Путешествие в Страну элементов

Его Величество Железо

Казалось бы, какое несовременное выражение: в наш век величать железо отжившим, устаревшим королевским титулом! И все-таки это имеет смысл. Только величие железа — это не мнимое величие напыщенного и недоступного монарха, а величие поистине вездесущего труженика, безусловно заслуживающего самого высокого уважения.

Без железа не было бы цивилизации. Без железа была бы невозможна жизнь животного мира нашей планеты. Оно обнаружено в крови почти всех животных (за единичными исключениями). Трехвалентное железо входит в состав сложного соединения гемина, которое в сочетании с белком глобином образует гемоглобин — вещество, способное обратимо присоединять кислород и затем отдавать его всем тканям организма, обеспечивая их дыхание. Присутствие железа в крови, между прочим, объясняет ее красный цвет. Особенно яркий цвет имеет гемоглобин, насыщенный кислородом (оксигемоглобин), поэтому артериальная кровь — ярко-красная в отличие от более темной венозной крови. Общее содержание железа в организме человека очень невелико — около 3 граммов (всего 0,004 процента веса тела).

Любопытно, что в состав крови некоторых червей входит двухвалентное железо. Цвет такой крови — зеленый.

Небольшие количества железа необходимы и для жизнедеятельности растений.

Что такое железо?

На первый взгляд это абсурдный вопрос, ведь всякому ясно, что железо вездесуще. Однако с точки зрения химии этот вопрос не так уж нелеп. Ведь железо, с которым имеет дело техника, — это, как правило, не химически чистый металл. Оно всегда содержит примеси и потому значительно отличается по свойствам от чистого железа. Самая главная примесь в техническом металле — углерод (мы не говорим о специально получаемых сплавах железа — о них речь будет ниже). Количество углерода в металле обусловливает в значительной степени его свойства. Металл с содержанием углерода до 0,2 процента называется ковким железом. Оно довольно мягко, легко куется, вытягивается. Из такого металла делают, например, жесть, гвозди, проволоку. Содержание углерода в металле в пределах от 0,2–1,7 процента отвечает разным маркам стали. Она тверже, прочней ковкого железа, упруга и хорошо поддается механической обработке. Если углерода в металле больше чем 1,7 процента — это чугун.

Химически чистое железо, железо в строгом смысле слова, видели, вероятно, немногие из вас. Получают его электролитическим путем или восстановлением чистых окислов железа водородом при нагревании. Такое железо куется и в монолитных кусках при обычных условиях не окисляется. На примере железа отчетливо видно, насколько тесно химическая активность связана со степенью чистоты металла. Но это еще не все. Любой химик в самой простой лаборатории может легко приготовить химически чистое железо, которое не только будет окисляться на воздухе, но и… сгорит, как порох. Например, при нагревании щавелевокислой соли двухвалентного железа выделяется чистый металл по реакции: FeC₂O₄ = Fe + 2CO₂, причем крупинки железа имеют размеры около пяти микрон. Вот эти-то маленькие крупинки и способны окисляться на воздухе так быстро, что даже загораются. Почему это происходит? Одна из причин в том, что такие мелкие крупинки имеют огромную общую поверхность соприкосновения с воздухом. Кроме того, малые размеры крупинок мешают образованию правильных устойчивых кристаллических структур. Такую внутреннюю неустойчивость и «использует» кислород.

Интересно, что получение правильно образованных кристаллов изменяет в невероятных масштабах и механические свойства металла. Так, проволока из обычного железа сечением в 1 квадратный миллиметр выдерживает груз в 20 килограммов. А если бы удалось получить совершенно правильный кристалл железа сечением в квадратный миллиметр, то он обладал бы фантастической прочностью и выдержал бы груз в 10 тысяч килограммов. И это в то время, когда специальные стали обладают прочностью около 400 кг/мм².

К сожалению, пока еще не научились получать большие кристаллы такого бездислокационного железа с совершенно правильной структурой.

Железо — один из самых распространенных на Земле элементов: на его долю в земной коре приходится 4,2 процента. Это очень много. Железо земной коры весит 755 000 000 миллиардов тонн, но лишь неизмеримо меньшее его количество доступно человеку; большая часть металла находится в рассеянном состоянии. Запасы его, пригодные для использования, составляют, по некоторым оценкам, примерно 20 000 000 миллиардов тонн.

Человек использует железо, сконцентрированное в месторождениях. Благодаря своей значительной химической активности железо не встречается в свободном, самородном состоянии, как, например, золото. Месторождения железа — это скопления его химических соединений с другими элементами (чаще всего с кислородом). Вот главные рудные минералы железа: магнетит, имеющий состав FeO·Fe₂O₃ (содержит до 72,4 процента чистого железа), обладающий, как показывает его название, магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк Fe₂O₃ (до 70 процентов железа). Название этого минерала произошло от греческого корня «гема» — кровь. Интересно, что русское слово «руда», по-видимому когда-то применявшееся лишь к месторождениям железа, родственно слову «рдеть» — быть ярко-красным — и украинскому слову «рудый» — рыжий. Бурые железняки имеют состав Fe₂O₃·Fe(OH)₃ и содержат до 62 процентов железа. В месторождениях встречается также сидерит FeCO₃, в котором 48 процентов железа. Конечно, всякая руда содержит более или менее значительные количества пустой породы и примесей других минералов, иногда представляющих большую ценность. Это обстоятельство вносит существенные поправки в металлургические процессы.

Наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд. Многие из них отличаются высоким качеством. Так, если в мировой добыче магнетиты составляют лишь 9,5 процента, то в СССР на их долю приходится до 40 процентов при содержании железа около 65 процентов (горы Высокая, Магнитная и Благодать на Урале, Соколовско-Сарбайское месторождение в Зауралье). Керченское месторождение содержит бурый железняк. Хотя железа в нем не так уж много (40 процентов), в керченском железняке высокий процент ванадия. Бурые железняки, в которых содержатся еще и никель, хром, ванадий, составляют Халиловское месторождение. Крупнейшее месторождение гематитов — Криворожское — состоит из богатых руд (50–70 процентов железа) при малом содержании серы (меньше 0,1 процента) и фосфора (0,01–0,1 процента).

К числу замечательных кладов природы принадлежит уникальное месторождение железных руд — Курская магнитная аномалия (КМА). Железа здесь по крайней мере вдвое больше, чем во всех месторождениях мира, вместе взятых. Выявленные до сих пор запасы КМА составляют около 10 триллионов тонн, в том числе до 40 миллиардов тонн богатых руд, использование которых уже начато. Чтобы подчеркнуть грандиозность этих цифр, скажем, что даже при условии непрерывного роста выплавки чугуна и стали в нашей стране запасов КМА может хватить на тысячелетие! Правда, многие месторождения КМА расположены глубоко, значительные количества руды нуждаются в обогащении. Много еще предстоит сделать для освоения КМА. У нее большое будущее.

Итак, железо в рудах находится в соединении с кислородом. Значит, чтобы выделить свободное железо, нужно отнять кислород у окисла, восстановить его. В этом и заключается суть, смысл доменного процесса. Процесс этот, в общих чертах знакомый каждому школьнику, ведется в огромных стальных доменных печах, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. В такую печь сверху слоями загружают шихту (по-немецки слово «Schicht» как раз и означает «слой»), состоящую из специально приготовленного угля — кокса, руды и специальных добавок — флюсов (от немецкого «fliessen» — «течь»), или плавней. Флюсы — это известняк CaCO₃, или доломит, содержащий до 10 процентов магния. Иногда — в зависимости от состава руды и угля — применяют кремнекислые флюсы, состоящие из кварцита или песка SiO₂. Флюсы нужны, чтобы связать примеси в легкоплавкие силикаты, которые легко отделяются от металла.

Когда домна загружена, ее «задувают», пускают в ход, после чего она действует в течение нескольких лет. Ведь шихту можно загружать в домну много раз по мере выпуска чугуна и шлаков через специальные отверстия в нижней части печи — горне.

А откуда такое выражение — «задуть домну»? Очень просто: процесс восстановления руды протекает так: в домну все время внизу, через специальные отверстия — фурмы — вдувается горячий (600–800 градусов) воздух. Находящийся в печи кокс сгорает, давая в конечном счете окись углерода СО. В горне домны поддерживается высокая температура, около 1800 градусов. Это больше, чем нужно для плавления не только чугуна (около 1200 градусов), но и чистого железа, которое плавится при 1536 градусах. Вверх по оси домны температура постепенно снижается до 300 градусов у колошника, где производится загрузка очередной порции шихты (колошей и называют одну порцию шихты, состоящую из слоев руды, кокса и флюсов). То, что в разных областях домны поддерживается разная температура, очень важно, так как та или иная реакция протекает при своей температуре. Каковы же они?

В области температур около 600–700 градусов начинается восстановление окислов железа окисью углерода:

Последняя реакция — восстановление окиси железа коксом — происходит уже при температуре около 1000 градусов, в более низких областях домны. Здесь же флюсы образуют с примесями шлаки:

Легкие шлаки всплывают на поверхность расплавленного металла. Их время от времени сливают, а расплавленный металл остается ниже слоя шлаков. Очень существенно, что слой шлаков защищает металл от обратного окисления тем воздухом, который вдувают в домну для поддержания процесса. Таким образом, шлаки не просто отходы производства; они активно участвуют в процессе.

Примеси, содержащиеся в руде в виде окислов, также частично восстанавливаются:

Первые две реакции требуют очень большого количества тепла, поэтому чем больше сгорает кокса, тем полнее восстанавливаются марганец и кремний.

Что происходит после восстановления железа? Железо начинает опускаться в нижнюю часть домны. При этом оно не остается неизменным. Температура растет, изменяются кристаллическая структура и свойства железа. Ниже 760 градусов существует так называемое альфа-железо, характеризующееся, в частности, своими магнитными свойствами. При 760–906 градусах существует другая модификация — бета-железо, у которого магнитные свойства отсутствуют (именно поэтому намагниченный предмет перестает быть таковым при нагревании). Выше 906 градусов железо превращается в свою третью модификацию — гамма. Здесь уже и кристаллическая решетка другая, а главное — гамма-железо способно растворять углерод.

Вот при этих-то условиях железо, едва успев родиться… перестает быть железом. Находясь в тесном контакте с коксом, железо науглероживается и превращается в чугун — продукт доменного производства. Кремний, марганец, фосфор и сера, частично восстановленные одновременно с железом, также растворяются в железе и потому входят в состав чугуна.

В общих чертах этот процесс известен людям давно, но до сих пор не исчерпаны еще все возможности его совершенствования. В частности, как известно, в домну вдувают воздух, необходимый для сгорания кокса. Необходимый? Но ведь для горения нужен только кислород, составляющий 21 процент всего объема воздуха. А 78 процентов составляет азот, являющийся, таким образом, «бесплатным приложением».

Впрочем, далеко не бесплатным. Воздух приходится предварительно нагревать до 600–800 градусов. Для этого строят специальные нагреватели — кауперы. Иначе нельзя: если воздух не нагреть, азот унесет с собой большую часть тепла, выделившуюся при сжигании кокса. Без кауперов можно обойтись, если вдувать в домну не обычный воздух, а газовую смесь, обогащенную кислородом. Тогда процесс идет более интенсивно.

