РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

«ВИТАМИНЫ» СПЛАВОВ

технике используются самые разнообразные метал­лы и сплавы: и твёрдые как алмаз и лёгкие, но спо­собные выдержать огромные нагрузки, и устойчивые при самых высоких температурах, и легкоплавкие, с боль­шим сопротивлением электрическому току, и обладающие сверхпроводимостью.

Чтобы удовлетворить эти требования металлургии, для новых сплавов широко используют редкие металлы. Для получения сплавов, обладающих повышенными качест­вами, вводят небольшие добавки редких металлов, кото­рые являются своеобразными «витаминами» сплавов.

С глубокой древности человек пользуется медью. Её сплавы с оловом (бронзы) и цинком (латуни) известны давно. Хотя предел прочности меди невысок — 20 кг! мм2, зато пластичность её изумительна. По пластичности она уступает только золоту и серебру. Медь — отличный про­водник тепла и электричества.

Казалось бы, что нового можно получить от металла, применяемого в технике многие столетия?

Однако оказалось, что прибавка редкого металла бе­риллия придаёт меди неожиданные свойства. Несколько десятков лет назад в расплавленную медь добавили всего полпроцента редкого металла бериллия и получили сплав — бериллиевую бронзу, не уступающий по проч­ности лучшим сортам стали. Прочность и твёрдость меди выросла в семь раз. Предел прочности нового сплава ра­вен 130—150 кг/мм2, т. е. стал близок к прочности стали, применяемой при постройке самолётов. В отличие от чистой меди бериллиевая бронза способна при особом нагреве и охлаждении закаливаться, как сталь. Медь при добавке бериллия потеряла в значительной степени свою пластичность и стала упругой, как закалённая сталь. Из бериллиевой бронзы изготовляются высококачественные пружины, имеющие высокий предел выносливости.

Бериллий — один из легчайших металлов. Он почти в пять раз легче меди. Удельный вес его равен 1,84. В зем­ной коре бериллия содержится немало — 0,0006%; он встречается в значительных количествах в рудах. Из ми­нералов бериллия наибольшее значение имеет берилл, содержащий около 5% бериллия. Высшие сорта бе­рилла — прозрачные минералы — являются драгоцен­ными камнями (изумруды, аквамарины, фенакиты).

Чистый бериллий имеет серебристо-сероватый цвет. На воздухе и в кислороде он покрывается тончайшей плёнкой окисла (соединение бериллия с кислородом). Эта плёнка отлично защищает бериллий от дальнейшего про­никновения атомов кислорода в глубь металла не только в атмосферных условиях, но и при нагревании до 500°. Даже химические вещества — щёлочи и некоторые кис­лоты— не могут разрушить эту плёнку, которая, как паы - цырь, охраняет металл от разъедания.

Из бериллия ещё не изготовляют большие детали. Да в этом, пожалуй, и нет пока необходимости. Выгоднее его добавлять небольшими порциями в широко распростра­нённые металлы — медь, никель, железо.

Бериллиевая бронза идёт на изготовление различных инструментов (головки молотков, лезвия зубил и др.). При ударе о металл и камень в отличие от стальных из­делий они не дают искр. Это весьма важно, когда при­ходится работать в условиях взрывоопасности (в шахтах, где есть угольная пыль и горючие газы, на мельницах, где много мучной пыли, и т. п.).

Детали, изготовленные из бериллиевой бронзы, имеют отличную выносливость. Вот две совершенно одинаковые пружины: одна стальная, другая из бериллиевой бронзы. Стальная пружина разрушается после 10 миллионов сжа­тий, а пружина из бронзы выдерживает свыше 20 миллио­нов сжатий и остаётся целой. Важно и то, что пружина из бериллиевой бронзы не теряет своих свойств даже при сильном разогреве.

Медь — хороший проводник тока, из неё изготовляют электрические провода. Но добавка бериллия делает медь ещё более электропроводной. Бериллиевую бронзу при­меняют для изготовления контактных пружин различных электрических приборов, где важны хорошая электропро­водность и отсутствие искрения.

