Китайська грамота. - "Сибірський червоний свинець". - Все почалося з миття посуду. - Сірі голки в тиглі. - Один дає пораду. - Спалахи на Сонці. - Фортуна прихильна. - "Зухвалу" поведінку. - Нова загадка. - Монумент з "нержавійки". - "Концерт" скасовується. - Чай з морозивом? - Сталь покривається "лускою". - Перший патент. - Черепашачі темпи. - Цікавий розмова. - "Коктейль" з металів. - Хромові чоботи. - Боги проливають кров. - Вихід з положення. - Нова спеціальність. - Поза конкуренцією. - Несподівані труднощі. - "Беру вогонь на себе". - Броня для алмазу. - Арифметичні міркування. - "Англійці розуміють толк..."
Перегорніть будь-металургійний довідник, і серед численних марок сталей ви не раз зустрінете такі, в які входить буква "X": Х18Н10Т, Х12М, 0Х23Ю5, ШХ15, 8Х4В4Ф1, Х14П4НЗТ, 12Х2НВФА, ЗОХМЮА і т.д. Для недосвідченого в цій області людини такий "таємний шифр" зрозумілий не більше, ніж китайські ієрогліфи. Але, як музикант, читаючи ноти, чує приховану в них музику, так і металург легко розбирається в цих на перший погляд випадкових комбінації букв і цифр. Навіть побіжного погляду досить, щоб побачити загальне для перерахованих марок сталей: всі вони в тому чи іншому кількості містять елемент хром (про що свідчить літера "X").
Разом зі своїми "колегами" по легированию - нікелем, вольфрамом, молібденом, ванадієм, титаном, цирконієм, ніобієм та іншими елементами - хром дозволяє виплавляти сталі самого різноманітного призначення. Застосовувана в сучасній техніці сталь повинна багато чого вміти: протистояти колосальним тиском, протистояти хімічним агресорам, не знаючи втоми, витримувати тривалі перевантаження, володіти хорошою оброблюваністю, не бояться ні спеки, ні холоду. У цю багату гаму властивостей сталі вносить свою лепту і хром.
Більше двох століть тому, в 1766 році, петербурзький професор хімії Йоганн Gottlob Леман, відвідавши Урал, знайшов на Березівському золотому руднику, недалеко від Єкатеринбурга (нині Свердловськ), новий мінерал, в якому виявилося досить багато свинцю. Через кілька років Березовські рудники описав у своїй книзі "Подорож по різних провінціях Російської держави" натураліст і мандрівник академік Петро Симон Паллас. "Березівські копальні, - повідомляв він, - складаються з чотирьох рудників, які розробляються з 1752 року. В них поряд із золотом видобуваються срібло і свинцеві руди, а також знаходять чудовий червоний свинцевий мінерал, який не був виявлений більше ні в одному руднику Росії. Ця свинцева руда буває різного кольору (іноді схожого на колір кіноварі), важка і напівпрозора... Іноді маленькі неправильні пірамідки цього мінералу бувають вкраплені в кварц подібно маленьким рубинам. При роздрібненні в порошок вона дає красиву жовту фарбу...".
Мінерал був названий "сибірським червоним свинцем". Згодом за ним закріпилася назва "крокоит".
Зразок цього мінералу був у кінці XVIII століття привезений Палласом в Париж. Крокоитом зацікавився відомий французький хімік Луї Нікола Воклен. Свою трудову діяльність він почав з миття посуду в аптеці. Невдовзі здібного юнака помітив і зробив своїм помічником молодий, але вже обіймав солідне становище в науці хімік і політичний діяч Антуан Франсуа Фуркруа. У 1796 році Воклен піддав крокоит хімічному аналізу. "Усі зразки цієї речовини, які є в кількох мінералогічних кабінетах Європи, - писав Воклен у своєму звіті, - були отримані з цього (тобто Березовського. - С. В.) золотого рудника. Раніше рудник був дуже багатий цим мінералом, однак кажуть, що кілька років тому запаси мінералу в руднику виснажилися і тепер цей мінерал купують на вагу золота, особливо якщо він жовтий. Зразки мінералу, не мають правильних обрисів або розколоті на шматочки, годяться для використання їх в живопису, де вони цінуються за свою жовто-оранжеве забарвлення, не змінюється на повітрі... Красивий червоний колір, прозорість і кристалічна форма сибірського червоного мінералу змусила мінералогів зацікавитися його природою та місцем, де він був знайдений; велика питома вага і супутня йому свинцева руда, природно, змушували припускати про наявність свинцю в цьому мінералі..."