Часть выплавленного чугуна используется для отливки различных тяжелых частей машин — маховиков, станин — и для других целей. Но основная масса чугуна перерабатывается на сталь. Для этого известны два основных метода — конверторный, или бессемеровский, и мартеновский.

При бессемеровании чугун заливают в специальные гигантские «реторты» — конверторы, выложенные огнеупорными силикатными плитками, и снизу продувают сильной струей воздуха. Что при этом происходит? Прежде всего окисляется само железо: 2Fe + O₂ = 2FeO. Образовавшаяся закись может отдавать свой кислород примесям, окисляя их и выделяя снова чистое железо. Но часть FeO теряется за счет образования шлака: FeO + SiO₂ = FeSiO₃. Кроме того, если FeO образовалась в больших количествах, то, растворяясь в жидком металле, из которого примеси выгорели и потому не могут восстановить, «раскислить» FeO, — эта примесь может резко ухудшить свойства стали.

Процесс выгорания примесей можно представить в виде уравнений:

Все эти реакции сопровождаются выделением тепла, поэтому при продувании конвертора металл не только не охлаждается, но еще более разогревается. Образовавшиеся окислы ошлаковываются. При этом, конечно, частично разрушается обкладка (футеровка) конвертора, состоящая из кремнезема SiO₂: MnO + SiO₂ = MnSiO₃. В конце процесса для удаления остатков FeO в конвертор добавляют раскислитель — ферромарганец или ферросилиций.

Процесс проходит очень быстро, за 15–20 минут. Однако это не только преимущество, но и недостаток, так как процесс трудно регулировать. Кроме того, как ясно из приведенных реакций, часть железа выгорает (до 10 процентов).

Сначала конверторный способ имел еще один существенный недостаток: кислая обкладка конвертора связывала лишь основные окислы и потому не способствовала удалению из металла фосфора, окисленного до P₂O₅, — ведь пятиокись фосфора тоже кислотный окисел. Поэтому полученная из фосфористых чугунов сталь была ломкой. Позже для переработки на сталь таких чугунов стали использовать конверторы с обкладкой из основных окислов, а также добавлять в конвертор до 12–15 процентов извести. Основные окислы CaO и MgO связывают P₂O₅ в виде фосфатов Ca и Mg. Такой вариант конверторного процесса назван по имени его автора томасовским. Томасшлак, состоящий из фосфатов, — ценное удобрение.

При мартеновском методе примеси выжигаются не только за счет кислорода, который проходит над расплавленным металлом, но и за счет кислорода, содержащегося в окислах железа, добавляемых к чугуну в виде чистой железной руды или так называемого скрапа — железного лома. Необходимое тепло получают сжиганием в мартене горючего газа в смеси с воздухом. Процесс идет несколько часов и поддается точному регулированию, позволяет вносить необходимые добавки в получаемую сталь.

Химические процессы в мартеновской печи похожи на происходящие в конверторах. В конце плавки в металл добавляют рассчитанное количество раскислителя — ферромарганца для восстановления железа из его закиси.

Мартеновский процесс позволяет получать металл с содержанием чистого железа до 99,95 процента.

И в мартеновский процесс применение кислородного дутья внесло существенные изменения. Печь стала работать интенсивнее, быстрее. Как подсчитали ученые, внедрение кислорода в мартеновский процесс позволит в течение семилетки только на существующих мартеновских печах получить дополнительно 8 миллионов тонн стали.

И, наконец, еще одно обстоятельство. Вдумайтесь в цифры семилетнего плана: в 1965 году у нас в стране будет выплавляться 67–70 миллионов тонн чугуна и 86–91 миллион тонн стали. Мы знаем, что весь чугун, за исключением той части, которая используется непосредственно для отливки необходимых изделий из чугуна, перерабатывается в сталь. Но ведь тогда выплавка стали в лучшем случае должна быть равна выплавке чугуна. А стали намечено выплавить на 10 миллионов тонн больше. В чем же тут дело? В том, что мартеновский процесс позволяет возвратить к жизни миллионы тонн ржавого, старого железа, которое называется «железный лом». Вот и выходит, что сбор железного лома — очень серьезное и важное государственное дело.

Какой же способ получения стали лучше? Мы уже видели, что каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны. Главным недостатком конверторного способа было то, что он давал менее качественную сталь. Ведь чугун продували воздухом, и значительные количества азота растворялись в металле, резко ухудшая его качество.

Сейчас в нашей стране работают несколько конверторных цехов, использующих для выжигания углерода и кремния из чугуна не воздух, а кислород. Теперь конверторная сталь по качеству приближается к мартеновской. Стоимость ее значительно ниже. По производительности же один конвертор на 35 тонн стали равен мартеновской печи, рассчитанной на 800 тонн: ведь он дает до 50 плавок в сутки, а мартен — только две.

Справедливо было бы поставить вопрос: а нельзя ли из руды получать прямо железо и сталь, а не чугун? Это не новый и очень интересный вопрос. Еще в 1899 году Менделеев писал, что придет время «опять искать способов получения железа и стали из руд, минуя чугун». «А почему „опять“?» — спросите вы. Когда-то первые металлурги получали железо из смеси руды с древесным углем. Воздух подавали с помощью обычных мехов. Полученное железо дополнительно обрабатывали на наковальне.

В этих условиях восстановление руды шло медленно, металл не плавился и потому не насыщался углеродом. Однако этот процесс проводили лишь с небольшими количествами руды, причем он был периодическим: готовый металл нужно было извлечь, снова загрузить шихту и только после этого начинать нагревание.

