходящее прошлое бериллия. Будущее его представляется совсем другим.

Впервые о существовании бериллия догадался французский химик Воклэн, много лет занимавшийся изучением свойств драгоценных камней. В 1798 году он сообщил о своем открытии Французской Академии наук. Он предложил назвать новый металл глюцинием — от греческого слова «сладость», так как соли бериллия показались ему сладкими на вкус.

Бериллий. Век XIX и век XXI.

Металлический бериллий был впервые получен в 1828 году. Крохотная щепотка темно-серого порошка, загрязненного примесями, не позволила узнать как следует свойства нового металла. Только через 70 лет, на самой грани двадцатого века, получили электролизом сравнительно чистый бериллий. И началось изучение его физических свойств.

Они оказались блистательными. Только титан, вероятно, может соперничать с бериллием счастливым сочетанием крайне полезных для человека свойств.

Бериллий — твердый, серебристо-серый металл. Его удельный вес почти равен удельному весу магния—1,82 г на куб. см. Температура плавления— 1284 градуса — значительно выше, чем у магния и алюминия. И это большое преимущество, ибо авиация будущего — прежде всего авиация высоких скоростей, а значит, и высоких температур.

Да, именно так. Встречный воздух, который, когда вы быстро идете, нежной прохладой овевает ваше лицо, уже упрямо и упруго упирается в плечи и грудь велосипедиста, едущего с большой скоростью. Он, словно резиновая подушка, давит на стекло автомобиля, летящего по шоссе. Значительная часть мощности мотора уходит на это сопротивление. И он становится почти твердым, когда вы высунете руку из кабины самолета, летящего со скоростью всего 200–250 км в час.

Не пытайтесь высунуть руку из кабины сверхзвукового самолета — вы просто потеряете ее. Американский летчик, которому пришлось выпрыгнуть без защиты из терпящего аварию сверхзвукового самолета, был изломан потоком воздуха, словно прошел сквозь мясорубку. Воздух сорвал с его головы кожу, изломал конечности, грудь. Летчику много месяцев пришлось провести после этого прыжка в лечебнице. И ему еще очень повезло, ибо в аналогичных случаях летчики просто погибали.

Ударяющий с такой скоростью в корпус самолета ветер нагревает его поверхность. Уже сейчас на сверхскоростных самолетах приходится предусматривать специальное охлаждение кабины пилота. А еще больше этот нагрев у космических ракет. Печально знаменитые «Фау-2», которые фашисты применили в конце второй мировой войны для обстрела Лондона, светились в момент падения вишнево-красным цветом — так нагрело их сопротивление атмосферы. Вот поэтому-то и важна высокая сопротивляемость нагреву, высокая температура плавления у крылатых металлов будущего.

А бериллий обладает к тому же и высокой теплостойкостью. Деталь из дюралюминия при нагреве до 400 градусов становится в 5 раз менее прочной, чем до нагрева. А бериллиевая деталь снизит свою прочность лишь наполовину.

Не уступает бериллий другим металлам и по удельной прочности. Если у нержавеющей стали удельная прочность равна 10, у сверхпрочной стали — 20, то у бериллия она превосходит 26. Каркас высотного дома, сделанный из такого же по весу количества бериллия, что и стальной каркас, будет значительно прочнее последнего. Самолет, сделанный из бериллия, только за счет разницы в весе будет иметь на 40 процентов большую дальность полета, чем такой же самолет из алюминия.

Вот почему о блистательном бериллии заговорили, как о крылатом металле будущего.

Однако не только авиаконструкторы обратили на новый металл свое благосклонное внимание. Еще раньше нашли ему применение рентгенотехники. Оказалось, что твердый, неподатливый бериллий почти абсолютно прозрачен для рентгеновских лучей. И поэтому «окна» рентгеновских трубок во всем мире ныне делают из бериллия.

Очень скоро заинтересовались бериллием и металлурги. Крохотные добавки этого металла, как им удалось установить, резко изменяют свойства многих металлов и сплавов.

Мы говорили уже об усталости металлов — неприятном свойстве их ломаться, испытав определенное количество даже не очень значительных напряжений.

Было время, рессоры для автомобилей делали из обыкновенной углеродистой стали; 800–850 тысяч толчков выдерживали они и ломались от усталости. В сталь ввели небольшое количество бериллия, и словно новой силой налился металл: 14 миллионов толчков выдержали рессоры при испытаниях, и даже следов усталости не было у них. Неутомимость придал стали бериллий.

Бериллий не соединяется с магнием, но стоит ввести его в состав магниевого сплава — хотя бы не более 0,01 процента — и резко повышается его стойкость против коррозии в воздухе и в воде. И даже при нагревании до 700 градусов такой сплав, содержащий добавку бериллия, не загорается. Противопожарные свойства придал магнию бериллий.

Бериллий является лучшим раскислителем стали. Ни алюминий, ни магний не обеспечивают такой полноты раскисления, как бериллий.

Но самым важным сегодня сплавом, в котором содержится бериллий, являются так называемые бериллиевые бронзы.

Нет, бериллий не является основой этих сплавов, хотя он и дал им свое имя. Его содержание в них ограничивается 2–2,5 процента. Но влияние этой добавки оказывается поистине чудодейственным.

Самые ответственные детали механизмов — пружины, электрические пружинящие контакты, шестерни и подшипники, — работающие при больших скоростях, высоких давлениях и температурах, изготовляются из бериллиевых бронз. Да это и понятно: прочность их после соответствующей термической обработки не уступает прочности лучшей стали. Они отличаются высокой упругостью, хорошей электропроводностью и теплопроводностью. К тому же они хорошо сопротивляются истиранию. Но не только поэтому, а также и потому, что они при ударе о камень никогда не рождают искры, из бериллиевых бронз делают кирки, молотки, пилы, применяемые на взрывоопасных работах — в шахтах, на пороховых заводах и т. д.

