Металлы и человек - Михаил Васильев

Шлаки, имеющие самое различное применение, шлаки, из которых можно изготовить множество строительных материалов, — это тоже неизбежный продукт выплавки меди.

Шлам электролизной переработки меди, содержащий драгоценные металлы, только стоимость которых полностью окупает весь процесс электролиза, ведь тоже входит в число побочных продуктов или даже, можно сказать, отходов производства меди.

Использование всех побочных продуктов значительно удешевляет производство меди, делает его рентабельным. А это значит, что медеплавильные заводы должны быть комплексными комбинатами, в списке продукции которых содержится не только медь, а и многие другие металлы, стройматериалы, химпродукты, тепловая и электрическая энергия.

Впрочем, такой комплексной переработке можно подвергать не только медные руды, но и руды многих других металлов.

Комплексные комбинаты, технологический процесс которых рассчитан на извлечение всех ценных элементов, находящихся в составе руды, и на использование уже пустых шлаков для производства стройматериалов, — вот будущее металлургического завода.

Латуни и бронзы

Наиболее вредными для механических свойств меди примесями являются висмут и свинец. Они не образуют с медью твердых растворов и при ее кристаллизации выделяются в виде тонких прослоек между кристаллами. Из-за этого медь становится хрупкой и ломкой. Поэтому содержание висмута, например, допускается в меди не больше 0,002 процента.

При содержании уже 0,1 процента висмута медь становится такой хрупкой, что при обработке разлетается на куски.

Электропроводность меди особенно сильно снижает примесь фосфора, мышьяка, сурьмы.

Уже при содержании в меди 0,02 процента фосфора ее электропроводность снижается на 20 процентов, а при содержании 0,04 процента фосфора электропроводность составляет всего 17 процентов от электропроводности чистой меди.

Очень интересно влияние на качество меди водорода. Медь при нагревании легко поглощает водород. Попав в межкристаллическую решетку, атомы водорода соединяются с кислородом, который почти неизбежно содержится там в виде соединений с медью. Образуется вода, водяной пар. Он разрывает металл, образуя мельчайшие трещины. Снижение механических свойств меди из-за этих трещин называется водородной болезнью.

Вряд ли отыщут археологи это авторское свидетельство.

А теперь поговорим о сплавах меди.

Известно и изучено много сплавов меди с самыми различными металлами. Но наибольшее значение имеют для техники ее сплавы с цинком — так называемые латуни, и с оловом — бронзы.

Первыми появились бронзы. Их умели производить еще древние металлурги. И как это ни странно, они добавляли в медь именно то количество олова, которое и сейчас считается наилучшим для качества металла, — 8—10 процентов.

Оловянистые бронзы делятся на две большие группы. Первая — пластические бронзы, содержащие не более 7–8 процентов олова и предназначенные для обработки давлением в холодном или горячем виде. Вторая группа — литейные бронзы. Они отлично заполняют литейные формы и дают небольшую усадку.

Во многие оловянистые бронзы добавляют легирующие присадки. Добавка в бронзу небольших количеств цинка делает сплав более устойчивым против коррозии в морской воде. А расплавленная бронза с добавкой цинка отличается особенной текучестью. Свинец добавляется в те марки бронзы, которые идут на изготовление трущихся деталей. Олово — дорогой металл, поэтому металлурги давно уже ищут замену ему в производстве бронз. И такие замены найдены. Алюминиевые, кремнистые, марганцовистые и другие бронзы, не содержащие олова, выпускаются нашей промышленностью. И по многим своим качествам, в том числе устойчивости против ржавления, и механическим свойствам они даже превосходят оловянистые бронзы.

Алюминиевые бронзы содержат около 10 процентов алюминия, иногда небольшие количества железа или марганца. Эти бронзы превосходят по прочности оловянистые, но уступают им по литейным свойствам.

В кремнистых бронзах содержится 2–5 процентов кремния. Эта бронза значительно дешевле оловянистой.

Марганцовистые бронзы обладают наилучшей среди бронз устойчивостью против коррозии и отличной пластичностью.

Бериллиевая бронза после соответствующих термообработок становится чемпионом по прочности среди цветных металлов и сплавов. Она выдерживает нагрузку на растяжение до 130–150 кг на кв. мм!