Для больших масштабов производства этот способ не годился и был вытеснен доменным, при котором восстановление руды идет непрерывно, а получаемый металл жидок и потому легко удаляется из печи без остановки ее работы.

В наше время принцип прямого получения железа из руды возрождается, но на более высоком техническом уровне. Вспомним, что железо становится чугуном потому, что в печи имеется избыток углерода сверх того количества, которое нужно для восстановления руды. Кроме того, в печи металл плавится, что способствует науглероживанию железа. Если брать кокса ровно столько, сколько нужно для восстановления руды, а нагревать шихту до нужной температуры электрическим током, проходящим через вмонтированные в печь электроды, то и получится так называемая электродомна. Отходящие горячие газы возвращаются снова в электродомну, что позволяет экономить тепло. Такая печь дает не чугун, а чистое железо. Но стоит оно пока что дорого из-за высокой стоимости электроэнергии. Для прямого получения железа из руд разработаны и другие методы.

Сам доменный процесс в его нынешнем виде и весь металлургический цикл непрерывно совершенствуются. Их внутренние резервы далеко не исчерпаны. В будущем работу домны не только механизируют, но и автоматизируют, включая автоматизацию расчета состава шихты на основе анализа сырья и заданных заранее условий процесса. Полная автоматизация — вот будущее доменного процесса и обработки металла на всем его пути от руды до готового изделия.

Мы часто приводим цифровые данные о составе стали или чугуна. Они позволяют оценить механические свойства будущих изделий. Точный и быстрый анализ металла необходим и в мартеновском цехе, так как от состава металла и от количества в нем тех или иных примесей зависит ход процесса и количество необходимых присадок (добавок).

Как же анализируют сталь?

Для определения углерода в стали навеску ее подвергают своеобразному «бессемерованию» — сжигают в специальном приборе в атмосфере кислорода при 1000–1100 градусах. При этом углерод полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ. Углекислый газ улавливают специальным поглотителем, например аскаритом, то есть асбестом, пропитанным едким натром: 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O.

Увеличение веса поглотителя при этом показывает, сколько CO₂ выделилось при сжигании известной навески стали, и позволяет вычислить процент углерода в стали.

Для определения марганца есть несколько методов. Например, можно растворить навеску стали в кислотах и, добавляя окислители, превратить находящийся в растворе двухвалентный марганец в ион перманганата: Mn²⁺→MnO₄^–. Как известно, растворы перманганата окрашены. Поэтому исследуемый раствор в специальном приборе колориметре сравнивают по окраске с таким раствором, в котором количество MnO₄^– известно заранее. Так можно определить содержание Mn в навеске.

Для определения серы навеску стали растворяют в концентрированной азотной кислоте. При этом сера окисляется и переходит в раствор в виде ионов SO₄^2–. При добавлении хлорида бария вся сера осаждается в виде нерастворимой соли BaSO₄, взвешиванием которой и определяют количество серы во взятой навеске и процент серы в металле.

Существуют достаточно точные и быстрые методы, позволяющие узнать содержание в стали фосфора и кремния, а также всех других примесей.

Сведений о составе стали недостаточно для оценки ее свойств; нужно знать также структуру металла. В металлургии широко применяется так называемый физико-химический анализ, сущность которого в определении зависимости свойств металла от его состава. Полученные данные наносят на бумагу в виде графиков, называемых диаграммами состояния. Например, можно составить диаграмму плавкости сплавов железа с углеродом, которая покажет, как меняется температура плавления металла в зависимости от содержания в нем углерода. На такой диаграмме на основании опытных данных можно выделить области температур и состава, в которых могут существовать те или иные вещества или их модификации, например Fe₃C, альфа- или гамма-железо и т. д.

Когда такая диаграмма составлена, по ней легко можно проследить, какие изменения происходят в металле при его охлаждении и какими взаимными переходами связаны различные вещества, входящие в структуру металла. Физико-химический анализ, создателем которого был знаменитый русский ученый Н. С. Курнаков, широко используется для изучения свойств сплавов.

Мы уже говорили, что чем меньше и компактнее зерна внутренней структуры металла, тем выше его прочность. Внутреннюю кристаллическую структуру металла изучают, например, под микроскопом. Для этого поверхность образца полируют и на полученный шлиф действуют различными химическими веществами (так называемое травление).

Если металл неоднороден, то разные его составные части по-разному будут разрушаться при травлении, а это обнаружится при микроскопическом исследовании. Понятно, для таких металлографических исследований нужен специальный микроскоп, работающий в отраженном свете, так как металл непрозрачен. Ценные данные позволяет получить и рентгенографический метод исследования.

Без точных научных методов исследования металлов, сплавов и их свойств было бы немыслимо получение материалов с нужными, заранее заданными свойствами.

Вернемся снова в мартеновский цех. Плавка закончена, в мартене ослепительно сияет расплавленный металл. Лабораторный анализ показал, что сталь заданного состава готова. Кажется, можно облегченно вздохнуть: долгий и трудный путь железа от руды до готового металла закончен. Но не тут-то было! Готовую сталь разливают в изложницы и оставляют для охлаждения.

Что происходит при этом?

Сталь при охлаждении уменьшается в объеме, «усаживается». В результате в верхней части слитка образуется усадочная раковина. Ясно, что металл с такой раковиной «работать» не может, поэтому верхнюю часть слитка срезают и отправляют в переплавку.

