Рассказы о металлах

Союзник железа

Без приправ не обойтись! — Под чужим именем. — Ошибка древних греков. — На Монетном дворе. — В знак протеста. — "Небоскреб" в 1600 этажей. — Авария на ровном месте. — Мечта парикмахеров. — Надежная опора. — "Принимают нагрузку на себя …" — Стекло меняет свой цвет. — "Запчасти" человека. — Верные друзья. — Тайна самурайских мечей. — Танк становится неуязвимым. — Лезвие бритвы. — Родственные души. — Мороз не страшен. — Любимец бобов. — На чем стоит "Союз рыжих"? — Во всем "виноват" молибден? — Непрошенные гости. — Скромное место. — "Военный" металл. — Высоко в горах. — Миллионы метров. — Где ключи от сундуков?

Чтобы приготовить вкусное блюдо, кулинар добавляет к нему различные специи. Чтобы выплавить сталь с ценными свойствами, сталевар вводит в нее различные легирующие элементы.

У каждой приправы своя цель. Одни улучшают вкусовые качества кушанья, другие делают его ароматным и аппетитным, третьи придают ему остроту, четвертые… Трудно сосчитать все назначения специй. Но еще труднее перечислить все те замечательные свойства, которые приобретает сталь при добавке хрома, титана, никеля, вольфрама, молибдена, ванадия, циркония и других элементов.

Одному из верных союзников железа — молибдену — и посвящен этот рассказ.

…Молибден был открыт в 1778 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Название элемента происходит от греческого слова "молибдос". В том, что новорожденный был окрещен греческим именем, нет ничего удивительного — многие химики, перед тем как наречь открытые ими элементы, заглядывали в греческие "святцы". Удивительно другое: в переводе на русский язык "молибдос" означает… "свинец". Что же заставило этот элемент скрываться под чужим именем? Почему именно свинцу молибден обязан своим названием?

А ларчик просто открывался. Дело в том, что еще древним грекам был известен минерал свинца галенит, который они называли "молибдена". В природе существует другой минерал — молибденит, как две капли воды похожий на галенит. Это сходство и ввело греков в заблуждение: они считали, что имеют дело с одним и тем же минералом — молибденой. Такого же мнения придерживались в то время ученые и других стран. Вот почему Шееле, обнаружив в этом минерале неизвестную "землю", без долгих размышлений назвал ее "молибденовой".

Теперь предстояло выделить из нее новый металл. Хотя Шееле к этому времени уже обрел мировую известность и был членом Королевской шведской Академии наук, он продолжал работать в скромной аптеке, где и проводил свои химические исследования. Но в аптеке не было печи, в которой "молибденовая земля", прокаленная с углем, восстановилась бы до металла. Шееле вспомнил, что подходящая для этой цели печь есть на Монетном дворе в Стокгольме, где работал его друг Петер Якоб Гьельм, и обратился к нему за помощью. Надежды оправдались: Гьельм вскоре сумел выделить элемент в виде металлического порошка, правда, сильно загрязненного карбидами.

Лишь почти сорок лет спустя, когда ни Шееле, ни Гьельма уже не было в живых, их знаменитому соотечественнику Йёнсу Якобу Берцелиусу удалось получить более или менее чистый молибден и определить многие его свойства.

Подобно многим своим собратьям по Периодической системе, молибден совершенно нетерпимо относится к посторонним примесям и, словно в знак протеста, в корне меняет свойства. Тысячные и даже десятитысячные доли процента кислорода или азота придают молибдену большую хрупкость. Именно поэтому во многих руководствах по химии, изданных в начале XX века, утверждалось, что молибден почти не поддается механической обработке. На самом же деле чистый молибден, несмотря на высокую твердость, — достаточно пластичный материал, который сравнительно легко прокатывается и куется.

Первая запись в "трудовой книжке" молибдена появилась несколько столетий назад, когда минерал молибденит начали использовать в качестве грифелей[4]. Как и графит, молибденит состоит из множества чешуек, размеры которых настолько малы, что если уложить их одна на другую, то высота "небоскреба" из 1600 этажей-чешуек окажется равной… 1 микрону. Именно благодаря этим чешуйкам молибденит умеет писать и рисовать: на бумаге он оставляет зеленовато-серый след.