У 1797 році Воклен повторив аналіз. Розтертий в порошок крокоит він помістив в розчин вуглекислого калію і прокипятил. В результаті досвіду вчений отримав вуглекислий свинець і жовтий розчин, в якому містилася калієва сіль невідомої тоді кислоти. При додаванні до розчину ртутної солі утворювався червоний осад, після реакції зі свинцевою сіллю з'являвся жовтий осад, а введення хлориду олова окрашивало розчин в зелений колір. Після осадження соляною кислотою свинцю Воклен выпарил фільтрат, а виділилися червоні кристали (це був хромовий ангідрид) змішав з вугіллям, помістив у графітовий тигель і нагрів до високої температури.
Коли досвід був закінчений, вчений виявив в тиглі безліч сірих зрощених металевих голок. Так вперше був виділений новий елемент. Фуркруа запропонував назвати елемент хромом (по-грецьки "хрому" - забарвлення) з-за яскравого різноманітного кольору його сполук. Між іншим, склад "хром" в значенні "пофарбований" входить у багато термінів, не пов'язані з елементом хромом: слово "хромосома", наприклад, в перекладі з грецького означає "тіло, яке забарвлюється" для отримання кольорового зображення користуються приладом хромоскопом; фотолюбителям добре відомі плівки "изопанхром", "панхром", "ортохром" яскраві утворення в атмосфері Сонця астрофізики називають хромосферными спалахами і т.д.
Спочатку Воклену не сподобалося запропоноване назву, оскільки відкритий ним метал мав скромну сіре забарвлення і ніби не виправдовував свого імені. Але Фуркруа все ж зумів умовити Воклена, і, після того як французька Академія наук по всій формі зареєструвала його відкриття, хіміки усього світу внесли слово "хром" списки відомих науці елементів.
На кілька місяців пізніше Воклена новий елемент виявив в тому ж крокоите німецький хімік Мартін Генріх Клапрот, який вже мав до цього часу на своєму науковому рахунку три відкритих їм елементи - уран, цирконій і титан (пізніше до них приєднався церій). Але слава першовідкривача хрому по праву дісталася Воклену.
Знадобилося понад півстоліття, щоб виділити новий метал у чистому вигляді: це вдалося зробити в 1854 році німецькому вченому Роберту Вільгельму Бунзену, подвергнувшему хлорид хрому електролізу.
На відміну від багатьох інших металів, хрому фортуна відразу ж виявила прихильність. Висока температура плавлення, велика твердість, здатність легко утворювати сплави з багатьма елементами, зокрема, з залізом, зацікавили насамперед металургів. Роки не охолодили цього інтересу: і в наші дні металургія продовжує залишатися найважливішим споживачем хрому, хоча для цього елемента та його сполук знайшлося чимало й інших корисних занять.
Хром володіє всіма характерними властивостями металів - добре проводить тепло і електричний струм, має притаманний більшості металів блиск. Цікава одна особливість хрому: при температурі близько 37°С він веде себе явно "зухвало" - багато його фізичні властивості різко, стрибкоподібно змінюються. У цій температурній точці внутрішнє тертя хрому досягає максимуму, а модуль пружності падає до мінімальних значень. Так само раптово змінюються електрична провідність, коефіцієнт лінійного розширення, термоелектрорушійна сила.
Поки вчені намагалися знайти пояснення цій аномалії, хром поставив ще одну загадку.
