Рассказы о металлах

Загадочный «X»

Китайская грамота. — "Сибирский красный свинец". — Все началось с мытья посуды. — Серые иголки в тигле. — Друг дает совет. — Вспышки на Солнце. — Фортуна благосклонна. — "Вызывающее" поведение. — Новая загадка. — Монумент из "нержавейки". — "Концерт" отменяется. — Чай с мороженым? — Сталь покрывается "чешуей". — Первый патент. — Черепашьи темпы. — Любопытный разговор. — "Коктейль" из металлов. — Хромовые сапоги. — Боги проливают кровь. — Выход из положения. — Новая специальность. — Вне конкуренции. — Неожиданные трудности. — "Принимаю огонь на себя". — Броня для алмаза. — Арифметические соображения. — "Англичане понимают толк…"

Перелистайте любой металлургический справочник, и среди многочисленных марок сталей вы не раз встретите такие, в которые входит буква "X": Х18Н10Т, Х12М, 0Х23Ю5, ШХ15, 8Х4В4Ф1, Х14П4НЗТ, 12Х2НВФА, ЗОХМЮА и т. д. Для несведущего в этой области человека такой "тайный шифр" понятен не больше, чем китайские иероглифы. Но, как музыкант, читая ноты, слышит притаившуюся в них музыку, так и металлург легко разбирается в этих на первый взгляд случайных комбинациях букв и цифр. Даже беглого взгляда достаточно, чтобы увидеть общее для перечисленных марок сталей: все они в том или ином количестве содержат элемент хром (о чем свидетельствует буква "X").

Вместе со своими "коллегами" по легированию — никелем, вольфрамом, молибденом, ванадием, титаном, цирконием, ниобием и другими элементами — хром позволяет выплавлять стали самого разнообразного назначения. Применяемая в современной технике сталь должна многое уметь: сопротивляться колоссальным давлениям, противостоять химическим агрессорам, не зная усталости, выдерживать длительные перегрузки, обладать хорошей обрабатываемостью, не бояться ни жары и ни холода. В эту богатую гамму свойств стали вносит свою лепту и хром.

Более двух столетий назад, в 1766 году, петербургский профессор химии Иоганн Готтлоб Леман, посетив Урал, нашел на Березовском золотом руднике, недалеко от Екатеринбурга (ныне Свердловск), новый минерал, в котором оказалось довольно много свинца. Спустя несколько лет Березовские рудники описал в своей книге "Путешествие по разным провинциям Российского государства" естествоиспытатель и путешественник академик Петр Симон Паллас. "Березовские копи, — сообщал он, — состоят из четырех рудников, которые разрабатываются с 1752 года. В них наряду с золотом добываются серебро и свинцовые руды, а также находят замечательный красный свинцовый минерал, который не был обнаружен больше ни в одном руднике России. Эта свинцовая руда бывает разного цвета (иногда похожего на цвет киновари), тяжелая и полупрозрачная… Иногда маленькие неправильные пирамидки этого минерала бывают вкраплены в кварц подобно маленьким рубинам. При размельчении в порошок она дает красивую желтую краску…".

Минерал был назван "сибирским красным свинцом". Впоследствии за ним закрепилось название "крокоит".

Образец этого минерала был в конце XVIII века привезен Палласом в Париж. Крокоитом заинтересовался известный французский химик Луи Никола Воклен. Свою трудовую деятельность он начал с мытья посуды в аптеке. Вскоре способного юношу приметил и сделал своим помощником молодой, но уже занимавший солидное положение в науке химик и политический деятель Антуан Франсуа Фуркруа. В 1796 году Воклен подверг крокоит химическому анализу. "Все образцы этого вещества, которые имеются в нескольких минералогических кабинетах Европы, — писал Воклен в своем отчете, — были получены из этого (т. е. Березовского. — СВ.) золотого рудника. Раньше рудник был очень богат этим минералом, однако говорят, что несколько лет назад запасы минерала в руднике истощились и теперь этот минерал покупают на вес золота, в особенности если он желтый. Образцы минерала, не имеющие правильных очертаний или расколотые на кусочки, годятся для использования их в живописи, где они ценятся за свою желто-оранжевую окраску, не изменяющуюся на воздухе… Красивый красный цвет, прозрачность и кристаллическая форма сибирского красного минерала заставила минералогов заинтересоваться его природой и местом, где он был найден; большой удельный вес и сопутствующая ему свинцовая руда, естественно, заставляли предполагать о наличии свинца в этом минерале…"