Широко и разнообразно применение бронз. Свинцовистые бронзы, содержащие 20–30 процентов свинца, используются для изготовления вкладышей подшипников. Из марганцовистых бронз, теплоустойчивых до 400–450 градусов, изготовляют паровую арматуру. Алюминиевые бронзы идут на зубчатые колеса, втулки, седла клапанов — все те детали, которым приходится работать в условиях трения, да еще нередко усложненных повышенной температурой. Вкладыши подшипников, арматура высокого давления, пружины, сальники, корпусы насосов — разве перечислишь все детали машин и аппаратов, на которые используются оловянистые бронзы!

Латуни — другая крупная группа медных сплавов. Основной металл, входящий в состав латуней, кроме меди, — цинк. Кроме него, в латуни могут входить алюминий, железо, марганец и другие элементы.

Латунь, как правило, дешевле бронзы, так как цинк дешевле меди. Поэтому же чем больше в латуни цинка, тем эта латунь дешевле. Латуни обладают достаточной прочностью, хорошо обрабатываются давлением. Это отличный материал машиностроения.

Латуни, содержащие наибольшие количества меди — от 88 до 97 процентов, называются томпаками. Они обладают такой высокой коррозионной стойкостью, что даже применяются для покрытия других металлов с целью предохранить их от ржавления. Латуни, содержащие около 80 процентов меди, по цвету подобны золоту. Из них делают ювелирные украшения. Латуни, содержащие до 38 процентов цинка, хорошо поддаются холодной прокатке. А если они содержат больше 38 процентов цинка, то всего чаще идут или на изготовление деталей отливкой, или на обработку давлением в горячем состоянии.

Специальные латуни содержат, кроме меди и цинка, добавки других элементов, придающие им особые свойства. Так, добавка олова увеличивает стойкость против разъедающего действия морской воды. Поэтому оловянистые латуни так и зовут «морскими латунями».

Свинцовые латуни хорошо обрабатываются резанием. Ведь обычную латунь из-за ее высокой вязкости нелегко обрабатывать, например, на токарном станке. А свинцовая латунь дает сыпучую, легко ломающуюся стружку. Из прутков этой латуни бесчисленные станки-автоматы изготавливают на наших заводах мелкие детали — гайки, кольца, болтики и т. д.

Конечно, семейство сплавов меди значительно шире, чем рассказано здесь. Несравненно шире и применение их в народном хозяйстве. Древний металл успел занять позиции, многие из которых давно пора бы уступить алюминию, пластмассам, железу.

Впрочем, сказанное относится не только к меди и ее сплавам, а и ко многим другим цветным металлам.

Тут мой трезубец бессилен.

Сосед и спутник

В периодической таблице элементов Менделеева между железом и медью расположились кобальт и никель. Никель является ближайшим соседом меди.

Медь — это постоянный спутник никеля в сульфидных рудах. Лишь незначительная часть этого металла добывается из окисленных руд, которые, как правило, не содержат меди.

«Никель» — слово немецкое. Так называли злого духа немецкие горняки. Приблизительно его можно перевести как «обманщик». «Купферникель»— «медный обманщик» называли саксонские горняки XVI века никелевую руду, прожилки которой попадаются им при разработке медных месторождений.

Но в сплавах никель, видимо, был известен еще до нашего времени. Вероятно, первыми открыли его китайские металлурги, ибо еще за 200–300 лет до нашей эры в великой восточной стране изготовлялся сплав никеля с цинком и медью. Он вывозился из Китая в Бактрию — древнее государство, расположенное на месте современных среднеазиатских республик. Там из этого сплава изготовляли монеты.

Первым получил металлический никель в 1751 году шведский химик А. Кронштедт. Он же дал этому металлу его странное, отнюдь не соответствующее свойствам и значению имя. Но полученный им металл был сильно загрязнен примесями, и говорить о свойствах никеля было еще практически невозможно.

Только в 1804 году немецкий химик И. Рихтер выделил из руды металл серебристо-белого цвета, с едва уловимым коричневым оттенком, очень тягучий и ковкий. С этого времени и началось по-настоящему изучение его свойств.

Никель оказался близким родственником железа. Химическая активность его невелика. В отсутствие влаги при обычных условиях он заметно не реагирует ни с кислородом, ни с серой, ни с галогенами. Только нагретый до температуры в 500 градусов он начинает окисляться на воздухе. Способен поглощать большие количества водорода.