Занимательно о железе

Есть ли чистое железо?

В книге профессора В.С. Меськина о производстве высококачественной стали можно прочесть: “Технические свойства химически чистого железа еще неизвестны, так как до сих пор химически чистое железо не получено даже в лабораторных условиях”. Удивительно, не правда ли? В мире ежегодно производятся сотни миллионов тонн стали и, оказывается, люди не могут увидеть чистого железа.

Многие полученные ранее данные о структуре и свойствах железа и его сплавов устарели, так как были определены на недостаточно чистых образцах. Механические, электрические и химические свойства чистейшего железа отличаются от свойств технического железа. Поэтому металловедам очень важно получить чистейшие металлические кристаллы и исследовать их свойства. Сейчас закладываются основы металловедения железа и стали особо высокой чистоты, что, бесспорно, скажется на различных областях техники. Член-корреспондент АН СССР Е.М. Савицкий считал, что вся новая техника построена на вновь выявленных свойствах материалов.

Изучая чистое железо, выяснили, что оно имеет хорошие магнитные свойства. Магнитная проницаемость его в десятки раз выше, чем обычного технически чистого железа, содержащего около 0,665% примесей. Коэрцитивная же сила ниже, чем у технически чистого железа. Это объясняется тем, что указанное свойство в высшей степени чувствительно к малейшим искажениям кристаллической решетки, вызываемым примесями. Чистое железо обладает очень высокой стойкостью против коррозии. Другие свойства с увеличением чистоты железа изменяются значительно слабее.

Говоря о чистом железе, интересно отметить, что, кроме самородков золота и платины, встречается в природе и самородное железо. Оно упоминается в “Словаре коммерческом” В. Левшина (1789 год): “Так называется железо, совсем приуготовленное природою в недрах земных и совсем очищенное от веществ посторонних столько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи. Г. Руель получил через Восточно-индийскую компанию кусок такого самородного железа из Сенегала, где находится оное в превеликих глыбах. Сей ученый химик ковал оное в прутки и нашел, что оное без переплавки на всякую поделку способно. В Сибири во многих местах находят самородное железо”.

Появление самородных металлов на поверхности планеты и до сих пор одна из самых запутанных загадок природы. Геологи считают, что легче найти самородки золота или платины, чем чистое железо. Каждая такая находка считается сенсацией. В 1982 году экспедиция советских геологов в отрогах Кураминского хребта в Киргизии в магматической породе обнаружила самородный хром, рассыпанный мельчайшими шариками, а рядом — выделения самородного железа, когенита и муссанита — тоже редких минералов. Глубинное происхождение самородков подтверждено изотопным анализом. Самородки образовались на глубине около 60 километров и были вынесены наверх потоком магмы.

В природе есть еще два весьма редко встречающихся естественных железоникелевых сплава: аварюст (FeNi₂) и жозефенит (Fe₃Ni₅), которые найдены в виде гранул и мелкой гальки. Самородное железо встречается очень редко и потому практического значения не имеет. В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородное имеет не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины, оно обычно очень бедно углеродом.

Однако при известных условиях происходит и образование самородного чугуна, например вследствие контакта раскаленного углерода с железной рудой. В 1905 году геолог А.А. Иностранцев обнаружил в районе Русского острова на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скопления самородного чугуна, находящегося на глубине 30–40 метров под скальными породами морского берега. В извлеченных через буровую скважину образцах чугуна оказалось около 3,2% углерода, 1,55% кремния и 0,66% марганца.

Образование самородного железа в земной коре связывают с процессами застывания магмы. Выделяется оно из окислов или сульфидов железа в результате восстановительных процессов, протекающих при наличии в магме углерода. Поэтому вместе с самородным железом находят минерал когенит — железоникелевый карбид (FeNiCO)₃C. По мнению А.А. Иностранцева, самородный чугун с Русского острова образовался в результате извержения огненно-жидкого потока горной породы — кварцевого порфира на поверхность обнаженных слоев каменного угля, среди которых имелось несколько слоев железной руды. В присутствии этой естественной шихты под влиянием высоких температур и без доступа воздуха произошло выделение из каменного угля углеводородов и оксида углерода. Эти соединения химически взаимодействовали со слоями железной руды, превращая их в массу чугуна. Какая же все-таки степень чистоты железа достигнута в наши дни? В наиболее чистом, карбонильном железе содержится всего 0,00016% примесей. Много ли это? В известной железной колонне в Дели, славящейся чистотой железа, примесей содержится 0,28000%, то есть в 1750 раз больше.