В наши дни уже не встретишь молибденитовых грифелей: карандашной промышленностью монопольно завладел графит. Но дисульфид молибдена (химическое название молибденита) нашел себе другое применение. Впрочем, прежде чем рассказать об этом, поведаем вам небольшую историю.

Случилось это на Симферопольском шоссе во время испытаний опытной партии автомобилей "Запорожец". Все шло благополучно, но вдруг на полном ходу одна из машин перевернулась на совершенно ровном месте. К счастью, сидевшие в машине люди отделались, как говорится, легким испугом. Причина аварии была загадкой до тех пор, пока машину не разобрали по косточкам. Выяснилось, что одна из шестерен коробки передач, которая должна была свободно вращаться на стальной втулке, намертво приварилась к ней. Разумеется, такой "тормоз" сработал мгновенно.

Чтобы подобные аварии не повторялись в дальнейшем, нужно было подобрать подходящую смазку. Вот тут и вспомнили о молибдените, вернее, о его способности расслаиваться на отдельные микроскопические чешуйки. Они-то и должны были послужить надежной смазкой для трущихся деталей коробки передач.

Стоит на мгновенье опустить стальную деталь в жидкость, содержащую лишь 2 % дисульфида молибдена, и поверхность детали покрывается тонким слоем отличной твердой смазки. Однако у такой смазки есть коварный враг — высокая температура. При нагреве дисульфид молибдена начинает превращаться в молибденовый ангидрид, который, хоть и не причиняет вреда поверхностям деталей, но и не обладает, к сожалению, смазочными свойствами. Как же избежать этого?

Оказалось, что перед нанесением дисульфидного слоя деталь необходимо обработать в горячей фосфатной ванне. В этом случае частицы дисульфида проникают в мелкие поры фосфатного покрытия и на поверхности детали образуется тончайшая смазочная пленка, которая способна выдерживать колоссальные нагрузки — несколько тонн на квадратный сантиметр. Втулки, покрытые этой пленкой, испытывали при тяжелых режимах работы — и ни одного случая приварки. С тех пор "Запорожцы" исколесили нашу страну вдоль и поперек, но злополучный узел передач не подводил больше ни разу.

Созданием смазочной пленки не исчерпывается благотворное влияние дисульфида молибдена на стальную поверхность: если обработать молибденитом режущий инструмент, то он станет более стойким, более долговечным. Когда об этом чудесном свойстве молибденита узнали некоторые парикмахеры, они с завидной оперативностью поспешили внедрить его в практику.

Но вернемся к молибдену. Благодаря тугоплавкости и низкому коэффициенту теплового расширения этот металл широко применяют в электротехнике, радиоэлектронике, технике высоких температур. Крючки, на которых подвешена вольфрамовая нить в обыкновенной электрической лампочке, сделаны из молибдена; если бы в стеклянный стерженек лампы была впаяна дающая свет вольфрамовая проволочка, то стекло вскоре бы треснуло из-за ее теплового расширения, а молибден при нагреве практически не расширяется и поэтому не доставляет стеклу никакого беспокойства. Из него изготовляют аноды, сетки и другие детали радиоламп, рентгеновских трубок. Как конструкционный материал молибден нашел применение в энергетических ядерных реакторах. Молибденовые спирали неплохо зарекомендовали себя в качестве нагревателей мощных вакуумных электропечей сопротивления, где развиваются весьма высокие температуры. Среди экспонатов Политехнического музея в Москве можно увидеть небольшую молибденовую лодочку с выращенным в ней искусственным кристаллом алюмо-иттриевого граната.

В США создано оригинальное стекло, изменяющее свой цвет в зависимости от… времени дня. Под действием солнечного света стекло становится синим, а с наступлением темноты — вновь прозрачным. Этот эффект обусловлен добавками молибдена, который либо вводят в расплавленное стекло, либо в виде тонкой прозрачной пленки вклеивают между двумя слоями стекла.

