Секрет неутомимости

«Если бы не было ванадиевой стали, – сказал американский автомобильный король Генри Форд, – то не было бы и моего автомобиля».

«Если бы не было ванадия, не было бы некоторых групп животных», – считают зоологи, сообщая, что в крови голотурий содержится до 10 процентов ванадия.

Эти два мнения приводит академик А. Е. Ферсман, начиная свою поэтическую статью о ванадии, металле, который, несмотря на свою распространенность, долго не давался в руки человеку.

Ванадий был открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. Дель Рио в бурой свинцовой руде. Дель Рио даже дал название новому металлу – эритроний. Но ученого мучили сомнения в точности его определения.

Он поставил новые опыты, посоветовался с друзьями и пришел к выводу, что описанный им новый элемент есть недавно открытый хром. Об этом он и объявил во всеуслышание в 1802 году.

В 1830 году шведский химик Н. Седстрём открыл в железной руде новый элемент, которому дал название «ванадий» – по имени древнескандинавской богини красоты Ванадис. А в 1831 году было доказано, что эритроний Дель Рио и ванадий Седстрёма – один и тот же металл.

Но только в 1869 году английский химик Г. Роско после нескольких лет напряженных поисков сумел получить металлический ванадий, да и то содержание примесей в нем превышало 4 процента. А между тем даже незначительные примеси резко изменяют свойства ванадия. В очень чистом виде этот металл серебристо‑серого цвета, обладает значительной пластичностью, его можно ковать. Но даже небольшие количества примесей– особенно азота, кислорода и водорода – резко снижают пластические свойства металла: он становится очень хрупким и твердым.

Впрочем, механические свойства чистого ванадия изучены очень плохо. Ведь не существует ни в одной стране мира промышленного производства чистого ванадия. Только в лабораториях можно найти образцы этого металла той или иной степени чистоты.

А между тем ванадий имеет перспективы сыграть и сольную партию в оркестре металлов, используемых человеком. Он обладает значительной механической прочностью, большой коррозионной устойчивостью до температуры в 300 градусов, высокой температурой плавления – около 1700 градусов, меньшим, чем у железа, удельным весом – около 6 г на куб. см. Ванадий широко распространен в природе. Его в земной коре значительно больше, чем кобальта, молибдена, меди, свинца и олова.

Что ж, возможно, настанет время и ванадий будет распространенным конструкционным материалом. Из него будут делать детали машин, сооружений, как сейчас из стали и алюминия. Будет исследовано и многочисленное семейство сплавов ванадия, как сегодня исследованы сплавы железа и меди.

Но в настоящее время ванадий – металл‑витамин; 95 процентов всего производимого ванадия идет в черную металлургию, используется в качестве легирующих примесей стали.

Обычно в сталь добавляют 0,15–0,20 процента ванадия. Это очищает сталь, ибо ванадий является отличным раскислителем. Вместе с тем его присутствие повышает упругость стали и ее прочность. Сталь становится неутомимой. Она не устает отвечать упругим противодействием на силу, стремящуюся согнуть, деформировать изделие из нее, словно ванадий знает секрет неутомимости и, войдя в сталь, сообщает ей его, умножив ее силу и выдержку. Именно поэтому ванадий – обязательный элемент в рессорных и пружинных сталях. Ванадий увеличивает сопротивляемость сталей окислению, уменьшает усадочные раковины в слитках стали.

Ванадиевые стали используются в автомобилестроении, авиации, различных других отраслях машиностроения.

Не только у стали улучшаются свойства от добавки ванадия. И чугун делает качественнее этот металл‑витамин. Из ванадиевого чугуна отливают паровые цилиндры, поршневые кольца, изложницы, прокатные валки, матрицы для холодной штамповки и т. д.

В 1907 году было во всем мире получено около 3 тонн ванадия. К 1943 году эта цифра поднялась до 4 300 тонн (без СССР). В дальнейшем выплавка ванадия колебалась около этой цифры.

Однако весь или почти весь этот ванадий выплавляется в сплаве с железом. В нашей стране ванадий получают из железных руд при их переработке в сталь.

Многие советские железные руды содержат от 0,1 до 0,65 процента окислов ванадия. Это считается очень неплохим процентом, ибо концентрированных руд ванадия на Земле очень мало. При доменной плавке почти весь ванадий из руды переходит в чугун. При переделе чугуна в сталь конверторный процесс ведут таким образом, чтобы ванадий перешел в шлак. Удается получить шлаки, содержащие от 8 до 16 процентов окислов ванадия. Эти шлаки размалывают, обжигают, смешав с некоторыми добавками, чтобы перевести ванадий в растворимые соединения, а затем выщелачивают из них ванадий. Из осадка этого раствора и выплавляют затем феррованадий. Обычно он содержит не менее 35 процентов ванадия.

