Обработка металлов

Металлы были знакомы человеку начиная с глубокой древности. Об истории применения железа рассказано в отдельной статье.
Здесь же мы расскажем об истории использования различных металлов, как «ветеранов», так и открытых сравнительно недавно.
Первым металлом, который стал использоваться человеком как в чистом виде, так и в сплавах, была медь. Еще в каменном веке, занимаясь поиском подходящих пород, люди стали использовать медные самородки для изготовления мелких изделий путем холодной ковки. Позже их стали ковать, предварительно отжигая.
Холодной ковкой можно было придать форму лишь небольшим предметам – шилам, булавкам, проволоке, крючкам, наконечникам стрел, ножам. Они требовали лишь небольшой ковки и шлифовки. Получить листы из самородной меди нельзя было из?за ее растрескивания.
Одним из первых названий металла было слово «эс», что значит «руда». Первые медные рудники находились на Кипре, откуда готовый продукт вывозили в другие страны. Поэтому медь стали называть «эс киприум» – «металл с Кипра». Позже это название превратилось просто в «купрум».
Следующим этапом был отжиг меди, а позже – ее восстановление из руд. Для восстановления меди из малахита требуется температура не ниже 700–800 °C. А при отжиге меди плавление происходит при температуре 1084 °C. Поэтому, скорее всего, впервые люди открыли процесс восстановления меди из минералов, наносившихся на стенки гончарных изделий для их окраски, случайно, обнаружив кусочки металла на стенках горшков после их обжига. И тогда стали плавить руду намеренно.
Плавку производили в печах примитивного типа: глиняный тигль с рудой и углем помещался в неглубокую ямку с насыпанным поверх нее слоем древесного угля. Так могла быть достигнута температура, необходимая для восстановительной плавки руды и получения расплава меди.
Первые предметы из меди в Египте датируют IV тыс. до н. э. Многие древние медные предметы изготовлены не из чистой меди, а из медно?мышьякового сплава. Присутствие в меди 0,5–8 % мышьяка улучшает ее ковкость в холодном состоянии, дает возможность получить более плотные отливки в рельефных литейных формах. Кроме того, медь, легированная мышьяком, плавится при более низкой температуре. Только при содержании мышьяка выше 8 % пластичность сплава ухудшается, он становится хрупким.
Наибольшее распространение получили сплавы меди с оловом – бронзы. Появление оловянной бронзы ознаменовало начало новой эры в истории человечества – бронзового века.
Добавление олова к меди, начиная с небольших долей, улучшила ее литейные качества, но изменила пластичность сплава. Бронзы, содержащие до 5 % олова, можно ковать и волочить в холодном виде. При дальнейшем повышении содержания олова такая обработка возможна только в горячем виде. При этом увеличивается хрупкость: бронзы, содержащие до 30 % олова, дробятся под молотком.
Небольшая добавка олова к меди незначительно понижает ее температуру плавления: медь, содержащая 5 % олова, плавится при 1050 °C, 10 % – при 1005 °C, 15 % – при 960 °C.
Еще одним распространенным сплавом меди является латунь – сплав меди и цинка в соотношении примерно 2:1. Латунь тверже, чем медь, более износостойка. Она очень ковкая и вязкая, легко прокатывается в тонкие листы, вытягивается в проволоку, выштамповывается в разнообразные формы. Она сравнительно легко плавится и отливается при температурах ниже температуры плавления меди.
Сейчас медь является одним из наиболее широко применяемых металлов. Современные бронзы не всегда содержат олово, его место заняли алюминий, кремний, свинец, бериллий. Широко используются медно?никелевые сплавы, в которые иногда добавляют кобальт.
Особенно важна медь для электротехники. По электропроводности она занимает второе место среди металлов, уступая лишь серебру. Но из?за дефицита меди провода чаще делают из алюминия.
Наряду с медью, одним из первых металлов, которые стал использовать человек, является золото. Как и медь, золото встречается в самородном виде, но гораздо реже. В древности его добывали из аллювиальных песков и гравия, представляющих собой продукты разрушения золотоносных пород. Позже его добывали также из золотоносных жил, пронизывающих кварцевые породы. Такое золото называется «жильным».
Грек Агатархид во II в. н. э. описал добычу золота на рудниках в Египте. Сначала раскалывали скалу, в которой находились жилы, затем обломки породы нагревали огнем, резко охлаждали водой и дробили непосредственно в шахтах. Раздробленную породу толкли в каменных ступках до размеров гороха, потом ручными мельницами размалывали в порошок. Золото отделяли, промывая порошок водой на наклонной плоскости, после чего полученный металл сплавляли в слитки.