Кристалл Д.К.Чернова

Знаменитый русский металлург Д.К. Чернов — основоположник металловедения железа — занимался разработкой теории и строения стального слитка. С этой целью он собирал коллекцию железных кристаллов. Лишь редкие кристаллы, найденные им в слитках, достигали длины 5 миллиметров, большинство же имело длину до 3 миллиметров и ширину 1–1,5 миллиметра. Встречались иногда хорошо развитые кристаллы с очень тонкими очертаниями, но таких малых размеров, что четко они были видны только при увеличении в 100–150 раз.

Наиболее ценным в этой коллекции был знаменитый “кристалл Д.К. Чернова”. История этого уникального кристалла такова.

Капитан морской артиллерии Берсенев, посланный в Англию приемщиком на большой металлургический завод, нашел огромный кристалл в груде стального лома шихтового двора. Как удалось выяснить, кристалл вырос в стотонном слитке стали. Администрация завода охотно отдала кристалл Берсеневу, а тот подарил его своему учителю Чернову, который тщательно исследовал уникальный кристалл. Масса его оказалась 3 килограмма 450 граммов, длина 39 сантиметров, химический состав: 0,78% углерода, 0,255% кремния, 1,05% марганца, 97,86% железа.

Меньший отросток этого двойного кристалла, разрезанный на несколько частей, был всесторонне исследован не только Д.К. Черновым, но и другими металловедами. Кристалл послужил объектом для ряда дальнейших изысканий и научных докладов Чернова и других русских и иностранных ученых. Теперь он находится в Военно-инженерной академии им. Дзержинского в Москве.

И в наши дни находили кристаллы-гиганты. Однажды токарь металлургического комбината им. Серова, обрабатывая прокатный валок, увидел в усадочной раковине отливки огромный иссиня-черный металлический кристалл. Он напоминал по форме дерево с разветвленной кроной. Новый “кристалл Д.К. Чернова” был высотой около 400 миллиметров. Немного позже при обработке еще одного валка был обнаружен подобный же кристалл черного цвета.

Современное металловедение не ограничивается исследованием найденных кристаллов, а ищет способы их получения искусственным путем. К настоящему времени уже разработаны методы выращивания монокристаллов практически всех металлов и многих сплавов. Именно в монокристаллическом состоянии выявились новые свойства привычных нам металлов — железа, вольфрама, никеля, молибдена. Оказалось, что чистые монокристаллы обладают хорошими физическими свойствами. Например, монокристаллы железа высокой чистоты приобретают высокую пластичность вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).

Особенно привлекают внимание так называемые металлические усы — тончайшие нитевидные кристаллы, всего в несколько микронов толщиной, но с высокой прочностью. Путем восстановления из хлористого или бромистого железа были выращены усы этого металла длиной до 10 сантиметров и диаметром до 1 миллиметра. Предел прочности таких железных усов до 12–13 ГПа, в то время как сталь с прочностью на разрыв 1500–2000 МПа считается высокопрочной, а сталь с прочностью 2000 МПа сверхпрочной.

Нитевидные кристаллы железа обладают и другими интересными свойствами. Коэрцитивная сила их составляет 500 Э, в то время как у лучших магнитных сплавов 250 Э, а у чистого железа 1 Э. При окислении в потоке чистого кислорода за 100 минут на нитевидных кристаллах окисленный слой составляет 1 мкм, а у обычного железа за 20 минут слой в 4,5 мкм.

Рентгеноструктурный анализ помог разгадать причины чудесных свойств “усов” — это были бездефектные, “идеальные” монокристаллы чистого железа. Отсутствие дефектов в “усах” объяснялось особенностью их роста и малыми размерами. Они росли настолько быстро, что дефекты не успевали возникнуть: не хватало ни времени, ни места.

