История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

7.2.3. Алюминий

Алюминий (лат. Aluminium) - серебристо-белый металл с плотностью 2699 кг/м3 и температурой плавления 660°С. На­ звание алюминия происходит от латинского alumen - так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые при­ менялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи.

В 1825 г. датчанин Ганс Христиан Эрстед, известный свои­ ми открытиями в электричестве, нагревал смесь жидкой амаль­ гамы калия и хлорида алюминия. После удаления ртути путем перегонки он обнаружил небольшой кусочек твердого вещества серого цвета. По предположению Эрстеда, это был алюминий. В 1827 г. немецкий химик Фридрих Велер попытался воспроиз­ вести эксперимент Эрстеда, но потерпел неудачу. Тогда Велер заменил амальгаму калия металлическим калием и после дли­ тельных опытов получил только в 1847 г. достаточное количе­ ство алюминия для определения его свойств. В 1854 г. француз­ ский химик Анри Девиль усовершенствовал способ Велера, за­ менив калий на натрий. Кусок металла, полученный по способу Девиля, демонстрировался на выставке в Париже в 1855 г. Этот металл оказался необычайно прочным, легким и стойким к кор­ розии. По поручению Наполеона III Девиль продолжил работу над изобретенным им способом. Но алюминий продолжал оста­ ваться очень дорогим материалом, соизмеримым по стоимости с серебром. В период с 1860 по 1880 гг. мировое производство алюминия составляло не более 1,5 т в год.

Наполеон III гордился столовым набором, сделанным из алюминия, а великому русскому химику Д.И. Менделееву во время его пребывания в Париже торжественно подарили круж­ ку из этого металла.

В 80-х годах XIX в. мир уже знал о том, какие возможности кроются в промышленном производстве алюминия. Учитывая это, американец Чарльз Мартин Холл после окончания Оберлинского колледжа приступил к работе по разработке способа дешевого получения алюминия. Во время изучения химии в колледже (он прослушал небольшой двухсеместровый курс) Холл говорил, что он пойдет за этим металлом. Лаборатория

Холла, оснащенная примитивным самодельным оборудовани­ ем, размещалась в сарае, во дворе родительского дома.

Вначале Холл, как и все его предшественники, попытался получить алюминий путем чисто химической обработки окиси алюминия (глинозема). Вместе со своей старшей сестрой Джу­ лией, тоже изучавшей химию в колледже, они получали окись из бытовых квасцов и кристаллической соды. Однако несмотря на многие попытки ни один из их опытов не дал обнадеживаю­ щих результатов.

Еще обучаясь в колледже, Холл вместе со своим учителем химии Франком Джуетом начал изучать возможность примене­ ния электрического тока из солей этого металла, растворенного в воде. В таких растворах образуются положительно заряжен­ ные ионы алюминия. Холл и Джует считали, что при пропуска­ нии тока через раствор электроны будут соединяться с ионами, образуя алюминий. После ряда опытов и анализа литературных источников по аналогичным проблемам с другими металлами Холл пришел к идее подобрать в качестве электролита смесь солей для обеспечения процесса с более низкой температурой. В конце концов он остановился на криолите - смеси фторидов натрия и алюминия. Холл установил, что окись алюминия легко растворяется в криолите. Далее последовали эксперименты по подбору оптимального материала для плавильного тигля. Таким материалом оказался графит. 23 февраля 1886 г. Холл получил чистый металлический алюминий. Он сделал это открытие в возрасте 22 лет, через 8 месяцев после окончания колледжа. Одновременно с Холлом аналогичные работы проводил фран­ цуз Поль Эру, который в апреле 1886 г. запатентовал во Фран­ ции свое изобретение. Современный способ промышленного производства алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава носит название Холла-Эру.