В 1797 году Воклен повторил анализ. Растертый в порошок крокоит он поместил в раствор углекислого калия и прокипятил. В результате опыта ученый получил углекислый свинец и желтый раствор, в котором содержалась калиевая соль неизвестной тогда кислоты. При добавлении к раствору ртутной соли образовывался красный осадок, после реакции со свинцовой солью появлялся желтый осадок, а введение хлорида олова окрашивало раствор в зеленый цвет. После осаждения соляной кислотой свинца Воклен выпарил фильтрат, а выделившиеся красные кристаллы (это был хромовый ангидрид) смешал с углем, поместил в графитовый тигель и нагрел до высокой температуры. Когда опыт был закончен, ученый обнаружил в тигле множество серых сросшихся металлических иголок. Так впервые был выделен новый элемент. Фуркруа предложил назвать элемент хромом (по-гречески "хрома" — окраска) из-за яркого разнообразного цвета его соединений. Между прочим, слог "хром" в значении "окрашенный" входит во многие термины, не связанные с элементом хромом: слово "хромосома", например, в переводе с греческого означает "тело, которое окрашивается"; для получения цветного изображения пользуются прибором хромоскопом; фотолюбителям хорошо известны пленки "изопанхром", "панхром", "ортохром"; яркие образования в атмосфере Солнца астрофизики называют хромосферными вспышками и т. д.

Сначала Воклену не понравилось предложенное название, поскольку открытый им металл имел скромную серую окраску и как будто не оправдывал своего имени. Но Фуркруа все же сумел уговорить Воклена, и, после того как французская Академия наук по всей форме зарегистрировала его открытие, химики всего мира внесли слово "хром" в списки известных науке элементов.

На несколько месяцев позже Воклена новый элемент обнаружил в том же крокоите немецкий химик Мартин Генрих Клапрот, который уже имел к этому времени на своем научном счету три открытых им элемента — уран, цирконий и титан (позднее к ним присоединился церий). Но слава первооткрывателя хрома по праву досталась Воклену.

Понадобилось более полувека, чтобы выделить новый металл в чистом виде: это удалось сделать в 1854 году немецкому ученому Роберту Вильгельму Бунзену, подвергнувшему хлорид хрома электролизу.

В отличие от многих других металлов, к хрому фортуна сразу же проявила благосклонность. Высокая температура плавления, большая твердость, способность легко образовывать сплавы со многими элементами, в частности, с железом, заинтересовали прежде всего металлургов. Годы не охладили этого интереса: и в наши дни металлургия продолжает оставаться важнейшим потребителем хрома, хотя для этого элемента и его соединений нашлось немало и других полезных занятий.

Хром обладает всеми характерными свойствами металлов — хорошо проводит тепло и электрический ток, имеет присущий большинству металлов блеск. Любопытна одна особенность хрома: при температуре около 37 °C он ведет себя явно "вызывающе" — многие его физические свойства резко, скачкообразно меняются. В этой температурной точке внутреннее трение хрома достигает максимума, а модуль упругости падает до минимальных значений. Так же внезапно изменяются электрическая проводимость, коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила.

Пока ученые пытались найти объяснение этой аномалии, хром задал еще одну загадку.