Прочность нитевидных кристаллов зависит от их размеров. Чтобы прочность была значительно выше обычной, необходимо использовать кристаллы диаметром менее 10 мкм. Эту зависимость доказали на примере нитевидных кристаллов железа.

Поэтому практически использовать огромную прочность усов можно пока только в особых случаях, если, например, изготовить пряжу или ткань для специальных целей. Однако роль монокристаллов в современной технике растет. Они находят все новые области применения.

Для специальных приборов и конструкций используются не только полуфабрикаты из металлических монокристаллов в виде ленты, прутков, проволоки, но и сами кристаллы. Это связано с рядом преимуществ монокристаллов тугоплавких металлов перед соответствующими поликристаллами: высокой пластичностью, совместимостью с различными средами (парами щелочных металлов, ядовитым горючим), устойчивостью против рекристаллизации вплоть до температур плавления, высокой стабильностью структуры и свойств при различных внешних воздействиях, высокой сопротивляемостью ползучести до температур плавления.

Так возникла идея изготовить изделие из целого кристалла. Например, прочностью и жаростойкостью турбинных лопаток определяются боевые качества самолетов и экономичность энергетических систем. В жаропрочных сплавах, из которых обычно отливают лопатки, самым уязвимым местом являются границы между зернами.

Специальный литейный процессе направленной кристаллизацией позволил получить лопатки из монокристалла — они выдерживают вдвое больше тепловых ударов, чем обычные.

Теперь монокристаллы уже не лабораторная редкость. Учитывая потребности многих отраслей техники, растет промышленное получение монокристаллов.

Железо — магнит

Все металлы в той или иной степени способны намагничиваться. Однако наиболее сильно подвержены этому такие металлы, как железо, никель, кобальт и гадолиний. Хорошо намагничиваются многие сплавы этих металлов: сталь, чугун и другие, получившие название ферромагнитных сплавов.

Способность притягиваться магнитом и самому быть магнитом — одно из удивительных свойств железа. Явление магнетизма известно с глубокой древности. Слово магнетизм происходит от названия горы Магнезии в Малой Азии. Здесь существовало богатое месторождение магнитного железняка. Практическое применение магнетизм получил значительно раньше, чем началось его научное исследование. Мореходы издавна пользовались компасом с магнитной стрелкой.

Явление магнетизма с давних пор вызывает интерес. В старинной книге “Зрелище природы и художеств” (1784 год) удивлялись: “Чудно, как магнит сообщает железу оную силу притягивать или подымать другое железо”.

Мыслители древности изучали таинственные свойства магнитного камня. Еще тогда пытались найти ему практическое применение, например для лечения людей.

Научное изучение магнетизма началось с изготовления магнитов. В 1755 году швейцарский ювелир Дитрих впервые изготовил подковообразный магнит. Электромагнит с железным сердечником изобрел в 1823 году самоучка, сын английского сапожника Стерджен. Его магнит состоял из одного слоя голого медного провода, навитого на лакированный железный сердечник. Американец Генри усовершенствовал электромагнит, навив на железный сердечник провод в несколько слоев. Генри изолировал сами провода вместо того, чтобы лакировать сердечник. Навивая на каркас все больше слоев проволоки, Генри делал более мощные электромагниты. В 1831 году он изготовил электромагнит, который мог поднимать 300 килограммов. Широкое практическое применение электромагниты нашли в XX веке. Размеры их, вернее сила притяжения, постоянно увеличивались.

Явление магнетизма широко используется в современной технике, в первую очередь в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике, где из ферромагнитных материалов изготовляют магнитопроводы генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной записи.

Современная металлургия производит самые различные магнитные материалы с особыми магнитными свойствами. Разработаны различные методы изготовления этих материалов подбором химического состава, режимов термообработки и специальных физико-химических методов очистки (отжиг в вакууме, в атмосфере водорода).