Радикальное средство.

Нашли себе применение и многие соединения ванадия. Пятиокись ванадия является отличным катализатором при производстве серной кислоты. Другие его соединения используются в медицине, в фотографии, текстильной и лакокрасочной промышленности, в стекольном производстве.

Но, конечно, все это только начало большой службы ванадия человеку. Он работает сейчас еще не в полную силу, и даже не в полсилы. Этот металл может значительно больше!

И только одно сильно тормозит его широчайшее применение: отсутствие концентрированных руд ванадия. Его много в природе, но он рассеян всюду. Вопрос о том, как собрать его, еще предстоит решить людям.

Соперник железа

От самого слова «титан» веет чем‑то могучим, несокрушимым. Вспоминаются боги Древней Греции, сыны Урана (неба) и Геи (земли), восставшие против самого Зевса. Побежденные, они были низвергнуты в вечный мрак подземного царства. А последнего из титанов, рассказывают греческие мифы, Прометея, который похитил у богов огонь и научил людей обращению с ним, властный бог приковал к одной из скал далекого Кавказа. Но и осужденный на вечные муки, не смирился он, упрямый и непреклонный.

Впрочем, когда немецкий химик Мартин Клапрот открыл в 1796 году новый металл, он ничего по существу не знал об его удивительных свойствах. Мало того, ни крупинки этого металла не держал он в руках, ибо получить ему удалось только серый порошок окисла металла – «землю», как говорили тогда. А имя образующему эту «землю» металлу, по его собственному признанию, он дал просто по традиции, – обратившись к греческой мифологии.

Впрочем, английский химик Вильям Грегор на четыре года раньше столкнулся с титаном. Но – так исторически получилось – не ему выпала честь назвать металл. Данное им название не прижилось. А тот факт, что два химика почти одновременно в разных горных породах открыли наличие одного и того же металла, свидетельствует о его широкой распространенности в земной коре.

Действительно, содержание титана в земной коре превосходит 0,6 процента. Это очень много. Титан – четвертый по распространенности металл. Больше в земной коре содержится только алюминия, железа и магния. Титана в три раза больше, чем марганца, хрома, ванадия, цинка, никеля и меди, вместе взятых.

Но, несмотря на то что титан относится к числу самых распространенных элементов, он долго не давался людям. Только в 1910 году удалось впервые получить металлический титан. Первые несколько граммов нового металла не отличались высокой чистотой. Да и долгие годы еще удавалось получать только загрязненный металл. И о титане прошла дурная слава как о непрочном, хрупком, бесполезном металле, не поддающемся обработке. И долго считали, что единственное применение ему – быть легирующей добавкой в сталях да идти на производство высококачественных белил.

Только в последние годы и десятилетия развеялась эта слава. Металлурги изучили свойства титана и были изумлены ими. Они оказались несравнимо лучшими, чем у тех металлов и сплавов, которые издавна служили человеку. Оказалось, что титан почти вдвое легче железа, ко обладает прочностью, превосходящей прочность углеродистых сталей и приближающейся к лучшим нержавеющим сталям.

Это колоссальное преимущество! Представим себе, что на турбореактивном двигателе самолета заменили стальные лопатки компрессора титановыми. Их вес составит всего 59 процентов от веса стальных лопаток. Но ведь это повлечет за собой изменение всей конструкции двигателя. Более легким стал ротор – менее массивными, жесткими можно сделать опоры, подшипники ротора. Уменьшение массы ротора позволяет быстрее заводить и разгонять турбореактивный двигатель. И т. д. и т. д. Он позволяет облегчить самолет, а значит, увеличить дальность его полета, высоту, скорость, грузоподъемность.

Титан обладает высокой температурой плавления– 1680 градусов. Своей прочности он не теряет при нагревании до 537 градусов. Добавкой легирующих элементов эту температуру можно поднять до 650 градусов. А ведь прочность магниевых и алюминиевых сплавов резко падает уже при температурах около 315 градусов.

Растут скорости самолетов, и огромную роль начинает играть их аэродинамический нагрев, нагрев о встречный воздух. Еще сильнее нагреваются, проходя сквозь плотные слои атмосферы, высотные ракеты. На всесоюзной Выставке достижений народного хозяйства СССР летом 1959 года демонстрировалась головная часть такой ракеты, заброшенной к преддверию космического пространства и на парашюте опустившейся на Землю вместе с заключенными в ней приборами. Но парашют раскрылся недалеко от Земли, а большую часть атмосферы ракета прошла со скоростью нескольких километров в секунду, и страшный жар от встречного потока воздуха опалил поверхность ракеты. Так и лежит она со следами небесного огня, родственного тому, которым пылают в ясные ночи метеориты.