Физикам давно известна закономерность: магнитная структура материала строго соответствует его кристаллической решетке. Однако исследования сверхчистого хрома показали, что к нему эта закономерность отношения не имеет.

Даже незначительные примеси делают хром очень хрупким, поэтому в качестве конструкционного материала его практически не применяют, зато как легирующий элемент он издавна пользуется почетом у металлургов. Небольшие добавки его придают стали твердость и износостойкость. Такие свойства присущи шарикоподшипниковой стали, в состав которой, наряду с хромом (до 1,5 %), входит углерод (около 1 %). Образующиеся в ней карбиды хрома отличаются исключительной твердостью — они-то и позволяют металлу уверенно сопротивляться одному из опаснейших врагов — износу.

Кто не знает великолепную скульптуру В.И. Мухиной "Рабочий и колхозница"? Величественный монумент, который в 1937 году украшал советский павильон на Всемирной выставке в Париже, а сейчас возвышается у входа на Выставку достижений народного хозяйства в Москве, выполнен из нержавеющей стали, содержащей примерно 18 % хрома и 10 % никеля. Но "нержавейке" углерод вреден: карбидообразующие наклонности хрома приводят к тому, что большие количества этого элемента связываются в карбиды, выделяющиеся на границах зерен стали, а сами зерна оказываются бедны хромом и не могут стойко обороняться против натиска кислот и кислорода. Поэтому содержание углерода в нержавеющей стали должно быть минимальным (не более 0,1 %).

Оригинальную сталь с добавками хрома и алюминия создали японские металлурги: она в сотни раз активнее гасит звуковые колебания, чем обычная конструкционная сталь. Оконные рамы и двери из "тихой" стали совершенно бесшумны, даже если ими хлопают что есть силы. Лист из этой стали, падая на цементный пол, не издает никаких звуков. Новый материал по достоинству оценили машиностроители, которые вынуждены ежедневно выслушивать "концерты", исполняемые на цеховых "ударных инструментах".

При высоких температурах сталь может покрываться "чешуей" окалины. В некоторых машинах детали нагреваются до сотен градусов. Чтобы сталь, из которой сделаны эти детали, не страдала окалинообразованием, в нее вводят 25–30 % хрома. Такая сталь выдерживает температуры до 1000 °C!

Сплавы никеля и хрома — нихромы — успешно служат в качестве нагревательных элементов: у них очень высокое электрическое сопротивление и поэтому при прохождении тока металл сильно нагревается. Добавка к хромоникелевым сплавам кобальта и алюминия придает металлу способность переносить большие нагрузки при 650–900 °C; из таких жаропрочных сплавов изготовляют, например, лопатки газовых турбин. Хром входит в состав многих других сплавов, о чем можно судить по их названиям: хромель, хромаль, хромансиль. Сплав комохром (он состоит из кобальта, молибдена и хрома) безвреден для человеческого организма и поэтому применяется в восстановительной хирургии. Для зубных протезов разработан сплав кобальта и хрома, который во много раз дешевле золота и к тому же обладает меньшей теплопроводностью: владелец такого протеза может спокойно пить горячий чай или есть мороженое, не испытывая при этом неприятных ощущений.

Основная часть добываемой в мире хромовой руды поступает сегодня на ферросплавные заводы, где выплавляются различные сорта феррохрома и металлического хрома. Впервые феррохром был получен в 1820 году восстановлением смеси оксидов железа и хрома древесным углем в тигле. В 1854 году удалось получить чистый металлический хром электролизом водных растворов хлорида хрома. К этому же времени относятся и первые попытки выплавить углеродистый феррохром в доменной печи. В 1865 году был выдан первый патент на хромистую сталь. Потребность в феррохроме начала резко расти.

Важную роль в развитии производства феррохрома сыграл электрический ток, точнее электротермический способ получения металлов и сплавов. В 1893 году французский ученый Муассан выплавил в электропечи углеродистый феррохром, содержащий 60 % хрома и 6 % углерода.