Бериллиевые бронзы умеют стареть почти так же, как некоторые сплавы алюминия. Чтобы вызвать процесс старения, изделия из бериллиевой бронзы нагревают до 780–800 градусов, охлаждают в воде, а затем в течение нескольких часов подвергают отпуску при температуре 250–350 градусов. После закалки сплав становится очень пластичным, податливым, как глина. Но после отпуска пластичность исчезает, зато прочность возрастает в несколько раз. Если предел текучести у закаленной бериллиевой бронзы не превышает 16 кг на кв. мм, то после отпуска он поднимается до 128 кг на кв. мм.

И еще одно важнейшее применение бериллию нашли металлурги. Они насыщают этим металлом поверхностные слои стальных изделий в тех случаях, когда им надо придать особую твердость и стойкость против окисления при температурах до 800 градусов. Этот процесс называется бериллизацией. Он состоит в нагреве погруженного в порошок бериллия или его богатого соединения стального изделия до температуры около 1000 градусов.

Вот сколько важнейших применений нашел бериллий в металлургии!

А на него уже предъявляют свои права и ученые, работающие в области атомной энергетики.

Оказывается, и еще одним важнейшим свойством обладает этот металл: он замедляет пролетающие сквозь него нейтроны, но не поглощает их, поэтому он незаменимый материал атомной энергетики.

Немало желающих в самых разных областях техники и промышленности нашлось на бериллий. Но бериллий оказался редким металлом. Даже в берилле — полудрагоценном камне, лучшей руде бериллия— содержится всего около 5 процентов этого металла. Содержание же его в составе земной коры измеряется десятитысячными долями процента.

Так что же, поманив своими достоинствами, бериллий так и останется недоступной виноградной кистью из басни о лисе и винограде? Вряд ли. Бериллия на Земле все же, например, вдвое больше, чем свинца или кобальта.

И, действительно, едва разобрались в свойствах бериллия, как начала стремительно расти его добыча. Уже в 1932 году немецкая фирма Сименса выплавила 2 тонны этого драгоценного металла. В 1937 году в США было произведено около 7 тонн сплавов бериллия. А в 1959 году только в капиталистических странах было добыто 180 тонн бериллия.

Правда, у бериллия есть и отрицательные качества. Он очень твердый— при обыкновенной температуре царапает стекло (попробуйте обрабатывать такой металл резанием!). Он очень хрупок — ударьте молотком, и он рассыпется на куски; поэтому чистый бериллий не поддается ни прокатке, ни ковке, ни волочению. Только повысив температуру до темно-красного каления, можно, да и то в очень ограниченных пределах, ковать бериллий. И еще в сверхчистом виде имеет он некоторую пластичность.

Нелегко, конечно, иметь дело с таким упрямцем, не поддающимся никакому воздействию. Для того чтобы получить бериллиевую жесть, например, приходится прокатывать заготовки в герметических стальных контейнерах при температуре в 300 градусов.

Но и не таких упрямцев обламывали металлурги! Одним из средств усмирения их непокорных характеров является так называемая порошковая металлургия.

 

Порошковая металлургия

Это огромная уже сегодня и стремительно развивающаяся область металлургии.

Правда, в настоящее время всего лишь около 0,1 процента — тысячная часть от мирового производства металла — проходит стадию порошковой металлургии, но это еще не характеризует ее места в промышленности. Ведь каждый килограмм изделий методами порошковой металлургии эквивалентен нескольким килограммам металлических изделий, изготовленных резанием: в порошковой металлургии почти нет отходов, а при резании огромное количество металла идет в стружку. С другой стороны, один килограмм металлокерамических твердых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии, заменяет десятки килограммов высоколегированной инструментальной стали.

Порошковая металлургия применяется в тех случаях, когда никакими другими способами нельзя приготовить из соответствующих материалов изделие с требующимися высокими свойствами.

Как, например, изготовить из сверхтвердого вольфрама, да к тому же еще имеющего температуру плавления в 3400 градусов, тончайший волосок электрической лампочки? Ни обработки резанием, ни волочения, ни прокатки здесь не применишь.

Как приготовить сплав двух металлов, имеющих резко различные температуры плавления — например меди (она плавится при 1083 градусах) и того же вольфрама?

Как изготовить материал, содержащий наряду с металлическими и неметаллические включения, например частицы корунда или алмазной пыли?

Как изготовить металлический вкладыш подшипника таким, чтобы всю его толщу пронизывали поры и чтобы общее количество их было (в процентном отношении) строго соответствующим заданному?

Из каких сплавов будут созданы они, межзвездные корабли послезавтрашнего дня?!

Все эти технологические задачи позволяет решить порошковая металлургия. Но это еще не все. Порошковая металлургия может конкурировать по экономичности и с другими видами обработки металлов. Так, для изготовления обычным методом железной шестерни требуется затратить 30 часов труда квалифицированного рабочего. На изготовление такой шестерни методом порошковой металлургии требуется 10 часов труда малоквалифицированного труженика.

Методом порошковой металлургии можно получать изделия, столь точно выполненные, что они не потребуют никакой дополнительной обработки. Потери металла при порошковой металлургии крайне невелики, а чистота получаемых материалов может быть очень высокой.

Не надо, однако, считать, что порошковая металлургия способна заменить собой все другие виды обработки металлов. И у нее есть целый ряд существенных недостатков. Изготовленные этим методом изделия вследствие большой пористости обладают повышенной способностью к окислению, тем более что оно может происходить по всей толще металла. Они обладают низкими пластическими свойствами. Дорого стоят и пресс-формы, в которых прессуются из металлического порошка изделия, поэтому порошковая металлургия рентабельна только в массовом производстве. Ограничены пока размеры и форма получаемых изделий.

Но самым главным недостатком порошковой металлургии является высокая стоимость порошков металлов — исходного сырья для изготовления изделий этим методом.

Много способов предложили, испробовали и применяют инженеры для получения металлических порошков требующейся тонины разлома.

