Николай Мезенин - Занимательно о железе

• Название: Занимательно о железе
• Автор: Николай Мезенин
• Издательство: Металлургия
• Жанр: Научпоп
• Год: 1985

Словом «железо» обозначают всю совокупность черных металлов, изделия из чугуна и стали. В сплавах на основе железа сочетаются прочность, пластичность, способность превращаться в изделия любой формы и противостоять ударным нагрузкам, работать при очень низких и довольно высоких температурах.

Книга рассказывает о том главном, чем связаны все металлургические профессии — о железе, металле, который добывают и обрабатывают металлурги многих специальностей. Человеку, выбирающему металлургическую профессию, надо знать больше об истории металла, о том, что связано с его производством, обработкой и использованием.

Читатель встретит в книге любопытные сведения о свойствах железа и его сплавов, узнает биографии железных вещей, познакомится со старинными легендами о железе, с некоторыми новейшими профессиями, с ролью железа в научно-технической революции, заглянет в будущее металлургии.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

---

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.

Мир сталей и сплавов

Сталь — сплав железа с другими элементами: углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором. Это известно нам сейчас. Однако люди научились получать и использовать сталь гораздо раньше, чем узнали ее состав. Египтянам, например, еще до нашей эры известно было, что некоторые сорта железа при погружении в нагретом состоянии в воду “принимают закалку”, другие не принимают. Свойство стали “принимать закалку” и служило потом долгие века единственным признаком для разграничения железа и стали.