Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
Попытки автоматизировать некоторые технологические операции встречают серьезные препятствия из-за того, что трудно, а порой и вовсе невозможно обеспечить сбор нужной информации о ходе процесса. Например, в металлургии затруднен замер температуры расплава. Существующие датчики боятся такого интенсивного нагрева, какой неизбежен при соприкосновении с жидким металлом, с раскаленным докрасна сводом сталеплавильной печи, с потоками горячих газов и т. д.
В этой связи актуальной задачей химии полупроводников стало изучение систем, включающих тугоплавкие полупроводниковые соединения, разработка методов их синтеза.
Вообще тугоплавкими соединениями живо интересуется современная техника. Нетрудно понять почему.
Техническому прогрессу свойственно неудержимое стремление повышать температурный уровень рабочих процессов. Но каждый шаг по ступенькам температурной шкалы к пышущим розовым маревом высям дается с большим трудом. Приходится вновь и вновь решать каверзную задачу: создавать новые виды топлива, способные выделять несметные количества тепла, и одновременно готовить материалы, способные выдержать невыносимую жару.
От успехов в освоении огневых процессов зависели авангардные отрасли современной техники: реактивная, ракетная, атомная и другие. А перед грозным лицом огня могут устоять лишь особые неорганические соединения. В двери неорганики и постучалась техника, встретив на пути своего развития тепловые барьеры.
Испокон веков люди получали тепло, сжигая дрова, уголь, а позднее — керосин, бензин, мазут, природный газ. В общем история топлива знала одни лишь углеводородные, органические вещества.
Но вот небо XX века стали обживать самолеты с дерзко выпяченным вперед фюзеляжем и заломленными назад крыльями. С бетонированных площадок, грохоча, уносились ввысь огненнохвостые ракеты.
Химики усиленно искали топливо для новых, еще более быстроходных реактивных самолетов, еще более мощных ракет. Их внимание привлекли водородные соединения бора. Теплотворная способность бороводородов, или, как их еще называют, боранов, была порядка 15 тысяч килокалорий на килограмм горючего — в полтора раза больше, чем давали углеводородные виды топлива. И сгорали бораны с молниеносной быстротой, что очень существенно для реактивных двигателей. И сырье, содержащее бор, не дефицитно. Оно хорошо известно фотолюбителям. Это обыкновенная бура.
Кто бы мог подумать? Еще вчера спросили бы нас: «В чем ее польза?» — мы, выходит, не сказали бы главного. А завтра главным признают какой-то новый, неведомый, неожиданный «талант» этого невзрачного, хорошо знакомого фотолюбителям химикалия.
Бор оказался удивительно разносторонним элементом. Бораны — перспективное топливо, бориды — отличные жаростойкие сплавы. В содружестве с титаном и молибденом, цирконием и хромом, хромом и никелем и другими подходящими напарниками бор образует материал, сохраняющий длительное время прочность при очень высоких температурах. Вот почему бориды нашли применение в газотурбостроении, в производстве деталей ракетных двигателей. К ним прибегают, когда конструируют тяжело нагруженные детали, работающие в опасных для всех других материалов температурах.
Высокая огнеупорность, тугоплавкость боридов открыли им доступ в самые разнообразные отрасли производства.
Современная техника требует с каждым днем все большее количество хорошо очищенных редких и цветных металлов. Но эти вещества в расплавленном виде чрезвычайно агрессивны. Обычные огнеупоры их не держат.
Развитие специальной энергетики требует труб, по которым продолжительное время струились бы такие грозные жидкости, как расплавленный натрий, свинец, олово, цинк, висмут и их сплавы.
И тут и там главными претендентами на замещение вакантных «должностей» являются бориды. Из них уже делают или ими облицовывают особо ответственные тигли, теплообменники. Огнеупоры на основе борида циркония стоят десятки и сотни часов, ополаскиваемые беспощадными жидкими металлами.
Отклоняясь в сторону от огневой темы, скажем о твердости, износостойкости боридов. В качестве резцов бориды в составе металлизированной керамики не хуже сплавов на основе знаменитого вольфрама, но дешевле.
Неорганика кует оружие против высоких температур не только путем создания богатырских соединений.
В Институте химии силикатов АН СССР можно увидеть такой экспонат. К белому листу картона ниткой прикреплен уголек. Если хотите, вам разрешат потрогать его рукой. Уголек хрупкий, крошится.
Это была сталь. Обыкновенная сталь-3. Ее подержали в условиях, в которых работают жаростойкие сплавы. Кислород воздуха и высокая температура сделали свое черное дело. Так выглядело бы многое современное промышленное оборудование, будь оно выполнено из сталей наших дедов.
Как раз в Институте химии силикатов борьбу с коррозией ведут по линии «закрывания ворот», или, как в шутку говорят, «поверхностными методами».
Рядом с упомянутым обугленным кусочком бывшей стали на листе картона помещен второй образец. Он не примечателен ничем, кроме того, что несколько сотен часов провел на воздухе при температуре 900 градусов и остался невредимым.
Это та же сталь-3, но покрытая невидимой для глаза тончайшей жаростойкой пленкой. Она позволяет во многих случаях заменять высоколегированную сталь низколегированной или даже вовсе не легированной. Для народного хозяйства страны последствия подобных замен могут выразиться в крупных суммах сэкономленных денег и ценнейших металлов.
Такие пленки на основе тугоплавких окислов различных металлов и синтезируют в институте.
Заказчики на жаростойкие покрытия год от года становятся нетерпеливее и капризнее. Они подвергают свои конструкции сокрушительным тепловым ударам, изнурительным температурным толчкам. Например, газовую турбину «забрасывают» в процессе эксплуатации с 300 градусов до тысячи с лишним, причем делают это достаточно быстро. Резкие смены температур вызывают столь же резкие изменения размеров металлической детали. Жаростойкий панцирь может оказаться то мал, то велик. Применявшиеся прежде эмали под воздействием чрезмерных внутренних напряжений, вызываемых лихорадочными «вздохами» металла, трескались и отскакивали. Надо было найти такие «композиции», которые бы давали пленки с линейным расширением, близким к линейному расширению защищаемого материала. Они и были найдены. Это металлизированные керамики. В основе их — силикатная связка и кермет. Первая берет на себя огнеупорные функции (кремнезем плавится при температуре выше 1700 градусов), а задача второй составляющей — «подгонять рубашку к телу».
Пленка должна еще обладать большой прочностью. Мало ли что и где придется испытать одетой в нее конструкции! Если прежние силикатные покрытия отскакивали от образца при ударе, не превышающем 0,03 килограммометра, то новые не разрушаются и после удара силой в 0,8 килограммометра.
Но было бы ошибкой сказать, что наукой одержаны победы в генеральных сражениях с коррозией. Жаростойкие покрытия пока далеко не решают этой проблемы. Да и существуют не на все случаи, когда в них есть потребность. Для каждого металла, для конкретных условий, где ему надлежит работать, приходится подыскивать новое, оригинальное защитное одеяние. И тут из-за сложности теории вопроса сплошь да рядом безраздельно господствует эмпирическая разведка.
Неизменно сопутствуют металлу на всех стадиях его добычи и обработки расплавленные соли. Шлаки, всевозможные флюсы, ванны электрические или для термообработки, защитные покрытия, жидкости для очищения поверхности — это все расплавленные соли. Они выступают