Самый простой и распространенный — это размол в шаровых мельницах. Удары чугунных шаров дробят хрупкий металл, дуновение льющегося сквозь барабан мельницы воздуха уносит с собой наиболее мелкие частицы, сепаратор отделяет только те из них, которые достигли требующихся размеров, и возвращает более крупные на домол в мельницу. Во всяком случае в настоящее время инженеры знают целый ряд способов получения порошков из разнообразнейших материалов, разнообразнейшей тонины помола, с разнообразной формой частиц. Ибо и форма частиц играет роль в порошковой металлургии.

Но это отнюдь не значит, что найдены все самые лучшие и выгодные способы. Наоборот, по всей вероятности, самые лучшие и экономичные ждут своих открывателей.

Но вот требующиеся порошки получены. Их смешивают. Это тоже сложный процесс: ведь от равномерности смеси в значительной степени зависит качество будущего изделия. Затем смесь закладывают в форму и прессуют.

Возьмите в руки кусок металла. Это сплошное тело, в котором любая частица плотно соприкасается со всеми окружающими частицами. Существуют в технике вещества и другого состояния — так называемые коллоиды. Они представляют собой крохотные частицы величиной в сотые и тысячные доли микрона, взвешенные в какой-либо жидкости. Частицы коллоида совсем не касаются друг друга. Порошки металлов представляют собой нечто среднее между этими двумя крайними состояниями вещества, расквалифицированного по сцепляемости, соприкасаемости частиц, ибо из общей их поверхности лишь незначительная часть находится в состоянии соприкосновения друг с другом.

Но эти участки контакта являются важнейшими в физической картине порошковой металлургии. Именно через эти участки проходит основной поток тепловой и электрической энергии, они испытывают максимальные напряжения при прессовании, в них проходит процесс спекания частиц в один сплошной монолит.

В процессе прессования частицы сближаются друг с другом, поверхность соприкосновения частиц растет, они переплетаются друг с другом своими выступами и неровностями. Но, конечно, из-под холодного пресса выходит еще не готовое изделие. Прессование обеспечило только получение формы будущего изделия для его дальнейшей обработки. А она заключается в спекании.

Спекание производится при более низкой температуре, чем температура плавления главного компонента порошковой смеси, однако оно вызывает целый ряд существенных изменений физического состояния прессованного изделия. В смеси происходят сложные процессы диффузии атомов, сцепления частиц друг с другом, взаимного растворения веществ. В результате после охлаждения получается готовое изделие, обладающее заданными свойствами.

Конечно, это только общая технологическая линия производства изделий методом порошковой металлургии. В каждом конкретном случае, для каждой группы материалов существуют свои варианты этой технологии. Нередко прессование осуществляют одновременно с нагревом. Случается, что спекание приходится осуществлять в атмосфере инертных газов. Бывает, что прессование осуществляется всесторонним давлением сжатой жидкости, а не односторонним нажимом пуансона пресса. Можно встретить установки, в которых осуществляется и не прессование, а прокатка порошков. И так далее и так далее.

Мы, конечно, не исчерпали всех применений порошковой металлургии!

Порошковая металлургия тесно связана с электротехникой. Нити накала электрических ламп, радиоламп, рентгеновских трубок должны работать при температуре 2–3 тысячи градусов и иметь достаточную механическую прочность. Из вольфрама, молибдена и тантала методом порошковой металлургии и готовят эти детали.

Металлокерамические резцы, появившиеся в последние годы, произвели подлинную революцию в обработке металлов резанием. Еще бы, они позволили увеличить скорость резания в десятки раз! Проникнув в горное дело, они и там позволили значительно ускорить проходку скважин. А ведь в их состав входят карбиды — соединения с углеродом самых тугоплавких металлов. Так, карбид титана, обычный компонент таких резцов, плавится при температуре лишь в 3140 градусов, карбиды циркония и ниобия — при 3500 градусах, карбид тантала — при 3380 градусах. Конечно, только порошковая металлургия позволяет получить узкие, наплавляемые на державки резцов пластинки, в состав которых входят эти карбиды.

Твердые сплавы, изготовленные из порошков карбидов, позволили повысить скорость не только обработки металлов резанием. Из них делают штампы для прессов и фильеры для волочения стальной проволоки, сверла и резьбовые калибры и т. д.

И во всех этих случаях твердые сплавы с честью выдерживают испытание. Металлокерамический штамп для производства безопасных бритв выдерживает до 2 млрд. штамповок, когда обычный стальной штамп приходится менять после 15 млн. штамповок. Срок службы твердосплавных валков в 100 раз дольше, чем простых стальных. Стальная фильера до износа позволяет проволочить сквозь себя 80 кг железной проволоки, твердосплавная — до 50 тонн, в 600 раз больше!

Вот что такое твердые сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии. Материалом высоких скоростей можно было бы назвать их, ибо их применение очень часто связано с большими скоростями. А рост скоростей — одна из отличительнейших характерных черт сегодняшней техники.

Взять хотя бы двигатель современной скоростной авиации — реактивный двигатель. Его приход сразу позволил чуть ли не вдвое увеличить скорость полета самолета. Он позволил поднять и потолок самолета в те области атмосферы, где задыхался поршневой двигатель. А знаете ли вы, что реактивный двигатель не может развить и сейчас еще полной возможной мощности? Что в камеры сгорания его впускается больше, чем нужно, воздуха, а то и вбрызгивается вода, чтобы понизить температуру газов горения, хотя чем выше она, тем экономичнее работа двигателя? И делается это потому, что нет материалов, которые смогли бы продолжительное время работать в яростном потоке этих газов, имеющих температуру выше полутора-двух тысяч градусов.

Да, современные литые металлические сплавы, включающие в себя добавки хрома, никеля, кобальта (мы говорили о них), не могут работать при температуре выше 850–900 градусов. При более высоких температурах следует применять тугоплавкие металлы, карбиды и нитриды их. И, конечно же, именно порошковая металлургия позволяет изготовить из них нужные детали аппаратуры.

Одним из наиболее перспективных таких материалов является карбид титана. Он хорошо противостоит тепловому удару — быстрому нагреву при пуске двигателя и быстрому охлаждению при его остановке. С добавкой 20 процентов кобальта при температуре около 900 градусов он почти вдвое превосходит по прочности лучшие жаропрочные металлические сплавы.

