Металлы и человек - Михаил Васильев

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.

Пенопласты обладают удивительными свойствами. Прежде всего это чрезвычайно легкий материал. Целую глыбу его может легко поднять один человек. Это делает пенопласты чрезвычайно полезными во всех транспортных устройствах, где вреден излишний вес.

Пенопласты обладают отличными теплоизоляционными свойствами. Ведь воздух является отличным теплоизолятором — недаром именно слоем воздуха отгораживаемся мы от зимних холодов, вставляя в окна двойные рамы. Звук «вязнет» в пенопласте, обессиленный бесчисленными перегородками между воздушными пузырями. Все эти свойства делают пенопласт лучшим строительным изоляционным материалом.

Но пенопласты обладают и большим недостатком: их прочность невысока. Вот если бы удалось получить каким-либо способом пенометалл, он нашел бы еще более широкое распространение: ведь прочность его была бы куда выше, чем у пенопластов.

Писатель-фантаст Ю. С. Моралевич написал даже научно-фантастический рассказ о нефтеналивном судне, построенном из пенометалла, которое обладало удивительными свойствами: в частности, оно было непотопляемым — ведь материал, из которого судно было изготовлено, плавал на воде, как пробка.

Опытов в этом направлении ведется много. В печати недавно, в частности, появилось сообщение о разработанной технологии получения пеноалюминия.

Изготовляется пеноалюминий следующим образом. В расплавленном алюминии растворяют гидриды циркония, бария, лития. Расплав выдерживают несколько минут при температуре около 657 градусов. Молекулы гидридов распадаются, выделяя водород. Он и заполняет бесчисленные образующиеся в толще металла поры диаметром до нескольких миллиметров. Металл начинает стремительно «расти». Так как водород очень летуч и пузыри его быстро поднимаются к поверхности металла и там лопаются, алюминий надо моментально охладить. Это осуществляют струей холодной воды.

Пеноалюминий обладает очень низким удельным весом — в зависимости от дозировки и точности технологии вес куб. см этого материала колеблется от 0,19 до 0,64 г. Следовательно, пеноалюминий плавает на воде, как пробка или как бальзовое дерево, из которого был построен знаменитый плот «Кон-Тики».

Трудно сказать, окажется ли первенец в семействе пенометаллов — пеноалюминий, технология производства которого разработана американскими учеными, тем удивительным материалом, о котором вместе с писателями-фантастами мечтают и инженеры. Но нет сомнения, что появятся и пенотитан, и пеносталь, и пенобериллий, и разнообразнейших свойств пеносплавы.

Пенометаллам принадлежит большое будущее. Но так много еще неизвестного в этой области металлургии! И в первую очередь неизвестны пути получения таких металлов.

Соперник и союзник

«За последние годы все большее значение приобретает алюминий, как металл разностороннего применения в промышленности и в строительстве, — сказал в своем докладе „О контрольных цифрах развития народного хозяйства СССР на 1959–1965 годы“ на внеочередном XXI съезде КПСС Никита Сергеевич Хрущев. — Поэтому производство алюминия за семилетие предполагается увеличить в 2,8–3 раза. Для такого роста у нас имеется достаточная энергетическая и сырьевая база».

И все же у алюминия, как крылатого металла авиации, как металла астронавтики, есть очень серьезный соперник. Это один из целого ряда металлов, впервые полученных английским химиком Г. Дэви. Свежий разрез его имеет серебристо-белый цвет. Он плавится при 651 градусе, кипит при 1120 градусах. Однако нагретый на воздухе до температуры всего около 550 градусов, он вспыхивает и стремительно сгорает нестерпимо ярким пламенем. Это магний.

Перевес — здесь не преимущество.

Можно много рассказывать о его свойствах. О том, что на воздухе его яркий блеск быстро погасает: он покрывается тонкой пленкой тусклой окиси. О том, что он почти не реагирует с холодной водой, но из горячей вытесняет водород. О том, что в атмосфере влажного хлора он загорается уже при комнатной температуре и хорошо растворяется в разбавленных кислотах. И все это будет правильно, но все это еще не важнейшее свойство магния. Важнейшее — его малый удельный вес.