Жаропрочные молибденовые сплавы оказались отличным материалом для ответственных деталей космических ракет, ракетных двигателей, кромок крыльев сверхзвуковых самолетов. А в медицине нашел применение сплав комохром, состоящий из кобальта, молибдена и хрома: из этого сплава изготовляют "запчасти" для… человека. Да-да, не удивляйтесь) Комохром легко уживается с тканями организма человека, и хирурги успешно пользуются им для замены поврежденных суставов.

Еще в Вавилоне при постройке жилищ строители армировали глину тростником, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при сооружении дворцов и храмов. Этот принцип лег в основу создания нового класса современных конструкционных материалов, названных композиционными, поскольку они представляют собой композицию двух или нескольких разнородных компонентов. Каждый из них занят своим делом: одни, например, противостоят высокому нагреву, износу или агрессивным средам, а другие при этом уверенно сопротивляются растяжению. Такое разделение труда позволяет заметно облегчить многие конструкции, что особенно важно для авиационной и космической техники. Варьируя соотношение компонентов, можно получать материалы с нужной прочностью, жаропрочностью, модулем упругости и другими заданными свойствами. Для ряда пластичных металлов (никеля, кобальта, титана и др.) в роли арматуры, которая принимает на себя непосильные для них растягивающие нагрузки, уверенно выступает молибденовая проволока: благодаря этой "начинке" прочностные характеристики материала могут быть повышены во много раз.

Разнообразное применение нашли соединения молибдена. Благодаря ему эмали приобретают высокую кроющую способность. Молибденовые красители используют в производстве керамики и пластических масс, в кожевенной, меховой и текстильной промышленности. Оксид молибдена служит катализатором при крекинге нефти и других химических процессах, в аналитической химии без малого полтора столетия трудится молибдат аммония — важный реактив, с помощью которого химики определяют содержание фосфора в рудах, сталях, сплавах и многих других материалах.

Как видите, работы у молибдена хватает. А ведь мы пока говорили лишь о побочных занятиях этого металла и ни словом не обмолвились о его важнейшей профессии. Помните, в начале очерка молибден был назван верным союзником железа. Вот об этой дружбе железа с молибденом мы и расскажем подробнее — ведь три четверти всего добываемого на земле молибдена потребляет металлургия специальных сталей. В нашей стране сталь, содержащая этот элемент, впервые была выплавлена в 1886 году на Путиловском заводе в Петербурге. Однако применение молибдена для улучшения свойств стали имеет гораздо более древнюю историю.

Долгое время никто не мог раскрыть тайну большой остроты самурайских мечей. Многие поколения металлургов безуспешно пытались выплавить сталь, подобную той, из которой еще в XI–XIII веках изготовляли'холодное оружие в стране Восходящего Солнца. В конце концов секрет удалось раскрыть: загадочная сталь, наряду с другими элементами, содержала молибден, который ухитрялся одновременно повышать и твердость, и вязкость металла, в то время как обычно увеличение твердости сопровождается ростом хрупкости.

Сочетание высокой твердости с вязкостью крайне необходимо для броневой стали. Броня англо-французских танков, появившихся в 1916 году на полях сражений первой мировой войны, была выполнена из твердой, но хрупкой марганцовистой стали. Увы, этот массивный панцирь толщиной 75 миллиметров снаряды немецкой артиллерии прошивали, как масло. Но стоило добавить к стали лишь 1,5–2 % молибдена, как танки оказались неуязвимыми несмотря на то, что толщина броневого листа была уменьшена чуть ли не втрое.

Чем же объяснить такое поистине чудодейственное перерождение брони? Дело в том, что молибден задерживает рост зерна в процессе кристаллизации стали и тем самым придает ей мелкую однородную структуру, обеспечивающую высокие свойства металла. Большинству легированных сталей присуща так называемая хрупкость после отпуска. Стали же, содержащие молибден, не подвержены этому недугу, благодаря чему их можно подвергать термической обработке, не опасаясь возникновения внутренних напряжений. Молибден заметно повышает прокаливаемость стали. Легированная этим элементом сталь характеризуется также значительной прочностью при высоких температурах и большим сопротивлением ползучести. Сходное влияние на свойства стали оказывает и вольфрам, но действие молибдена, например, на прочность металла значительно эффективнее: 0,3 % молибдена могут заменить 1 % вольфрама — металла более дефицитного.