А сопло реактивного двигателя… Расширяющаяся труба, в которой раскаленные газы, все ускоряя свое движение, создают реактивную силу. Какие только усилия не прилагают конструкторы, чтобы понизить ее температуру! Ее охлаждают поступающим в камеру сгорания топливом, делают пористой и прокачивают сквозь эти поры часть топлива. Испаряясь на внутренней поверхности трубы, топливо охлаждает ее и создает у поверхности прослойку холодного газа.

Надо ли добавлять, что и такие пористые, способные «потеть» в жару трубы тоже можно изготовить только методом порошковой металлургии?

Этим же методом изготавливают удивительные пористые самосмазывающиеся подшипники. Поры в них заполняют маслом. Едва подшипник нагревается, масло, расширяясь, начинает выходить из пор и создавать смазывающую прослойку. При остывании масло впитывается назад, как вода в губку.

Методом порошковой металлургии готовят тончайшие фильтры и фрикционные накладки муфт сцепления, шестерни и кулачки, шайбы и сердечники электромагнитов, щетки динамомашин и электрические контакты точных приборов и так далее и так далее, ибо уже сегодня нельзя перечислить все, что делается этим методом, а завтра этот список удвоится и утроится…

Вот методами порошковой металлургии и можно изготовлять из блистательного бериллия, как и из многих других металлов, детали машин, аппаратов, приборов.

Как известно, пирамиды, в которых древние египтяне хоронили своих фараонов, были разграблены еще в древности. Были разграблены и скальные погребения египетских царей. И только случайно дошло до нашего времени потерянное еще в древности захоронение фараона Тутанхамона, жившего в XIV в. до н. э.

Много интересного нашли в его гробнице историки, когда в 1922 году впервые спустились по извилистым ходам, пробитым в скале, в посмертное жилище фараона. Видимо, Тутанхамон отличался особенной любовью к произведениям искусства — гробница была прямо нафарширована ими. И среди них были обнаружены кинжалы, украшенные порошковым золотом.

Вот, оказывается, где истоки порошковой металлургии!

Впрочем, не одни египтяне, а и древние обитатели Америки — инки умели получать изделия спеканием порошков драгоценных металлов. Но на многие столетия было забыто древнее искусство. Развитие металлургии пошло по другому пути.

Только в начале XIX века, когда впервые встал вопрос о методе изготовления предметов из тугоплавких металлов, вновь ненадолго воскресло забытое мастерство. Воскресил его выдающийся русский металлург Петр Григорьевич Соболевский.

Он применил метод порошковой металлургии для изготовления монет и медалей из платины. Расплавить ее было в те годы практически невозможно: ведь для этого нужна температура в 1773 градуса. Соболевский закладывал в форму очищенную губчатую платину, полученную химической обработкой природных минералов, подвергал ее прессованию, затем нагреванию и еще раз прессованию. Получились плотные металлические изделия. Это было в 1826 году.

Несколько десятков лет пользовались и у нас в стране и за рубежом методом русского металлурга. Затем платину научились плавить. И снова на много десятилетий умерла порошковая металлургия.

Она возродилась на рубеже XX века и теперь уже не сдаст завоеванных позиций. Даже наоборот: она будет захватывать все новые области применения.

 

А нет ли других путей?

Это нелегко — получить металлический бериллий. Так же как в производстве алюминия, первым этапом здесь является получение чистой окиси бериллия.

Конечно, не редкие лучезарные драгоценные камни используют в качестве бериллиевой руды, а технический берилл, бесцветные или серовато-грязного цвета кристаллы которого встречаются во многих местах земного шара.

Процесс получения чистой окиси бериллия включает в себя плавку берилла с известью в электрических печах, гранулирование, сульфатизацию, выщелачивание сульфата алюминия, выпаривание, осаживание квасцов, центрофугирование, кристаллизацию, сушку… Длинная-длинная цепочка операций, в результате которых удается получить довольно чистую окись бериллия. Но и это еще не конец: окись бериллия в специальной печи переводят в хлорид бериллия. Это соединение выделяется из печи в виде газа, который затем конденсируется, и только тогда начинается электролиз бериллия.

Так как этот процесс осуществляется при температуре всего в 350 градусов, бериллий выделяется в твердом виде, чешуйками. Их снимают, промывают, высушивают и спрессовывают в брикеты. Эти брикеты сплавляют в компактный металл в атмосфере водорода при температуре в 1400 градусов. Окончательную переплавку и разливку бериллия осуществляют в вакуумной электропечи. Из получаемого металла отливают цилиндрические прутки. Они содержат не более 0,2 процента примесей, главным образом окиси бериллия.

Для изготовления «окон» рентгеновских трубок от такого стерженька бериллия отрезают карборундовым кругом ломтик-диск толщиной в 2,5–3 мм. Его остается только отполировать.

Есть и другой способ получения бериллия — термический. Но он не проще и не легче описанного, хотя и чаще применяется.

Тонкое, почти ювелирное производство. Сколько труда приходится затрачивать, чтобы получить крылатые металлы — алюминий, магний, бериллий! А нет ли других, более прямых путей получения этих металлов, вроде тех, которыми получают железо? Чтобы сразу в огне домны ушли в шлак все вредные примеси и остался один металл.

Такие пути давно ищут металлурги во всех странах мира, где существует производство крылатых металлов, и кое-какие успехи уже достигнуты.

Уже получили путевку в жизнь термические способы изготовления магния из его окиси. Восстановление металла осуществляется в электропечах углеродом нефтяного кокса. Металлический магний в виде газа удаляется из печи, работающей при температуре в 1950–2050 градусов, охлаждается и собирается в виде пыли, улавливаемой мешочными фильтрами. Осуществляется и получение магния вытеснением его из окиси металлическим алюминием.

Сложнее обстоит дело с алюминием и бериллием. Дело в том, что оба эти металла энергично и прочно соединяются с углеродом, образуя карбиды. Поэтому для получения этих металлов восстановлением углеродом нужно участие второго металла, который растворял бы образующийся металл, предохраняя его от соприкосновения с углеродом.