При охлаждении стали в изложнице кристаллизация металла происходит неравномерно, слиток получается неоднородным: возле стенок изложницы кристаллы получаются мелкие, а в более глубоких слоях, где охлаждение происходит медленнее, зерна металла бывают более крупными. Чтобы устранить неоднородность и улучшить механические свойства металла, слитки приходится дополнительно обрабатывать, обжимать.

Нагретые до 1100–1200 градусов слитки поступают на блюминги и слябинги. Здесь раскаленный слиток обжимается между валками, расстояние между которыми постепенно уменьшается. Металл слитка при этом уплотняется, перемешивается. Специальное приспособление перемещает слиток, переворачивает его с боку на бок. В конце концов слиток выходит из «железных объятий» блюминга в виде бруса квадратного сечения, который разрезается на отдельные куски — блюмы. На слябингах одна пара обжимных валков установлена вертикально, другая — горизонтально. Поскольку диаметр валков для каждой пары свой, то слиток на слябинге превращается не в брус, а в пластину, которую разрезают на слябы.

Как мы видим, прежде чем отправить сталь на дальнейшую обработку, приходится выполнить последовательно две операции — разливку и охлаждение стали в изложницах и затем обработку слитков в обжимных цехах.

А нельзя ли объединить каким-то образом эти две операции? Оказывается, можно.

В нашей стране уже работают установки для непрерывной разливки стали. Здесь сталь заливается в кристаллизатор — изложницу с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Проходит несколько минут, и наружный слой стали затвердевает. После этого специальный механизм вытягивает слиток из кристаллизатора вниз. Сверху поступают новые порции расплавленного металла, которые давят на расположенные ниже слои и не дают образоваться усадочной раковине. Таким образом, получается нечто похожее на один длинный слиток. Пока первые порции стали доходят до конца системы, металл полностью затвердевает. Полученный слиток однороден, резко уменьшаются отходы. Из установки после разрезания слитка выходят уже готовые блюмы.

В наше время научная мысль и практика металлургии дают и другие способы улучшения структуры металла. На очереди стоит широкое внедрение вакуумной разливки стали. При этом растворенные в расплавленном металле газы удаляются и структура стали улучшается.

Полученные блюмы и слябы поступают на прокатные станы. Здесь раскаленный металл проходит через систему валков различной формы и выходит со стана в виде проката нужного профиля. Сталь также обрабатывается на различных станках, которые и делают стальные изделия такими, какими мы привыкли их видеть.

«Ну, наконец-то путь железа подходит к концу!» — скажете вы. Не торопитесь! Очень часто полученное изделие еще не может «работать».

Давайте посмотрим, какие требования предъявляет жизнь к изделиям из металла. Понятно, что эти требования очень разнообразны и зависят от назначения детали и от условий ее работы.

По каким свойствам можно судить о качестве металла? Критериев качества несколько. Вот важнейшие из них: твердость, прочность на разрыв, пластичность, упругость, ползучесть (способность изменять форму даже под влиянием небольших, но действующих длительное время нагрузок). Наконец, очень важным свойством является выносливость металла, способность его выдерживать в течение долгого времени нагрузки, меняющиеся по величине и направлению. Коленчатый вал двигателя имеет сложную форму и работает очень напряженно: за один только сельскохозяйственный сезон коленчатый вал тракторного двигателя поворачивается в среднем 50 миллионов раз. Тут и металл устанет! Поэтому важно бывает оценить предел выносливости металла — ту нагрузку, которую деталь может выдерживать сколько угодно раз, не разрушаясь.

Конечно, для разных деталей на первый план выступает тот или иной критерий, самый главный среди прочих. Ниже мы еще будем говорить о специальных сталях, содержащих добавки других элементов, позволяющие в широких пределах менять свойства стали. Но оказывается, что и простые углеродистые стали или чугуны могут после специальной обработки иметь разные свойства при одном и том же составе.

Всем известна закалка стали, пример термической обработки металла. Стальное изделие нагревают до температуры около 900 градусов. При этом структура металла перестраивается, и в конце нагревания он представляет собой смешанные кристаллы гамма-железа и карбида железа Fe₃C. Это так называемый аустенит. Затем сталь опускают в холодную воду. В результате быстрого охлаждения аустенит распадается, давая чрезвычайно твердый мартенсит. Таким образом сталь закалилась.

Но при быстром охлаждении в структуре металла создались внутренние механические напряжения, увеличивающие хрупкость стали. Поэтому закаленное изделие нужно отпустить, нагрев его снова, но до сравнительно небольшой температуры, при которой структура не менялась бы, но исчезли бы внутренние нагрузки. Температура отпуска зависит от того, что выгоднее сохранить в большей степени — твердость или упругость. Практически стальные инструменты, в которых нам очень важна именно их твердость, отпускают при 100–150 градусах; при изготовлении же пружин или рессор, конечно, важнее их упругость. Поэтому такие изделия отпускают при более высокой температуре — до 250–300 градусов.

Термическая обработка позволяет управлять и свойствами чугуна.

Таким образом, термическая обработка позволяет мобилизовать внутренние резервы прочности металла и, не изменяя его химического состава, менять в ту или иную сторону его свойства. Однако требования к металлическим изделиям со стороны промышленности настолько велики и многообразны, что обойтись только внутренними резервами нельзя. Приходится звать на помощь других членов обширной семьи химических элементов.

Не всегда нужно, оказывается, чтобы свойства стали были одинаковы по всему объему изделия. Например, колеса железнодорожных вагонов или шестеренки различных механизмов должны сочетать в себе два, казалось бы, противоположных качества — вязкость и твердость. Правда, твердой должна быть лишь поверхность таких изделий, самые внешние слои металла, которые как раз и подвергаются максимальной нагрузке и должны противостоять истиранию.

