Металлы и человек - Михаил Васильев

А бериллий обладает к тому же и высокой теплостойкостью. Деталь из дюралюминия при нагреве до 400 градусов становится в 5 раз менее прочной, чем до нагрева. А бериллиевая деталь снизит свою прочность лишь наполовину.

Не уступает бериллий другим металлам и по удельной прочности. Если у нержавеющей стали удельная прочность равна 10, у сверхпрочной стали — 20, то у бериллия она превосходит 26. Каркас высотного дома, сделанный из такого же по весу количества бериллия, что и стальной каркас, будет значительно прочнее последнего. Самолет, сделанный из бериллия, только за счет разницы в весе будет иметь на 40 процентов большую дальность полета, чем такой же самолет из алюминия.

Вот почему о блистательном бериллии заговорили, как о крылатом металле будущего.

Однако не только авиаконструкторы обратили на новый металл свое благосклонное внимание. Еще раньше нашли ему применение рентгенотехники. Оказалось, что твердый, неподатливый бериллий почти абсолютно прозрачен для рентгеновских лучей. И поэтому «окна» рентгеновских трубок во всем мире ныне делают из бериллия.

Очень скоро заинтересовались бериллием и металлурги. Крохотные добавки этого металла, как им удалось установить, резко изменяют свойства многих металлов и сплавов.

Мы говорили уже об усталости металлов — неприятном свойстве их ломаться, испытав определенное количество даже не очень значительных напряжений.

Было время, рессоры для автомобилей делали из обыкновенной углеродистой стали; 800–850 тысяч толчков выдерживали они и ломались от усталости. В сталь ввели небольшое количество бериллия, и словно новой силой налился металл: 14 миллионов толчков выдержали рессоры при испытаниях, и даже следов усталости не было у них. Неутомимость придал стали бериллий.

Бериллий не соединяется с магнием, но стоит ввести его в состав магниевого сплава — хотя бы не более 0,01 процента — и резко повышается его стойкость против коррозии в воздухе и в воде. И даже при нагревании до 700 градусов такой сплав, содержащий добавку бериллия, не загорается. Противопожарные свойства придал магнию бериллий.

Бериллий является лучшим раскислителем стали. Ни алюминий, ни магний не обеспечивают такой полноты раскисления, как бериллий.

Но самым важным сегодня сплавом, в котором содержится бериллий, являются так называемые бериллиевые бронзы.

Нет, бериллий не является основой этих сплавов, хотя он и дал им свое имя. Его содержание в них ограничивается 2–2,5 процента. Но влияние этой добавки оказывается поистине чудодейственным.

Самые ответственные детали механизмов — пружины, электрические пружинящие контакты, шестерни и подшипники, — работающие при больших скоростях, высоких давлениях и температурах, изготовляются из бериллиевых бронз. Да это и понятно: прочность их после соответствующей термической обработки не уступает прочности лучшей стали. Они отличаются высокой упругостью, хорошей электропроводностью и теплопроводностью. К тому же они хорошо сопротивляются истиранию. Но не только поэтому, а также и потому, что они при ударе о камень никогда не рождают искры, из бериллиевых бронз делают кирки, молотки, пилы, применяемые на взрывоопасных работах — в шахтах, на пороховых заводах и т. д.

Бериллиевые бронзы умеют стареть почти так же, как некоторые сплавы алюминия. Чтобы вызвать процесс старения, изделия из бериллиевой бронзы нагревают до 780–800 градусов, охлаждают в воде, а затем в течение нескольких часов подвергают отпуску при температуре 250–350 градусов. После закалки сплав становится очень пластичным, податливым, как глина. Но после отпуска пластичность исчезает, зато прочность возрастает в несколько раз. Если предел текучести у закаленной бериллиевой бронзы не превышает 16 кг на кв. мм, то после отпуска он поднимается до 128 кг на кв. мм.

И еще одно важнейшее применение бериллию нашли металлурги. Они насыщают этим металлом поверхностные слои стальных изделий в тех случаях, когда им надо придать особую твердость и стойкость против окисления при температурах до 800 градусов. Этот процесс называется бериллизацией. Он состоит в нагреве погруженного в порошок бериллия или его богатого соединения стального изделия до температуры около 1000 градусов.