Таким способом получают меднобериллиевые и никелебериллиевые сплавы. Очевидно, что в этих случаях растворяющими бериллий металлами были медь и никель.

Таким же способом в электропечах получают сплав алюминия с кремнием — так называемый силикоалюминий. Путем дальнейшей переработки из силикоалюминия можно получать и чистый алюминий.

Превратят ли будущие металлурги эти почти не хоженые сегодня пути получения крылатых металлов в столбовую дорогу? Вряд ли. По всей вероятности, будут совершенствоваться уже проложенные пути, связанные с электролизом расплавленных соединений. Но, может быть…

Да, история науки знает немало случаев, когда внезапно резко изменялся весь путь развития целой отрасли производства. Может быть, еще не открыт самый простой и экономичный способ получения этих металлов. Получил же алюминий из глины, понятия не имея об электрическом токе, древнеримский металлург? И даже если это просто сказка, пусть она воодушевляет на новые поиски…

 

Самый легкий

Литий является самым легким из металлов. Его удельный вес равен 0,534. Он вдвое легче воды, в 15 раз легче железа. Вот бы из него строить самолеты и космические ракеты!

Однако все остальные свойства лития как будто специально подобраны такими, чтобы это как можно дольше оставалось манящей мечтой для инженеров-конструкторов. Ибо…

По своим механическим свойствам легкий литий напоминает тяжелый свинец. Он такой же мягкий и непрочный. Попробуйте представить себе в сверхзвуковом полете крыло самолета, сделанное из такого податливого и непрочного металла.

Литий плавится при температуре в 186 градусов. При температуре в 1336 градусов он кипит. Однако на открытом воздухе уже при температуре около 600 градусов он загорается.

Да, незавидная перспектива — оказаться в кабине ионосферной космической ракеты, сделанной из лития! Случайно брошенная спичка уже может проплавить в нем дыру. Опасно будет уронить горящий пепел папиросы, не говоря уже о неизбежном сильном аэродинамическом нагреве от трения об атмосферу.

Литий соединяется при комнатной температуре и с азотом и с кислородом воздуха. Если оставить кусок лития в стеклянной банке с притертой пробкой, вы рискуете потом не открыть этой пробки совсем: литий поглотит весь воздух в банке, там образуется вакуум, и атмосферное давление накрепко вдавит пробку.

Не сможет долго ожидать пассажиров летательный аппарат, изготовленный из лития. Пока идет посадка, он весь превратится в соединения лития с азотом и кислородом, рассыпется коричневатым порошком.

«…и он приказал ему, и грозный дух сжался, сморщился и послушно залез в узкое горлышко сосуда».

Трудно окажется пилотам и космической ракеты, сделанной из лития. В атмосферах многих планет имеется большое количество водорода. Он — основной компонент и межпланетного газа. А литий еще более активно, чем с кислородом и азотом, соединяется с водородом. Огромные его количества по объему можно связать ничтожным количеством лития. Один килограмм гидрата лития (так называется его соединение с водородом) уместится в коробке для макарон. А ведь в нем содержится полторы тысячи литров водорода! Перевозить водород в виде соединения с литием в целом ряде случаев оказывается удобнее, чем в тяжелых стальных баллонах. Это одно из важнейших сегодня применений лития. Да и все другие применения лития сегодня — это применения его соединений и сплавов.

Гидрат лития является отличным раскислителем расплавленных металлов.

Едкий литий — соединение с кислородом и водородом — добавляют в электролит аккумуляторов. Это удлиняет срок их работы.

Смазки, в которые вводят некоторые соединения лития, меньше загустевают на морозе и разжижаются при повышении температуры. Они применяются в авиации.

Соли лития входят в состав специальных стекол, пропускающих ультрафиолетовые лучи. В стекле кинескопа вашего телевизора также содержится литий. Но главные применения лития все-таки впереди.

Что из того, что у чистого лития недостаточная прочность, высокая химическая активность, низкая температура плавления? И алюминий не рождается в электролитической ванне прочным, как сталь, и благородным, как платина. И прочность и устойчивость против химических воздействий придает ему человек, приспосабливая для своих целей. Сумеет он приспособить и литий.

Техника уже знает целый ряд сплавов лития, обладающих некоторыми совсем не плохими свойствами. Так, сплав с алюминием, содержащий 20 процентов лития, плавится только при температуре в 720 градусов. Совсем не плохо! Сплав с цинком, содержащий 18 процентов лития, плавится при 520 градусах. И так далее и так далее.

Вполне возможно, что будут найдены способы упрочить литий, сделать его более коррозионно устойчивым, сохранив драгоценную легкость, — в общем, превратить литий в крылатый металл, который с восторгом за его отличные качества примут конструкторы, который унесет человека и за пределы родной планеты.

 

Топливо межпланетных кораблей

Взгляните на чертеж космической ракеты: вся она по существу состоит из одних баков с топливом — горючим и окислителем. Все остальное— пассажирские ли помещения космических лайнеров близкого будущего, помещения ли для автоматической аппаратуры сегодняшних лунных разведчиков, ракетные ли двигатели — занимает небольшое сравнительно место.

Много энергии надо затратить, чтобы разорвать оковы земного тяготения, чтобы прыгнуть с поверхности Земли в космический океан. Требующаяся энергия и содержится в топливе ракеты. Но так как химическое топливо недостаточно энергоемко — может выделить сравнительно мало энергии на единицу веса, — его и приходится загружать в ракету в столь огромных количествах.

Всю жизнь искал Константин Эдуардович Циолковский, человек, указавший людям ту дорогу в небо, по которой сейчас и развивается штурм Вселенной, наиболее энергоемкие топлива. Он остановился на смеси кислорода и водорода. Каждый килограмм этой смеси при полном сгорании выделяет свыше 3 тысяч больших калорий тепла.

