РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕТАЛЛУРГИИ

Ироко известно высокое качество стальных дамас­ских клинков. Воины считали за честь держать в ру­ках такое оружие. Поэты слагали стихи о крепости и остроте этих клинков. Секрет их изготовления знали немногие мастера; они строго хранили свой секрет, пере­давая его лишь своим сыновьям и внукам.

Методы изготовления дамасских клинков теперь рас­крыты. Начало разгадке их положил великий русский ме­таллург П. П. Аносов.

Один из секретов заключался в том, что дамасская сталь содержала редкий металл вольфрам. Незначи­тельная примесь этого элемента, попадавшая в сталь, придавала клинкам их замечательные свойства.

Разгадан ныне и другой секрет древних мастеров — секрет остроты самурайских мечей: их сталь содержала редкий металл молибден.

Шведское железо, которое добывалось с древних вре­мён в Скандинавии, особо хорошо ковалось по сравнению с обычным железом. Этим свойством скандинавское же­лезо обязано редкому металлу ванадию.

В наши дни вольфрамовые, молибденовые и ванадие­вые стали приобрели огромное значение в технике. Воль­фрам, молибден, ванадий, а также цирконий теперь на­зывают преобразователями металлургии.

Вольфрам — один из замечательных металлов. Это самый прочный и в то же время самый тугоплавкий на нашей планете металл. Прочность тонкой проволоки из чистого вольфрама вдвое выше прочности самой лучшей стали — около 400 кг/мм2. Предел прочности вольфрама при нагревании до 800° снижается только в три раза. Обычная же сталь при 800° имеет предел прочности лишь 5—7 /сг/лш2 — уменьшение более чем в 20 раз. Плавится

Вольфрам при температуре 3387°. Почти все металлы при такой температуре находятся в парообразном состоянии и очень немногие остаются в жидком состоянии. Чтобы расплавить вольфрам, нужно иметь температуру, лишь вдвое меньшую, чем температура поверхности Солнца, Температура кипения вольфрама — около 6000°.

Вольфрам открыт в 1781 г. шведским химиком К. Шееле. Почти сто лет вольфрам не находил промыш­ленного применения. Только после того, как были опреде­лены его свойства, он занял прочное место в металлургии.

Вольфрам — металл серебристо-белого цвета. Атомы вольфрама образуют объёмноцентрированную кристал­лическую решётку. Вольфрам более чем в два раза тя­желее меди. Его удельный вес—19,3. Твёрдость воль­фрама по минералогической шкале — 8,5.

Несмотря на высокую прочность и твёрдость, воль­фрам обладает редкой пластичностью: болванку весом в

200 граммов можно превратить в тончайшую проволоку длиной в 80 километров (рис. 11).

Промышленный способ производства ковкого воль­фрама разработал русский химик Н. Н. Бекетов в 1860— 1870 годах.

В земной коре вольфрама немало — 0,007%. Пред­полагают, что в силу большого удельного веса вольфрам большей частью сосредоточился в центре земли. Однако вольфрамовые руды не рассеяны, они образуют скопления и удобны для промышленной добычи.

В настоящее время 90% всего добываемого вольфрама используется для изготовления сталей. Благодаря воль­фраму созданы все быстрорежущие и почти все сверх­твёрдые стали.

В 1865 году в городе Перми из 3 пудов вольфрамовой руды изготовили вольфрамовую сталь. Резцы для свер­ления пушек из этой стали оказались превосходными. С тех пор сотни металлургов и учёных трудились над со­зданием вольфрамовых сталей для инструментов. В ре­зультате многих исследований, наконец, создали замеча­тельный вольфрамовый быстрорез. Менее чем за полвека вольфрамовые стали и сплавы дали возможность увели­чить скорости резания металлов в 200 раз: от 10 метров

До 2000 метров в минуту и выше (рис. 12). Вольфрам совершил настоящую революцию в машиностроении.

Но вольфрамовый быстрорез — не предел крепости. Теперь изготовляются сверхтвёрдые резцы. Основу их сплава составляет карбид вольфрама. В этом сплаве 85% всего объёма занимают частицы карбида вольфрама. Они впрессовываются в пластичный металл кобальт — свя­зующую основу сверхтвёрдого сплава. Современные ре­кордные скорости резания, достигнутые новаторами на­ших заводов, получены резцами, изготовленными из твёр­дых сплавов на основе карбида вольфрама.

Свойства стали, содержащей вольфрам, ещё в прош­лом столетии изучил профессор Петербургского горного института В. И. Липин.

По физическим свойствам очень похож на вольфрам молибден. Он имеет такую же кристаллическую ре­шётку, как и вольфрам. По своей прочности молибден

Тоже превосходит сталь: предел прочности молибденовой проволоки достигает 250 кг/мм2. Прочность молибдена при температуре 800° — около 60 кг/мм2, а твёрдость по минералогической шкале достигает 6.

