Металлы и человек - Михаил Васильев

Однако в подавляющем большинстве случаев алюминий применяется не в чистом виде, а в сплаве с другими металлами.

Алюминий в сплавах

Алюминий не сразу стал металлом авиации. Было время, тяжелая сталь спорила с легким алюминием за право называться крылатым металлом. Правда, это было уже давно, лет 35 тому назад.

На страницах газет тогда появились фотографии стальных самолетов. Их конструировал известный авиаконструктор А. И. Путилов. Они демонстрировались на международных выставках и получили там высокую оценку.

Действительно, они были не тяжелее алюминиевых, но значительно долговечнее: ведь изготовлялись они из нержавеющей стали. А бывшие в те времена в распоряжении авиаконструкторов сплавы алюминия очень быстро окислялись.

Но сталь не выдержала соревнования с алюминием. Металлурги нашли способы повысить устойчивость сплавов алюминия против коррозии, и самолеты из этого металла оказались значительно более дешевыми, чем из нержавеющей стали.

Первым промышленным сплавом алюминия был дюралюминий, или, как часто говорят, дюраль. Название это происходит от французского слова «дур» — твердый.

Изобрел дюралюминий французский химик А. Вильм. Он искал добавки, которые могли бы повысить прочность алюминия. Наиболее удачные результаты, с его точки зрения, давали сплавы алюминия с 5 процентами меди, 1 процентом марганца и таким же количеством магния. Полученные из этого сплава образцы в отожженном состоянии обладали пределом прочности до 20 кг на кв. мм.

Но это было еще не все, что мог дать этот сплав. Вильм взял несколько образцов из этого сплава, нагрел их примерно до 600 градусов и опустил в воду. Не закалится ли в результате такой термической обработки этот легкий сплав, как закаляется сталь? Тотчас же, достав из ванны с водой один из прошедших закалку образцов, ученый подверг его испытаниям на разрыв.

Да, оказалось, что предел прочности несколько вырос — образец порвало усилие только в 25 кг на кв. мм. Это уже неплохо — повышение прочности на 25 процентов. Но Вильм хотел большего. Ему нужны были сплавы, способные соперничать по прочности со сталью.

В течение нескольких дней он не возвращался в свою лабораторию. Прошедшие закалку образцы пылились на столе. Вернувшись к своим занятиям, Вильм в первую очередь взял их в руки.

Надо было исследовать их прочность. Для этого они, собственно, и предназначались. Вильм повел испытания. Странно! Первый же образец оказался чуть ли не вдвое прочнее испытанного неделю назад. Он разорвался только при нагрузке около 38 кг на кв. мм. Следующий выдержал 42 кг, третий — 41. Ошибки быть не могло.

Так было открыто интереснейшее явление — старение алюминиевых сплавов после закалки.

Ученые внимательно изучили это явление. Оказалось, что после закалки сплавов алюминия с медью, цинком, магнием и т. д. в течение нескольких дней продолжается их упрочнение. И максимальную прочность в обычных условиях, то есть если старение протекает при комнатной температуре, они приобретают лишь на пятый-шестой день после закалки.

Что же происходит при этом в кристаллах сплава? Нелегко оказалось выяснить это. При высокой температуре в алюминии растворяется больше меди, чем при низкой. Поэтому, когда мы нагрели сплав, в нем растворилась медь. При быстром охлаждении — закалке — атомы меди не успели выделиться из кристаллической решетки, образовался пересыщенный твердый раствор. И было естественно предположить, что процесс старения состоит в выделении меди из раствора. Но ни металлографический, ни рентгеноструктурный анализ не показывали распада твердого раствора при сгорании.

Процесс оказался сложнее. В процессе старения происходит только подготовка атомов меди к выделению из раствора. Если в свежезакаленном сплаве они находились в случайных местах, то теперь они перестраиваются, занимая четко определенные места в кристаллической решетке. В результате возникают зоны повышенной концентрации меди. Это создает большие напряжения в кристалле и повышает его прочность.

Если провести процесс старения при высокой температуре, то может произойти и выделение меди из твердого раствора. Прочность металла при этом резко снижается.

Надежно, как в доте.

В распоряжении конструкторов имеется в настоящее время множество алюминиевых сплавов. Предел прочности некоторых из них достигает 60–70 кг на кв. мм. Это отличная прочность, но… Но все эти сплавы легко подвергаются коррозии. Ведь в их состав входят различные элементы, создающие крохотные включения, могущие мгновенно стать электродами микроэлементов. Чистому алюминию не хватает прочности сплавов, сплавам — устойчивости чистого алюминия против окисления.