Это кажется страшно много. Ведь смесь керосина с кислородом при сгорании выделяет всего 2200 калорий, а килограмм нитроглицерина, одного из сильнейших известных сегодня взрывчатых веществ, при взрыве выделяет всего 1480 калорий тепла.

Но и работающая на водороде и кислороде ракета получается громоздкой, тяжелой, неудобной. Ее приходится делать многоступенчатой. Нет, нужны лучшие топлива!

Конечно, в первую очередь приходит в голову идея использовать атомное горючее. И, конечно, работы в этом направлении ведутся во многих странах. Но создание атомных ракет наталкивается на целый ряд технических трудностей. И нельзя еще сказать, когда они будут преодолены.

А ведь еще в двадцатых годах этого века советский инженер Фридрих Артурович Цандер предложил использовать в качестве горючего для космических ракет некоторые металлы.

Какие же? Да, конечно, те, которые дают при сгорании максимальное количество тепла. А к ним относятся как раз наши крылатые металлы.

Самое большое количество тепла выделяет при сгорании бериллий: 1 кг этого металла выделяет при соединении с кислородом 15 050 калорий!

На втором месте оказывается литий. Он при аналогичных условиях выделяет 10 270 калорий.

На третьем среди металлов — алюминий. Теплота образования его окисла — 7041 калория.

…Может быть, не только крылья самолетов и корпусы космических ракет будущего будут делать из сплавов бериллия и лития. Может быть, и в соплах их ракетных двигателей будет рокотать пламя сгорающих бериллия и лития…

Не этим ли металлам суждено быть первыми помощниками человека в завоевании Вселенной?

 

Поиски возможных соперников

Рассказывают, на спортивном празднике в Ташкенте лет пятнадцать-двадцать назад был такой случай.

Шли соревнования по метанию диска. Чемпионы республики, мастера спорта, напрягая все силы, помноженные на высочайшую технику, старались забросить диск как можно дальше. Каждый десяток сантиметров был большим достижением, а лишние полметра стадион приветствовал грохотом восторженных рукоплесканий.

И тогда с трибун сошел широкоплечий парень, одетый в костюм чабана. Ничто не выявляло в нем спортсмена. Он сбросил халат и остался в яркой шелковой рубахе.

— Дайте я попробую, — попросил он диск у судейского столика.

Вероятно, смеха ради, диск ему дали. Он взял его очень неумело — явно первый раз в жизни. Потом приспособился, взмахнул рукой, и спортивный снаряд со свистом взлетел в прозрачную голубизну неба. Затаив дыхание, следил за его полетом стадион. Словно одной грудью ахнул он, когда диск упал дальше самых дальних отметок соревнования.

Говорят, из паренька получился мастер спорта, который многократно защищал потом честь страны на международных соревнованиях.

А тогда это был неожиданный соперник, которого не могли принять во внимание самые изощренные знатоки спорта.

Ну, а мы, рассматривая претендентов на звание крылатого металла, не проглядели возможного победителя в этом соревновании? Какие еще металлы могут претендовать на это место?

Они все сосредоточены в левой части периодической системы элементов.

К литию снизу примыкает клетка, в которой прописан щелочной металл натрий. Он был впервые получен электролизом английским химиком Г. Дэви в 1807 году.

Натрия очень много в земной коре — около 2,64 процента по весу. Огромные количества его растворены в морской воде. Обыкновенная поваренная соль — это соединение натрия и хлора. Значит, это не редкий металл и в случае нужды можно организовать его добычу в любых практически мыслимых масштабах.

Натрий — очень мягкий и легкоплавкий металл. Его можно резать ножом, как сыр, а на крышке кипящего чайника он уже плавится — для этого надо температуру в 98 градусов. При 883 градусах он кипит — над ним вздымаются пурпурно-красные облака пара.

Это уже очень неподходящие свойства для крылатого металла. Ведь он должен уметь выдерживать и значительные напряжения, причем не только статические, а внезапные удары и жестокую вибрацию. И, конечно, он должен быть более стойким к температурным воздействиям. Нельзя, чтобы металл самолета плавился от случайно упавшего на него окурка!

Удельный вес натрия очень невысок — всего 0,97 г на куб. см. Натрий плавает в воде. Это очень важное для крылатого металла свойство.

Может быть, возьмут хоть пассажиром?

Натрий чрезвычайно химически активный элемент. На воздухе он стремительно окисляется, поэтому его хранят только под слоем керосина. Он энергично взаимодействует и с водой. Непосредственно соединяется с серой, йодом, хлором…

Нет, трудно ожидать от этого металла, который только и думает, кажется, о том, как бы ему соединиться с каким-нибудь другим элементом, что из него будут строить крылья будущих ионолетов.

Хотя все бывает! Может быть, завтра найдут легирующую добавку, которая придаст натрию и жаропрочность и химическую стойкость. Может быть, новый вид термообработки позволит улучшить его конструкционные свойства. А пока он работает в меру своих возможностей.

Натрия добывают на земном шаре в год около 50 тысяч тонн. Этот металл идет в металлургию — как энергичный восстановитель для производства таких, например, металлов, как цирконий. Использует его и химическая промышленность. В частности, он участвует в производстве синтетического каучука. Значительное количество натрия перерабатывается и на его соединения — цианистый натрий, перекись натрия и т. д.

Следующий возможный претендент в крылатые металлы — калий.

Этого металла также очень много в природе. Земная кора содержит по весу 2,6 процента калия. Он входит в состав многих горных пород, растворен в морской воде, содержится в живых организмах. Гигантские водоросли макроцистис содержат калий в огромных количествах — до 3 процентов.

«Основой жизни растений» назван калий академиком А. Е. Ферсманом.

Отсюда одно из важнейших применений калия — для производства удобрений. Калий — металл плодородия. Наша страна обладает грандиознейшими залежами калийных солей. Их открыл в начале нашего века Н. С. Курнаков. И ныне 90 процентов всех добываемых солей калия используется в качестве удобрения.

Но металл плодородия вряд ли обретет крылья.