7.2.4. Платина

ния, что самородная платина (твердые растворы ряда металлов в платине) в древности была известна в Египте, Эфиопии, Грс-

ции и в Южной Америке. Испанские конкистадоры обнаружили в Южной Америке вместе с самородным золотом очень тяже­ лый белый тусклый металл, который не удавалось расплавить. Испанцы назвали его платиной (серебришко) - уменьшитель­ ным от испанского plato - серебро. В 1744 г. образцы платины были привезены в Англию испанским морским офицером Ан­ тонио де Ульоа, вызвав живой интерес ученых Европы. Само­ стоятельным металлом платину признали в середине XVIII в., которую считали раньше белым золотом.

Вскоре нашлись мошенники, которые, выяснив, что платина легко и надежно соединяется с золотом, стали чеканить из сплава этих металлов монеты. Одна из таких «фальшивых» монет испан­ ской Америки в 2 эскудо содержала до 32% платины. Рискнули даже выпустить некоторые эскудо полностью из платины. Эти «подделки» считают желанной находкой все нумизматы.

Когда до испанского короля дошли известия о монетных проделках, он приказал вовсе избавиться от платины. В 1735 г. по королевскому указу в Колумбии монетные колониальные центры стали в присутствии многочисленных зрителей выбра­ сывать платину в море, а также в реки Богота и Каука. Тогда испанцы отправили на дно от 3 до 7 т платины примерно на 26-60 млн. долл. В наше время неоднократно пытались извлечь затопленный металл, однако попытки не принесли успеха: вода и наносы надежно укрыли платину. Королевское же распоря­ жение было отменено через 40 лет, когда мадридские власти приказали доставлять платину в Испанию, чтобы самим фаль­ сифицировать золотые и серебряные монеты. Тогда белый ме­ талл и обрел определенную ценность. В 1820 г. в Европу было доставлено 3-7 т платины. Здесь с нею познакомились алхими­ ки, непререкаемо считавшие самым тяжелым металлом на зем­ ле золото. Но платина, обладая небывалой плотностью, оказа­ лась тяжелее золота. Это шло вразрез с алхимическими посту­ латами, и поэтому платина была провозглашена исчадием ада, ни на что не пригодным и даже вредным металлом.

Платине нашли некоторое применение в пору Великой французской революции, когда вводили метрическую систему мер. Пять лет астрономы и геодезисты скрупулезно измеряли дугу меридиана от Дюнкерка до Барселоны. По этим измерени­

ям в 1799 г. изготовили платиновую линейку, которую назвали архивным метром, или метром архива. Впоследствии из плати­ ны с добавлением 10% иридия выполнили гирю - прототип ки­ лограмма. С тех пор платино-иридиевый эталон килограмма не менялся, а вот эталон метра теперь составляет 1650763,73 дли­ ны волны оранжевого излучения изотопа криптона.

В России платину обнаружили впервые в 1819 г., промывая золотоносные породы на Урале. Тяжелые зерна платины снача­ ла стали использовать как дробь для стрельбы. Уральские рос­ сыпи вывели Россию по добыче платины на первое место в ми­ ре. Страна получала в год свыше 1550 кг металла - в 1,5 раза больше, чем в Южной Америке добывали с 1741 по 1825 гг. В России появилось настолько много платины, что тогдашний министр финансов Е. Ф. Канкрин предложил чеканить из нее монеты. Хотя в пору чеканки монет из платины она была втрое дешевле золота, но уже ценилась впятеро дороже, чем серебро. Добычу на Урале стали быстро развивать, и только за один, 1843 г. здесь получили 3500 кг платины.

Постепенно платину стали использовать ювелиры. До Вто­ рой мировой войны ювелиры использовали свыше половины всей получаемой платины. Сейчас на их долю приходится не­ многим более 1/3 драгоценного металла. Тем не менее, спрос на платину для украшении остается высоким.

Платина в силу стабильности термоэлектрических и меха­ нических свойств, дополняемых высочайшей коррозионной и термической стойкостью, незаменима для современной элек­ тротехники, радиотехники, точного приборостроения, самоле­ тостроения, автоматики и телемеханики. Сотни технологий не могут обойтись без платины.

