Между титаном и вольфрамом

В квадрате, по сторонам которого лежат эти два металла, размещаются четыре металла – цирконий, гафний, тантал и ниобий. Различны их качества, история, вероятно, и будущее. Но есть одно, что их объединяет: их уже начинают использовать, причем перспективы этого использования весьма велики.

Самым легким из этих металлов является цирконий – ближайший сосед блистательного титана. Он был открыт в 1789 году немецким ученым М. Клапротом. Имя свое получил тогда же по минералу циркону. В значительных количествах содержится в земной коре – 0,02 процента по весу. Таким образом, его больше, чем меди, цинка, олова или свинца. Существуют и многочисленные минералы, содержащие цирконий. Но сто пятнадцать лет должно было пройти, чтобы химики смогли впервые выделить чистый металлический цирконий. Он был получен только в 1914 году.

Внешне цирконий похож на сталь, но многими своими качествами превосходит ее.

Удельный вес циркония – 6,25 г на куб. см, плавится он примерно при 1830 градусах, кипит – при 2900 градусах.

Чистый цирконий превосходит по прочности хорошую сталь. Вместе с тем он обладает значительной пластичностью, из него можно вытягивать проволоку.

Коррозионная устойчивость циркония выше, чем у титана, выше, чем у хромоникелевой нержавеющей стали. Он не боится ни разбавленной серной кислоты, ни азотной кислоты любой концентрации. Ему не страшны и водные растворы щелочей. Он растворяется только в концентрированной серной кислоте.

Не правда ли, неплохой подбор качеств для конструкционного материала? Меньший, чем у железа, вес, высокая прочность, отличная обрабатываемость, превосходная коррозионная устойчивость.

И к этому еще одно – удивительное и редкое: он почти не захватывает нейтронов.

Как говорят физики, он имеет малое эффективное поперечное сечение поглощения. Это очень подходящее свойство для материала многих деталей атомных реакторов и атомных электростанций.

Все это делает цирконий важнейшим металлом новой техники. И производство его, хотя и не так стремительно, как производство титана, но неуклонно растет.

В 1947 году в США была пущена опытная установка для получения 27 кг циркония в неделю. В 1952 году было произведено уже 122 тонны циркония. Большая половина была прокатана в листы и конструкционные профили. Конечно, весь этот металл пошел на изготовление атомных реакторов.

Нет, нейтроны здесь не задерживаются.

Между тем цирконий ждут не только на атомных электростанциях, ледоколах и подводных лодках. Цирконий – отличный витамин стали. По своему влиянию на нее он подобен ванадию, и так же безукоризненно выполняет он роль очистителя. Циркониевые стали пластичны, выдерживают высокие температуры. Многие броневые, нержавеющие и огнеупорные стали содержат цирконий.

Добавки циркония полезны и для алюминиевых сплавов. Они становятся более плотными, пластичными. Почти вдвое возрастает их прочность. Резко возрастает стойкость против коррозии, в частности от морской воды.

Очень полезны добавки циркония для меди. Они лишь в незначительной степени снижают ее электропроводность, в то время как повышают прочность ее – после соответствующей термообработки – в полтора раза.

В последние годы получили распространение легированные цирконием сплавы магния. И здесь цирконий повышает прочность сплава. Прочность сплава магния с 4–5 процентами цинка и 0,6–0,7 процента циркония вдвое выше, чем сплава магния с цинком, но без циркония.

Цирконий добавляют в свинцовистые бронзы и меднокадмиевые сплавы, в марганцовистую латунь и сплавы никеля.

Вот сколько отраслей металлургии жаждет применения циркония!

Но цирконий находит применение и сам по себе, а не только в сплаве. Мы уже упоминали атомную промышленность. Но этот металл состоит в крепкой дружбе с другой развивающейся новой отраслью промышленности – электровакуумной.

Среди свойств циркония есть и жадное стремление поглощать газы. Это свойство используется для поддержания вакуума в вакуумных электро‑ и радиолампах.

Циркония ждут не только металлурги, но и конструкторы. Из него предполагается делать детали центрифуг, насосов, конденсаторов для различных химических производств, поршни, шатуны, тяги и другие детали двигателей внутреннего сгорания, лопасти паровых и газовых турбин, детали реактивных двигателей и т. д.

Еще большее применение, чем то, которое ждет цирконий, имеют уже сейчас окислы циркония. Они крайне тугоплавки – плавятся только при 2700–2900 градусах, поэтому из них готовят разнообразные огнеупоры.

Гафний – родной брат циркония. Он всегда содержится в тех же рудах, что и цирконий. И хотя гафний значительно более тугоплавкий металл – он плавится только при 2230 градусах и удельный вес его – 11,4, почти вдвое больше, чем у циркония, – долгое время гафния даже не замечали. Только в 1923 году венгр Г. Хевеши и голландец Д. Костер в Копенгагене открыли этот металл рентгеноскопическим анализом. Имя металлу они дали по латинскому названию Копенгагена.

Впрочем, существование гафния предсказал еще в 1870 году Д. И. Менделеев. А знаменитый датский физик Н. Бор описал свойства гафния еще до того, как он был обнаружен.

Было время, металлурги искали пути, как выделить чистый гафний. При этом их не очень волновало, оставался ли гафний в цирконии и вообще насколько чистым оставался этот элемент. Ныне задача резко изменилась. Атомной технике нужен абсолютно чистый цирконий. И особенно недопустимо в нем присутствие гафния, обладающего огромной способностью поглощать нейтроны – чуть ли не в тысячу раз большей, чем цирконий. И теперь перед металлургами – стоит обратная задача: выделить как можно более чистый цирконий, если можно – вообще без примесей гафния.