Его свойства впервые описал получивший этот металл в чистом виде в 1807 году Г. Дэви. Калий очень мягок — еще мягче натрия. Его удельный вес крайне привлекателен — 0,86 г на куб. см, он легче натрия. Но и плавится он при еще более низкой температуре — 62 градусах и кипит всего при 760 градусах. Калий кажется по всем свойствам двойником натрия. Не зря до середины XVIII века путали их соединения. Но вот пары калия резко отличаются от паров натрия: они не пурпурнокрасные, а синевато-зеленые.

Химическая активность калия еще выше, чем у натрия. Он окисляется прямо во влажном воздухе, жадно поглощая из него влагу. Бурно реагирует с водой, выделяя водород. Киньте крупинку калия в тарелку с водой — и она начинает бегать, шипя, по ее поверхности. Миг, и над ней загорится яркий огонек — это вспыхивает выделяемый из разлагающейся воды водород. Калий соединяется буквально со всеми неметаллами.

Трудно ожидать от этого, еще более, чем натрий, неподходящего металла, что он обретет когда-нибудь крылья.

Мы говорили об основном применении соединений калия — для производства химических удобрений. Используют и его сплав с натрием, жидкий при обычных температурах, в различных термометрах. Вероятно, найдет себе применение радиоактивный изотоп кальция, которому геохимики приписывают очень значительное влияние на общую историю нашей планеты.

Спустимся еще на одну клетку-ступеньку в периодической таблице. В этой клетке, расположенной непосредственно под калием, мы найдем рубидий.

Этот металл открыли в 1861 году немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, открыли новым методом — спектральным анализом. Имя ему было дано за яркие темно-красные линии в спектре, благодаря которым его и обнаружили исследователи.

Рубидия значительно меньше в земной коре, чем натрия и калия, — всего 0,03 процента по весу. Но это еще не причина для того, чтобы отказаться от этого металла. Многих широко распространенных в технике металлов еще меньше содержится в земной коре, чем рубидия.

Впрочем, скажем сразу: и этот металл не может претендовать на право обрести крылья. Он тяжелее и натрия и калия, его удельный вес— 1,5 г на куб. см. Но он мягче и натрия и калия и плавится при еще более низкой температуре — всего в 39 градусов.

Совершенно уникальна химическая активность этого металла. Уже при простом соприкосновении с воздухом он вспыхивает и сгорает до конца. Воду разлагает столь энергично, что, кажется, он взрывается, как порох. Даже при охлаждении до 108 градусов он вытесняет водород из льда. Уже при 300 градусах пары рубидия разрушают стекло, вытесняя кремний… Кажется, нет неметалла, с которым он тут же не вступал бы в энергичную реакцию. Получают рубидий в вакууме, хранят под слоем керосина.

Практических применений этот чрезвычайно энергичный металл почти не имеет.

Что ж, посмотрим еще один металл из этой же первой группы периодической системы. Это цезий, он расположен под рубидием.

Цезий был открыт в 1860 году теми же немецкими учеными, что и рубидий, — Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. Обнаружили они его тоже методом спектрального анализа и имя дали по цвету его характерной в спектре голубой линии. Слово «цезий» и означает «голубой».

Цезий — самый тяжелый из рассмотренных нами щелочных металлов, его удельный вес равен 1,9 г на куб. см. Он и самый легкоплавкий из них и вообще самый легкоплавкий после ртути металл на Земле. Его можно растопить теплом ладони — уже при 28 градусах он становится жидким.

Но не приведи вас положить крупинку цезия на голую ладонь! Ведь в воздухе он мгновенно воспламеняется. Впрочем, воспламеняется он и в атмосфере хлора или при соприкосновении с фтором. С серой и фосфором он соединяется со взрывом. Вряд ли стоит вспоминать, что и с водой он реагирует не менее энергично. При 300 градусах он разрушает и стекло, и кварц, вытесняя кремний.

Люди научились использовать высокую химическую активность цезия. Крохотную крупинку его помещают в вакуумную электрическую лампочку. И уже можно не сомневаться, что вакуум в ней не будет выше необходимого. Весь воздух, который не удастся откачать насосом, будет поглощен крупинкой этого металла. А чтобы придать ему устойчивость, его сплавляют с кальцием и барием.

Цезий находит и другое чрезвычайно важное и своеобразное применение в промышленности.

…26 февраля 1888 года знаменитый русский физик А. Г. Столетов в лаборатории Московского университета произвел такой интереснейший опыт.

К отрицательному полюсу гальванической батареи он присоединил цинковый диск, к положительному — металлическую сетку, поставленную напротив диска. Получилась разомкнутая электрическая цепь. Ток по этой цепи не шел: стрелка включенного в цепь гальванометра неподвижно стояла на нуле.

Но вот Столетов направил на цинковую пластинку сильный луч света, и тотчас же сдвинулась с нуля стрелка гальванометра — по цепи пошел ток. Ученый усилил свет — стрелка отошла еще дальше, ток в цепи сразу же возрос. Он выключил свет, и стрелка гальванометра бессильно упала на нуль — ток в цепи пропал. Казалось, это луч света замыкал разомкнутое пространство цепи.

Так было открыто новое явление природы — фотоэффект. А созданный Столетовым прибор можно по праву назвать первым в мире фотоэлементом.

В чем сущность фотоэффекта?

Носителем элементарного электрического заряда является электрон. Под действием света из некоторых химических элементов вылетают электроны. Упорядочив движение этих вырванных светом электронов, создав поток электронов, мы получим электрический ток.

Одним из элементов, способных выбрасывать электроны под действием света, является цинк. В фотоэффекте Столетова выбитые светом из цинковой пластинки электроны под действием притяжения положительно заряженной сетки устремились к ней. В цепи возникал электрический ток.

Среди металлов он слывет мастером электронного гольфа.

Но далеко не все металлы обладают свойством выбрасывать под действием света электроны. И, скажем прямо, цинк обладает в этом смысле отнюдь не лучшими показателями. Особую атомную структуру должен иметь металл, чтобы легко расставаться со своими электронами.