Фізикам давно відома закономірність: магнітна структура матеріалу строго відповідає його кристалічній решітці. Однак дослідження надчистого хрому показали, що до нього ця закономірність відношення не має.
Навіть незначні домішки роблять хром дуже крихким, тому в якості конструкційного матеріалу його практично не застосовують, зате як легирующий елемент він здавна користується пошаною у металургів. Невеликі добавки його надають стали твердість і зносостійкість. Такі властивості притаманні шарикопідшипникової сталі, до складу якої, поряд з хромом (до 1,5%), входить вуглець (близько 1%). Утворюються в ній карбіди хрому відрізняються винятковою твердістю - вони-то і дозволяють металу впевнено протистояти одному з найнебезпечніших ворогів - зносу.
Хто не знає чудову скульптуру В.І. Мухіної "Робочий і колгоспниця"? Величний монумент, який у 1937 році прикрашав радянський павільйон на Всесвітній виставці в Парижі, а зараз височіє біля входу на Виставку досягнень народного господарства в Москві, виконаний з нержавіючої сталі, що містить приблизно 18% хрому і 10% нікелю. Але "нержавійці" вуглець шкідливий: карбидообразующие нахили хрому призводять до того, що великі кількості цього елемента зв'язуються в карбіди, що виділяються на границях зерен сталі, а самі зерна виявляються бідні хромом і не можуть стійко оборонятися проти натиску кислот і кисню. Тому вміст вуглецю в нержавіючої сталі повинно бути мінімальним (не більше 0,1%).
Оригінальну сталь з добавками хрому і алюмінію створили японські металурги: вона в сотні разів активніше гасить звукові коливання, ніж звичайна конструкційна сталь. Віконні рами і двері з "тихої" стали абсолютно безшумні, навіть якщо ними плескають що є сили. Лист з цієї сталі, падаючи на цементну підлогу, не видає ніяких звуків. Новий матеріал по достоїнству оцінили машинобудівники, які змушені щодня вислуховувати "концерти", виконувані на цехових "ударних інструментах".
При високих температурах сталь може покриватися "лускою" окалини. У деяких машинах деталі нагріваються до сотень градусів. Щоб сталь, з якої зроблені ці деталі, не страждала окалинообразованием, у неї вводять 25-30 % хрому. Така сталь витримує температури до 1000°С!
Сплави нікелю і хрому - нихромы - успішно служать в якості нагрівальних елементів: у них дуже високий електричний опір і тому при проходженні струму метал сильно нагрівається. Добавка до хромонікелевим сплавів кобальту і алюмінію надає металу здатність переносити великі навантаження при 650-900°З; з таких жароміцних сплавів виготовляють, наприклад, лопатки газових турбін. Хром входить до складу багатьох інших сплавів, про що можна судити по їх назвах: хромель, хромаль, хромансиль. Сплав комохром (він складається з кобальту, молібдену і хрому) нешкідливий для людського організму, і тому використовується у відновній хірургії. Для зубних протезів розроблений сплав кобальту і хрому, який у багато разів дешевше золота і до того ж має меншу теплопровідність: власник такого протеза може спокійно пити гарячий чай або їсти морозиво, не відчуваючи при цьому неприємних відчуттів.
Основна частина видобутої у світі хромової руди надходить сьогодні на феросплавні заводи, де виплавляється різні сорти ферохрому і металевого хрому. Вперше ферохром був отриманий в 1820 році відновленням суміші оксидів заліза і хрому деревним вугіллям в тиглі. У 1854 році вдалося отримати чистий металевий хром електролізом водних розчинів хлориду хрому. До цього ж часу відносяться і перші спроби виплавити вуглецевий ферохром в доменній печі. У 1865 році був виданий перший патент на хромистую сталь. Потреба в феррохроме почала різко зростати.
Важливу роль у розвитку виробництва ферохрому зіграв електричний струм, точніше електротермічний спосіб отримання металів і сплавів. У 1893 році французький учений Муассан виплавив в електропечі вуглецевий ферохром, що містить 60% хрому і 6% вуглецю.