Платиновые катализаторы ускоряют разные химические ре­ акции в миллионы раз, хотя поведение платины в этом качестве еще не в полной мере объяснимо, поскольку она сама по себе не обладает химической активностью и очень инертна, но как ка­ тализатор действует лучше любого другого металла.

Стремительно расширяется использование каталитических свойств платины в автомобилестроении. Речь идет об очистите­ лях выхлопных газов, или фильтрах-нейтрализаторах, впервые созданных в США в 1974 г. на основе платины и ее родственни­ ков - родия и палладия.

7.2.5. Сплавы, удостоенные Нобелевской премии

Шарль Эдуард Гильом был известным метрологом, создав­ шим платиноиридиевые эталоны метра. Эти металлические стержни не применялись после создания Альбертом Майкельсоном интерферометра, с использованием которого удалось создать новый эталон на оптической основе. Однако, эталоны других единиц измерения оставались в виде металлических об­ разцов.

В 1899 г. Гильом начал исследовать сплавы никеля со ста­ лью В зависимости от состава он получил материалы различно­ го качества. Сплав «инвар» (от латинского «инвариабилис» - неизменный) практически не испытывал линейного расширения при нагревании. Другой сплав, «элинвар», сохранял неизменной в широком интервале температур эластичность.

Исследования Гильома сплавов никеля со сталью явились существенным вкладом в метрологию. Этот вклад был отмечен присуждением ученому Нобелевской премии по физике за 1920 г. Работы Гильома имели важное значение и для практики. Миллионы прекрасных часов изготавливаются из специальных сплавов, созданных швейцарским физиком [9].

7.3.ЛИТЬЕ

7.3.1.Основные вехи в развитии литья

Первые отливки были получены при помощи каменных форм, сделанных из одного или нескольких кусков камня. Затем последовала технология литья по выплавляемым восковым мо­ делям. В средние века появилась и постоянно совершенствова­ лась технология изготовления формы путем прессования из ув­ лажненного песка с небольшим содержанием клеящих веществ. Литье в кокиль появилось в Северном Причерноморье в связи с необходимостью создания массового производства бронзовых наконечников для стрел. Затем литье в металлические формы было забыто. Вновь литье в кокиль возникло в Англии и России в XVII в. для производства чугунных ядер. Новшества подачи жидкого металл в литейную форму принесли методы литья под давлением, центробежное литье и особенно вакуумное литье.

Самая древняя известная историкам медная отливка - то­ пор, полученный литьем в открытую каменную форму, насчи­ тывает уже семь тысячелетий. Многие археологи считают, что первым технологическим процессом было литье, однако само­ родный металл (золото, медь и метеоритное железо), скорее всего, обрабатывался методом холодной ковки с применением двух камней - прообразов наковальни и молота.

После выплавки металла грубый кусок меди превращался кузнецом в окончательный продукт: оружие или орудие. Для получения отливки требовалось из песка, глины или камня сде­ лать форму и найти способ придания ес внутренним полостям необходимой конфигурации. Даже при отливке самого простого изделия форма должна состоять не менее чем из двух частей, которые должны соединяться воедино для заливки расплавлен­ ного металла. Как правило, после отливки получается заготов­ ка, а не готовое изделие, и ее подвергают различным операци­ ям: опиловке, заточке на камне, ковке и т.д.

Разумеется, не все люди умели выплавлять медь из камней или получать бронзу. Не все умели строить плавильные печи и делать литейные формы. Люди, скорее всего, полагали, что превращение камней в металл происходит под действием кол­ довства. Поэтому работа часто сопровождалась различными об­ рядами и чародейством. Человек, выплавляющий металл, ощу­ щал себя волшебником. Когда он чувствовал, что силы покида­ ют его, то передавал свое мастерство сыну или племяннику. Та­ ким образом, мастерство переходило из поколения в поколение. При этом иногда секреты мастерства пополнялись, а иногда те­ рялись. Процесс отливки колокола показан в великолепном фильме Андрея Тарковского «Андрей Рублев».

