Николай Мезенин - Занимательно о железе

Французский ученый Реомюр в 1722 году высказал мысль, что железо и сталь отличаются друг от друга по химическому составу только присутствием какой-то примеси, названной им летучей солью, которая и определяет различие их свойств. Лишь в 1814 году немецкий исследователь Карстен указал, что такой примесью является углерод. Наконец-то была доказана единая материальная природа всех железоуглеродистых сплавов — чугуна, стали и железа. Только во второй половине XIX века выработалось в основном верное представление о железе и его сплавах.

Появление в XIX веке новых областей применения металла — машиностроения, железнодорожного строительства — потребовало более точных представлений о качестве металла. Для этого определяли химический состав железных руд, шлаков и различных железоуглеродистых сплавов. Постепенно выявилось более точное влияние на углеродистое железо примесей — кремния, марганца, серы, фосфора.

П.П. Аносов впервые занялся систематическим изучением влияния различных элементов на сталь. Он исследовал добавки золота, платины, марганца, хрома, алюминия, титана и других элементов и первым доказал, что физико-химические и механические свойства стали могут быть значительно изменены и улучшены добавками некоторых легирующих элементов. Ученый заложил основы металлургии легированных сталей. Замечательное свойство железа — давать сплавы с различными элементами и при этом проявлять новые качества — широко используется в современной технике. Известно более 8 тысяч сплавов, обработка которых дает десятки тысяч марок сталей различного назначения. Созданы самые удивительные марки стали: “деревянная”, свинцовистая, алмазная и мягкая, графитизированная, платинистая и серебряная. О некоторых из них мы расскажем.

В старину пытались получать стали с добавками благородных металлов. Так, в 1825 году в России были описаны опыты на Гороблагодатских казенных заводах по сплавлению стали с платиной. Шесть фунтов стали расплавили в тигле с восемью золотниками очищенной платины. Жидкую массу вылили в чугунную форму и быстро охладили в холодной воде. “По разломе стального бруска сталь оказалась весьма однородной сыпи и столь мелкой, что простыми глазами невозможно было усмотреть ее сложения. Будучи выточена и закалена без отпуска, она резала стекло, как алмаз, рубила чугун и железо, не притуплялся”.

Позже нашли более дешевые и широко распространенные легирующие элементы, дающие лучшие результаты. Например, в сплаве платинит нет платины (содержится 48% никеля, 0,15% углерода, остальное железо). Сплав имеет такой же коэффициент теплового расширения, как и у стекла, поэтому применяется для замены платиновых вводов в электролампах. Сплав ковар (29% никеля, 18% кобальта) имеет коэффициент линейного расширения такой же, как у молибденового стекла, и предназначается для спайки с этими стеклами, давая прочное и совершенно газонепроницаемое соединение.

В 1927 году в Берлине на выставке показывали небольшую кастрюльку с двумя ручками из разных металлов. В ней кипела вода и одна из ручек, сделанная из железа, была горячая, другая теплая. Ручка была сделана из так называемой деревянной стали, в состав которой входили 35% никеля, 1% хрома и 64% железа. Называлась она так потому, что по теплопроводности была подобна дереву. Она относится к прецизионным сплавам, свойства которых достигаются только при совершенно точном составе. Малейшее отступление от рецепта вызывает потерю этих свойств.

Автором одного из таких сплавов был швейцарский физик и метролог, ставший затем директором Международного бюро мер и весов, профессор Гийом. В 1898 году он определил зависимость физических свойств стали от содержания в ней никеля. Оказалось, что сталь, содержащая более 25% никеля, при нагревании теряет магнитные свойства; сталь, содержащая 36% никеля, отличается самым малым коэффициентом линейного расширения (в 10 раз меньше, чем у платины). Никелевый сплав, состоящий из 36% никеля и 64% железа, Гийом назвал инваром, что значит неизменяемый. В пределах температур от -60°С до +100°С тепловое расширение инвара близко к нулю. Впервые сплав применили для изготовления эталона длины дуги земного меридиана на архипелаге Шпицберген, определенной русско-шведской экспедицией в 1899 году. Несмотря на значительное изменение температуры воздуха, при этих измерениях, длина линеек из инвара оставалась практически неизменной.