У дореволюційній Росії феросплавне виробництво розвивалося черепашачими темпами. Мізерні кількості феросиліцію і феромарганцю виплавляли доменні печі південних заводів. У 1910 році на березі річки Сатка (Південний Урал) був побудований маленький електрометалургійний завод "Пороги", який став виробляти ферохром, Еч потім і феросиліцій. Але про задоволення потреб своєї промисловості не могло бути й мови: потреба Росії в феросплавах доводилося майже повністю покривати ввезенням їх з інших країн.
Молода Радянська держава не могла залежати від капіталістичних країн у такій найважливішій галузі промисловості, як виробництво якісних сталей, що є основним споживачем феросплавів. Щоб втілити в життя грандіозні плани індустріалізації нашої країни, була потрібна сталь конструкційна, інструментальна, нержавіюча, шарикоподшипниковая, автотракторна. Один з найважливіших компонентів цих сталей - хром.
Вже в 1927-1928 роках почалося проектування і будівництво феросплавних заводів. В 1931 році вступив в дію Челябінський завод феросплавів, який став первістком нашої феросплавної промисловості. Один з творців радянської якісної металургії член-кореспондент Академії наук СРСР B. C. Ємельянов в ці роки перебував у Німеччині, куди він був направлений для вивчення досвіду зарубіжних фахівців.
У своїх спогадах він розповідає про цікавий розмові, який стався у нього з одним із металургів: "У 1933 році на невеликому німецькому заводі я запитав головного інженера:
- Кому ви продаєте виготовлений на заводі ферохром?
Він почав перераховувати:
- Приблизно п'ять відсотків усього виробництва ми поставляємо довколишніх хімічним заводам, два відсотки у нас купує завод Беккера, близько трьох відсотків...
Перебивши його, я запитав:
- Ну, а багато у вас купує Радянський Союз?
- А Радянський Союз-коли як. Сімдесят п'ять - вісімдесят відсотків нашої продукції ми відправляємо на ваші заводи. Так ми і працюємо на уральської хромової руди".
Так, в той час наша хромова руда вивозилася не тільки Німеччину, але і в Швецію, Італію, США. Та у них же нам доводилося купувати ферохром. Але коли слідом за Челябінським в 1933 році були побудовані ще два феросплавних заводи - в Запоріжжі і Зестафоні, наша країна не тільки припинила ввозити найважливіші феросплави, в тому числі і ферохром, але й отримала можливість експортувати їх за кордон. Якісна металургія країни була практично повністю забезпечена необхідними матеріалами вітчизняного виробництва.
У 1936 році в Казахстані, в районі Актюбінська, були знайдені величезні поклади хроміту - основного промислового сировини для виробництва ферохрому. У роки війни на базі цього родовища був побудований Актюбинский феросплавний завод, який згодом став найбільшим підприємством по випуску ферохрому і хрому всіх марок.
Дуже багатий хромовою рудою Урал: невипадково саме тут був знайдений мінерал, в якому Воклену вдалося відкрити хром. Є родовища цього елемента і в багатьох інших країнах. А під час подорожі по Місяці радянського місяцеходу його прилади встановили наявність хрому в районі Моря Дощів. Але якщо до Моря Дощів досить далеко, то до Червоного моря, як кажуть, рукою подати. Тут недалеко від берегів Судану французькі вчені виявили своєрідну яму, глибина якої сягала 2200 метрів, причому вода на цій глибині виявилася дуже гарячою. Дослідники опустилися в провал на батискафі, але незабаром їм довелося повертатися, оскільки сталеві стінки апарату швидко нагрілися до 43°С. Проби води, взяті на цій глибині, показали, що "яма" практично заповнена гарячою рідкою рудою: вміст у воді хрому, заліза, золота, марганцю і багатьох інших металів виявилося надзвичайно високим. Цілком можливо, що в найближчі роки фахівці впритул займуться розробкою цих "коктейлів" з металів.