Чтобы соединить положительные свойства сплавов и чистого алюминия, прибегают к плакированию металла. Болванку дюралюминия обертывают листом чистого алюминия и в нагретом виде прокатывают. Металл и сплав свариваются, при этом сплав оказывается как бы в рубашке чистого, коррозионно устойчивого металла.

В тех случаях, когда требуется особенно большая стойкость против коррозии, плакированный металл тщательно обезжиривают и опускают в ванну с крепким раствором серной кислоты. Металл соединяют с анодом. Происходит анодирование металла. На листе возникает защитная пленка окиси алюминия толщиной до десятой доли миллиметра.

В этой пленке при рассматривании в микроскоп можно обнаружить множество мельчайших пор, ведущих в глубь металла. Чтобы они не явились воротами для проникновения к металлу кислорода и воды, их целесообразно заполнить каким-либо прочным составом. Обычно для этого изделие после анодирования погружают в ванну с раствором соединения калия с хромом.

Вот теперь алюминиевая деталь не боится ни больших нагрузок, ни коррозии.

Мы говорили до сих пор о ковочных алюминиевых сплавах. В первые часы и дни после закалки, когда они обладают большой пластичностью и малой прочностью, их и подвергают механической обработке — прокатке, ковке, обработке резанием. А затем, уже приобретя окончательную форму, они становятся прочными, твердыми.

Кроме ковочных, создана специальная группа и литейных алюминиевых сплавов. Эти сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, способностью заполнять все изгибы и пазы формы. Они имеют и небольшую усадку, то есть не образуют внутри отливки раковин и слабин при застывании. Обычно литейные сплавы алюминия содержат в своем составе кремний, медь, магний.

…Откинув назад, словно руки пловец, готовый броситься с вышки в воду, тонкие острые крылья, стоит на взлетной дорожке аэродрома стремительный самолет. Взмах флажка, и уже рокочут его моторы, лопасти пропеллера сливаются в прозрачный, чуть поблескивающий круг. Все быстрее и быстрее бежит он и вдруг отрывается от бетона дорожки. Он в своей родной стихии — в воздухе. Легкий толчок, и скрылись, сложившись, шасси. Еще и еще растут скорость и высота полета.

Крылатый металл — в воздухе. Крылья и фюзеляж — это прокатанный плакированный алюминий. Заклепки (а их сотни тысяч насчитывается в каждом самолете) — тоже алюминиевые, из сплава очень пластичного после закалки и очень прочного после старения. Шасси, блок мотора и множество его деталей отлиты из литейных алюминиевых сплавов.

Металлическая пена

Большой и важной для различных отраслей народного хозяйства группой искусственных полимерных материалов являются пенопласты.

Мне довелось однажды присутствовать на лекции, в ходе которой лектор, кандидат химических наук В. Щеголев, получил в небольшом стеклянном сосуде пенопласт. Он влил на дно этого сосуда совсем немного прозрачной зеленоватой жидкости, всыпал какого-то белого порошка и тщательно размешал получившуюся смесь стеклянной ложечкой. Затем поставил сосуд на край кафедры и продолжил лекцию.

Вещества в сосуде меж тем не остались в покое. Смесь их начала расти значительно быстрее, чем растет тесто в квашне.

Минут за двадцать белая устойчивая пена заполнила весь сосуд и перелилась тяжелой волной через край. Но лектор не обращал на это внимания.

Вероятно, исчерпав силы своего бунта, вещество перестало расти. Мне все казалось, что еще несколько минут — и пена начнет опадать, пузыри ее будут высыхать, лопаться и снова на дне сосуда останется лишь несколько ложек зеленоватой жидкости. Во всяком случае именно такой вариант предсказывал мой житейский опыт: ведь именно так вела себя мыльная пена, когда я намыливал щеку и меня в это время срочно приглашали к телефону; это же происходило и с несъеденной вовремя порцией мусса. Но не тут-то было!

Щеголев кончил лекцию, взял в руки сосуд и вытряхнул из него пену. Нет, она не разлилась по столу, она сохранила форму сосуда. Всего за двадцать минут она застыла, затвердела. И вела она себя не как мыльная пена, а скорее как тесто. Ведь обыкновенная булочка, которую вы съедаете за завтраком, — это и есть застывшая пена теста, она вся пронизана крохотными пузырьками газа.