Замечательные свойства инвара позволили применять его в измерительной технике и приборостроении, в частности в вакуумной технике для спайки с различными сортами стекла. Из инвара изготовляют также вставки для разрезных алюминиевых поршней, чтобы уменьшить их тепловое расширение и устранить заедание в цилиндре во время работы двигателя.

Алмазной сталью названа легированная инструментальная сталь, содержащая 1,25–1,45% углерода, 0,4–0,7% хрома и 4–5% вольфрама. Такая сталь имеет очень высокую твердость, близкую к твердости алмаза. Ее применяют для снятия тонкой стружки с твердых материалов (отбеленного чугуна, стекла).

Стали с новыми свойствами создаются чаще при комплексном использовании нескольких элементов. Использование редкоземельных элементов в сталях специалисты считают самым выдающимся успехом в сталеварении за последние полвека.

Для создания новых марок сталей используют, например, азот. Газы в металле — всегда нежелательная примесь, снижающая качество металла. А вот в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в плазменную печь, где расплавляется металл, специально нагнетается азот. После охлаждения получается сталь, о которой давно мечтали машиностроители: жаропрочная, устойчивая к воздействию кислот и щелочей. Азот превращается в полезный элемент: за счет образования нитридов ванадия, титана, молибдена идет измельчение зерна. Применение азота позволило сократить добавки никеля и совсем не использовать ферросплавы.

Японским специалистам удалось получить в твердом виде аморфный металл, т.е. без кристаллической структуры. Для этого смешивают железо или никель (90%) с фосфором и углеродом, кремнием, алюминием и бором. Смесь нагревают до 1200°С. Затем сплав очень быстро охлаждают, подвергая вращению со скоростью 5 тысяч оборотов в минуту. Такая сталь во много раз тверже известных сталей и обладает высокой химической стойкостью. Новую марку стали можно применять на атомных электростанциях, в приборах для исследования моря, в химической аппаратуре.

Специалисты Института прецизионных сплавов ЦНИИчермета занимаются разработкой способов превращения металла в “металлическое стекло”. Принцип получения металла со “стеклообразной” структурой таков: заставить расплавленный металл затвердеть с такой скоростью, чтобы не успела сформироваться кристаллическая решетка. Для этого струя расплавленного металла через профильную форсунку “выстреливается” на холодную движущуюся поверхность.

Затвердевший металл расплющивается и сматывается серебристой лентой на катушку.

Структура “металлического стекла” предопределяет уникальное свойство этого материала, названного аморфным прецизионным сплавом. В обычной стали уязвимым местом являются границы между зернами. Именно здесь появляются тонкие трещины, развивается коррозия. Поскольку у нового материала нет кристаллической решетки, он в десятки раз прочнее традиционной стали, обладает повышенной устойчивостью к коррозии, легко поддается намагничиванию. Металлическое стекло незаменимо для изготовления приборов, работающих в агрессивных средах, при низких температурах или высоких механических нагрузках.

В создании сплавов и марок сталей участвуют прежде всего электрометаллурги. Они ведут плавку в электропечах наиболее совершенным процессом из ныне существующих для массового получения литой стали. Электропечь емкостью 100–200 тонн обслуживают сталевар и один — два подручных. Возможность создать более высокие температуры в электропечи (2500–3000°С) позволяет получать стали и специальные сплавы с высоким содержанием тугоплавких легирующих элементов.

Большой интерес представляет сплав никеля с титаном — нитинол. При проведении опытов с этим металлом было замечено, что он обладает способностью “запоминать”. Нагревая нитинол, придавали ему определенную форму, затем охлаждали и сплющивали. Потом снова нагревали. И сплав принимал свою первоначальную форму, с высокой точностью повторяя все изгибы и закругления, полученные при первом нагреве.

Запоминающие сплавы — теперь не сенсация, с ними работают, изучают их новые свойства. Исследования показали, что временные нагрузки, вызывающие в металле те или иные напряжения, после снятия их оставляют в металле какие-то “следы”, и металл постепенно суммирует их. Оказалось, что наиболее легко металлы воспринимают и прочно “запоминают” нагрузки, “перенесенные” ими при очень высокой температуре.