Такие изделия изготовляют из вязкой малоуглеродистой стали, а затем подвергают их поверхность цементации: нагревают готовую деталь в присутствии угля и окиси углерода при 900 градусах. В этих условиях углерод начинает проникать в металл, но происходит это лишь с поверхности. В результате слой металла толщиной в 0,5–2 миллиметра становится твердым при сохранении вязкости внутренних слоев металла.

При нагревании стального изделия до 500 градусов в присутствии аммиака поверхность насыщается азотом. При этом образуется нитрид железа Fe₄N, вещество настолько твердое, что оно делает поверхность очень прочной, хотя толщина этой «брони» совсем невелика. Такой процесс называется азотированием.

Бериллиды железа, образующиеся при нагревании детали в порошке бериллия, не только повышают в 1,5–2 раза прочность стали, но и защищают ее от окисления при высоких температурах. При борировании стали ее прочность возрастает втрое.

Часто для улучшения свойств стали изделия покрывают тонким слоем другого металла. Делать это можно разными путями.

Так, хромировать сталь можно электролитическим путем. При этом толщина образующегося слоя хрома составляет всего 0,005 миллиметра, но этого уже достаточно, чтобы значительно увеличить стойкость изделия.

Никель можно нанести на сталь еще проще: для этого деталь погружают в нагретый раствор солей никеля. Железо, как более активный металл, вытесняет никель, который и осаждается на поверхности детали. Никелированные изделия хорошо работают при повышенных температурах.

Очень тонкие и прочные покрытия можно получить электроискровым методом. Стальное изделие присоединяют к источнику тока, к его поверхности приближают другой электрод, сделанный из металла, который хотят нанести на сталь. Вспыхивает разряд, и мельчайшие частицы металла-защитника начинают распыляться и оседать на поверхности обрабатываемой детали. Этим методом можно наносить на поверхность также углерод и твердые сплавы, причем в последнем случае прочность детали возрастает в десятки раз.

До сих пор речь шла о поверхности стальных изделий и улучшении ее свойств элементами — помощниками железа. Поистине неисчерпаемым арсеналом различных ценнейших свойств обладают многочисленные сплавы на основе железа. Их обычно приготовляют из ковкого железа, добавляя к нему в мартенах или электропечах другие элементы в строго рассчитанных количествах.

Для введения в сталь хрома, молибдена, вольфрама обычно добавляют в печь не сами эти элементы, а их сплавы с железом, так называемые ферросплавы. Феррохром, например, содержит 60 процентов хрома, ферромолибден — до 75 процентов Mo.

Сейчас влияние добавок в сталь тех или иных элементов достаточно хорошо изучено, поэтому часто можно заранее предвидеть, как повлияет на свойства стали та или иная присадка.

Так, добавка в сталь кремния увеличивает ее эластичность, а марганца — вязкость и сопротивление удару.

Сталь, содержащая вольфрам, приобретает необычайную прочность, сохраняющуюся при высоких температурах. А это очень важно, так как при высоких скоростях резания металла резец от трения раскаляется, и если он сделан из обычной стали, то теряет при этом свою твердость. Но для вольфрамовой стали, которую так и называют — «быстрорежущей», такое разогревание не страшно: она по-прежнему остается твердой. В состав такой стали, кроме вольфрама (18 процентов), входит хром (4 процента) и ванадий (1 процент).

Аналогично действует добавка к стали бора. А ниобий делает сталь особенно пригодной для изготовления электродов электросварочных аппаратов: шов при этом получается прочный и чистый.

Совместное присутствие в стали вольфрама, молибдена и ванадия обеспечивает настолько высокую прочность сплава, что его используют для изготовления танковой брони (а также для изготовления головок снарядов, пробивающих эту броню).

Очень интересно влияние ванадия на свойства стали. Роль присадки при этом двояка: карбиды ванадия, включенные в структуру стали при плавке, резко увеличивают ее прочность. Кроме того, ванадий является так называемым модификатором. Что это значит? Дело в том, что ванадий связывает и удаляет из металла в виде шлака растворенные в стали газы — азот и кислород, поэтому сталь приобретает более плотную, мелкозернистую структуру. В результате повышается выносливость изделий.

В качестве модификаторов используют также элементы второй группы периодической системы — магний и стронций. Стронций связывает серу и фосфор, так что содержание этих вредных примесей в стали уменьшается в два-три раза (сера) и в десять раз (фосфор).

Улучшает качество стали и добавка циркония. А хром сообщает стали высокую устойчивость против коррозии. Так, в состав нержавеющей стали входит 18 процентов хрома и 9 процентов никеля. Из такой стали изготовлены многие ответственные детали машин, химической аппаратуры, а также корпуса подводных лодок. Сплав, содержащий 35 процентов никеля и 8 процентов хрома (элинвар), очень упруг, поэтому он используется для изготовления различных пружин, в том числе часовых.

Из других сплавов на основе железа упомянем еще обладающий очень малым коэффициентом расширения сплав инвар, содержащий 36 процентов Ni, 0,5 процента Mn и 0,5 процента С. Такой сплав очень нужен для изготовления точных приборов. Из него можно делать различные эталоны и калибры. Инвар может заменить гораздо более дорогой сплав платины и иридия, обладающий теми же свойствами.

А сплав, содержащий 46 процентов никеля и 0,15 процента С, успешно заменяет дорогостоящую платину, которая когда-то считалась незаменимой во всех случаях, когда нужно было впаять металл в стекло, — ведь у платины и у стекла очень близкие коэффициенты расширения. У нашего сплава, который поэтому и называется «платинит», такой же коэффициент расширения, но значительно более низкая стоимость.

