Михаил Васильев - Металлы и человек
Основной потребитель хрома — это, конечно, металлургия. Хром, так же как никель, — важнейший витамин стали. И так же, как марганец, хром в металлургию поступает не в виде химически чистого металла, а в сплавах с железом. Феррохромом называют эти сплавы. Получают их восстановлением хромистого железняка углем в шахтных дуговых электрических печах. В зависимости от требующейся чистоты феррохром могут подвергать дополнительной очистке. Но во всех случаях содержание хрома в сплаве должно составлять не менее 60–65 процентов.
С ним можно встретиться в каждой живописной мастерской.
Крупным потребителем хрома является и машиностроение: красивые, гигиеничные, удобные в уходе хромированные детали встречаются во многих машинах и механизмах, бытовых приборах и устройствах и т. д.
Чистый металлический хром для этих целей получают алюмотермическим восстановлением окиси хрома или электролизом растворов некоторых его солей.
Добавки хрома в стали сообщают им особую твердость, поэтому стали, использующиеся для изготовления режущих инструментов, часто содержат хром. Его там не очень много — от 0,6 до 1,5 процента. Именно из такой хромистой стали изготовляют бесчисленные сверла, резцы, плашки, метчики, хирургические инструменты, калибры, бритвы и т. д.
Твердость хромистой стали делает ее незаменимым материалом и для изготовления шариков подшипников.
Особенно известен среди твердых сплавов хрома стеллит. Он состоит из 30 процентов хрома, 55 процентов кобальта, 12 процентов вольфрама и 3 процентов железа.
Добавки хрома сообщают сталям жаростойкость, кислотоупорность, большую сопротивляемость коррозии. Но эти стали содержат уже значительно больший процент хрома. Так, «нержавейка» на 12,5—18,5 процента состоит из хрома. Жароупорная хромистая сталь содержит 25–35 процентов этого металла. Из этих сталей делают детали паровых турбин, паровых котлов высокого давления и т. д.
Впрочем, далеко не вся добываемая руда хрома идет на выработку этого металла. Значительная часть ее используется для изготовления огнеупорного кирпича: ведь она плавится при очень высокой температуре— около 2200 градусов. Своды стены и поды многих металлургических печей выкладывают из кирпича, в состав которого входит руда хрома.
Целый ряд применений находят и различные соединения хрома. Здесь и красители, и фотоматериалы, и катализаторы для некоторых химических процессов, и лекарства.
Но главное в трудовой жизни этого металла — быть великим помощником стали, облагораживать ее свойства, оказавшись в сплаве с главным металлом, защищать его, будучи нанесенным в качестве покрытия.
А в будущем? Кто скажет, может быть, хрому найдутся и важные самостоятельные роли в могучем ансамбле материалов, которые использует человечество.
Не только для орудийных стволов
Из руды этого металла изготовляли грифели карандашей, такая она мягкая. А в последние годы, научившись отделять ее от всех посторонних примесей, стали применять в качестве твердой смазки. И четыреста лет назад и сейчас она соперничает с графитом.
Внешне эта руда — геологи называют ее молибденитом — очень похожа на руду свинца — свинцовый блеск. Поэтому и название молибдена по-гречески означает «свинец».
Но отнюдь не мягкий характер у таящегося в этой руде металла.
В 1778 году шведский химик К. Шееле впервые получил «молибденовую землю» — окисел молибдена.
Но только в 1895 году удалось выделить чистый молибден.
Молибден занимает клетку периодической системы элементов, расположенную сразу под хромом. Поэтому их химические свойства очень похожи. Но физические свойства молибдена очень отличны от хрома.
Молибден имеет значительно больший удельный вес, чем хром, — 10,3 г на куб. см. Он плавится при очень высокой температуре — 2620 градусов, а кипит при 4700 градусах. Он очень прочен. Предел прочности на разрыв тянутой проволоки 140–200 кг на кв. мм. Даже отожженная молибденовая проволока выдерживает до 90—120 кг на кв. мм.
При обыкновенной температуре молибден на воздухе не окисляется. Только при 500–600 градусах этот процесс в кислороде протекает столь интенсивно, что молибден загорается. Многие кислоты на него не действуют вовсе.
Молибден стал важнейшим витамином стали после того, как на Путиловском заводе в 1886 году была выплавлена сталь, содержащая 3,72 процента молибдена. Свойства ее оказались столь высокими, что внимание многих металлургов мира было прикованным к молибдену.