Сам гафний применений практически не имеет. Пытаются его использовать в нитях накала электролампочек и в катодах рентгеновских трубок, но для этих целей есть и более подходящие металлы.

Завоевать себе право на использование гафнию еще только предстоит.

Сосед гафния справа по периодической системе элементов – металл тантал.

Тантал – один из героев древнегреческих мифов. Легенды повествуют, что он однажды жестоко рассердил богов, и те обрекли его ужасной казни. По горло в прозрачной, как хрусталь, холодной воде стоит мочимый жаждой Тантал. Так близка вода, но стоит ему приблизить к ней жаждущие уста, как она бежит от них. Ни одна капля не попадает в раскаленный рот преступника.

Когда в 1802 году шведский ученый А. Экеберг обнаружил, что окислы нового открытого им металла не растворяются в кислотах, он назвал его танталом.

А уж здесь им не пройти.

Как выяснилось позже, ученый получил не чистый тантал, а его смесь с ниобием. Чистый тантал был получен лишь через сто лет– в 1903 году.

Тантал внешне напоминает платину. На воздухе он покрывается сероватой, очень прочной пленкой окислов, препятствующих дальнейшей коррозии. При нагревании до 400 градусов эта пленка приобретает красивый небесно‑голубой цвет, сохраняющийся и после охлаждения.

Тантал – тяжелый металл. Его удельный вес–16,6 г на куб. ом. Он очень тугоплавкий – плавится лишь при 2850–3000 градусах. Более высокую температуру плавления имеют только вольфрам и рений. Кипит тантал при 5300 градусах. Температура на поверхности Солнца выше всего на 700 градусов.

Тантал – прочный металл. Предел прочности танталовой проволочки – 92 кг на кв. мм. Далеко не всякая сталь может похвастаться такой прочностью!

По химической стойкости тантал уступает лишь благородным металлам, да и то не во всех случаях.

Металл с такими высокими качествами, конечно, не мог не найти себе применения.

Действительно, его начали применять в том же 1903 году, когда впервые получили в чистом виде. Он был первым металлом, из которого изготавливались нити для электрических лампочек. Впоследствии, правда, его заменил в этом более дешевый и тугоплавкий вольфрам. Однако и доныне он широко применяется в электровакуумной промышленности.

Тантал – износостойкий металл. Он соперник иридия в наплавке на кончики перьев автоматических ручек.

Тантал – желанный гость и в химической промышленности. В частности, он обычный материал для изготовления конденсаторов, работающих в производстве соляной кислоты.

Из него делают и фильеры (вместо платиновых) для протягивания нитей искусственного шелка.

Хирургов давно мучило чувство жестокой беспомощности, когда оказывался перебитым крупный кровеносный сосуд. Они научились, наложив лубок, сращивать кости, сшивать разорванные вены, восстанавливать поврежденные нервы. И только соединить разорванные кровеносные артериальные сосуды они не умели.

Это пытались делать великие хирурги, вроде Пирогова.

Благородна миссия тантала!

Провозившись несколько часов, проявив ювелирное мастерство, они сшивали тоненькие упругие трубочки, но очень часто их старание не приводило к добру: в месте соединения образовывался тромб свернувшейся крови.

Сосуд переставал выполнять свою основную обязанность. Результаты высочайшего умения хирурга оказывались равными нулю.

Это было всего двадцать лет назад. Теперь на вооружении советских хирургов есть дивный аппарат для сшивания сосудов. Изобрел его молодой инженер В. Гудов.

Этот аппарат – небольшая машина, состоящая из нескольких десятков никелированных деталей.

Концы сшиваемого сосуда зажимаются в двух половинках этого аппарата, затем половинки соединяют, нажим кнопки – и специальные скрепочки, подобные тем, что сшивают тетради, накрепко соединяют кровеносный сосуд.

Скрепки эти делаются из тантала.

Удивительный металл не вызывает никакого раздражения тканей, не отравляет организма. Он постепенно рассасывается организмом без следа. Уже через несколько дней самое тщательное просвечивание рентгеном не дает возможности обнаружить скрепки. Их уже не существует, их заменила живая ткань.

Из тантала делают планки для сращивания сломанных костей, танталовыми пластинками укрепляют поврежденный череп. Тканью из танталовых нитей соединяют разорванные мускулы.

Такое совершенно своеобразное применение в технике ремонта живых организмов нашел ныне тантал.

А юную Ниобею надо еще долго воспитывать.

Ниобий – постоянный спутник тантала. Их долго путали.

Соединения ниобия впервые выделил из соединений тантала немецкий химик Г. Розе. Он и дал этому дочернему элементу имя мифической дочери Тантала – Ниобеи. Чистый ниобий был получен впервые только в 1907 году.

Ниобий – тугоплавкий металл. Он плавится при 2415 градусах, кипит при 3300 градусах. Удельный вес его невелик – 8,6 г на куб. см. Прочность примерно соответствует прочности углеродистой стали. Он обладает средней химической активностью.

Ниобий в настоящее время служит в качестве легирующего элемента сталей. Его вводят в количестве 0,5–0,8 процента в хромоникелевые стали. Кроме того, в сплаве с танталом он используется в электровакуумной промышленности.

Бесспорно стремительное внедрение в промышленность циркония и тантала.

Бесспорно, будут находить новые применения гафний и ниобий.

Все четыре металла, находящиеся между такими верными друзьями человека, как вольфрам и титан, не могут быть бесполезными лодырями и тунеядцами.