В дореволюционной России ферросплавное производство развивалось черепашьими темпами. Мизерные количества ферросилиция и ферромарганца выплавляли доменные печи южных заводов. В 1910 году на берегу реки Сатки (Южный Урал) был построен маленький электрометаллургический завод "Пороги", который стал производить феррохром, а затем и ферросилиций. Но об удовлетворении нужд своей промышленности не могло быть и речи: потребность России в ферросплавах приходилось почти полностью покрывать ввозом их из других стран.

Молодое Советское государство не могло зависеть от капиталистических стран в такой важнейшей отрасли промышленности, как производство качественных сталей, являющейся основным потребителем ферросплавов. Чтобы воплотить в жизнь грандиозные планы индустриализации нашей страны, требовалась сталь — конструкционная, инструментальная, нержавеющая, шарикоподшипниковая, автотракторная. Один из важнейших компонентов этих сталей — хром.

Уже в 1927–1928 годах началось проектирование и строительство ферросплавных заводов. В 1931 году вошел в строй Челябинский завод ферросплавов, ставший первенцем нашей ферросплавной промышленности. Один из создателей советской качественной металлургии член-корреспондент Академии наук СССР B.C. Емельянов в эти годы находился в Германии, куда он был направлен для изучения опыта зарубежных специалистов.

В своих воспоминаниях он рассказывает о любопытном разговоре, который произошел у него с одним из металлургов: "В 1933 году на небольшом немецком заводе я спросил главного инженера: — Кому вы продаете изготовляемый на заводе феррохром?

Он принялся перечислять:

— Примерно пять процентов всего производства мы поставляем близлежащим химическим заводам, два процента у нас покупает завод Беккера, около трех процентов…

Перебив его, я спросил:

— Ну, а много ли у вас покупает Советский Союз?

— А Советский Союз когда как. Семьдесят пять — восемьдесят процентов нашей продукции мы отправляем на ваши заводы. Да мы и работаем-то на уральской хромовой руде".

Да, в то время наша хромовая руда вывозилась не только в Германию, но и в Швецию, Италию, США. И у них же нам приходилось покупать феррохром. Но когда вслед за Челябинским в 1933 году были построены еще два ферросплавных завода — в Запорожье и Зестафони, наша страна не только прекратила ввозить важнейшие ферросплавы, в том числе и феррохром, но и получила возможность экспортировать их за границу. Качественная металлургия страны была практически полностью обеспечена необходимыми материалами отечественного производства.

В 1936 году в Казахстане, в районе Актюбинска, были найдены огромные залежи хромита — основного промышленного сырья для производства феррохрома. В годы войны на базе этого месторождения был построен Актюбинский ферросплавный завод, который впоследствии стал крупнейшим предприятием по выпуску феррохрома и хрома всех марок.

Очень богат хромовой рудой Урал: неслучайно именно здесь был найден минерал, в котором Воклену удалось открыть хром. Есть месторождения этого элемента и во многих других странах. А во время путешествия по Луне советского лунохода его приборы установили наличие хрома в районе Моря Дождей. Но если до Моря Дождей довольно далеко, то до Красного моря, как говорится, рукой подать. Здесь недалеко от берегов Судана французские ученые обнаружили своеобразную яму, глубина которой достигала 2200 метров, причем вода на этой глубине оказалась очень горячей. Исследователи опустились в провал на батискафе, однако вскоре им пришлось возвращаться, поскольку стальные стенки аппарата быстро нагрелись до 43 °C. Пробы воды, взятые на этой глубине, показали, что "яма" практически заполнена горячей жидкой рудой: содержание в воде хрома, железа, золота, марганца и многих других металлов оказалось необычайно высоким. Вполне возможно, что в ближайшие годы специалисты вплотную займутся разработкой этих "коктейлей" из металлов.