Самородное золото обычно содержит примеси, в основном серебро и медь. В Древнем Египте его очищали, нагревая со свинцом, оловом, солью и ячменными отрубями. Плиний Старший писал об извлечении золота с помощью ртути. Для этого золотоносную руду дробили и смешивали с ртутью, отделяли породу от ртутно?золотой смеси, фильтруя через кожаный или замшевый фильтр. Из образовавшейся амальгамы получали золото, выпаривая ртуть.
В древности золотые изделия изготавливали ковкой или литьем. Тогда широко применялось листовое золото, которым покрывали различные предметы, как металлические, так и деревянные. Фольгу накладывали и укрепляли с помощью пайки на медь, бронзу, серебро. Изделия из меди покрывали золотом для предотвращения коррозии. Золотой фольгой покрывали деревянную мебель. Уже в античности из листового золота делали зубные коронки.
В Египте применялись изделия из природного сплава золота с серебром. Египтяне называли его азем, греки – электрон, а римляне – электрум.
Долгое время золото применялось для производства драгоценностей, монет. Из?за малой износостойкости применялось не чистое золото, а его сплавы с серебром и медью.
Сейчас золото добывают из руд, в которых на тонну породы приходится несколько граммов драгоценного металла. Важнейшим промышленным способом его добычи стало цианирование: измельченную породу обрабатывают раствором цианида натрия. Золото переходит в раствор в виде комплексного соединения.
Кроме производства ювелирных изделий и монет золото применяется в электротехнике.
Серебро, несмотря на то что встречается в природе в 15–20 раз чаще золота, значительно реже находится в виде самородков. Помимо того, серебряные самородки покрыты черным налетом сульфида. Все это обусловило более позднее открытие серебра человеком. По этой причине поначалу оно было более редким и ценным, чем золото.
Широкие разработки серебра началось, когда его стали добывать из руд, где встречались серебро и свинец.
В течение длительного времени из серебра делали украшения – бусы, кольца, вазы, сосуды. Из серебра, как и из золота, изготавливали тонкие листы и фольгу, которыми покрывались деревянные предметы. Позднее серебро использовалось для чеканки монет.
Люди знали об антисептических свойствах серебра – вода, налитая в серебряные сосуды, обеззараживалась от болезнетворных микробов.
В XIX–XX вв. соли серебра стали применяться для изготовления светочувствительного слоя фото– и кинопленки.
Свинец сначала добывали, выплавляя руду на костре в неглубокой яме, на дно которой стекал расплавленный металл. Сырьем для получения свинца служил минерал галенит или свинцовый блеск. Его применяли для очистки золота. Высокая пластичность металла не позволяла использовать его самостоятельно. Из свинца и его сплавов с оловом и сурьмой отливали фигурки, рыболовные грузила, кольца, бусы, украшения, пробки, посуду, водопроводные трубы, саркофаги. Свинцом заполняли полости бронзовых статуэток и гири для весов. Основное применение свинца в древности – закупоривание сосудов.
Растертый в пудру свинцовый блеск применялся на Востоке для подведения глаз. В Египте соединения свинца применялись для окрашивания стекол в желтый цвет.
В Средние века низкая температура плавления (327 °C) позволяла отливать из свинца пули для ружей и пистолетов.
В наши дни свинец применяется в производстве аккумуляторов, из него делают оболочки кабелей. Свойство свинца поглощать рентгеновские и радиоактивные лучи используется для защиты от излучения.
Олово впервые было получено из природной двуокиси – касситерита – путем выплавки с древесным углем. О получении бронзы путем добавления к меди олова было рассказано выше. Хорошие литейные свойства олова позволили изготавливать из него посуду, а начиная с XVIII в. – популярных до сих пор оловянных солдатиков. С появлением консервов олово стали применять для покрытия жести, из которой делают консервные банки. В электротехнике оловянные припои применяют для пайки проводов.
Существуют две модификации олова: ?– и ??олово. При комнатной температуре существует ??олово. Это белое вещество. При температуре ниже 13 °C более устойчиво ??олово – серый мелкокристаллический порошок. Процесс превращения белого олова в серое проходит при температуре –33 °C. Оно получило название «оловянной чумы». Считается, что именно эта «болезнь» послужила причиной гибели полярной экспедиции экспедиции Р. Скотта к Южному полюсу. Путешественники остались без горючего, просочившегося через пораженные «чумой» швы баков.