В одном из экспериментов археологи использовали для от­ ливки бронзового серпа половину оригинальной каменной формы, для которой изготовили парную форму. Обе части фор­ мы высушили при температуре 150°С и лили бронзу при темпе­ ратуре 1150°С. Затем провели аналогичный эксперимент с бронзовым топором, получив прекрасную отливку без малей­ шего повреждения формы.

При производстве предметов более сложной конфигурации древние литейщики использовали технику литья по выплавляе­ мой модели. Восковая модель обмазывалась глиной. При обжи­ ге воск вытекал, затем его замещала бронза. Однако для полу­ чения изделия форму приходилось разбивать. Отливка медного бубенчика из стоянки первого тысячелетия до н.э. оказалась сложной операцией, для выполнения которой пришлось с по­ мощью соломок сделать в форме несколько отверстий для вы­ хода газов.

Некоторые старинные технологические приемы забывались и переоткрывались заново. Так древние литейщики в четвертом тысячелетии до н.э. (Болгария, Германия) получали прекрасные литые изделия из меди. Археологи не обнаружили литейных форм. Была выдвинута гипотеза о применении графитовых ли­ тейных форм, которые сгорают в изложницах. Она была под­ тверждена в лаборатории структурного анализа кафедры археоло­ гии МГУ при металлографическом исследовании древнего литья. Метод был заново изобретен в XX в. в связи с литьем титановых сплавов.

В американском городе Бирмингем в XIX в., как и в его английском тезке, процветала металлургическая промышлен­ ность. Там находится самая большая в мире чугунная скульпту­ ра. Это - статуя римского бога огня и кузнечного дела Вулкана высотой 17 метров. Она была отлита в Бирмингеме для Все­ мирной выставки 1904 г., проходившей в Сен-Луисе (США). Позже ее перевезли «на место рождения». Вулкан изображен с наковальней, молотом и только что выкованным наконечником копья. Скульптура состоит из 15 частей, изнутри скрепленных болтами. К столетию статуи ее отреставрировали, заменив не­ которые проржавевшие детали и укрепив пьедестал.

7.3.2. Колокола и пушки

Колокола и пушки были основными изделиями литейного производства многие столетия во всех странах мира. Применя­ лись специальные материалы: колокольная бронза, пушечная бронза. И колокола, и пушки отливались почти из одного и того же сплава. Как стратегическое сырье колокольный металл за­

прещалось экспортировать. Указом 1525 г. английский король Генрих VIII грозил за это смертной казнью. В годину военных неудач колокола превращались в пушки - так по приказу Петра I вооружалась русская артиллерия после поражения под Нарвой (1700 г.). В годы побед трофейные пушки переливались в коло­ кола - так родились и венский «Башмачник Михель», и кёльн­ ский «Кайзер-колокол». Они умерли, вновь обратившись в ору­ дия. Много лет спустя в Италии из пушек всех стран, приме­ нявшихся в Первой мировой войне, был отлит «Колокол смер­ ти» - он звучит по ночам в память павших в тяжелые годы.

Предки колоколов бубенчики существовали с доисториче­ ских времен во многих странах мира. С VII в. колокола стано­ вятся неотъемлемой деталью европейского города, с IX в. - и европейского села. В 865 г. венецианский дож прислал в Кон­ стантинополь в подарок византийскому императору Михаилу дюжину медных колоколов, которые повесили в специальной башне рядом с Софийским собором. До этого в Византии хри­ стиан на молитву приглашали с помощью била. Било - метал­ лическая доска, по которой ударяли колотушкой. Из Констан­ тинополя колокола стали распространяться на север. В 988 г. они появились на Руси. Однако, только в XII в. в летописи по­ является сообщение о первых колоколах, отлитых русскими мастерами. В Московском государстве производство колоколов достигло высочайшего мастерства. Зарубежные гости писали: «Подобной величины колоколов и такой красоты нельзя найти в другом царстве во всем мире» [25, 26].