Как важно иметь металл, который выдерживал бы высокую температуру нагрева и не размягчался, не терял своей высокой прочности!

Титан обладает удивительной антикоррозионной стойкостью. Пластинку титана можно выбросить на улицу – пройдет год, с дождями, грязью, морозами, оттепелями, и следа ржавчины не появится на ней. Железная, испытавшая столько же, вся покроется рыжим налетом или даже насквозь проржавеет. И эти антикоррозионные свойства титан сохраняет до 400–500 градусов. А легированный хромом, алюминием и кремнием – и еще дальше.

По своей антикоррозионной стойкости титан превосходит нержавеющие хромоникелевые стали. На него не действует даже страшная для многих металлов морская вода.

Многие кислоты не страшны для титана. Против него бессильна даже всесъедающая «царская водка».

Все это открывает титану широкий путь для использования в морском и речном флоте, в химической и пищевой промышленности. Вероятно, титановые танкеры и титановые корпуса океанских кораблей – реальность ближайшего времени.

Выгодна ли замена дорогим сегодня титаном более дешевых материалов? Да, в целом ряде случаев.

Вот один пример. В химическом реакторе работала в горячей азотной кислоте мешалка из нержавеющей стали. Трудно противиться этой кислоте, учитывая еще то, что ее агрессивные способности умножены высокой температурой. И каждые несколько месяцев мешалку приходилось менять: даже всемогущая «нержавейка» не выдерживала более продолжительное время разъедающих атак кислоты.

Для смены мешалки останавливали весь цикл производства. Стоило это в десять раз больше, чем сама съеденная кислотой деталь.

И вот мешалку сделали из титана. Правда, обошлась она втрое дороже, чем прежние из «нержавейки». Но она проработала без замены целых пять лет.

А теперь подумайте, рациональна ли была эта замена?

Детали из нержавеющей стали, работающие в выщелачивающем автоклаве, приходится заменять каждые несколько часов. А титановые работают несколько лет.

Чугунные диффузоры пароструйных эжекторов меняют каждые три месяца. Титановые служат, не требуя замены, по нескольку лет.

Рационально ли внедрение титана во всех этих случаях?

Мы знакомы с железом. Буквально по всем показателям превосходит титан этого сегодняшнего «короля металлов». И как только ученые и металлурги выяснили это, начало стремительно расти производство юного металла. Приведем несколько цифр. В 1910 году впервые в мире были добыты граммы титана. В 1947 году в США получены первые две тонны этого металла. К 1951 году производство титана достигло 500 тонн, а в 1956 году приблизилось к 40 тысячам тонн. В 1960 году в США, по зарубежным данным, предполагалось получить 350 тысяч тонн титана!

История металлургии знает примеры того, как быстрый рост потребности вызывал не менее стремительный рост производства того или иного металла. Такова, например, судьба алюминия, из которого во времена наших прабабушек ювелиры выделывали драгоценнейшие броши, а в наши дни штампуют сотнями тысяч экземпляров раскладные кровати. Но такого стремительного взлета еще не знал ни один металл.

И это при условии, что далеко не все свойства и особенности титана выяснены и приняты на вооружение. Очень многое еще не ясно. В бесчисленных металлургических лабораториях ученые выпытывают сейчас тайны титана. Его рвут на части, гнут, испытывают при высоких и сверхнизких температурах, сплавляют с другими металлами, сваривают, действуют токами высокой частоты и ультразвуком.

Стремятся изучить новичка со всех сторон, как сегодня со всех сторон изучено железо.

Сколько интересного открывается ученым!

Оказывается, что легирование вольфрамом, алюминием, бериллием и бором уменьшает скорость ползучести титана при высокой температуре в 25–40 раз.

Даже незначительные количества азота, кислорода и водорода в титане резко изменяют его свойства – он становится прочнее, но снижаются его пластические свойства.

Наиболее перспективны сплавы титана с алюминием. И т. д. и т. д.

Хвастовство? Нет, уверенность!

Титан – металл с огромным будущим. За это – и его удивительные свойства, и широкая распространенность в природе, и наличие больших залежей руд, содержащих значительные количества титана.

Пока еще сложна и дорога технология его производства. Но и она упрощается с каждым днем, и титан с каждым днем дешевеет. За три года – с 1955 по 1958 – цена титана на мировом рынке упала вдвое.

Дорогу титану – металлу удивительных возможностей!