Он равен 1,738 г на куб. см. Вспомним, что удельный вес крылатого металла сегодняшнего дня — алюминия, о котором мы только что говорили, равен 2,7 г на куб. см. Значит, имея сплавы магния, равные по прочности сплавам алюминия, можно изготовить самолет, на треть более легкий, чем из алюминия.

Да, магний — тоже крылатый металл и сегодняшнего и завтрашнего дня!

Магний — один из распространенных в природе металлов. Земная кора на 2,3 процента состоит из магния. Он входит в состав около 200 минералов из примерно 1500 известных и исследованных. В морской воде содержится 0,14 процента магния. Он является неизбежной составной частью растительных и животных организмов. В некоторых видах морских водорослей он составляет до 3 процентов по весу, в известковых губках — до 4 процентов. Магний входит в состав хлорофилла и таким образом участвует в великой реакции образования органических веществ. Ученые подсчитали, что только в хлорофилле земных растений содержится около 100 млрд. тонн магния. Недостаток магния в почве вызывает тяжелые заболевания растений, в пище — болезни животных.

Магний поистине вездесущ, запасы его неисчерпаемы, но в течение длительного времени он не находил себе широкого применения. Только в 20-х годах, всего лет 35 назад, впервые использовали его в сплавах.

В 1937 году производство магния достигло 20 тысяч тонн, в 1940 — перевалило через 35 тысяч тонн, а в 1943 — превысило 250 тысяч тонн. Причем в этих цифрах не учитывается производство магния в Советском Союзе.

Большая часть металлического магния идет на производство сплавов, ибо в чистом виде магний как конструкционный металл применяться не может: он слишком мягкий и непрочный.

Есть такое понятие — удельная прочность. Это отношение предела прочности на разрыв к удельному весу материала. Мы уже проводили сравнение по удельной прочности, когда сравнивали сплавы алюминия и сталь. Сплавы магния по удельной прочности приближаются к дюралюминию.

Применение магниевых сплавов понижает вес деталей на 20–30 процентов по сравнению с алюминиевыми и на 50–75 процентов по сравнению с чугуном и сталью.

Наибольшее применение имеют магниевые сплавы, содержащие до 11 процентов алюминия, 4 процентов цинка и 2,5 процента марганца. Алюминий и цинк в этом содружестве металлов увеличивают прочность сплава, а марганец резко повышает его антикоррозийную способность. В некоторые сплавы магния вводят литий, бериллий, кальций, кадмий, церий, титан и т. д. Одни из этих добавок увеличивают жаростойкость сплавов, другие повышают пластичность, понижают окисляемость и т. д. Вредным считается присутствие железа, кремния, меди и никеля. Присутствие этих элементов снижает механические свойства сплавов, уменьшает сопротивляемость коррозии.

Как и сплавы алюминия, магниевые сплавы делятся на две большие группы — используемые для литья и применяемые после обработки давлением.

Наиболее часто встречаются литые магниевые изделия.

Работа со сплавами магния очень своеобразна. Так, например, расплавленные сплавы этого металла при соприкосновении с воздухом загораются, поэтому и плавку и литье приходится вести под слоем шлака. Однако мнение, распространенное довольно широко, что изделия из магниевых сплавов вообще огнеопасны и могут загораться от случайных причин, не соответствует действительности.

Да, распыленный в воздухе порошок магниевого сплава взрывоопасен. Поэтому, ведя шлифовку или полировку магниевых изделий, надо следить, чтобы хорошо работали пылеотсасывающие устройства. Да, опасна в пожарном отношении и стружка магниевого сплава. Но изделие из сплава магния можно поджечь, только расплавив его. Да и это нелегко сделать: большая теплопроводность сплава обеспечит быстрое охлаждение нагреваемого места.

Магниевые сплавы — это новые возможности еще уменьшить вес и увеличить грузоподъемность самолета, железнодорожного вагона, автомобиля, поэтому применение их все растет.

Во многих странах ведутся интенсивные поиски лучших по качеству сплавов магния. И все-таки работы в этой области еще только начаты. Еще не открыт тот лучший состав сплава, который станет классическим. Еще неизвестны ни легирующие примеси, которые войдут в его состав, ни процентное соотношение этих примесей, ибо еще не построены многие двойные и тройные диаграммы состояния сплавов магния с другими элементами.