Вы видите, как много у железа помощников. Но иногда железо и его помощники, так сказать, меняются местами. Тогда уже железо служит в качестве добавки к другим металлам. Так, в широко известный сплав нихром, применяемый для изготовления спиралей электронагревательных приборов, железо входит в количестве 16 процентов. Основу же сплава представляют никель (67,5 процента) и хром (15 процентов), как это видно и из названия сплава.

Широко известно замечательное содружество железа с бетоном в железобетонных конструкциях. В них сочетаются положительные качества того и другого материала и в значительной степени устраняются те недостатки, которыми обладают бетон и железо в отдельности.

Много у железа друзей. Но есть у него и враги. Нельзя не вспомнить, что сера и фосфор резко ухудшают свойства металла, делая его ломким. Справедливости ради отметим, что небольшие количества фосфора в чугуне даже полезны, так как улучшают литейные качества чугуна. Врагами железа являются агрессивные химические вещества. Химические воздействия окружающей среды, разрушающие металл, называют коррозией. Коррозия — страшный бич техники, ведь она уносит ежегодно до 35 процентов всего добытого за это же время металла!

Что является причиной коррозии? В воздухе всегда находится некоторое количество CO₂, а также кислородных соединений серы, образующихся при сгорании топлива. Это наряду с действием влаги и кислорода приводит к разрушению железных кровель, железных дымовых труб и т. д. Это пример газовой коррозии. Такая коррозия разрушает железные предметы на химических предприятиях, на которых воздух содержит следы таких активных веществ, как хлористый водород, окислы азота.

Разумеется, в еще большей степени корродируют стальные трубы, по которым на химических предприятиях транспортируются различные агрессивные жидкости. Из-за этой химической коррозии приходится такие трубы делать из специальных материалов: из различных сплавов, из пластмасс и т. д.

Самый жестокий враг железа — это всем известная «безобидная» вода. Наибольшее количество железа уносит именно влажная коррозия, происходящая при контакте металлических предметов с водой или с водяными парами. Сущность ее состоит в вытеснении водорода из воды железом:

Такая реакция похожа на реакцию железа с кислотами, но, конечно, кислоты, диссоциируя в растворах, дают значительно больше ионов водорода, поэтому химическая коррозия идет гораздо быстрее.

Как и в случае других химических реакций, коррозия будет идти быстрее, если образовавшиеся продукты реакции связывать какими-либо способами. Понятно, что углекислый газ, связывая ионы железа, способствует коррозии:

Такую же роль играет и кислород воздуха, который, связывая выделяющийся при коррозии водород, способствует ей. Кроме того, кислород, снимая водород, защищающий поверхность железа (деполяризация), таким путем также ускоряет коррозию. Наконец, кислород окисляет двухвалентное железо до трехвалентного. Общий результат процессов, протекающих при влажной коррозии, можно выразить уравнением:

Таким образом, ржавчина представляет собой водную окись железа.

Почему же химически чистое железо гораздо устойчивее к коррозии, чем обычный технический металл? Это станет понятно, если мы будем рассматривать коррозию как процесс электрохимический.

Вспомним, что при контакте двух металлов, отличающихся между собой по легкости отдачи валентных электронов, то есть по активности, возникает разность потенциалов, причем менее активный металл становится электроотрицательным, а более активный — электроположительным. Если в воде есть хотя бы небольшое количество электролитов, в ней образуется гальванический элемент: водород выделяется на менее активном металле, а более активный металл разрушается. Чистые же металлы не образуют гальванических микроэлементов, поэтому они и устойчивее.

Однако гальванический микроэлемент образуют не только два металла. Так, при ржавлении обычной углеродистой стали образуется гальванический микроэлемент, в котором железо служит катодом и потому разрушается, а роль анода выполняет карбид железа — цементит. Гальванический микроэлемент может образоваться и в том случае, если на поверхности металла есть загрязнения: пыль, кусочки угля и т. п.

Известно, что для защиты железа от коррозии изделие покрывают цинком (цинкуют) или оловом (лудят). При нарушении защитного слоя (царапины, трещины и т. п.) процессы коррозии идут по-разному. В первом случае разрушается цинк — ведь он более активен, чем железо, а во втором — железо, так как олово менее активный металл.

По той же причине при нарушении никелевых покрытий разрушается также железо, а менее активный никель сохраняется. В этом отношении красивые никелированные изделия-«аристократы» явно проигрывают перед обычными, совсем не блестящими оцинкованными ведрами…

Поскольку для образования гальванического микроэлемента нужен раствор электролита, то особенно интенсивно идет коррозия в соленой морской воде, ведь в ней растворено много солей. Но даже в относительно чистую дождевую воду из запыленного воздуха попадает достаточно веществ, чтобы обеспечить образование гальванической пары, а значит, и коррозии.

Процессы коррозии, с которыми мы лишь коротко познакомились, чрезвычайно сложны. Поэтому, несмотря на усилия большого числа ученых, многое в ней еще не выяснено, и существующие теоретические положения нередко являются спорными. Но наука непрерывно развивается, с каждым днем накапливаются все новые и новые данные, которые позволяют все правильнее и точнее представить себе процессы, происходящие при коррозии, и научиться управлять ими.

Каковы же средства защиты от коррозии? Прежде всего нужно стремиться к получению однородной поверхности. Полированные поверхности подвержены коррозии в минимальной степени, ведь на них мало механических неоднородностей, способствующих неравномерному окислению и образованию гальванических микроэлементов. По той же причине следует очищать изделия от пыли.