Молибденовая сталь — это не только броня, но и стволы орудий и ружей, детали самолетов и автомобилей, паровые котлы и турбины, режущие инструменты и бритвенные лезвия. Благотворно влияет молибден и на свойства чугуна: повышается прочность металла, увеличивается его износостойкость.

Высокая легирующая способность молибдена обусловлена тем, что он имеет такую же кристаллическую решетку, как и железо. Радиусы их атомов также очень близки между собой. Ну, а родственным душам легко найти общий язык. Впрочем, молибден дружен не только с железом. Сплавы молибдена с хромом, кобальтом, никелем обладают отличной кислотоупорностью и применяются для производства химической аппаратуры. Для некоторых сплавов тех же элементов характерно большое сопротивление истиранию. Сплавы молибдена с вольфрамом могут заменять платину. Для изготовления электротехнических контактов используют сплавы этого элемента с медью и серебром.

В холодильной технике широко применяют сжиженные газы, в частности азот. Чтобы сохранить его в жидком состоянии, нужен лютый мороз — почти 200 градусов. При такой температуре обычная сталь становится хрупкой, как стекло. Контейнеры для хранения жидкого азота делают из особой хладостойкой стали, но и она долгое время страдала одним существенным недостатком: сварные швы на ней имели низкую прочность. Устранить этот недостаток помог молибден. Прежде в состав присадочных материалов, применяемых при сварке, входил хром, который, как оказалось, приводил к растрескиванию кромок шва. Исследования позволили установить, что молибден, наоборот, предотвращает образование трещин. После многочисленных опытов был найден оптимальный состав присадки: она должна содержать 20 % молибдена. А сварные швы теперь так же легко переносят двухсотградусный мороз, как и сама сталь.

Молибден оказывает стали и другую помощь: если смешать мелкий молибденовый порошок с аскорбиновой кислотой (витамином С), то образуется смесь, которая надежно защищает стальные и другие металлические изделия от коррозии. Как видно, витамины полезны не только людям, но и металлам.

Плодотворно трудится молибден и на сельскохозяйственной ниве. Введенные в микроскопических количествах в почву или в пищу животных некоторые элементы буквально творят чудеса. Один из таких кудесников — молибден. Ничтожно малые дозы этого микроэлемента существенно повышают урожай многих культур, улучшают их качество. Особенно неравнодушны к молибдену бобовые растения. Семена гороха, обработанные молибдатом аммония, дали на обычном поле урожай почти на треть выше обычного. Концентрируясь в клубеньках бобовых, молибден способствует усвоению ими атмосферного азота, крайне необходимого для развития растений. Благодаря молибдену возрастает содержание белковых веществ, хлорофилла и витаминов в растительных тканях. Но этот элемент далеко не всем дарит свою благосклонность: на некоторые сорняки он действует губительным образом.

Необычные исследования были проведены японскими учеными из университета в Осаке. Анализируя с помощью самых современных средств остатки сожженных волос, они пришли к выводу, что цвет волос зависит от наличия в них микродоз тех или иных металлов. Так, светлые волосы, например, оказались богаты никелем, золотистые — титаном. Если владельцы огненно-рыжей шевелюры недовольны ею, то все претензии они должны предъявлять молибдену: именно он, по мнению японских пигментологов, и придает волосам такую окраску. Стало быть, если бы действительно существовал разоблаченный Шерлоком Холмсом "Союз рыжих", то на его эмблеме с полным правом мог бы красоваться символ молибдена.