Свойства поверхности деталей часто играют решаю­щую роль в долговечности и работоспособности машин и механизмов. Поэтому учёные и инженеры изыскивают способы облагораживания поверхности деталей, повыше­ния твёрдости и износоустойчивости поверхности металла, создание для него своеобразной брони.

Бериллий и здесь помог. Достаточно выдержать стальную деталь в порошке бериллия при 900—1000° — и поверхностный слой детали сделается вдвое твёрже зака­лённой стали.

Повышение твёрдости и прочности при насыщении сплавов бериллием объясняется тем, что атомы бериллия образуют с углеродом, а также с железом, никелем, медью твёрдые химические соединения — карбиды и бе - риллиды. Они-то и упрочняют так сильно металлы.

Твёрдый поверхностный слой, насыщенный бериллием, не только уменьшает износ стали при трении её о другие детали, но и надёжно защищает сталь от окисления при разогревании изделий до температуры красного каления. При таком нагревании обычная сталь покрывается хруп­кой коркой окислов железа — окалиной.

Рассмотрим ещё один элемент — бор. До последнего десятилетия в создании новых сплавов бор не находил применения, хотя в природе его в несколько раз больше, чем свинца, и в сотни раз больше, чем серебра.

Но не так давно обнаружили, что достаточно ввести при разливке расплавленной стали всего 0,03% бора, что­бы получить сталь с новыми, значительно более высокими качествами. Бор жадно соединяется с кислородом, рас­творённым в стали, и всплывает в виде шлака на поверх­ность. Часть бора, оставшаяся в стали, соединяется с угле­родом и железом, образуя мельчайшие твёрдые ча­стички — карбиды и бориды. Сталь, очищенная от вред­ной примеси — кислорода,— при затвердевании полу­чается мелкозернистой и однородной во всех частях от­ливки. Она легко подвергается закалке и приобретает устойчивость при разогревах.

Прибавка незначительного количества бора в быстро­режущую сталь сильно повышает её режущие свойства. При высоких температурах бор образует химические сое­динения с другими металлами — бориды, которые имеют высокую твёрдость и очень устойчивы при обычных и при высоких температурах.

Ещё более активно бор соединяется с углеродом, об­разуя карбид бора. Это чрезвычайно твёрдое химиче­ское соединение. В кристалле карбида бора на каждые 12 атомов бора приходится три атома углерода. Карбид бора по твёрдости может соперничать даже с алмазом.

В настоящее время бор добавляют в сплавы алюми­ния, никеля, меди не более 0,01%. Введение бора сверх этого количества не всегда оказывается полезным: сплав становится малопластичным и хрупким.

Бор известен в двух разновидностях — кристалличе­ской и аморфной[23]). Аморфный бор — порошок бурого цвета с удельным весом 1,73. Кристаллический бор тяже­лее. Он имеет удельный вес 2,34.

При обычных температурах бор не соединяется с дру­гими элементами. Только нагревание до высоких темпера­тур делает его химически активным.

Так же как и бериллий, бор применяют для поверхно­стного упрочнения стали и повышения износоустойчивости стальных деталей. Бориды и карбиды бора упрочняют поверхность стали, повышая её твёрдость втрое. Поверх­ностное насыщение стали бором, называемое борирова - нием, осуществляется по такому же методу, как и насы­щение бериллием.

Необычным свойством бора является его электропро­водность. Она ничтожна при обыкновенной температуре, но при нагревании бора до 800° увеличивается более чем

В два миллиона раз. При температуре 1000° бор стано­вится «сверхпроводником». Другие проводники тока с по­вышением температуры, напротив, непрерывно уменьшают электропроводность. Явление сверхпроводимости у MHO-' гих металлов обнаруживается в противоположность бору при сильном снижении температуры.

Необычное отношение бора к электрическому току является пока научной загадкой.