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.