Хромиты широко используют и в огнеупорной промышленности. Магнезитохромитовый кирпич — отличный огнеупорный материал для футеровки мартеновских печей и других металлургических агрегатов. Этот материал обладает высокой термостойкостью, ему не страшны многократные резкие изменения температуры.

Химики используют хромиты для получения бихроматов калия и натрия, а также хромовых квасцов, которые применяются для дубления кожи, придающего ей красивый блеск и прочность. Такую кожу называют хромом, а сапоги из нее хромовыми.

Каждый вечер над Москвой вспыхивают рубиновые звезды Кремля. В мире драгоценных камней рубину принадлежит второе место после алмаза. По древнему индийскому преданию рубины образовались из капель крови, пролитой богами: "Падают капли тяжелой крови на лоно реки, в глубокие воды, в отражение прекрасных пальм. И назвалась река с тех пор Раванагангой, и загорелись с тех пор эти капли крови, превращенные в камни рубина, и горели они с наступлением темноты сказочным огнем, горячим внутри, и пронизывались воды этими огненными лучами…", — так рассказывает о происхождении рубина древняя восточная легенда. В наши дни технология получения чудесного красного камня значительно упростилась и богам уже не надо проливать свою священную кровь: для этого в оксид алюминия вводят дозированную добавку оксида хрома, — ему-то и обязаны рубиновые кристаллы своим чарующим цветом. Но искусственные рубины ценятся не только за свои прекрасные внешние данные: рожденный с их помощью лазерный луч способен буквально творить чудеса. Подобно волшебному лучу, созданному гиперболоидом инженера Гарина и богатой фантазией Алексея Толстого, луч лазера может разрезать любые металлы с той же легкостью, с какой ножницы режут бумагу, или прошивать в алмазах, корундах и других "крепких орешках" тончайшие отверстия, не проявляя ни малейшего почтения к их всемирно известной твердости.

Оксид хрома позволил тракторостроителям значительно сократить сроки обкатки двигателей. Обычно эта операция, во время которой все трущиеся детали должны как бы привыкнуть друг к другу, продолжалась довольно долго и это, конечно, не очень устраивало работников тракторных заводов. Выход из положения был найден, когда удалось разработать новую топливную присадку, в состав которой вошел оксид хрома. Секрет действия присадки прост: при сгорании топлива образуются мельчайшие абразивные частицы оксида хрома, которые, оседая на внутренних стенках цилиндров и других подвергающихся трению поверхностях, быстро ликвидируют шероховатости, полируют и плотно подгоняют детали. Эта присадка в сочетании с новым сортом масла позволила в 30 раз сократить продолжительность обкатки.

Не так давно оксид хрома приобрел еще одну интересную специальность: изготовлена магнитофонная пленка, рабочий слой которой содержит не оксид железа, как обычно, а оксид хрома. Замена оказалась удачной — возросла плотность записи, улучшилось качество звучания, пленка стала надежнее в работе. Новинка в первую очередь получила прописку в блоках магнитной памяти электронных вычислительных машин.

Фотоматериалы и лекарства, катализаторы для химических процессов и металлические покрытия — всюду хром оказывается при деле. О хромовых покрытиях следует, пожалуй, рассказать подробнее.

Давно было замечено, что хром не только отличается большой твердостью (в этом отношении у него нет конкурентов среди металлов), но и хорошо сопротивляется окислению на воздухе, не взаимодействует с кислотами. Тонкий слой этого металла попробовали электролитически осаждать на поверхность изделий из других материалов, чтобы предохранить их от коррозии, царапин и прочих "травм". Однако хромовые покрытия оказались пористыми, легко отслаивались и не оправдывали возлагаемых на них надежд. Почти три четверти века бились ученые над проблемой хромирования, и лишь в 20-х годах нашего столетия проблема была решена. Причина неудач заключалась в том, что используемый при этом электролит содержал трехвалентный хром, который не мог создать нужное покрытие. А вот его шестивалентному собрату такая задача оказалась по плечу. С этого времени в качестве электролита начали применять хромовую кислоту — в ней валентность хрома равна 6. Толщина защитных покрытий (например, на некоторых наружных деталях автомобилей, мотоциклов, велосипедов) достигает 1 миллиметра. Но иногда хромовое покрытие используют в декоративных целях — для отделки часов, дверных ручек и других предметов, не подвергающихся серьезной опасности. В таких случаях на изделие наносят тончайший слой хрома (0,0002-0,0005 миллиметра).