Хроміти широко використовують і у вогнетривкій промисловості. Магнезитохромитовый цегла - відмінний вогнетривкий матеріал для футеровки мартенівських печей і інших металургійних агрегатів. Цей матеріал володіє високою термостійкістю, йому не страшні багаторазові різкі зміни температури.
Хіміки використовують хроміти для отримання бихроматов калію і натрію, а також хромових квасців, які застосовуються для дублення шкіри, що додає їй красивий блиск і міцність. Таку шкіру називають хромом, а чоботи з неї хромовими.
Щовечора над Москвою спалахують рубінові зірки Кремля. У світі дорогоцінного каміння рубіну належить друге місце після алмазу. По древньому індійському переказами рубіни утворилися з крапель крові, пролитої богами: "Падають краплі важкої крові на лоно ріки, в глибокі води, відображення чудових пальм. І назвалася річка з тих пір Раванагангой, і загорілися з тих пір ці краплі крові, перетворені в камені рубіна, і горіли вони з настанням темряви казковим огнем, гарячим всередині, і пронизывались води цими вогненними променями...", - так розповідає про походження рубіна стародавня східна легенда. В наші дні технологія отримання чудового червоного каменю значно спростилася і богам вже не треба проливати свою священну кров: для цього в оксид алюмінію вводять дозовану добавку оксиду хрому, - йому-то і зобов'язані рубінові кристали своїм чарівним кольором. Але штучні рубіни цінуються не тільки за свої прекрасні зовнішні дані: народжений з їх допомогою лазерний промінь здатний творити чудеса. Подібно до чарівного променю, створеному гиперболоидом інженера Гаріна і багатою фантазією Олексія Толстого, промінь лазера може розрізати будь-які метали з тією ж легкістю, з якою ножиці ріжуть папір, або прошивати в алмазах, корундах та інших "міцних горішках" найтонші отвори, не проявляючи ні найменшого поваги до їх всесвітньо відомої твердості.
Оксид хрому дозволив тракторостроителям значно скоротити терміни обкатки двигунів. Зазвичай ця операція, під час якої всі тертьові деталі повинні звикнути один до одного, тривала досить довго і це, звичайно, не дуже влаштовувало працівників тракторних заводів. Вихід з положення був знайдений, коли вдалося розробити нову паливну присадку, до складу якої увійшов оксид хрому. Секрет дії присадки простий: при згорянні палива утворюються дрібні абразивні частки оксиду хрому, які, осідаючи на внутрішніх стінках циліндрів і інших піддаються тертю поверхнях, які швидко ліквідують шорсткості, полірують і щільно підганяють деталі. Ця присадка в поєднанні з новим сортом масла дозволила в 30 разів скоротити тривалість обкатки.
Не так давно оксид хрому придбав ще одну цікаву спеціальність: виготовлена магнітофонна плівка, робочий шар якої не містить оксид заліза, як зазвичай, а оксид хрому. Заміна виявилася вдалою - зросла щільність запису, покращилася якість звучання, плівка стала надійніше в роботі. Новинка в першу чергу отримала прописку в блоках магнітної пам'яті електронних обчислювальних машин.
Фотоматеріали і ліки, каталізатори для хімічних процесів і металеві покриття - всюди хром виявляється при справі. Про хромових покриттях слід, мабуть, розповісти докладніше.