Вскоре же, в 1890 году, был разработан способ получения ферромолибдена восстановлением окислов молибдена кремнием или алюминием. И новый ферросплав широким потоком пошел для легирования инструментальных, конструкционных, нержавеющих и других сталей. И сегодня свыше 90 процентов всего добываемого молибдена идет в качестве легирующих добавок стали.
Чистый металлический молибден в виде тонкого порошка получают из окиси молибдена восстановлением водородом. Этот порошок прессуют, спекают, подвергают механической и термической обработке. Из него изготавливают ленты, проволоку, штампованные изделия. Чаще всего их можно увидеть за темным стеклом радиолампы. Впрочем, проволочки, поддерживающие вольфрамовую нить обычной электрической лампочки, тоже обычно делаются из молибдена. Их может увидеть каждый.
Но, наверное, далеко не каждый знает, из-за каких свойств выбран для этой службы молибден. А причина в том, что чистый молибден отличается высоким постоянством размеров при температурах до 1000 градусов. Он почти не удлиняется при нагревании до этих температур. А именно такой металл только и может быть впаян в стекло электрической лампочки: ведь он должен удлиняться и укорачиваться вместе со стеклом, хотя прогревается он, конечно, раньше. Иначе поддерживающая его стеклянная ножка лопнет в месте впая в металл.
Производство молибдена претерпевало разные колебания, однако общая тенденция остается прежней — его вырабатывается все больше и больше. Особенно вырастает производство молибдена в годы войн. Так, если с 1 тонны этого металла, полученной во всем мире в 1900 году, его производство к 1914 году выросло до 150 тонн, то уже в 1916 оно поднялось до 300 тонн, а в 1921 году упало до 120 тонн. Затем начался новый рост производства молибдена, и в 1943 году в капиталистических странах оно достигло 30 500 тонн, чтобы в 1945 году сразу же упасть до 16 тысяч тонн.
А ведь молибден — это не только сталь орудийных стволов. Шестерни и валы, паровые котлы и турбины — это тоже молибденовая сталь.
До Великой Октябрьской революции в России не было и зародыша молибденовой промышленности. В настоящее время у нас вырабатывается столько этого металла, что мы давно уже прекратили его ввоз из-за границы.
Молибден получают в виде слитков весом по 450 кг, а из них уже прокатывают листы толщиной до 0,5 мм и другие изделия.
Как ни горячись, а его из равновесия не выведешь.
Самый прочный, самый тугоплавкий
Знаменитый шведский химик Карл Шееле (его имя мы уже несколько раз упоминали на этих страницах) был по профессии аптекарем. Он родился в 1742 году, умер в 1786 году членом Стокгольмской Академии наук. Все свободное от работы время он отдавал химическим опытам. Немало блестящих открытий сделал за недолгие годы жизни этот король эксперимента! Он открыл кислород, хлор, барий, марганец. Ему же принадлежит и честь открытия вольфрама.
Почти сто лет это открытие не имело последствий: вольфрам оставался бесполезным металлом. Только в 1864 году англичанин Роберт Мюшет впервые ввел вольфрам в сталь. Почти 5,5 процента вольфрама содержала эта сталь, названная «самокалом Мюшета». И это было вторым рождением металла.
До этого времени скорость резания металла не превышала 5 метров в минуту. Именно с этой максимальной скоростью сбегала стружка из-под токарных и строгальных резцов. При повышении скорости резания сталь резца быстро размягчалась и тупилась.
Резцы, сделанные из «самокала Мюшета», позволили в полтора раза увеличить скорость резания, довести скорость сбегания стружки до 7,5 м в минуту.
Через сорок лет появилась быстрорежущая сталь. Скорость резания выросла до 18 м в минуту. Сталь, позволившая сделать этот прыжок, содержала до 8 процентов вольфрама. А еще через несколько лет вольфрам позволил поднять скорость резания до 35 м в минуту. В семь раз выросла производительность металлорежущих станков!
Сталь не смогла выдержать большей скорости резания, но вольфрам поднял ее еще выше. В 1907 году был создан первый «твердый сплав». В нем не было по существу железа — только вольфрам, хром и кобальт. Этот сплав дал возможность поднять скорость резания до 45 м в минуту. Современные твердые металлорежущие сплавы еще подняли эту цифру. Сегодня она составляет уже тысячи метров в минуту. И в них основным составляющим является карбид вольфрама.