Этот элемент дал повод известному английскому ученому в области молекулярной биологии лауреату Нобелевской премии Ф. Крику и его коллеге профессору Л. Ореллу выдвинуть гипотезу инопланетного происхождения земной жизни. В основе наследственного механизма всех живых существ лежит, как известно, один и тот же генетический код. По мнению биологов, такое единообразие свидетельствует, что вся жизнь на Земле развилась из одной и той же колонии микроорганизмов. А поскольку непременным спутником биохимических процессов является сравнительно редко встречающийся на нашей планете молибден, можно предположить, что эта первородная колония попала к нам с другого небесного тела, богатого молибденом. Гипотеза весьма любопытна, хотя в ней немало уязвимых мест.

К сожалению, иногда молибден оказывается втянутым в дела, которые благотворными отнюдь не назовешь. О негативной стороне его деятельности рассказали исследования советских ученых, проведенные в одной далекой морской экспедиции.

В конце 1966 года от причалов Владивостока отошел "Михаил Ломоносов". Этот специальный научный корабль должен был обследовать различные участки мирового океана и определить степень зараженности их радиоактивными веществами. Не один месяц судно бороздило океан, и все это время на его борту, словно пограничники, несли вахту чуткие приборы — счетчики Гейгера, в любой момент готовые обнаружить появление радиоактивных гостей.

В один из дней корабль готовился пересечь экватор в самой пустынной части Тихого океана. Круглые сутки на палубе судна с большой скоростью вертелись лопасти вентилятора, заглатывая тысячи кубометров морского воздуха и направляя его в фильтры, которые могли задерживать пылинки размером даже в сотые доли микрона. Периодически фильтры вместе с накопившейся пылью сжигали и с помощью чувствительных приборов определяли радиоактивность образовавшегося пепла. Внезапно счетчики Гейгера взволновались не на шутку: в пепле оказались радиоактивные изотопы молибден-99 и неодим-147. Эти изотопы живут очень непродолжительное время. Так, период полураспада молибдена-99 всего 67 часов. Замерами и расчетами ученые установили точную дату появления непрошенных гостей — 28 декабря 1966 года. И действительно, как сообщило агентство Синьхуа, в этот день Китай испытывал свое ядерное оружие. За несколько суток ветер разнес образовавшиеся радиоактивные "осколки" на тысячи миль.

Справедливости ради, следует отметить, что в этой опасной игре с огнем молибден исполняет весьма скромную роль. В ближайшем же будущем, как мы вправе надеяться, силы мира добьются полного запрещения ядерных испытаний — тогда он вовсе перестанет выступать в столь неблаговидном амплуа и будет заниматься лишь полезной для человека деятельностью. Ну, а в том, что молибден нужен людям для самых различных целей, а значит, и в достаточно больших количествах, вы уже убедились. Каковы же запасы этого элемента на нашей планете?

На долю молибдена приходится всего 0,0001 % от всех атомов земной коры. По распространенности в природе он занимает в ряду элементов таблицы Д.И. Менделеева довольно скромное место — в шестом десятке, однако, месторождения этого металла встречаются во многих местах земного шара.

Если в начале нашего века добыча молибдена составляла всего несколько тонн, то уже в годы первой мировой войны производство этого металла возросло почти в 50 раз (броня-то ведь нужна была!). В послевоенный период добыча молибденовых руд резко упала, но затем, начиная примерно с 1925 года, наблюдался новый рост производства молибдена, достигший максимума (30 тысяч тонн) в 1943 году, т. е. во время второй мировой войны. Не случайно поэтому молибден иногда называют "военным" металлом.

На территории нашей страны крупное месторождение молибденовых руд было открыто на Северном Кавказе в 1934 году студенткой-геологом Верой Флёровой, нашедшей в ущелье реки Баксан молибденит. "Вера бродила по балке уже несколько часов и основательно утомилась. И вдруг! Усталости как не бывало. Сердце застучало в бешенном ритме, дыхание перехватило. Девушка снова и снова щупала шершавую поверхность небольшого кварцевого обломка, проводила по нему тонкими пальцами и на пальцах оставался серо-голубоватый "лунный" след. Сделала еще десятка два шагов и снова стремительно нагнулась. Подобрала такой же камень. Взяла лупу и буквально впилась в кусок породы с металлическими вкраплениями. Да, сомнений не было: эти металлические вкрапления в кварце не что иное, как молибденит. Молибденовая руда!"