Давно було помічено, що хром не тільки відрізняється великою твердістю (в цьому відношенні у нього немає конкурентів серед металів), але і добре опирається окислення на повітрі, не взаємодіє з кислотами. Тонкий шар цього металу спробували электролитически осаджувати на поверхню виробів з інших матеріалів, щоб оберегти їх від корозії, подряпин і інших "травм". Однак хромові покриття виявилися пористими, легко відшаровувалися і не виправдовують покладених на них надій. Майже три чверті століття билися вчені над проблемою хромування, і лише в 20-х роках нашого століття проблема була вирішена. Причина невдач полягала в тому, що при цьому використовується електроліт містив тривалентний хром, який не міг створити потрібне покриття. А ось його шестивалентному побратиму така задача виявилася по плечу. З цього часу в якості електроліту почали застосовувати хромову кислоту - в ній валентність хрому дорівнює 6. Товщина захисних покриттів (наприклад, на деяких зовнішніх деталях автомобілів, мотоциклів, велосипедів) досягає 1 міліметра. Але іноді хромове покриття використовують в декоративних цілях, для обробки годин, дверних ручок та інших предметів, що не піддаються серйозній небезпеці. У таких випадках на виріб наносять найтонший шар хрому (0,0002-0,0005 міліметра).
Литовські хіміки розробили спосіб створення багатошарової "кольчуги" для особливо відповідальних деталей. Найтонший верхній шар цього покриття (під мікроскопом його поверхню і справді нагадує кольчугу) складається з хрому: в процесі служби він першим приймає вогонь на себе, але поки хром окислюється, проходять багато років. Тим часом деталь спокійно несе свою відповідальну службу.
До недавніх пір хромировали тільки металеві деталі, але тепер вчені навчилися наносити хромову броню і на вироби з пластмас. Підданий випробуванням широко відомий полімер - полістирол, одягнений в хром, став міцніше, для нього виявилися менш страшними такі одвічні вороги конструкційних матеріалів, як стирання, вигин, удар. Само собою зрозуміло, зріс термін служби деталей.
Хромова броня знадобилася навіть такого еталону твердості, яким по праву вважається алмаз. Справа в тому, що далеко не всі здобуті алмази можуть бути використані для виготовлення обробного інструменту: як правило, природні алмази мають безліч маленьких тріщинок, які роблять камені непридатними для установки на різці або бурові коронки: як тільки такий інструмент стосувався металу або твердої породи, алмаз розсипався на дрібні осколки. Крім того, кристалики природних алмазів часто вискакували з державки інструменту. Щоб усунути цей недолік, вчені запропонували покривати алмази тонкою плівкою хрому, досить щільно з'єднуються і з алмазом, і з мідною державкою.
Металлізованний алмаз був підданий випробуванням. І що ж з'ясувалося? Алмаз надійно тримався в інструменті, а термін служби кристала зріс у кілька разів. Коли такий кристал досліджували під мікроскопом, на одній з граней виявили досить глибоку тріщинку, зацементовану плівкою, покривала камінь. Виявилося, що атоми хрому, з'єднавшись з вуглецем алмазу, утворили на його поверхні тверді карбіди, причому хром проник і в тріщинку, стінки якої також вкрилися карбідної бронею. А шар чистого хрому, прилеглий до державки, утворив з міддю сплав, завдяки чому алмаз міцно закріпився в інструменті. Так з допомогою хрому вдалося вбити двох зайців: інструмент став довговічніше, а алмаз - міцніше... алмазу.
У 1974 році в Дубні вченими Об'єднаного інституту ядерних досліджень був отриманий ізотоп трансуранового елемента з порядковим номером 106. Увінчалася успіхом реакція ядерного синтезу сталася в результаті бомбардування свинцевою мішені прискореними іонами хрому. Свинець вже не раз служив мішенню в таких дослідах, а хром був обраний за чисто арифметично міркувань: разом з 82 протонами, якими має ядро атома свинцю, 24 протона ядра хрому склали при злитті цих ядер потрібне число - 106. І хоча ізотоп цього елементу живе всього кілька мілісекунд, чутливі прилади зафіксували народження нового трансурана.
...Перш ніж закінчити розповідь про хромі, ми знову звернемося до спогадів B.C. Ємельянова. "Два роки тому, - писав учений у 1967 році, - я дізнався глибоко взволновавшую мене новина, що залишилася в нашій країні - на жаль! - непоміченою. Ми продали партію ферохрому Англії - країні, яка завжди була для нас символом технічного прогресу. І ось тепер Англія купує наш ферохром! Англійці розуміють толк в тому, що купують".