В современной промышленности широко используются электромагнитные плиты для перемещения металла в виде слитков, блюмов, чугунного и стального литья. Электромагнитные плиты надежно работают и при перевозке горячего металла. Грузоподъемность плит достигает 65 тонн. Каждый килограмм современного сверхпроводящего магнита создает магнитное поле, равное по силе полю двадцатитонного электромагнита с железным сердечником. Создание сверхустойчивых магнитов — важнейшая задача физиков.

Магнитными “руками” пользуются в самых различных областях техники. Например, в 5–8 раз сокращается вспомогательное время при работе на металлорежущих станках, если для крепления деталей вместо тисков использовать магнитные плиты и патроны.

Но в технике нередко используются детали приборов, изготовленные из немагнитного материала. Ранее для этой цели применяли цветные металлы — латунь, бронзу. Известно, что железо утрачивает магнитные свойства лишь выше точки Кюри (770°С). Это явление открыл Гильберт в 1600 году, обнаружив утрату магнитных свойств у стали при температуре красного каления.

Лишь в 1924 году в Англии был запатентован немагнитный чугун. В США его производили под названием “Номаг” и он явился ценным электротехническим материалом. Сплав имел высокое содержание никеля и марганца и был очень дорог.

Инженер И.А. Одинг, впоследствии академик (завод “Электросила”), в 1930 году запатентовал немагнитный чугун с пониженным содержанием никеля и марганца. Но из-за снижения содержания марганца для получения немагнитных изделий приходилось подвергать их закалке в воде при температуре свыше 1000°С. Усложнение технологии мешало распространению нового чугуна. В результате исследований в одном из институтов нашли оптимальный состав немагнитного чугуна без никеля. Чугун получали простым и дешевым способом.

В 20-х годах XX века была получена немагнитная сталь. Теоретически чистое железо при температуре свыше 910°С перестает быть магнитным. Это связано с переходом железа в состояние гамма-железа. Присутствие углерода ускоряет этот переход и при содержании его в железе около 1% получается сталь, которая теряет свои магнитные свойства при 700°С. Если добавить в сплав третий элемент, способный составить твердый раствор с гамма-железом, то гамма-железо сохранится и при комнатной температуре. Таким элементом является, например, марганец: с добавкой его можно получить немагнитную сталь. В индукционных электропечах из немагнитной стали изготовляют каркас, в котором размещаются индуктор и тигель.

Ржа ест железо

Так народная пословица кратко определила еще одно свойство железа.

Коррозия — это самопроизвольное разрушение металла, вызываемое химическими или электрохимическими процессами, развивающимися на его поверхности при взаимодействии с внешней средой. Коррозия металла становится причиной досрочного вывода из строя деталей, оборудования и целых сооружений. Известно, что ежегодно вследствие коррозии в мире выбывают из фонда годного миллионы тонн проката черных металлов. В результате значительно сокращается срок эксплуатации оборудования.

Люди издавна интересовались вопросами защиты металла от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (V век до н.э.) и древнеримский ученый Плиний Старший (I век н.э.) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины. Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа.

Защита металла от коррозии сейчас осуществляется различными способами: снижением агрессивности коррозионной среды; повышением коррозионной стойкости металла путем его легирования; нанесением на поверхность металла различных защитных пленок, лаков, красок, эмалей. Ученые создали новое стеклокристаллическое покрытие, которое отличалось стойкостью и способностью работать при более высокой, чем металлы, температуре.

Агрессивные химические вещества быстро разрушают лопасти смесителей, создающих однородную среду в реакционных емкостях. Польские специалисты разработали способ, предохраняющий лопасти от износа. Очищенную деталь помещают в литейную форму, а затем заливают жидким металлом с высоким сопротивлением к коррозии и истиранию. Образовавшаяся твердая скорлупа надежно предохраняет мягкий металл лопасти от повреждений. Этот слой значительно увеличивает срок службы смесителей, тем более что отработавшую скорлупу можно заменить новой.

Большим достижением металлургов в защите от коррозии явилось создание коррозионно-стойкой стали. В результате снижения содержания углерода в нержавеющей стали до 0,1% стало возможным изготовление из нее листового проката. В 1923 году получили наиболее типичную нержавеющую сталь — хромоникелевую марки 18–8 (18% хрома и 8% никеля).

Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране выплавили в 1924 году в Златоусте. Через несколько лет выплавляли уже десятки тонн стали. Была сделана попытка выплавить коррозионностойкую сталь в мартеновской печи.

Коллективом лаборатории качественных сталей ЦНИИчермета им. Бардина создан большой ассортимент коррозионно-стойких сталей. Это и сплавы на железохромоникелевой основе, и особо коррозионностойкие никелевые, легированные молибденом и вольфрамом. Листам и пруткам из нержавеющей экономичной стали и никель-хромомолибденового коррозионностойкого сплава, созданным в институте, на металлургическом заводе “Электросталь”, металлургическом комбинате “Запорожсталь” и Ашинском металлургическом заводе, присвоен государственный Знак качества.

Технический способ получения нержавеющей стали из… старых автомобилей предложили специалисты Комиссии по атомной энергии США, где ежегодно скапливаются горы автомобильного металлолома. К металлолому добавляют оксид железа и никель, затем смесь нагревают в атмосфере аргона до температуры 1650°С в течение одного часа. За это время смесь плавится, никель растворяется, а содержание углерода снижается до заданного. Далее в печи создают вакуум, чтобы испарить медь и олово. И, наконец, печь опять наполняют аргоном, и к смеси добавляют хром. В результате получается сталь высокого качества.

Чудесные свойства нержавеющей стали открывают ей доступ во все отрасли промышленности, транспорта, строительства. В США нержавеющую сталь давно применяют для изготовления пассажирских вагонов. В Милане выпущены автобусы, многие элементы кузова которых сделаны из нержавеющей стали. Используется эта сталь и в быту. Так, шведские специалисты создали “слоеную посуду”. У кастрюли тройные стенки: слой меди, алюминия и нержавеющей стали. В такой посуде кушанье быстро разогревается, не подгорает и ей нет износа. Отменные качества изделия объясняются свойствами этих металлов. Медь быстро нагревается, алюминий нагревается равномерно, с нержавеющей стали легко счищается любой нагар.

Двенадцать турбин для Асуана построил Ленинградский металлургический завод им. Кирова. Впервые в истории мирового гидротурбиностроения рабочие колеса турбин мощностью по 175 тысяч кВт каждое в соответствии со специфическими условиями эксплуатации были выполнены из нержавеющей стали.

А почему с коррозией надо только бороться? Нельзя ли ее привлечь на службу человека, например электрохимическую реакцию, которая так беспощадно “съедает” металл? Так родилась электрохимическая размерная обработка. В специально подобранном электролите ток энергично растворяет металл. Вместо резца используется направленное электрическое поле. Задача, как у скульптора, — убрать все лишнее. За короткое время на наших глазах возникает профиль детали. Причем чистота обработки очень высокая, скорости в 5–15 раз быстрее резания.

В технике нашла применение и сама ржавчина, как защитное средство. Например, освоена выплавка низколегированных сталей с малым содержанием никеля, хрома и меди. Подобная сталь быстро ржавеет, но под слоем опавшей ржавчины остается плотная черная пленка, которая крепко сцепляется с металлом и практически полностью защищает его от дальнейшей коррозии. Время, необходимое для образования защитного слоя, колеблется от двух до четырех лет. После этого скорость коррозии уменьшается и составляет от 2 до 35 микронов в год в зависимости от условий. В обычных условиях лист из такой стали проржавел бы лишь на… 0,3 миллиметра. Из такой стали построено уже несколько мостов. Можно строить мачты высоковольтных ЛЭП, дымовые трубы.

Исследователи давно стремились к тому, чтобы сделать металлические сплавы пассивными к разрушению. Пройден еще один шаг на этом пути. В Институте физической химии АН СССР доктор химических наук Н.Д. Томашев и кандидат технических наук Г.П.Чернова открыли явление самопассивирования металлов и сплавов.