Так в книге о Вере Флёровой (Л. Кафтанова. Вера Флёрова. М.: Политиздат, 1971, с. 75–76.) описано событие, ставшее знаменательной вехой в истории отечественной редкометаллической промышленности. Через два года на месте находки уже строился молибденовый рудник. К сожалению, Вере не суждено было увидеть, как здесь, высоко в горах, вырос город Тырныауз, который своим рождением был обязан ей — замечательной девушке, с детства мечтавшей найти волшебный камень: в 1936 году Вера трагически погибла в горах. Подвесной мостик, по которому она переходила через Баксан, обрушился в бурные воды горной реки. Имя Веры Флёровой носят одна из площадей Тырныауза и пик, возвышающийся над городом. На одном из горных склонов, в стороне от шумных трасс, стоит скромный обелиск. Медленно и величаво проплывают над ним облака, а неподалеку по стальным канатам скользят вагонетки с волшебным камнем.

Молибденовые руды перерабатывают главным образом в ферромолибден, который и используют в металлургии качественных сталей и специальных сплавов. Первые промышленные опыты по получению ферромолибдена относятся к концу прошлого столетия. В 1890 году был разработан способ получения сплава восстановлением оксидом молибдена. Но этими опытами практически и ограничилось производство ферромолибдена в царской России. В 1929 году силикотермическим методом удалось выплавить сплав, содержащий 50–65 % молибдена. Успешные опыты В.П. Елютина, проведенные в 1930–1931 годах, позволили в дальнейшем внедрить этот метод в металлургическую промышленность.

Но технике нужны не только молибденовые стали, но и изделия из чистого молибдена. А вот их-то долгое время и не удавалось изготовить. Но почему? Ведь сравнительно чистый порошок из этого металла научились получать давным-давно? Виной всему была тугоплавкость молибдена — она не позволяла превращать порошок в монолитный металл путем сплавления. Пришлось искать иные пути. В 1907 году в лабораторных условиях впервые была получена молибденовая нить. Для этого порошок молибдена перемешали с клейким органическим веществом и приготовленную массу продавили через матричное, отверстие. Образовавшуюся при этом клейкую нить поместили в атмосферу водорода и пропустили через нить электрический ток. Как и следовало ожидать, нить разогрелась, органическое вещество выгорело, а металл сумел проплавиться и осесть на проволоке (водород же пригодился для того, чтобы молибден при нагреве не окислился).

Спустя три года был выдан патент на получение тугоплавких металлов, в частности молибдена, методом порошковой металлургии, которым пользуются и в наше время. Металлический порошок прессуют, спекают, затем подвергают прокатке либо волочению — лента или проволока готова к использованию в технике.

В СССР молибденовую проволоку начали выпускать в 1928 году, а уже спустя три года ее производство составило 20 миллионов метров.

В последние годы для производства молибдена стали применять дуговой вакуумный переплав, зонную и электроннолучевую плавку — с такими помощниками дела пошли еще веселее.

…Мы уже говорили о том, что запасы молибденовых руд в земной коре ограничены. Так, быть может, через какое-нибудь время они будут исчерпаны и перед человечеством встанет проблема, где раздобыть столь нужный металл?

Нет, пока мы можем быть спокойны за судьбу своих потомков. Ведь, помимо земной коры, громадные количества самых различных элементов содержатся в водах океанов и морей. Если морские богатства разделить поровну между всеми жителями нашей планеты, то каждый из нас станет обладателем несметных сокровищ. Достаточно сказать, что одного только золота Нептун может выдать из своих кладовых примерно тонны по три на душу населения. Вот уже действительно — золотое дно! А что касается молибдена, то его мы бы получили тонн по сто на человека.

Люди пока еще только пытаются подобрать ключи к голубым сундукам Нептуна. Но подберут. Обязательно подберут.