История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2
.pdf7.2.3. 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
Платина, |
тяжелый тугоплавкий материал, плотность |
21 450 кг/м3 |
температура плавления 1769 °С. Имеются сведе |
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,