Пассивностью металлов называют состояние их повышенной стойкости к коррозии. При пассивировании на поверхности вещества образуется защитный слой, предохраняющий его от разрушения. Ученые обнаружили, что при введении в состав сплава некоторых металлов (рутений, палладий, платина) пассивируемость и коррозионная стойкость сплава повышается в сотни раз. Эти исследования вносят существенный вклад в теорию коррозионных процессов. В результате открытия появились принципиально новые возможности создания сплавов, стойких к воздействию внешней среды. Они позволяют создать уникальную аппаратуру для химической, атомной и нефтяной промышленности.

Мир сталей и сплавов

Сталь — сплав железа с другими элементами: углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором. Это известно нам сейчас. Однако люди научились получать и использовать сталь гораздо раньше, чем узнали ее состав. Египтянам, например, еще до нашей эры известно было, что некоторые сорта железа при погружении в нагретом состоянии в воду “принимают закалку”, другие не принимают. Свойство стали “принимать закалку” и служило потом долгие века единственным признаком для разграничения железа и стали.

Французский ученый Реомюр в 1722 году высказал мысль, что железо и сталь отличаются друг от друга по химическому составу только присутствием какой-то примеси, названной им летучей солью, которая и определяет различие их свойств. Лишь в 1814 году немецкий исследователь Карстен указал, что такой примесью является углерод. Наконец-то была доказана единая материальная природа всех железоуглеродистых сплавов — чугуна, стали и железа. Только во второй половине XIX века выработалось в основном верное представление о железе и его сплавах.

Появление в XIX веке новых областей применения металла — машиностроения, железнодорожного строительства — потребовало более точных представлений о качестве металла. Для этого определяли химический состав железных руд, шлаков и различных железоуглеродистых сплавов. Постепенно выявилось более точное влияние на углеродистое железо примесей — кремния, марганца, серы, фосфора.

П.П. Аносов впервые занялся систематическим изучением влияния различных элементов на сталь. Он исследовал добавки золота, платины, марганца, хрома, алюминия, титана и других элементов и первым доказал, что физико-химические и механические свойства стали могут быть значительно изменены и улучшены добавками некоторых легирующих элементов. Ученый заложил основы металлургии легированных сталей. Замечательное свойство железа — давать сплавы с различными элементами и при этом проявлять новые качества — широко используется в современной технике. Известно более 8 тысяч сплавов, обработка которых дает десятки тысяч марок сталей различного назначения. Созданы самые удивительные марки стали: “деревянная”, свинцовистая, алмазная и мягкая, графитизированная, платинистая и серебряная. О некоторых из них мы расскажем.

В старину пытались получать стали с добавками благородных металлов. Так, в 1825 году в России были описаны опыты на Гороблагодатских казенных заводах по сплавлению стали с платиной. Шесть фунтов стали расплавили в тигле с восемью золотниками очищенной платины. Жидкую массу вылили в чугунную форму и быстро охладили в холодной воде. “По разломе стального бруска сталь оказалась весьма однородной сыпи и столь мелкой, что простыми глазами невозможно было усмотреть ее сложения. Будучи выточена и закалена без отпуска, она резала стекло, как алмаз, рубила чугун и железо, не притуплялся”.

Позже нашли более дешевые и широко распространенные легирующие элементы, дающие лучшие результаты. Например, в сплаве платинит нет платины (содержится 48% никеля, 0,15% углерода, остальное железо). Сплав имеет такой же коэффициент теплового расширения, как и у стекла, поэтому применяется для замены платиновых вводов в электролампах. Сплав ковар (29% никеля, 18% кобальта) имеет коэффициент линейного расширения такой же, как у молибденового стекла, и предназначается для спайки с этими стеклами, давая прочное и совершенно газонепроницаемое соединение.

В 1927 году в Берлине на выставке показывали небольшую кастрюльку с двумя ручками из разных металлов. В ней кипела вода и одна из ручек, сделанная из железа, была горячая, другая теплая. Ручка была сделана из так называемой деревянной стали, в состав которой входили 35% никеля, 1% хрома и 64% железа. Называлась она так потому, что по теплопроводности была подобна дереву. Она относится к прецизионным сплавам, свойства которых достигаются только при совершенно точном составе. Малейшее отступление от рецепта вызывает потерю этих свойств.