Третий из металлов, считающихся драгоценными, – платина, был открыт на несколько тысячелетий позже золота и серебра. В переводе с испанского «платина» означает «серебришко». Так испанцы презрительно называли тяжелый белый нержавеющий металл, часто встречавшийся им на серебряных рудниках в Южной Америке.
Большое количество платины было вывезено в Испанию, где ее продавали по цене более низкой, чем серебро. Недобросовестные ювелиры примешивали ее к золоту и изготавливали из платины фальшивые монеты. Это привело к тому, что испанский король издал указ о запрете ввоза платины в страну и уничтожении всего оставшегося количества платины. Все запасы металла в Испании и колониях были утоплены в море.
В 1744 г. испанский морской офицер А. де Ульоа привез образцы платины в Лондон. Это вызвало интерес у ученых. В середине XVIII в. платина была признана самостоятельным металлом.
Похожая на серебро внешне и способностью не ржаветь, платина долгое время не поддавалась ни огню, ни молоту. Из?за высокой температуры плавления – (1769 °C) ее долго не могли расплавить. Температуру плавления металла снижали добавки мышьяка. Этот прием, в частности, использовал французский ювелир М.?Э. Жанетти, изготавливавший изделия из платины.
После введения метрической системы мер в конце XVIII в. во Франции из платины изготовляли эталоны метра и килограмма. Позже их стали делать из сплава платины и металла платиновой группы – иридия.
Русский ученый А. А. Мусин?Пушкин разработал и ввел новые методы аффинажа платины – металлургического процесса получения металла высокой степени чистоты путем отделения примесей. Схема аффинажа платины основывалась на растворении сырой (шлаковой) платины в «царской водке» – смеси азотной и соляной кислот – и на последовательном осаждении нашатырем платины из раствора.
В середине XIX в. в России были отчеканены монеты из платины.
Вплоть до Второй мировой войны большая часть добываемой платины шла на изготовление украшений. Сейчас около 90 % всей платины идет на научные и промышленные разработки. Из нее делают лабораторные приборы – тигли, чашки, термометры сопротивления и др. Около 50 % всей потребляемой платины идет на изготовление катализаторов – ускорителей химических реакций. Они применяются в производстве соляной кислоты и нефтехимической промышленности. Около 25 % платины расходуется в электро– и радиотехнике, автоматике и медицине. Кроме того, ее применяют как антикоррозионное покрытие.
Самый распространенный в природе металл – алюминий. Но в относительно чистом виде он был получен датским физиком Эрстедом лишь в 1825 г. Ученый писал в одном из научных журналов, что в результате его опытов «образовался кусок металла, цветом и блеском несколько похожий на олово». Это сообщение осталось почти незамеченным, да и сам Эрстед не придал своему открытию большого значения.
В 1827 г. к Эрстеду приехал молодой немецкий физик Ф. Велер. Вернувшись в Германию, он занялся проблемой получения алюминия и в конце 1827 г. опубликовал свой метод. Вначале ему удавалось получать алюминий в виде зерен небольшого размера. После 18 лет кропотливой работы Велер усовершенствовал свой способ, получая металл в виде компактной массы.
В то время алюминий ценился очень дорого. Так, из него были сделаны погремушки для будущего императора Франции Наполеона III. Именно он, уже будучи монархом, решил вызвать зависть у своих венценосных коллег. С этой целью он решил сделать из алюминия доспехи для солдат своей армии. Для осуществления проекта он предоставил неограниченные возможности ученому и промышленнику А.Э. Сент?Клер Девилю, чтобы тот разработал способ получения алюминия в больших количествах. Девиль положил в основу своих исследований метод Велера и разработал соответствующую технологию, внедрив ее на своем заводе.
Способ Девиля заключался в восстановлении двойного хлорида алюминия и натрия Na3AlCl6 металлическим натрием.
Чтобы прекратить спекуляции некоторых бонапартистских кругов о якобы французском приоритете открытия алюминия, Девиль отчеканил из алюминия медаль собственного производства с портретом Ф. Велера и датой «1827», послав ее в подарок немецкому ученому.
Несмотря на изобретение Девиля, алюминий ценился очень дорого. С 1855 по 1890 г. в мире было получено всего 200 тонн металла. Это было связано с тем, что в природных соединениях алюминий крепко связан с кислородом и другими элементами. Его можно получать методом электролиза расплава оксида алюминия – глинозема, но он плавится при температуре 2050 °C, что требует больших затрат энергии.