Молибден имеет светлосерый цвет с золотистым отли­вом. Удельный вес его 10,3, температура кипения 4800°.

Молибден и вольфрам похожи и но химическим свой­ствам. Они одинаково активно соединяются с углеродом в стали и образуют твёрдые и устойчивые при нагрева­нии карбиды. Эти металлы и придают прочность и твёр­дость сталям. Интересна их взаимозаменяемость в стали: один процент молибдена заменяется тремя процентами вольфрама. Вольфрамовые и молибденовые стали сохра­няют высокую прочность не только при обычных темпе­ратурах, но и при температуре красного каления. Такие стали называются жаропрочными. Они употреб­ляются, кроме инструментального дела, для изготовления деталей реактивного двигателя, работающих при силь­ном разогревании.

Не менее важную роль в металлургии играет редкий металл ванадий. Ванадий открыт в 1801 г. Инженер Шубин в 1839 г. обнаружил ванадий в медистых песча­никах. Спустя несколько десятилетий медистые песчаники, содержащие в себе ванадий, начали разрабатываться в Англии с целью получения ванадия. Промышленное при­менение ванадия началось значительно позже.

Ванадий — ковкий металл светлосерого цвета. Крис­таллизуется в кубической объемноцентрированной ре­шётке. Он почти в полтора раза легче железа: удельный вес его 6,0, твёрдость по минералогической шкале 7,5. Несмотря на сравнительную лёгкость, по тугоплавкости ванадий превосходит железо: его температура плавления 1725°. Металлический ванадий по прочности не уступает закалённой стали.

В СССР промышленные способы получения ванадия разработал профессор М. Н. Соболев.

Редкие металлы вольфрам, молибден и ванадий, до­бавляемые к сталям вместе с хромом и никелем, создали броневую защиту кораблям и танкам. Английские танки, появившиеся на фронтах первой империалистической войны, несмотря на 76-миллиметровую броню, изготов­ленную из обычных сталей, легко поражались бронебой­ными снарядами немецких пушек. Секрет заключался в

Том, что немцы изготовляли головку бронебойного сна­ряда из вольфрамовой стали.

Разгадав причину гибели своих танков, англичане ввели в броню танков вольфрам, молибден и ванадий. Вольфрам пошёл против вольфрама. В соревновании сна­ряда и брони в то время победила броня. Несмотря на троекратное уменьшение толщины броневых плит из но­вой стали, снаряды не могли их пробить.

В 1915 году в разгар империалистической войны Анг­лия потеряла два дредноута и тяжёлый крейсер: они по­гибли, натолкнувшись на мины. Потопленные корабли имели толстую броню из обычной стали. Через 16 лет английский миноносец столкнулся у берегов Испании с такой же миной. Хотя броня его была значительно тоньше брони прежних боевых кораблей, взрыв не потопил ми­ноносца. Тонкая броня его была изготовлена из стали, в состав которой входили редкие металлы.

Можно привести немало примеров, когда применение редких металлов даёт огромную экономию обычных ме­таллов. Например, при отливке чугунных тюбингов, которыми укрепляются тоннели метро, к чугуну были до­бавлены небольшие количества некоторых редких метал­лов. Кольца получились прочнее прежних, что дало воз­можность уменьшить их толщину. Вес каждого кольца снизился с 7100 до 5760 кг. Небольшая добавка редких металлов улучшила качество изделий и позволила сэконо­мить много тонн чугуна.

Ванадий, добавленный в ничтожных количествах, повышает упругость и прочность стали почти на 50%. Ва­надиевая сталь не боится перегревания, что делает её бо­лее устойчивой при закалке. В настоящее время все марки пружинных сталей содержат в себе до 0,5% ванадия. В сталях, употребляемых для изготовления нагруженных де­талей машин, ванадия содержится всего от 0,10 до 0,15%.

Чем объясняется благотворное влияние на сталь не­больших добавок ванадия? Расплавленная сталь погло­щает много газов — кислорода и азота, входящих в со­став воздуха. При застывании стальных изделий азот и кислород в виде мельчайших пузырьков остаются в стали и нарушают её сплошность (рис. 13, а).Когда такую сталь куют, пузырьки с газом вытягиваются в виде нитей и об­разуют так называемые волосовины. Эти пороки сильно снижают прочность стальных изделий. Деталь из стали с волосовинами имеет неодинаковую прочность в разных направлениях.

Ванадий, добавленный в ванну, легко соединяется с ки­слородом и азотом, растворёнными в кипящей стали. В результате этого азот и кислород всплывают на поверх­ность ванны в виде шлака и удаляются. Сталь получается плотной, мелкозернистой (рис. 13, б) и менее хрупкой.

Часть ванадия, которая остаётся в стали, также не пропадает даром. Атомы ванадия активно связываются

С атомами углерода и образуют карбиды. Они-то и упроч­няют сталь, действуя подобно карбидам вольфрама.