Автором одного из таких сплавов был швейцарский физик и метролог, ставший затем директором Международного бюро мер и весов, профессор Гийом. В 1898 году он определил зависимость физических свойств стали от содержания в ней никеля. Оказалось, что сталь, содержащая более 25% никеля, при нагревании теряет магнитные свойства; сталь, содержащая 36% никеля, отличается самым малым коэффициентом линейного расширения (в 10 раз меньше, чем у платины). Никелевый сплав, состоящий из 36% никеля и 64% железа, Гийом назвал инваром, что значит неизменяемый. В пределах температур от -60°С до +100°С тепловое расширение инвара близко к нулю. Впервые сплав применили для изготовления эталона длины дуги земного меридиана на архипелаге Шпицберген, определенной русско-шведской экспедицией в 1899 году. Несмотря на значительное изменение температуры воздуха, при этих измерениях, длина линеек из инвара оставалась практически неизменной.

Замечательные свойства инвара позволили применять его в измерительной технике и приборостроении, в частности в вакуумной технике для спайки с различными сортами стекла. Из инвара изготовляют также вставки для разрезных алюминиевых поршней, чтобы уменьшить их тепловое расширение и устранить заедание в цилиндре во время работы двигателя.

Алмазной сталью названа легированная инструментальная сталь, содержащая 1,25–1,45% углерода, 0,4–0,7% хрома и 4–5% вольфрама. Такая сталь имеет очень высокую твердость, близкую к твердости алмаза. Ее применяют для снятия тонкой стружки с твердых материалов (отбеленного чугуна, стекла).

Стали с новыми свойствами создаются чаще при комплексном использовании нескольких элементов. Использование редкоземельных элементов в сталях специалисты считают самым выдающимся успехом в сталеварении за последние полвека.

Для создания новых марок сталей используют, например, азот. Газы в металле — всегда нежелательная примесь, снижающая качество металла. А вот в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в плазменную печь, где расплавляется металл, специально нагнетается азот. После охлаждения получается сталь, о которой давно мечтали машиностроители: жаропрочная, устойчивая к воздействию кислот и щелочей. Азот превращается в полезный элемент: за счет образования нитридов ванадия, титана, молибдена идет измельчение зерна. Применение азота позволило сократить добавки никеля и совсем не использовать ферросплавы.

Японским специалистам удалось получить в твердом виде аморфный металл, т.е. без кристаллической структуры. Для этого смешивают железо или никель (90%) с фосфором и углеродом, кремнием, алюминием и бором. Смесь нагревают до 1200°С. Затем сплав очень быстро охлаждают, подвергая вращению со скоростью 5 тысяч оборотов в минуту. Такая сталь во много раз тверже известных сталей и обладает высокой химической стойкостью. Новую марку стали можно применять на атомных электростанциях, в приборах для исследования моря, в химической аппаратуре.

Специалисты Института прецизионных сплавов ЦНИИчермета занимаются разработкой способов превращения металла в “металлическое стекло”. Принцип получения металла со “стеклообразной” структурой таков: заставить расплавленный металл затвердеть с такой скоростью, чтобы не успела сформироваться кристаллическая решетка. Для этого струя расплавленного металла через профильную форсунку “выстреливается” на холодную движущуюся поверхность.

Затвердевший металл расплющивается и сматывается серебристой лентой на катушку.

Структура “металлического стекла” предопределяет уникальное свойство этого материала, названного аморфным прецизионным сплавом. В обычной стали уязвимым местом являются границы между зернами. Именно здесь появляются тонкие трещины, развивается коррозия. Поскольку у нового материала нет кристаллической решетки, он в десятки раз прочнее традиционной стали, обладает повышенной устойчивостью к коррозии, легко поддается намагничиванию. Металлическое стекло незаменимо для изготовления приборов, работающих в агрессивных средах, при низких температурах или высоких механических нагрузках.