Там, где это возможно, нужно предохранять металл от попадания на него влаги. Простейший способ такой защиты — смазка железных предметов маслами, слой которых не пропускает к поверхности влагу и кислород. Часто изделия из железа красят, или лакируют, или, как мы уже говорили, лудят, цинкуют, никелируют.

Мы уже знакомы и с хромированием стали. Устойчивость хромированных изделий против коррозии объясняется тем, что хром очень быстро покрывается на воздухе тончайшим слоем плотной и однородной окиси Cr₂O₃, которая не пропускает к металлу влагу и кислород и потому надежно пассивирует его.

К сожалению, окислы самого железа пассивируют металл, лишь если они получены в специальных условиях. Как правило же, окислы на поверхности железа настолько рыхлы, что не препятствуют дальнейшему ржавлению.

При длительном нагревании металлических изделий в концентрированном растворе селитры со щелочью поверхность их темнеет вследствие образования защитной пленки окисла. Такой процесс пассивирования железа называют воронением. Очень прочные защитные пленки получаются при фосфатировании поверхности фосфатами железа и марганца.

Изучив электрохимические процессы, происходящие при ржавлении, люди нашли остроумные методы борьбы с коррозией. Например, если у днища судна закрепить цинковую пластину и соединить ее с корпусом, то, как мы уже знаем, цинк будет растворяться, а стальной корпус останется невредимым.

Упорные поиски ведутся для того, чтобы найти вещества, замедляющие коррозию, отрицательные катализаторы коррозии (ингибиторы). Такими веществами служат, например, хромат натрия и органические вещества формалин и уротропин. Проблема борьбы с коррозией продолжает оставаться важнейшей научной проблемой и привлекает к себе большие научные силы.

Железо знакомо человеку с глубокой древности, однако лишь сравнительно недавно люди научились использовать не только «готовое» железо, попадавшее на Землю в виде метеоритов из космоса, но и выплавлять его из руды. Введение изделий из железа в трудовую практику людей вместо меди и бронзы произвело такой значительный переворот, что большой период в жизни человечества назван «железным веком».

Время, в которое мы с вами живем, часто называют веком пластмасс, иногда — веком алюминия, но уже редко говорят «век железа». А напрасно!

Судите сами. Подсчитано, что за всю историю человечества люди извлекли из недр Земли несколько миллиардов тонн железа. И большая часть этого количества поставлена на службу человеку в течение последних ста лет.

За это время люди стали использовать много новых материалов, в том числе алюминий, титан, вольфрам, ванадий, пластические массы и т. д. Но в то же время с каждым годом увеличивается и производство железа. Если в 1900 году во всем мире было получено около 42 миллионов тонн железа, то в 1940 году — уже 105 миллионов тонн. А лет через 7–8 такое количество железа будет давать одна только наша страна. Ведь уже в 1965 году семилетний план предусматривает выплавку в нашей стране до 91 миллиона тонн стали.

Программа коммунистического строительства, принятая XXII съездом Коммунистической партии, намечает довести выплавку стали в 1980 году до 250 миллионов тонн. Много ли это? Судите сами: каждую минуту промышленность будет давать около 500 тонн стали — 100 тракторов в минуту!

Конечно, царство железа сужается с введением в технику новых материалов. И это закономерно: каждый материал должен работать с максимальной пользой именно там, где это целесообразно. В воздух железо «не пустят» алюминиевые и магниевые сплавы. И в космосе, по-видимому, железо будет встречаться, как и тысячи лет назад, лишь в виде метеоритов; для создания космических кораблей железо, по-видимому, не годится по своим свойствам. Да и на Земле у железа сейчас много соперников: в ряде изделий его заменяют алюминием и пластмассами. Большие перспективы перед недавно освоенными металлами: титаном, который, в частности, гораздо меньше боится коррозии и потому «живет» более ста лет; ванадием, бериллием и другими, — о них будет речь в следующей главе.

Но при всех своих неоспоримых преимуществах все эти металлы имеют один важнейший недостаток: они дороги, и их добыча выражается в цифрах, которые трудно сравнивать с теми же цифрами для железа, — так, ванадия добывается сейчас примерно в 20 тысяч раз меньше, чем железа, и лишь в 5 раз больше, чем золота. А 90 процентов всей добычи вольфрама используется для выплавки стали на основе железа, так как иначе изделия из него были бы непомерно дороги.

В настоящее время на долю железа приходится 94 процента общего количества используемых в технике металлов. Все это позволяет утверждать, что техника еще долго будет развиваться по пути разумного сочетания новых материалов со старым и испытанным металлом — железом.

И люди всей нашей планеты хотели бы лишь в одной области своей жизни уже сегодня покончить с железом и его спутниками раз и навсегда, хотели бы, чтобы все грандиозное количество железа, которое ежегодно расходуется на производство оружия, было отдано в переплавку и вернулось к людям в виде плугов и станков, тракторов и автомобилей. Советские люди делают все для того, чтобы это время наступило как можно скорее и чтобы упоминание о железе, как о главном металле войны, стало достоянием истории. Но пока такое время не наступило, пока враги мира из империалистического лагеря не хотят кончать «железный век» в отношениях между людьми, железо будет надежно стоять на страже нашего мирного труда и безопасности всех народов.

Академик Ферсман писал: «Будущее за другими металлами, а железу будет отведено почетное место старого, заслуженного, но отслужившего свое время материала. Но до этого будущего еще далеко… Железо пока — основа металлургии, машиностроения, путей сообщения, судостроения, мостов, транспорта…»

Нельзя не согласиться с этими словами. Во всяком случае, Его Величество Железо наверняка надолго переживет самого последнего короля на нашей планете.