Вот сколько важнейших применений нашел бериллий в металлургии!

А на него уже предъявляют свои права и ученые, работающие в области атомной энергетики.

Оказывается, и еще одним важнейшим свойством обладает этот металл: он замедляет пролетающие сквозь него нейтроны, но не поглощает их, поэтому он незаменимый материал атомной энергетики.

Немало желающих в самых разных областях техники и промышленности нашлось на бериллий. Но бериллий оказался редким металлом. Даже в берилле — полудрагоценном камне, лучшей руде бериллия— содержится всего около 5 процентов этого металла. Содержание же его в составе земной коры измеряется десятитысячными долями процента.

Так что же, поманив своими достоинствами, бериллий так и останется недоступной виноградной кистью из басни о лисе и винограде? Вряд ли. Бериллия на Земле все же, например, вдвое больше, чем свинца или кобальта.

И, действительно, едва разобрались в свойствах бериллия, как начала стремительно расти его добыча. Уже в 1932 году немецкая фирма Сименса выплавила 2 тонны этого драгоценного металла. В 1937 году в США было произведено около 7 тонн сплавов бериллия. А в 1959 году только в капиталистических странах было добыто 180 тонн бериллия.

Правда, у бериллия есть и отрицательные качества. Он очень твердый— при обыкновенной температуре царапает стекло (попробуйте обрабатывать такой металл резанием!). Он очень хрупок — ударьте молотком, и он рассыпется на куски; поэтому чистый бериллий не поддается ни прокатке, ни ковке, ни волочению. Только повысив температуру до темно-красного каления, можно, да и то в очень ограниченных пределах, ковать бериллий. И еще в сверхчистом виде имеет он некоторую пластичность.

Нелегко, конечно, иметь дело с таким упрямцем, не поддающимся никакому воздействию. Для того чтобы получить бериллиевую жесть, например, приходится прокатывать заготовки в герметических стальных контейнерах при температуре в 300 градусов.

Но и не таких упрямцев обламывали металлурги! Одним из средств усмирения их непокорных характеров является так называемая порошковая металлургия.

Порошковая металлургия

Это огромная уже сегодня и стремительно развивающаяся область металлургии.

Правда, в настоящее время всего лишь около 0,1 процента — тысячная часть от мирового производства металла — проходит стадию порошковой металлургии, но это еще не характеризует ее места в промышленности. Ведь каждый килограмм изделий методами порошковой металлургии эквивалентен нескольким килограммам металлических изделий, изготовленных резанием: в порошковой металлургии почти нет отходов, а при резании огромное количество металла идет в стружку. С другой стороны, один килограмм металлокерамических твердых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии, заменяет десятки килограммов высоколегированной инструментальной стали.

Порошковая металлургия применяется в тех случаях, когда никакими другими способами нельзя приготовить из соответствующих материалов изделие с требующимися высокими свойствами.

Как, например, изготовить из сверхтвердого вольфрама, да к тому же еще имеющего температуру плавления в 3400 градусов, тончайший волосок электрической лампочки? Ни обработки резанием, ни волочения, ни прокатки здесь не применишь.

Как приготовить сплав двух металлов, имеющих резко различные температуры плавления — например меди (она плавится при 1083 градусах) и того же вольфрама?

Как изготовить материал, содержащий наряду с металлическими и неметаллические включения, например частицы корунда или алмазной пыли?

Как изготовить металлический вкладыш подшипника таким, чтобы всю его толщу пронизывали поры и чтобы общее количество их было (в процентном отношении) строго соответствующим заданному?

Из каких сплавов будут созданы они, межзвездные корабли послезавтрашнего дня?!

Все эти технологические задачи позволяет решить порошковая металлургия. Но это еще не все. Порошковая металлургия может конкурировать по экономичности и с другими видами обработки металлов. Так, для изготовления обычным методом железной шестерни требуется затратить 30 часов труда квалифицированного рабочего. На изготовление такой шестерни методом порошковой металлургии требуется 10 часов труда малоквалифицированного труженика.

Методом порошковой металлургии можно получать изделия, столь точно выполненные, что они не потребуют никакой дополнительной обработки. Потери металла при порошковой металлургии крайне невелики, а чистота получаемых материалов может быть очень высокой.