Рядом с русскими колоколами-великанами нельзя поста­ вить ни один из европейских. Такое сравнение не правомерно. Манеры колокольного звона у нас и на Западе различны. На Ру­ си «бьют в колокола», раскачивая языки. Во многих странах За­ пада колокола как бы звонят сами, раскачиваясь и ударяясь бо­ ками о свободно висящий язык. Раскачать колокол безусловно гораздо труднее, чем язык. Именно в этом состоит причина, по которым в странах Европы редко встречаются колокола весом более тысячи пудов.

Технология отливки колоколов на Востоке и на Западе примерно одинакова. Сначала полый сердечник будущей ли­ тейной формы выкладывают в литейной яме, затем обмазывают 48

смесью глины и песка, нанося ее тонкими слоями. С помощью шаблонов, вращающихся вокруг вертикальной оси, сердечнику придают симметричную форму, соответствующую внутреннему профилю колокола. Внутри полого кирпичного остова разводят огонь и хорошенько просушивают глиняную обмазку сердечни­ ка - слой за слоем. Сверху по нему затем выкладывают глиня­ ную рубашку - фальшивый колокол, в точности повторяющий своими очертаниями настоящий. Внешнюю его поверхность скругляют и выравнивают другим шаблоном. Фальшивый коло­ кол также просушивают и затем одевают глиняным кожухом, охватывая для прочности железными обручами. После этого снимают кожух, удаляют фальшивый колокол, снова надевают кожух, стараясь поточнее установить его на прежнее место. Ли­ тейная форма - полость между сердечником и кожухом. Техно­ логия изготовления колокола замечательно описана Фридрихом Шиллером (в песне о колоколе) в переводе И. Миримского. Стихотворения и поэмы колоколу посвящали многие поэты (Данте, Мильтон, Шекспир, Гете, Эдгар По, Гауптман, Мур, Козлов), но Шиллер скрупулезно изучил весь ход отливки ко­ локола. Изучение проводилось не только по книгам. В неболь­ шом немецком городе Рудольштадте он часто бывал в гостях у Якоба Майера, владельца литейной мастерской. Устроившись в углу на стуле с высокой спинкой, поэт подолгу наблюдал за ра­ ботой литейщиков. Процесс литья Шиллер описывает весьма верно, в нескольких местах для точности даже прибегая к спе­ циальной терминологии. Особенно это присуще оригиналу, ибо стихотворный перевод всегда представляет большие трудности. В нашем случае надо было передать и поэтическую красоту, и техническую точность.

Вот уж форма затвердела, Обожженная огнем. Веселей, друзья, за дело - Выльем колокол! Начнем!

Пусть горячий пот По лицу течет,-

Труд наш, если Бог поможет, Славу мастера умножит. Больше в яму положите

Дров сосновых, дров сухих, Чтобы сжатое в укрытье Пламя охватило их~.

Медь сперва расплавь, Олова прибавь,

Чтобы к вящей нашей славе Все слилось в едином сплаве. Цель все ближе час от часу: Плавка в блестках пузырей. Поташу прибавьте в массу, Чтобы плавилась быстрей.

Живо, не зевай! Пену всю снимай!

Чтоб металл и наших внуков Трогал чистотою звуков. Смесь бурлит водоворотом, Стержень опущу в струю, Чуть покроется налетом - Время приступать к литью.

А теперь ковшом Пробу зачерпнем

И проверим живо, все ли Там слилось по нашей воле. Смесь давно уже поспела: Весь в зазубринах излом. Подставляйте желоб смело

Ис молитвою начнем. Краны открывай!

Боже, счастья дай! Дай нам счастья и удачи

В форму слить металл горячий Форма налита, как чаша. Славно потрудились мы!

Но каким созданье наше Выйдет в божий свет из тьмы?

Вдруг да сплав не тот? Вдруг да газ пройдет?

И пока работа длится,