Техническое использование алюминия стало бы возможным, если бы удалось понизить температуру плавления оксида хотя бы до 1000 °C. Такой способ почти одновременно открыли в 1886 г. американец Ч. Холл и француз П. Эру. Они установили, что глинозем хорошо растворяется в расплавленном криолите – минерале AlF3?3NaF. Этот расплав подвергается электролизу при температуре 950 °C. Поскольку запасы криолита ограничены, позже было налажено производство синтетического криолита.
Чистый алюминий имеет сравнительно небольшую прочность, поэтому в конце XIX – начале XX в. велись поиски алюминиевого сплава, обладающего большой прочностью. В начале прошлого века немец А. Вильм получил сплав, содержавший, кроме алюминия, добавки меди, магния и марганца. Его прочность была выше, чем у алюминия. Чтобы еще больше ее повысить, Вильм решил подвергнуть металл закалке. С этой целью он нагрел несколько образцов сплава примерно до 600 °C и резко охладил их в воде. Прочность образцов была различной, и Вильм решил, что неисправен измерительный прибор. Несколько дней ученый настраивал его. Повторные измерения показали, что прочность возросла примерно вдвое. Следующие опыты показали, что закалка нового сплава в сочетании со старением значительно повышает прочность нового сплава.
Подобрав оптимальный состав сплава и разработав режим его термообработки, Вильм получил патент и продал его немецкой фирме. В 1911 г. эта фирма выпустила первую партию нового сплава, названного в честь города Дюрена, где находился завод по его производству, дюралюминием, или дуралюмином.
Новый сплав появился как нельзя кстати: в это время развивалась авиация, и с усовершенствованием конструкций самолетов появилась потребность в легком и прочном материале для изготовления корпусов самолетов. Первый цельнометаллический самолет появился в середине 20?х годов прошлого века. Но полностью вытеснил дерево в авиации алюминий лишь в 40?е годы.
Кроме авиации алюминий применяется в электротехнике, где, в силу своей относительной дешевизны и высокой электропроводности, успешно заменяет медь. Сверхчистый алюминий используют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей и для синтеза полупроводниковых соединений. Чистый алюминий используют и для производства различных отражателей, и для предохранения металлических поверхностей от коррозии.
Алюминий используется как конструкционный материал в ядерных реакторах. В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят жидкие газы, азотную и уксусную кислоту, пищевые масла. Алюминий применяется в пищевой промышленности для упаковки продуктов (в виде фольги).
В последние десятилетия алюминий широко используется для отделки зданий и сооружений.
Еще один металл, широко применяемый в технике, титан, был открыт в виде металлического порошка английским минерологом?любителем У. Грегором в 1791 году. В 1795 г. немецкий химик М. Клапрот установил, что минерал рутил представляет собой природный окисел этого металла. Он назвал его титаном в честь исполинов, древнегреческих детей бога неба Урана и богини Земли Геи.
Однако восстановить оксид титана до металла ученым не удалось. Лишь в 1910 г. американец М. Хантер получил металлический титан путем нагревания его хлорида с натрием в герметичном стальном сосуде. Полученный металл был загрязнен примесями и очень хрупок. Титан высокой чистоты получили голландские ученые А. Ван?Аркел и И. де Бур. Он был пластичен при низких температурах.
По распространенности в земной коре среди конструкционных материалов титан уступает лишь железу, алюминию и магнию. На воздухе на поверхности титана образуется защитная оксидная пленка, поэтому титан не поддается коррозии на воздухе и в морской воде, на него не действуют азотная кислота и «царская водка». Чистый титан – ковкий, пластичный, прочный и легкий металл. Он вдвое легче железа, превосходя по прочности многие стали. Он выигрывает и в сравнении с алюминием, превосходя его по прочности в 6, а по твердости – в 12 раз.
Как самостоятельный конструкционный материал титан стал применяться в лишь 50?е годы XX в., поскольку его было трудно извлекать из руд и перерабатывать.
Большая часть производимого в мире титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники, а также морского судостроения. Технический титан используется для изготовления емкостей, химических реакторов, трубопроводов и других изделий, работающих в агрессивных химических средах. Биологическая безвредность титана позволяет использовать его в восстановительной хирургии и пищевой промышленности. Свойство титана повышать прочность при низких температурах дает возможность использовать его в криогенной технике.
Карбид титана применяется для изготовления режущих инструментов. Двуокись титана и титанат бария служат основой для титановой керамики, применяемой в производстве электрических конденсаторов, сегнетоэлектриков и пьезоэлементов.
Из титана сделаны многие художественные изделия, в частности скульптуры.
Сейчас развитие металлургии идет по пути поиска новых способов обработки металлов, получения сплавов с заданными свойствами. Можно с уверенностью сказать, что эра металлов будет продолжаться бесконечно.