Литовские химики разработали способ создания многослойной "кольчуги" для особо ответственных деталей. Тончайший верхний слой этого покрытия (под микроскопом его поверхность и в самом деле напоминает кольчугу) состоит из хрома: в процессе службы он первым принимает огонь на себя, но пока хром окисляется, проходят многие годы. Тем временем деталь спокойно несет свою ответственную службу.

До недавних пор хромировали только металлические детали, но теперь ученые научились наносить хромовую броню и на изделия из пластмасс. Подвергнутый испытаниям широко известный полимер — полистирол, одетый в хром, стал прочнее, для него оказались менее страшными такие извечные враги конструкционных материалов, как истирание, изгиб, удар. Само собой разумеется, возрос срок службы деталей.

Хромовая броня пригодилась даже такому эталону твердости, каким по праву считается алмаз. Дело в том, что далеко не все добытые алмазы могут быть использованы для изготовления обрабатывающего инструмента: как правило, природные алмазы имеют множество тончайших трещинок, которые делают камни непригодными для установки на резцы или буровые коронки: как только такой инструмент касался металла или твердой породы, алмаз рассыпался на мелкие осколки. Кроме того, кристаллики природных алмазов часто выскакивали из державки инструмента. Чтобы устранить этот недостаток, ученые предложили покрывать алмазы тонкой пленкой хрома, довольно плотно соединяющегося и с алмазом, и с медной державкой.

Металлизованный алмаз был подвергнут испытаниям. И что же выяснилось? Алмаз надежно держался в инструменте, а срок службы кристалла возрос в несколько раз. Когда такой кристалл исследовали под микроскопом, на одной из граней обнаружили довольно глубокую трещинку, зацементированную пленкой, покрывавшей камень. Оказалось, что атомы хрома, соединившись с углеродом алмаза, образовали на его поверхности твердые карбиды, причем хром проник и в трещинку, стенки которой также покрылись карбидной броней. А слой чистого хрома, прилегающий к державке, образовал с медью сплав, благодаря чему алмаз прочно закрепился в инструменте. Так с помощью хрома удалось убить двух зайцев: инструмент стал долговечнее, а алмаз — прочнее… алмаза.

В 1974 году в Дубне учеными Объединенного института ядерных исследований был получен изотоп трансуранового элемента с порядковым номером 106. Увенчавшаяся успехом реакция ядерного синтеза произошла в результате бомбардировки свинцовой мишени ускоренными ионами хрома. Свинец уже не раз служил мишенью в подобных опытах, а хром был выбран по чисто арифметическим соображениям: вместе с 82 протонами, которыми располагает ядро атома свинца, 24 протона ядра хрома составили при слиянии этих ядер нужное число — 106. И хотя изотоп этого элемента живет всего несколько миллисекунд, чувствительные приборы зафиксировали рождение нового трансурана.

…Прежде чем закончить рассказ о хроме, мы вновь обратимся к воспоминаниям B.C. Емельянова. "Года два назад, — писал ученый в 1967 году, — я узнал глубоко взволновавшую меня новость, оставшуюся в нашей стране — увы! — незамеченной. Мы продали партию феррохрома Англии — стране, которая всегда была для нас символом технического прогресса. И вот теперь Англия покупает наш феррохром! Англичане понимают толк в том, что покупают".