В создании сплавов и марок сталей участвуют прежде всего электрометаллурги. Они ведут плавку в электропечах наиболее совершенным процессом из ныне существующих для массового получения литой стали. Электропечь емкостью 100–200 тонн обслуживают сталевар и один — два подручных. Возможность создать более высокие температуры в электропечи (2500–3000°С) позволяет получать стали и специальные сплавы с высоким содержанием тугоплавких легирующих элементов.

Большой интерес представляет сплав никеля с титаном — нитинол. При проведении опытов с этим металлом было замечено, что он обладает способностью “запоминать”. Нагревая нитинол, придавали ему определенную форму, затем охлаждали и сплющивали. Потом снова нагревали. И сплав принимал свою первоначальную форму, с высокой точностью повторяя все изгибы и закругления, полученные при первом нагреве.

Запоминающие сплавы — теперь не сенсация, с ними работают, изучают их новые свойства. Исследования показали, что временные нагрузки, вызывающие в металле те или иные напряжения, после снятия их оставляют в металле какие-то “следы”, и металл постепенно суммирует их. Оказалось, что наиболее легко металлы воспринимают и прочно “запоминают” нагрузки, “перенесенные” ими при очень высокой температуре.

Попутно исследуются возможные сферы инженерного применения этого необычного свойства. Представьте конструкцию, которая способна собирать самое себя. Антенну для космической станции размером в десятки метров можно упаковать, к примеру, в небольшой контейнер и доставить на орбиту. Достаточно затем прогреть багаж электрическим током или солнечными лучами, и начинается самосборка. С помощью охлаждения антенну можно снова упаковать.

В наш век повсеместной механизации и автоматизации основным материалом для механизмов остается сталь. А движущиеся металлические части — это неизбежный шум, вибрации. Для борьбы с первопричиной шума ищут новые материалы. Стальной сплав, обладающий свойством гасить колебания и превращать их в тепловую энергию, а также в значительной степени свободный от резонанса, получен на заводе японского концерна “Ниппон Кокан”. В состав сплава входит 12% хрома, причем сплав подвергается специальной термообработке. Перспективы у “тихой” стали большие. Это производство станков, локомотивов, различных крышек и клапанов, головок цилиндров, некоторых приборов. Детали из нее создают меньше шума и обладают большим сопротивлением усталости.

Оригинальную марку “мягкой” стали создали челябинские специалисты. Добавки свинца и селена делают металл “мягким”, легко обрабатываемым. По другим качествам он не уступает обычной стали, зато производительность труда станочников при обработке деталей повышается, служба инструмента увеличивается.

Прозрачную нержавеющую сталь выпускают на металлургическом заводе “Меллори” (США). Пропуская свет, она совершенно не пропускает воду. Однако листы, изготовленные из этой стали, скорее напоминают сито, чем стекло: на просвет можно увидеть множество крохотных отверстий (десять тысяч на один сантиметр поверхности), полученных электрохимическим способом.

На заводе сталь новой марки получают непрерывной прокаткой. Сталь хорошо сваривается, паяется, легко обрабатывается на станках. Помимо прозрачности, она обладает еще способностью исключительно хорошо поглощать шумы. Столь неожиданное свойство, по мнению специалистов, позволит использовать ее для изготовления кожухов турбореактивных двигателей. Однако наиболее перспективное применение дырчатой стали — полости для сыпучих материалов. Продувая сквозь поры воздух, можно заставить муку, цемент, угольную пыль течь, подобно жидкости. Разгрузка железнодорожных вагонов с днищем из такой стали, приспособленных для перевозки порошкообразных материалов, значительно упростится. Новинку можно использовать в строительстве и для декоративной отделки.

Современной технике нужны металлы и сплавы с самыми необычными свойствами. Нужны стали для работы при давлении в сотни и тысячи атмосфер (в производстве аммиака давление на 100 МПа) и при глубоком вакууме, когда давление близко к нулю (в электронных приборах давление до 0,000133 Па). Хладостойкие стали должны сохранять прочность при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С). Для атомных реакторов требуется металл с наибольшей магнитопроводностью, для двигателей реактивных самолетов и ракет — сталь, способная сохранять прочность при весьма высоких температурах и больших нагрузках. Теперь такие стали и сплавы есть!