Именно такой структурой и обладают щелочные металлы. Они имеют один электрон, находящийся далеко от ядра, на внешней электронной оболочке. Особенно далеко он расположен в атоме цезия. Поэтому цезий, легко расстающийся со своим электроном, и является лучшим металлом для фотоэлементов.

Однако применить для этой цели цезий нелегко: ведь он плавится уже при комнатной температуре. Поэтому цезий наносят на окисел серебра. Делают фотоэлементы и из сплавов сурьмы с цезием.

Фотоэлементы властно вторглись во многие отрасли современной техники. Их внимательные электрические глаза читают запись на звуковой дорожке звукового кинофильма, помогают передавать по проводам фототелеграммы, не пропустив ни одного знака в чертеже, который срочно нужен в другом городе, не изменив ни одного штриха в вашей подписи. Фотоэлементы позволяют передать движущиеся изображения из студии телевидения на сотни тысяч экранов телевизоров. Фотоэлементы работают во всех автоматических устройствах, в которых необходимо следить за изменением цвета или света, за прозрачностью раствора или яркостью свечения расплавленного металла. Они наблюдают за положением изделия и считают детали, сходящие с конвейера.

И почти во всех из этих устройств — а их становится все больше и больше — работают легко отдающие свой внешний электрон атомы цезия. Вот какое важное дело нашел себе этот металл! Он работает на основном направлении технического развития нашего народного хозяйства— в автоматизации производства.

А крылатого металла из него, видимо, не получится. Он не соперник алюминия, магния, бериллия, а их попутчик. Но в космический полет он отправится в автоматических приборах звездолета, а не в его обшивке и двигателе.

 

Продолжение поисков

А может быть, соперники скрываются во второй группе периодической системы? Рядом с магнием — общепризнанным крылатым металлом? Под ним расположены три щелочноземельных металла: кальций, стронций и барий.

Все они в металлическом виде впервые были получены в 1808 году.

Первый непосредственный сосед магния — кальций.

Это металл очень распространенный. Земная кора состоит на 3,6 процента по весу из кальция. Он играет огромную роль и в органическом мире. Лишь редкие организмы, например некоторые простейшие грибки, могут существовать в среде без кальция. Другие же организмы, наоборот, концентрируют кальций. Некоторые водоросли, моллюски содержат до 38 процентов этого металла. Организм человека на 1,4 процента состоит из кальция, сосредоточенного главным образом в костях скелета.

В чистом виде в природе кальций не встречается. А с природными соединениями кальция знакомы все. Это и мрамор, и известняк, и гипс, и раковины морских и речных улиток.

В настоящее время кальций получают электролизом. Это мягкий металл, плавящийся при 851 градусе и кипящий при 1439 градусах.

Удельный вес его—1,55 г на куб. см. Химически он также очень активен: окисляется на воздухе, с водой и кислотами бурно реагирует, выделяя водород. Хранят его под слоем керосина.

Конечно, как конструктивный материал кальций применения найти не может. Однако он входит в состав подшипниковых сплавов, не содержащих олова. Кроме того, он применяется в качестве раскислителя и восстановителя в металлургии.

Не будем здесь говорить о применении соединений кальция — их слишком много. Огромное количество строительных материалов — известь, гипс, мел, известняк, алебастр, мрамор, цемент, стекло и т. д. — все это соединения кальция. Они могли бы быть темой специальной книги. А здесь мы только упомянем о них.

Следующую клетку этого ряда занимает стронций. Это значительно менее распространенный в природе металл, чем кальций. Однако он образует самостоятельные минералы — целестин, стронцинат и другие и может добываться в довольно значительных количествах.

Стронций тяжелее кальция, его удельный вес — около 2,6 г на куб. см. Он обладает значительной пластичностью, хорошо куется. Плавится при 752 градусах, кипит при 1366 градусах.

На воздухе стронций сразу же покрывается желтоватой пленкой окисла. Воду разлагает еще энергичнее, чем кальций.

Стронций окрашивает пламя в яркий карминово-красный цвет. Сигнальные ракеты фейерверков содержат в себе соли этого металла.

Ракеты — одно из немногих применений стронция. Кроме этого, его соединения применяются в медицине и производстве малярных красок. Они входят в состав некоторых консистентных смазок, отличающихся высокой стойкостью.

Барий, занимающий следующую под стронцием клетку, значительно тяжелее своих предшественников. Его удельный вес — 3,5 г на куб см. Надо иметь чрезвычайно хорошие конструктивные качества, чтобы, обладая таким удельным весом, претендовать на право быть крылатым металлом. Скажем сразу: барий такими качествами тоже не обладает.

Барий — мягкий белый металл, блестящая поверхность которого мгновенно покрывается пленкой окисла. Он взаимодействует не только с кислородом и водой, но и с азотом и водородом. Как и все другие металлы-буяны, барий хранят под слоем керосина.

Металлический барий почти не имеет применения. Только в некоторых подшипниковых сплавах на свинцовой основе содержатся небольшие количества бария.

Интересно одно из применений сернокислого бария в медицине. Этим веществом в смеси с манной кашей завтракает человек, которому необходимо пройти рентгеновское исследование органов пищеварения. При просвечивании рентгеновскими лучами сернокислый барий создает тень, позволяя отчетливо рассмотреть очертания желудка и кишечника.

…По всей вероятности, будущие астронавты возьмут с собой в космический рейс и кальций, и стронций, и барий. Вероятно, кальций окажется в составе искусственных почв оранжереи, которая будет снабжать астронавтов растительной пищей. Может быть, стронциевые ракеты будут служить им для сигнализации на чужой планете, или фейерверком они захотят отметить свой прилет туда. Не исключено, что в их походной аптечке окажутся и соединения бария.

Но крылатыми металлами ни одному из них, вероятно, не стать. У них другие судьбы, другие, еще не найденные службы человеку.

Так что же, нет у крылатых металлов — алюминия, магния, бериллия, лития — соперников в периодической таблице?

Есть. Это металл, который расположен в четвертой группе элементов. Его имя — титан. Но о нем — позже.