По своему влиянию на сталь редкий металл цирко­ний подобен ванадию. Он также выполняет роль «очи­стителя». Стали, содержащие сотые доли циркония, при­годны для изготовления броневых плит высокого каче­ства. Циркониевые стали отличаются большой пластич­ностью, они отлично выдерживают высокие температуры, легко подвергаются свариванию.

Цирконий не только улучшает свойства стали, но и повы­шает качество сплавов алюминия. Без циркония некоторые алюминиевые сплавы после отливки имеют грубое пори­стое строение. Они не выдерживают гидроиспытаний. Под высоким давлением вода просачивается сквозь стенки алюминиевого цилиндра, так как он имеет много мель­чайших пор. Достаточно в этот сплав при отливке доба -

Ёить небольшую дозу циркония или его соединения СО фтором,, как сплав становится мелкозернистым, пластич­ным и почти вдвое более прочным.

Цирконий—металл серого цвета. Чистый металличе­ский цирконий имеет высокую пластичность.

При обычных температурах цирконий имеет гексаго­нальную плотно упакованную кристаллическую решётку. Выше температуры 865° происходит перекристаллизация: цирконий имеет уже кубическую решётку. Удельный вес циркония 6,5. По температуре плавления цирконий нахо­дится в первом десятке наиболее тугоплавких металлов; он плавится при 1930°. Твёрдость циркония по минерало­гической шкале равна 6,7. Чистый цирконий в два-три раза более прочен, чем железо. Предел прочности цирко­ния около 60 кг/мм2. Цирконий очень стоек в щелочах. Он не разъедается не только в крепких растворах щелочей, но и весьма устойчив при действии расплавленных щелочей. Цирконий при температурах 300—400° способен поглощать большой объём водорода. Но достаточно его нагреть до 1000°, как весь водород выйдет из металла. Это свойство циркония используется в технике для создания защитной водородной атмосферы при спекании порошков металлов.

Расплавленный цирконий является мощным источни­ком света. Яркость его свечения составляет Vi6 яркости Солнца, в то время как яркость свечения расплавленного железа составляет лишь тысячные доли яркости Солнца.

Не менее интересные свойства имеет редкий металл литий. Ничтожная добавка его (всего 0,005%) облаго­раживает медь. Литий, активно взаимодействуя с кисло­родом, серой, азотом и водородом, растворёнными в меди, выполняет роль очистителя. Небольшие добавки лития способны повышать прочность алюминия, магния и дру­гих металлов и в то же время делать их более стойкими против разрушения щелочами и кислотами.

Литий — самый лёгкий металл на Земле. Его удельный вес — 0,534. Он в пять раз легче алюминия, иногда назы­ваемого за небольшой вес и широкое применение в авиа­ции «крылатым» металлом. Самолёт из лития смогли бы легко поднять два человека.

Литий обладает самой сильной из металлов химиче­ской активностью. Он настолько активно соединяется с кислородом и азотом, что в плотно закрытой банке, где он хранится, вскоре образуется почти полная пустота, так

Как находящийся в банке воздух соединяется с литием и образует плёнку окислов и нитридов лития. Эта плёнка весьма стойка при нагревании; её можно расплавить лишь

При температуре 1700°, в то время как сам литий плавится при температуре 179°.

Литий не менее активно соединяется с водородом, об­разуя твёрдую губчатую мас­су (соединение — гидрид ли­тия). Два килограмма гидрида лития при разложении могут выделить столько же водорода, сколько содержится его в стальном баллоне (рис. 14) под давлением 120 атмосфер, т. е. 5664 литра. Поэтому гид­рид лития может быть приме­нён как компактная «упаковка водорода».

У металлургов огромное поле деятельности. Им пред­стоит изучить, как и почему действуют на сплавы микро­скопические добавки редких металлов, найти законы изме­нения свойств сплавов под влиянием редких элементов, уточнить, какие качества сооб­щают сплаву различные добавки в тех или иных условиях. На основе теории сплавов советские учёные создали заме­чательные сплавы для постоянных магнитов. Новые маг­ниты обладают колоссальной силой притяжения. Так, пла­стинка из одного специального сплава весом 90 граммов способна поднять груз весом в 25 килограммов. Этот груз превосходит вес магнита более чем в 250 раз.

Редкие металлы вольфрам, ванадий, кобальт и др. входят в состав сплавов для постоянных магнитов.

В царской России добывалось и использовалось в тех­нике всего лишь 17 химических элементов. «Глину приво­зят из-за границы!» — с горечью и гневом писал в те годы академик В. И. Вернадский. После Великой Октябрьской социалистической революции произошёл переворот в
использовании природных ресурсов страны. В СССР в на­стоящее время добывается и используется в различных областях науки и техники около 90 химических элементов. Металлургическая промышленность нашей страны осваи­вает всё новые и новые редкие металлы.